德州學院汽車工程學院 李敏 朱恒偉

新能源客車車身結(jié)構(gòu)設計及強度分析

德州學院汽車工程學院 李敏 朱恒偉

本文采用基于有限元法的新能源客車車身機構(gòu)優(yōu)化設計及強度分析，結(jié)合拓撲理論，確定了汽車的結(jié)構(gòu)形式，對拓撲后的車身結(jié)構(gòu)進行有限元分析,保證了車身強度。分析證明：在保證車身結(jié)構(gòu)強度的基礎上，做到了新能源客車車身的輕量化設計，為新能源客車車身結(jié)構(gòu)設計提供了一條有效途徑。

新能源客車；車身；拓撲優(yōu)化；有限元法

引言

目前，安全、節(jié)能、環(huán)保成為汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要方向。大客車車身骨架作為主要承載結(jié)構(gòu)，其重量約占大客車總重量的30%～40%[1]，合理的汽車輕量化設計不但可以減重，有效地實現(xiàn)節(jié)能減排，還可以在一定程度上改善汽車性能。

1 拓撲優(yōu)化理論基礎研究

在拓撲優(yōu)化過程中首先應建立基礎模型，然后通過優(yōu)化搜索方法保留結(jié)構(gòu)中必要部分，去掉非必要部分，以確定結(jié)構(gòu)的最優(yōu)布局，以整體結(jié)構(gòu)離散成n個單元，則每個單元為xi（i=1,2.3.... ..n），優(yōu)化后若第j個單元為非必要單元，則xj為0，反之則為1[2]。為更好做到優(yōu)化設計，采用的優(yōu)化方法為變密度法[3]。

其數(shù)學表達式為：

其中：F（x）為目標函數(shù)；gj（x）為約束條件；hk（x）為等式約束；

在連續(xù)體拓撲優(yōu)化過程中首先應建立拓撲優(yōu)化空間，然后確定邊界條件及受載狀態(tài)，然后確定相應的優(yōu)化算法進行優(yōu)化，在優(yōu)化過程中軟件自動刪除一些無關材料，最終達到最優(yōu)?？蛙嚬羌芡負鋬?yōu)化流程如圖1所示。

圖1 客車骨架拓撲優(yōu)化流程

2 新能源客車車身受載分析及拓撲優(yōu)化

新能源客車優(yōu)化設計首先應確定優(yōu)化空間，基于客車的全承載式結(jié)構(gòu)，客車車頂、底架、左右側(cè)面為拓撲優(yōu)化區(qū)域。大客車頂部需要設置兩個緊急逃生窗口，所以預留兩方形孔，左右側(cè)面窗口和車門均為必要結(jié)構(gòu)，所以在建立拓撲空間時應該預留出該部分，并設為非優(yōu)化區(qū)域[4,5]。

現(xiàn)有新能源客車車身是由Q235鋼材焊接而成，Hypermesh中定義其材料屬性和力學特性，如表1所示。

表1 車身材料屬性

根據(jù)實際模型需求，考慮到客車的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，采用更易收斂的四邊形網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分后形狀見圖2。

圖2 客車車身網(wǎng)格劃分

根據(jù)車身結(jié)構(gòu)及受載情況對客車車身進行加載，其中車身質(zhì)量均勻作用于客車前后輪部分，并對前輪施加電池箱載荷，乘客載荷根據(jù)客車車座位置設定，其它忽略。車身參數(shù)見表2。

表2 車身參數(shù)

根據(jù)客車運行情況，對客車前后車輪進行全約束，以柔度最小為目標，設置拓撲優(yōu)化體積預留量為0.2，經(jīng)過42次迭代，拓撲優(yōu)化結(jié)果如圖3所示。

圖3 新能源客車拓撲優(yōu)化模型

李敏，男，1994年5月出生，山東萊蕪人，本科在讀，研究方向：拓撲優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)設計。