客车车身结构拓扑优化设计

周 伟，宋学伟

（1.安徽江淮汽车股份有限公司，合肥 230601；2.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022）

1 概述

现代汽车工程师认为，在车身结构设计的初始阶段应引入拓扑优化设计，而不是由经验来设计或改造结构[1]。拓扑优化设计属于概念设计范畴，开展于概念设计的早期，为设计者提供合理的结构布局形式。应用拓扑优化技术得到产品的最优拓扑，使材料分布达到最优，可极大地提高材料利用率，从而降低质量优化性能。客车车身是由杆件焊接而成的结构，通过拓扑优化得到车身杆件的布局形式，在车身概念设计阶段发挥很好的作用[2]。

车身设计一般以刚度为指标，满足刚度要求的车身，强度等一般都能满足要求。所以本文综合考虑弯曲刚度和扭转刚度，对大客车车身进行拓扑优化设计，根据拓扑优化结果，完成客车车身骨架杆件的布置。并对拓扑后的车身骨架进行有限元分析，以验证其性能是否满足要求。

本文研究的是一款12 m 长、三段式底盘的客车车身。这种车身结构属于半承载式，把三段式车架与地板结合在一起，经过合理的结构设计使整个底架部分的杆件尽量承受轴向力，从而可以避免采用贯通前后规格很大的纵梁，减少材料使用量，并使承载式车身的各种优良性都能得到很好的体现。

由力学特性可知，杆件轴向承载能力强于非轴向。要保证半承载式车身具有足够的弯曲刚度和扭转刚度，车架的纵梁都取得较大。所以弯曲刚度和扭转刚度是半承载式车身结构的重要指标，只要刚度满足要求，其强度和疲劳性能一般都能满足要求。因此，本文对半承载式车身进行拓扑优化设计以刚度作为约束条件[3-5]。

2 拓扑优化设计

2.1 车身拓扑优化空间的建立

优化问题的三要素是设计变量、目标函数和约束函数，根据三要素拓扑优化的数学模型可以表述为[6-9]

设计变量：X=（x1，x2，…xn）T

目标函数：F（X）

约束函数：gj（X）≤0（j=1，2…，m）

hk（X）=0（k=1，2，…，l）

式中：gj（X）表示不等式约束函数；m 为不等式约束的数目；hk（X）表示等式约束函数；l 为等式约束的数目。

拓扑优化首先要建立车身拓扑优化空间，选取尽可能大的区域作为拓扑空间，以充分挖掘拓扑优化的潜力。顶棚有两个天窗，把整个顶棚作为一个拓扑空间，优化结果处理时再预留天窗的位置；前围预留前风窗的位置，其余部分作为拓扑优化区域；后风窗相对前风窗要小得多，因此，把整个后围作为一个拓扑区域，优化结果处理时再预留后风窗的位置；左右侧围构建拓扑区域时预留各侧窗的位置，右围还要预留前门和中门的位置。另外，左右侧围还要预留行李门的位置，其余部分作为优化空间；整个地板作为一个拓扑区域，地板与左右侧围采用共节点的方式连接；三段式底盘的前后段不做拓扑优化设计，主要是由于前后悬架需要复杂工装模具，费用高，保留三段式底盘的前后段以保证前后悬架的工装模具不变。车身拓扑优化空间见图1。

2.2 载荷和约束的处理

客车在行驶过程中最常见的是弯曲工况和弯扭组合工况，因此，以这两种工况对车身进行拓扑优化设计[10-11]。本文在Hyperworks/Optistruct 模块中进行拓扑优化设计。

弯曲工况主要模拟客车在水平良好的路面上匀速行驶，客车车身骨架主要承受的载荷是弯曲载荷，车身骨架发生弯曲变形。主要的载荷及加载方式：座椅、乘客的重量以集中载荷的形式施加到车架座椅安装点附近的节点上；行李的质量以均布载荷的形式加载到行李架上；动力总成的重量以静力等效的原则加载到相应的节点。约束左后轮支撑点X、Y、Z 三个方向的平动自由度；约束右后轮支撑点X、Z 两个方向的平动自由度；约束左前轮支撑点Y、Z 两个方向的平动自由度；约束右前轮Z方向的平动自由度。

弯扭组合工况是客车一个车轮悬空而其它三个车轮着地的工况，这是极其危险的行驶工况，主要模拟客车低速通过崎岖不平路面的工作情况。此时作用在车架的载荷变化得非常缓慢，客车的惯性载荷很小，车身的受力特性可以看作是静态的。弯扭组合工况分为左前轮悬空、右前轮悬空、左后轮悬空、右后轮悬空四种工况。本文以右前轮悬空为拓扑优化设计工况，载荷和弯曲工况相同，释放右前轮支撑点处的所有自由度。

2.3 拓扑优化计算

以车身质量最小作为目标函数，分别以弯曲刚度和扭转刚度为约束条件。优化时，对大客车车身前后围以及地板施加左右对称约束使拓扑优化结果具有对称性。利用Hyperworks OptiStruct 模块进行拓扑优化计算，车身主要部分的优化结果如图2-图6 所示。

从优化结果可以看出，载荷多的地方材料保留较多，载荷少的地方材料保留较少；载荷路径明显，左右侧围有几根明显的大梁，且大多数都与裙部立柱相接，这样便于力的传递，不容易产生应力集中。整体上看拓扑优化的结果比较合理，力的传递路径明显，但在某些局部区域也有不够合理的，如有些地方虽然保留了材料，但这些材料却没有和周围的连接在一起，这样就不能有效地进行力的传递，需要进行一定的处理。

2.4 拓扑优化结果处理

根据拓扑优化结果确定车身骨架结构，构造新客车车身结构时参照原车身骨架构件，依据原车身骨架杆件的截面参数确定新车身骨架杆件的截面参数。对拓扑优化结果处理时要遵循一定的原则，使新车身构件易于加工，保证新车身骨架整体受力协调。后围在拓扑优化设计中没有保留明显的材料，这是由于拓扑优化是基于弯曲刚度和扭转刚度设计的，说明后围结构对车身弯曲刚度和扭转刚度的影响很小，构建后围主要考虑后风窗玻璃的安装和保持整个车身骨架结构的协调性，得到新车身骨架如图7 所示。从图7 中可以看出，新车身骨架与原车身有较大的差别，主要体现在原车身骨架顶棚是由4 根纵梁和横梁组成的格栅结构，新车身骨架顶棚没有纵梁而是由斜梁组成的交叉结构，新车身骨架左右侧围裙部的支撑梁比原车身的密集。

2.5 新车身有限元分析

拓扑后新车身骨架的质量比原车身骨架降低241 kg。对新车身骨架进行有限元分析，以验证新车身弯曲刚度、扭转刚度和模态是否符合要求。拓扑前后车身的基本性能见表1。

表1 拓扑前后车身的基本性能

从表1 中看出，拓扑后的新车身骨架一阶扭转频率和一阶弯曲频率提高明显，说明新车身骨架的动态性能较好；弯曲刚度和扭转刚度有所下降，但仍在满足要求的范围内。

3 结束语

以某大客车车身的初步设计和总布置为依据，以Hyperworks 软件为平台，建立了客车车身拓扑优化模型。以车身质量最小为目标，以弯曲刚度和扭转刚度为约束条件，对车身进行拓扑优化设计，依据拓扑结果构建客车车身，使新车身杆件布局更加合理，提高材料利用率，轻量化效果显著。并对拓扑后的车身与原车身进行性能对比分析，结果表明，拓扑优化设计是可行和有效的。

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