客车车身结构轻量化设计

彭超 姬鹏 赵一凡

摘 要：客车车身不仅起到覆盖件的作用，而且还承载了客车一部分载荷，因此在概念设计阶段，对其进行拓扑优化就显得非常有必要。文章首先通过Hypermesh建立以某客车车身结构为基础的有限元模型，之后根据拓扑理论构建其拓扑优化模型，确定合适的优化三要素，选取最为常见的四种极限工况，再通过有限元软件OptiStruct的优化计算，最终得到其优化结果。以拓扑优化结果来指导客车车身的设计，在确保满足车身各项性能要求达标的同时，能够提高材料利用率，减少冗余，达到车身结构的轻量化。

关键词：有限元；拓扑优化；轻量化

引言

节能、环保和安全是汽车工业发展中所面临着的三大主要问题，油耗和排放是影响这些的重要因素。大量数据研究表明，整车质量的大小与油耗密切相关，因此在满足整车各项性能指标的基础上对其进行轻量化是十分有必要的。就客车来说，车身质量占整个客车质量的比重很大，通常为了满足其强度的要求车身骨架强度会出现局部富余的情况，这将进一步导致车身质量的偏大。而我们国家的客车车身往往存在质量偏大的情况，甚至于存在有些结构刚度强度富余的情况。

大量研究表明，汽车质量每降低10%，油耗降低6-8%，排放降低4-10%。而车身是客车三大总成之一，占整个客车总质量的40%-60%，由此可见影响整车轻量化的主要因素是对车身的轻量化。目前，汽车轻量化的主要途径有以下两种，一是采用轻量化材料，例如采用高强度钢，铝镁合金等新材料，在满足刚度强度的情况下，使得质量更轻；二是利用CAE技术进行客车结构的优化，使得材料分布和各零部件布局更加合理，在满足要求的情况下，最大限度的减重。文章就是基于拓扑优化的某客车车身结构设计，从而到达优化减重的目的。

1 拓扑理论简介与拓扑模型的建立

1.1 拓扑理论简介

拓扑优化（Topology）作为一种概念性的数学方法，是将一定设计空间内的连续体离散成有限单元网格，为每个离散单元附上合适的材料属性，给定合适的约束条件，利用OptiStruct自身的近似优化算法-根据结构自身的传力路径对材料分布进行重新布置，来完成设计人员给定的设计目标。

对于以往传统的设计，设计人员往往是凭借自身的设计经验对整个设计过程进行把控的，而现在完全可以以拓扑优化的方法为基础，参考拓扑结果对整个产品的设计进行全新的把控，从而更加有效的设计出工艺与技术条件均达标的最佳产品。

借助于HyperWorks软件分析平台，利用OptiStruct对该客车的顶盖和侧围进行必要的拓扑优化分析。以拓扑结果为基础，充分考虑到实际的工程规范要求，设计人员对车身结构进行二次的优化设计并进行有限元分析计算，最终在满足整车性能的基础上得到最优的设计，从而达到车身结构性能优化与轻量化的目的。

1.2 拓扑模型的建立

工程领域的优化一般都涉及三个重要因素-设计变量、目标函数和约束条件，拓扑优化数学模型的建立就是以这三个因素为基础的，具体可以将其数学模型表述为：

设计变量： （1）

目标函数： （2）

约束函数： （3）

（4）

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

以拓扑优化设计理论为基础，参考实际工程规范要求建立合适的拓扑优化设计空间。设计人员在拓扑优化设计空间内布置材料的时候还必须考虑到客车的基本功能、性能和装配等实际情况的要求，车门及车窗的位置不发生变化，对一些关键部位着重考虑（对整车弯曲刚度影响较大的车身侧围，在侧翻过程中保证车身结构不会过大变形而导致车内生存空间变小的车身顶盖）。本次拓扑优化的设计空间确定为车身的侧围部分区域以及盖顶，以原始车型的数模为基础构建出的车身局部拓扑优化模型如下图1所示。

2 分析工况说明

2.1 强度分析

作为车身设计的一般性的载荷工况，强度分析的结果可以用于评估客车的结构强度性能。在进行强度分析的时候，必须充分考虑客车车身结构的布局以及悬架系统的几何外形，再结合提取的载荷计算表格，进行分析。对于多种工况的强度分析通常会根据工程设计人员的实际经验以及对整车性能参数的把控给出适当的加权因子，再结合基础车型的应力水平，来对客车的总体强度进行评估。此次应力分析采用静力学的方法，以G作为标准载荷的方式来考核客车的车身强度。具体工况如下：

0.85G前向制动工况：客车在水平路面急停的时候要承受一定的惯性载荷，此处以0.85G向前惯性载荷模拟客车满载状况下在水平路面上的紧急停车情况，考察车身的应力分布情况。考虑到车身悬架的实际情况来进行有限元模型的加载，通过RBE2模拟出前后悬架的支撑点（即RBE2的主节点），并且对左侧前后悬架处的RBE2主节点约束其1、2、3自由度，对右侧前后悬架处的RBE2主节点约束其2、3自由度，再对客车的整体施加X方向的0.85G惯性力。在这种载荷作用下，客车主承载结构上的最大应力值应低于材料的屈服极限。

0.5G左转向工况：在实际客车转弯的时候客车要承受一定的侧向惯性载荷，此处以0.5G的侧向惯性力来模拟客车左转弯情况，考察车身的应力分布情况。考虑到整车的实际运行情况来进行有限元模型的加载，通过RBE2模拟出前后悬架的支撑点（即RBE2的主节点），并且对左右后悬架处的RBE2主节点约束其1、2、3自由度，对左右前悬架处的RBE2主节点约束其2、3自由度，再对客车的整体施加Y方向的0.5G惯性力。在这种载荷作用下，客车主承载结构上的最大应力值应低于材料的屈服极限。

2.2 刚度分析

弯曲工况：良好路面上正常匀速行驶的客车其车身主要承受弯曲载荷，在此工况下分析车身骨架结构相应的变形用以评价其弯曲刚度。具体的约束及加载方式如下：对左前轮支撑点约束其3自由度，右前轮约束其2、3自由度，左后轮约束其1、3自由度，右后轮约束其1、2、3自由度。此处主要考虑的是客车的动力总成重量以及座椅、乘客的重量。这些重量以集中载荷的方式施加到相应的节点上。对于测量点的选取直接关乎到计算分析结果的可信度，此处的测量点严格按照工程实际规范进行选取，通常在客车底盘纵梁底面选取若干均匀分布点，用测量点的最大位移来评价其刚度特性。弯曲刚度EIZ可通过测量点的最大位移计算得出：

（5）

式中，δi是测点的Z向变形量（单位：m）；Xi是前悬支撑点到测点的距离（单位：m）；L是前后悬支撑点距离（单位：m）；P是施加的载荷（单位：N）；a是前悬支撑点至加载点的距离（单位：m），b=L-a。

扭转工况：客车在低速通过不平路面的时候会出现车轮悬空的危险状况，扭转工况就是模拟这一情况的，具体表现为三个车轮着地一个车轮悬空。在这种状况下，车速较低，惯性较小，车身的受力特性完全可以当作是静态的。车身模型的具体约束及加载条件如下：约束左右两侧后悬架安装点1、2、3自由度，左右两侧前悬架安装点通过MPC的方式约束，同时任选一侧前悬在其安装点处施加一定的竖直方向的力（即沿Z方向的力）以此获得30000Nm的转矩。测量点的选取依旧严格按照工程规范选取，通常在客车底盘纵梁底面选取加载面对应点 以及沿纵梁均匀分布若干测量点 。扭转刚度GJ是通过加载面所对应的纵梁底面Z向的变形量来计算的。

（6）

式中，δL是左纵梁上的测点Z向变形量（单位：mm）；δR是右纵梁上的测点Z向变形量（单位：mm）；T是施加的载荷（单位：Nm）；Xi是后悬支撑点到测点的距离（单位：m）；Bi是左右对称测点的间距（单位：m）。

3 拓扑优化计算和结果分析

3.1 拓扑优化计算

以已经构建好的拓扑优化设计结构模型为基础，结合客车的各种性能要求所需要满足的工况，施加相应的载荷，此处主要涉及到两个强度工况，两个刚度工况。以客车顶盖及其侧围为设计变量，以确定好的局部拓扑优化设计空间的质量比（mass fraction）0.2～0.3为约束条件，同时施加对称约束，以加权应变能最小min（wcomp）为目标函数完成拓扑优化计算的前处理工作。在模型测试没有问题的基础上通过OptiStruct提交计算，为保证拓扑结果的完整性，将相应的迭代次数增加为200次，经过若干次迭代之后可以得到在以上四种工况之下的拓扑优化结果，如图2，3所示。

图2 车身顶盖拓扑优化结果

图3 车身侧围拓扑优化结果

3.2 优化结果分析

拓扑优化作为概念性的优化设计方法，可以在设计空间里面寻找到材料的最优布置，为设计人员提供全新的设计方案和最优的材料分布方案。经过拓扑优化之后，车身材料的布置会更加清晰的呈现在我们面前，以拓扑的结果指导我们进行梁的结构特征的选择以及其位置的布置。轻量化并非只是质量越小越好，它同时还得保证车辆的其他性能，比如模态，碰撞，强度，疲劳，刚度以及相关的法律法规。而且对于整个车身结构的设计，还应该充分的考虑到其制造的可行性以及生产成本的可控性问题，尤其是对于新的车身结构所带来的这些相应问题尤为突出。结合拓扑优化的结果对车身结构进行可行性的调整，确定新的设计方案，如图4所示。

图4 优化后客车车身结构

4 有限元仿真分析结果验证

参考市面上钢材的规格以及性能参数，更新模型中的相应的材料和属性，再计算出新的车身结构的强度、刚度指标，对比优化前后的各指标变化情况，如表1所示。

表1 优化前后车身性能

对比表1中客车车身优化前后各种性能指标参数，可以看出，客车车身的减重效果特别明显，具体表现为质量减少了348kg，占原有车身结构质量的8.98%。在优化过程中对材料进行重新调整与布置使得刚度富余的情况大大减小， 从而在一定程度上导致车身整体刚度的减小，但仍在满足性能要求的范围之类。至于两个强度工况，0.5G右转向工况其最大应力值降低，而0.85G前制动工况其最大应力值稍有所增加，不过都小于材料的许用应力，满足强度要求。

5 结束语

结合实际工程规范要求以及客车车身本身所具有的整体性能要求，参考拓扑结果，优化设计出新的车身结构。对新车身的结构进行分析，对比优化前后所涉及到的各性能指标参数，结果表明，在满足性能要求的情况下，客车车身减重效果明显，从而进一步印证了拓扑优化设计方法的可行性和有效性。

参考文献

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[6]王海霞，汤文成.CJ6121GCHK型客车车身骨架有限元建模及结果分析方法研究[J].汽车工程，2001（1）.

作者简介：彭超（1989，1-），男，河北邯郸，河北工程大学，硕士学历，研究方向：车辆有限元仿真分析。

姬鹏（1977，10-），男，河北邯郸，河北工程大学副教授，博士学历，研究方向：车辆底盘性能仿真分析与控制。

赵一凡（1990，11-），男，河北邯郸，河北工程大学，硕士学历，方向：车辆主动安全性能开发。