張苗莉，任金東，周姍姍

(1.吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022； 2.一汽轎車股份有限公司，長(zhǎng)春 130011)

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基于以界面力度量的車身承載度的客車結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

張苗莉1，任金東1，周姍姍2

(1.吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022； 2.一汽轎車股份有限公司，長(zhǎng)春 130011)

在傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法基礎(chǔ)上，采用車身結(jié)構(gòu)承載度的另一種度量方法——界面力法，對(duì)某半承載式客車的車身承載度進(jìn)行了分析，并以提高車身承載度為目標(biāo)，對(duì)該客車的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。首先，通過(guò)計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)變能密度發(fā)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)承擔(dān)載荷較少，沒(méi)有充分發(fā)揮車身材料的性能，且不同環(huán)結(jié)構(gòu)承擔(dān)的載荷不同，整車后部環(huán)的承載度大于前部的環(huán)。其次，根據(jù)應(yīng)變能分析結(jié)果選定底架部分零件(前后縱梁和行李倉(cāng)構(gòu)件)作為優(yōu)化對(duì)象，并以它們的截面尺寸和厚度作為優(yōu)化變量，制定實(shí)驗(yàn)方案并進(jìn)行了優(yōu)化。對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)的性能(強(qiáng)度、彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和低階模態(tài))進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，優(yōu)化的結(jié)果比較理想，說(shuō)明界面力法能準(zhǔn)確地計(jì)算出車身各個(gè)環(huán)結(jié)構(gòu)的承擔(dān)載荷和載荷在車身上的分布情況，為有針對(duì)性地進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了優(yōu)化方向。文中采用的車身承載度指標(biāo)能有效權(quán)衡車身和底架的材料分配，可作為衡量客車結(jié)構(gòu)合理性的一個(gè)指標(biāo)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)。

客車；車身承載度；界面力；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

前言

長(zhǎng)途營(yíng)運(yùn)客車載客量大、運(yùn)行頻繁、線路長(zhǎng)，其安全性和能耗不容忽視，需要采用各種仿真方法對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[1-2]，尤其是在滿足功能的基礎(chǔ)上更加注重性能的優(yōu)化。為此，子結(jié)構(gòu)法[3]、多目標(biāo)遺傳算法、移動(dòng)最小二乘響應(yīng)面法、序列響應(yīng)面法等相繼出現(xiàn)和應(yīng)用[4-12]；梁體混合建模[13]、靈敏度分析、應(yīng)變能分析等技術(shù)層出不窮，用以鑒別優(yōu)化方向，提高計(jì)算效率[14-16]。

客車結(jié)構(gòu)按照車身參與承載的程度不同分為半承載式和全承載式。半承載式結(jié)構(gòu)是在底盤(pán)基礎(chǔ)上焊裝車身，便于制造，但其前后縱梁較笨重，車身參與承載較少；且企業(yè)通過(guò)組裝方式制造整車，不利于整車的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。全承載式結(jié)構(gòu)由空間桁架式結(jié)構(gòu)組成，材料利用率高[17-20]。目前，無(wú)論是半承載還是全承載結(jié)構(gòu)，車身承擔(dān)的載荷所占比重仍不高，需要通過(guò)優(yōu)化來(lái)充分發(fā)揮車身材料性能[17]。對(duì)于半承載式客車生產(chǎn)企業(yè)，如何在保持原有生產(chǎn)模式基本不變，改進(jìn)現(xiàn)有的半承載式結(jié)構(gòu)，提高車身的承載作用，非常值得研究。

車身結(jié)構(gòu)承載度[21]用于描述整車結(jié)構(gòu)中車身承載的比重?？茖W(xué)合理地度量車身承載度是明確車身材料利用狀況和有針對(duì)性地進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的前提。以往車身承載度的評(píng)價(jià)方法有以下幾種。

(1) 基于強(qiáng)度的評(píng)價(jià)[21]以某一應(yīng)力水平為基準(zhǔn)，分別計(jì)算出底架和整車的承載能力并進(jìn)行對(duì)比。

(2) 基于剛度的評(píng)價(jià)[21]以整車剛度與底架剛度的比值來(lái)計(jì)算車身承載度。

(3) 基于變形比的評(píng)價(jià)[22-23]已知車身與底架的變形時(shí)，可用二者的變形比來(lái)評(píng)價(jià)車身承載度。

(4) 基于變形能的評(píng)價(jià)[22-23]用車身結(jié)構(gòu)的變形能與整車結(jié)構(gòu)總變形能之比來(lái)評(píng)價(jià)車身承載度。

車身承載度，顧名思義就是反映車身承擔(dān)載荷比重的指標(biāo)。對(duì)于基于強(qiáng)度的評(píng)價(jià)方法，由于車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素可能導(dǎo)致局部高應(yīng)力區(qū)，因此該方法不能綜合反映車身的承載情況?；趧偠群妥冃伪鹊脑u(píng)價(jià)方法與車身承載度有關(guān)系，但又不等同?；谧冃文艿姆椒軓暮暧^上反映車身承擔(dān)的載荷比重，但不能反映具體細(xì)節(jié)。本文中采用界面力法[22]來(lái)評(píng)價(jià)車身承載度，對(duì)某半承載式客車的車身承載度進(jìn)行分析，并以提高車身承載度為目標(biāo)，對(duì)該客車的結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行研究。

1 車身承載度評(píng)價(jià)的界面力法

界面力是車身與底架、底架與懸架連接部位所傳遞的力，這里主要指所傳遞的z向力，因?yàn)樗紝?shí)際界面力的絕大部分。用這兩個(gè)力之比來(lái)評(píng)價(jià)車身承載度?？蛙囓嚿斫Y(jié)構(gòu)的側(cè)圍立柱與上圍橫梁連接，構(gòu)成環(huán)形結(jié)構(gòu)。其中有些環(huán)結(jié)構(gòu)可能斷開(kāi)而并非貫通的。本文中只是借助于“環(huán)”結(jié)構(gòu)特征來(lái)表達(dá)力的傳遞。底架通常通過(guò)外伸橫梁向車身傳遞力，且車身最大變形通常位于兩側(cè)圍上，因此選取側(cè)圍與底架連接的部分作為界面計(jì)算各個(gè)環(huán)的承載度。底架傳給車身的力主要是附近的懸架經(jīng)由底架傳遞而來(lái)，因而評(píng)價(jià)車身承載度時(shí)應(yīng)采用相臨的界面點(diǎn)(底架與車身和與之相鄰的懸架與底架界面點(diǎn))進(jìn)行計(jì)算。設(shè)Fmi為車身環(huán)i處受到的來(lái)自底架的界面力，F(xiàn)nj為鄰近環(huán)處的懸架傳遞給底架的界面力，如圖1所示，則環(huán)i處的承載度為

pi=Fmi/Fnj

(1)

整個(gè)車身的承載度定義為各環(huán)承載度的加權(quán)平均，即

(2)

式中：wi為車身各環(huán)承載度的權(quán)系數(shù)；pi為車身環(huán)i的承載度；n為環(huán)數(shù)。

半承載式客車結(jié)構(gòu)主要由底架承擔(dān)載荷，車身參與承載較少，因此應(yīng)著重對(duì)底架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。界面力法尤其適合對(duì)半承載式客車結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2 某客車車身承載度分析

以某大型高二級(jí)長(zhǎng)途客車為研究對(duì)象。該車總長(zhǎng)12m，寬2.55m，高3.7m，軸距6.3m，空載總質(zhì)量12t，最高車速120km/h，座位數(shù)49個(gè)。車身骨架采用冷彎型鋼組焊，構(gòu)成半承載式車身，底架為三段式大梁結(jié)構(gòu)。行李倉(cāng)位于下部。車身左右側(cè)圍與上圍共形成9個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)環(huán)在側(cè)圍有左右2處與底架橫梁焊接，即圖2中的miL或miR點(diǎn)(i=1，2，…，9)，下標(biāo)L或R表示左或右側(cè)(下同)；相應(yīng)的界面力為FmiL或FmiR。懸架與底架的連接點(diǎn)為njL或njR點(diǎn)(j=1，2，…，4)，相應(yīng)的界面力為FnjL或FnjR。底架受到懸架支撐點(diǎn)傳來(lái)的力，然后將這些力通過(guò)9個(gè)環(huán)傳遞至車身，于是，這9個(gè)環(huán)的承載度綜合反映了車身的承載程度。

依次計(jì)算單個(gè)環(huán)的承載度，將它們加權(quán)平均后得到車身承載度。各環(huán)承載度的權(quán)系數(shù)根據(jù)該環(huán)界面力占所有環(huán)界面力之和的百分比計(jì)算。利用MSC.Nastran計(jì)算得出各工況下各界面力和環(huán)的承載度。表1示出彎曲工況下各界面力的分布和各環(huán)承載度，最終車身承載度為12.2%。表2給出了其它工況的計(jì)算結(jié)果。由表1和表2可知：

表1 彎曲工況界面力計(jì)算結(jié)果

(1) 在不同工況下車身承載度不同，彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況的承載度小于制動(dòng)和急轉(zhuǎn)彎工況。

(2) 車身承載度的整體水平偏低。每個(gè)連接點(diǎn)上底架向車身傳遞的力較小，使每個(gè)環(huán)的承載度偏小，導(dǎo)致車身承載度偏小。

(3) 不同環(huán)界面點(diǎn)所傳遞的力不同，主要原因是底架和車身結(jié)構(gòu)材料分配不夠合理。圖3示出各工況下各環(huán)承載度，可見(jiàn)有的環(huán)傳遞的力大(如環(huán)7、5)，有的環(huán)傳遞的力小(如環(huán)8)，原因與其相對(duì)應(yīng)的底架結(jié)構(gòu)有關(guān)。

(4) 前五環(huán)分布于整車的前半部分，后四環(huán)分布于后半部分。后半部分環(huán)的承載比前半部分大，主要是由于后縱梁上安裝了動(dòng)力總成等裝置，使受力偏大，向車身傳遞的力也較大。

(5) 同一工況下，同一個(gè)環(huán)左右兩邊傳遞的力不同，有的相差較大，與載荷邊界條件和結(jié)構(gòu)不對(duì)稱有關(guān)。

3 面向車身承載度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究

3.1.1 確定優(yōu)化方向

結(jié)構(gòu)優(yōu)化之前先要確定要優(yōu)化的構(gòu)件。靈敏度分析是常用的方法，以找出對(duì)結(jié)構(gòu)性能影響較大的零件，作為優(yōu)化對(duì)象[24-25]。但靈敏度分析要對(duì)大量的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，才能找出對(duì)結(jié)構(gòu)性能影響大的零件。事實(shí)上，靈敏度分析更適用于明確了要優(yōu)化的結(jié)構(gòu)之后，進(jìn)一步找出要優(yōu)化的參數(shù)。本文中采用應(yīng)變能密度法，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析找出結(jié)構(gòu)各零件在典型工況下的應(yīng)變能密度分布情況，將應(yīng)變能密度小的零件作為優(yōu)化對(duì)象。

表2 其它工況的車身承載度計(jì)算結(jié)果

通過(guò)應(yīng)變能分析發(fā)現(xiàn)，底架大部分構(gòu)件應(yīng)變能密度普遍很小，說(shuō)明底架結(jié)構(gòu)過(guò)于笨重，材料遠(yuǎn)沒(méi)有充分利用。圖4示出整車彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下底架零件的應(yīng)變能密度分布，對(duì)應(yīng)的零件位置見(jiàn)圖5。可見(jiàn)，很多底架構(gòu)件應(yīng)變能密度很小，結(jié)構(gòu)比較笨重，使車身承擔(dān)載荷較小。因此，底架每一根桿件都可作為優(yōu)化的對(duì)象。本文從中選擇應(yīng)變能密度很小的前后縱梁和行李倉(cāng)部分構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化。

3.1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

縱梁常采用槽型截面或H形截面，其彎曲剛度較好[25]。考慮到底架縱梁主要承擔(dān)彎曲載荷，上面還要安裝其它總成，因此仍采用槽型截面，優(yōu)化的目標(biāo)是其截面尺寸。為簡(jiǎn)化計(jì)算，用梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)澐志W(wǎng)格，賦予相應(yīng)的截面屬性，計(jì)算截面屬性與承載度的關(guān)系，選擇最優(yōu)值作為縱梁截面尺寸。

槽形截面屬性簡(jiǎn)化為厚度(T)、寬度(W)和高度(H)。計(jì)算出各自情況下的車身承載度，觀察其隨截面屬性的變化趨勢(shì)。限于篇幅，這里只給出前縱梁的結(jié)果。圖6為彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下各環(huán)承載度隨截面尺寸的變化情況。縱梁截面厚度對(duì)車身承載度有一定的影響，對(duì)彎曲工況的影響大一些。隨著厚度的減小，車身承載度逐漸增大，所以，滿足強(qiáng)度、剛度要求前提下厚度小些為好。彎曲工況下的車身承載度受高度變化的影響較大。單獨(dú)改變前縱梁的寬度對(duì)車身承載度的影響不大；對(duì)扭轉(zhuǎn)工況而言，隨著寬度的減小，車身承載度甚至有減小的趨勢(shì)，但變化較小。考慮上述趨勢(shì)和工程實(shí)際即可確定縱梁截面尺寸。

在前后縱梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)基礎(chǔ)上，對(duì)行李倉(cāng)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化。原始方案和改進(jìn)方案的各零件截面規(guī)格列于表3。采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)確定仿真實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行計(jì)算，選出一組最優(yōu)的截面尺寸，結(jié)果如表4所示?？梢?jiàn)，優(yōu)化后扭轉(zhuǎn)和彎曲工況下車身承載度分別提高4.2%和3.9%，且大部分環(huán)的承載度都有所提高(環(huán)3、9承載度略有下降，但幅度不大)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的改進(jìn)使底架向車身的傳力有了一定調(diào)整。

表4 改進(jìn)前后承載度對(duì)比 %

3.2 優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)性能對(duì)比

對(duì)修改后的模型進(jìn)行基本性能分析，與原模型進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算結(jié)果如表5所示。結(jié)果表明，修改后結(jié)構(gòu)1階彎曲和扭轉(zhuǎn)頻率都有所提高，整車剛度略有下降，質(zhì)量約減輕了263kg，而車身承載度有一定提升，提高了材料利用率。

表5 結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后基本性能對(duì)比

4 結(jié)論

(1) 提出了一種新型車身承載度指標(biāo)，利用它對(duì)某半承載式客車的車身承載度進(jìn)行計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)該客車的車身結(jié)構(gòu)承擔(dān)載荷很少，沒(méi)有充分發(fā)揮車身部分的材料性能；同時(shí)，不同環(huán)承擔(dān)的載荷不同，整車后部分環(huán)的承載度大于前部的環(huán)，說(shuō)明車身后部承擔(dān)的載荷較大，而前后部分骨架結(jié)構(gòu)的截面尺寸一樣，表明底架和骨架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不完善，需要進(jìn)行改進(jìn)。

(2) 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了能量密度和靈敏度分析，選定前后縱梁和行李倉(cāng)零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)顯著地提高了車身各環(huán)結(jié)構(gòu)的承載度，從而提高了整個(gè)車身承擔(dān)載荷的比重，且在基本未降低原有性能的基礎(chǔ)上，將結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕很多，得到了良好的輕量化效果。

(3) 界面力法不僅能客觀地計(jì)算出車身結(jié)構(gòu)承擔(dān)載荷的比重，而且能清楚地將車身各個(gè)環(huán)結(jié)構(gòu)的承載情況計(jì)算出來(lái)，從而得知載荷在車身上的分布情況，為有針對(duì)性地進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了優(yōu)化方向。同時(shí)，還能觀察各個(gè)車身與底架連接點(diǎn)處傳遞力的大小，從而可從力的傳遞路徑上判斷相關(guān)結(jié)構(gòu)合理性，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

(4) 該車身結(jié)構(gòu)承載度計(jì)算的界面力法，以及在此基礎(chǔ)上的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法還處于探索階段，沒(méi)有考慮力矩的作用和側(cè)翻安全性的要求。今后擬進(jìn)行有關(guān)的仿真與實(shí)驗(yàn)研究來(lái)獲取理想情況下車身各環(huán)和車身整體承載度的經(jīng)驗(yàn)值，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化依據(jù)。

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A Study on Coach Structure Optimization Based on Load Ratioof Vehicle Body Measured by Interface Force

Zhang Miaoli1, Ren Jindong1& Zhou Shanshan2

1.CollegeofAutomotiveEngineering,JilinUniversity,Chuangchun130022； 2.FAWCarCo.Ltd.,Changchun130011

On the basis of traditional methods, another measuring method for load ratio of vehicle body, i.e. interface force method is adopted to analyze the load ratio of a semi-monocoque body of a coach and modify its structure with increasing its load ratio as objective. Firstly it is found by the calculation of the strain energy density of structure that the body structure bears lesser load, its material insufficiently fulfills its function, and different rings bear different loads with the load ratio of rings in rear position higher than those in front position. Then based on the results of strain energy density analysis, some parts in under-frame, such as front and rear longitudinal rails and luggage compartment are selected to be optimized, with their section size and thickness taken as optimization variables, and the performances of structure modified (strength, bending stiffness, torsional stiffness and low-order modal frequencies) are analyzed and compared with those of original one. The results show that the outcome of optimization is satisfactory, demonstrating that interface force method can accurately calculate the loads borne by each ring structure of body and their distribution, guiding the direction of targeted structure modification and optimization. The load ratio indicator adopted can effectively judge the material distribution between the body and under-frame of vehicle and can be an indicator of measuring the rationality of coach structure and an objective of optimization.

coach; load ratio of vehicle body; interface force; structural optimization

原稿收到日期為2015年10月9日，修改稿收到日期為2015年12月29日。