浅谈客车车身结构轻量化设计

梁深

摘 要：客车车身既具有覆盖、防护的作用，也能承载一部分客车载荷，在对其进行结构设计时，必须要进行拓扑优化，以指导客车车身的设计，确保车身材料利用和各项性能实现最优化，从而达到车身结构的轻量化。

关键词：客车车身；车身结构；轻量化设计

1 建立拓扑模型

简单来说，作为一种概念型的数学方法，拓扑优化主要指的是通过对某一设计空间当中的连续体进行离散，使之形成有限单元网格，然后再在此基础上，来给每一个离散单元附上相对应的材料属性与约束条件，然后再使用OptiStruct的近似优化算法，参考结构的传力路径，来进行材料分布的重新布置，以此实现最初设定的设计目标。就针对于传统的产品设计而言，其在实际设计过程中所依赖的主要还是设计人员所掌握的设计经验，而以拓扑优化的方法来进行产品设计，能够通过运用HyperWorks与OptiStruct，来进行更加直观的客车侧围与顶盖的拓扑优化分析。然后再依据最终的分析结果，由相关的设计人员，来进行车身结构的二次优化设计，之后再对其进行有限元分析计算，最终实现车身结构的轻量化与性能优化目标。

一般情况下，工程领域的优化主要包含了以下3个方面的：第一，是设计变量；第二，是目标函数与约束条件；第三，是建立拓扑优化数学模型。这3个方面的数学模型为：

上式，所代表的是不等式约束函数；所代表的是等式约束函数；m代表的是不等式约束的数量；代表的是约束的数量。

通过把拓扑优化的设计理论当做设计基础，并在此基础上，根据工程的实际标准与规范需求，建立起一个科学合理的拓扑优化设计空间。当相关人员进行空间内的材料布置时，不仅仅要对客车的性能与功能进行充分的考虑，同时也要对车窗与车门的位置和一些比较关键的部位进行着重考虑。就针对于本次拓扑优化的设计空间而言，通过研究分析所建立起来的局部模型如图1所示。

2 拓撲优化计算和结果分析

2.1 拓扑优化计算

在进行拓扑优化计算时，要求我们将构建起来的结构模型当做基础，并以此充分结合客车所具有的性能需要，来为之施加适当的载荷。在这个过程中，所涉及的分别有两个刚度和两个强度工况。通过把客车的侧围与顶盖当做基础的设计变量，来根据实际情况，确定出设计空间的质量比，然后再对其进行对称约束的合理施加，将加权应变能最小当做是最后的目标，来对其进行前期的计算处理风作。此外，再对模型进行科学的测试，并确保其不存在任何问题之后，来通过OptiStruct提交计算。与此同时，为了能够有效确保拓扑结果的准确性与完整性，需要我们合理地增加迭代次数，这样一来，就能够获得上述4种工况下的优化结果，具体情况如图2和图3所示。

2.2 优化结果分析

从本质上来说，拓扑优化是一种概念性的方法，通过运用该方法，可以帮助我们从设计空间当中进行材料的最优布置。但是，就针对于轻量化而言，其并不是说质量越小就越好，要想实现轻量化，还必须要保证其他性能能够得到充分的展现。并且，就针对于车身的整体结构设计而言，还要求其不仅要充分考虑生产成本的可控性，同时也要确保生产制造的可行性。通过可行性分析之后的客车车身结构如图 4 所示。

3 有限元仿真分析结果验证

通过依照目前市面上的钢材性能与规格，对模型中的属性与材料进行更新之后，计算出全新的车身刚度与强度指标，然后再对其进行更进一步的优化对比。

从上表我们可以得出，优化之后的客车车身质量减少了 348kg，占原有车身结构质量的8.98%。并且，在优化之后，合理地降低了客车刚度的富余度，并且确保其处于标准要求之内。此外，0.85G前制动工况其最大应力值出现了上升，而0.5G左转向工况其最大应力值则出现了明显的下降，但是两者都能够满足其对于强度所作出的标准要求。

参考文献

[1]王思祖，黄鼎友，曹佳，等.全承载式客车车身结构轻量化设计[J].机械设计与制造，2014，（10）：73-75.

[2]李奇，张勇，张成，等.灵敏度分析的客车车身模块重构与结构轻量化优化设计[J].华侨大学学报（自然科学版），2015，（4）：377-382.

（作者单位：河南郑州宇通客车股份有限公司）