大客车车身骨架轻量化改进设计

金宏宇+邵海良

【摘 要】车身轻量化设计是有效提高汽车性能的重要途径，在车身强度和车辆安全性能得以保证的前提下，降低汽车的整备质量将会显著提高汽车的动力性、操控性、制动性以及经济性。相关试验研究表明，若汽车整车重量降低 10%，燃油效率可以提升6%-8%，这显示出汽车轻量化在降低燃料消耗、减少废气污染方面具有非常直接的效益。汽车设计的轻量化是我国节能减排战略的需要，更是汽车制造企业提市场高竞争力的现实需求。

【关键词】客车车身；轻量化；改进设计

前言

随着现代交通的发展和汽车工业的进步，汽车已经完全融入到我们的生活中。我国人口众多，公共交通是我国发展的主流。客车不仅具有及时迅速的特点，而且可以实现点对点的直线运输，机动灵活性非常强。大客车作为公路客运最主要的一种形式，与航空、铁路相辅相成，每年承担着城乡、城际等重要的载客任务。因此，客车的节能和环保直接影响着我国的能源和环境。据统计，客车质量每降低 10%，相应的耗油量减少 6%-8%，尾气排放也会降低很多。客车车身质量占整个汽车整备质量的20%-30%，因此客车车身轻量化有助于客车油耗的降低和污染物排放的减少，对我国生态文明建设意义重大

一、轻量化设计方法分析

客车车身轻量化主要有三个途径：新材料技术、先进的加工制造技术和结构优化方法。结构优化方法可以利用最少的资源（材料、造价、工艺等），实现结构强度、刚度、稳定性等各种最优性能。国内外大型设计案例表明，将优化方法运用到设计中，不仅可以大大缩短设计周期，而且可以显著提高设计质量，解决一些传统设计方法无法解决的问题。

结构优化设计是以数学理论为基础，将实际的物理模型转变为计算机可以识别的数学模型，运用最优化的数学设计理论，结合相应的计算机软件，在满足各种约束的前提条件下寻求满足要求的最佳设计。有限元方法和最优化技术结合产生的结构优化设计技术已发展成熟，广泛应用到产品设计的各个阶段，并取得了很好的效果。优化设計包括三个主要内容：目标函数、约束条件和设计变量。目标函数是指在设计过程中所追求的最优解，比如质量最轻、体积最小等。约束条件是指，要达到所设定的优化目标所必需满足的性能条件，比如：应力小于材料的许用应力、位移小于设定值等。设计变量是指在优化过程中要改变的参数，如：杆件截面参数、单元厚度等。

二、典型结构优化方法

一般客车车身骨架采用的主要材料有：锻巧冷批板、冷靴锅轿静钢板等。不同的钢板材料由于巧强度和刚度的不巧被用在客车上不巧的部位，低破钢一般被用在前后围、地板等对刚度、强度耍求较低的部件；抗变形能为强、屈服极限化大的商强度钢一般被用在底架等对刚度、强度耍求较高的部件对各构件提取中面后，还需耍对构件的一些微小细节，如倒角、微型孔等进行清理。这些在有限元网格划分时会产生许多小单元，从而导致计算时问的增加。因此，在保证构件完整形貌的前提下，对巧细微的倒巧和一些直径小于20mm化非螺栓孔的结构进行几何处理。同时，对于而与面之间的问隙和一些自由边等次耍细节也进行了几何清理，保证网格划分的质量。在客车车身骨架结构有限元模型建立的过程中，尤其是在网格划分的过程中，一定要经常、及时的进行网格质量的检査，W便使得所划分的网格达到耍求。检查网格的各项参数，找出不符合耍求的网格，并对其经行修改。具体的检查内容：

1.连续性检査：为保证网格连续W实现各节点问力的传递，对于重复的节点进行合井或删除。

2.单元法向的检查和调整：调整单元的法向量，使所有单元的法向量一致。

3.网格形状检查，包括单元长宽比、雅克比、单元翅曲巧、单元歪斜巧、单兀最大最小内巧等。

4.H巧形网格单元所占比例检查：Itl于相邻两个H巧形单元之问很容易产生应力、应变突变，所W在模型中尽量不耍出现过多的H巧形单元，一般耍求H巧形网格单元有网格单元数量的比例在3%W下。

5.交叉穿透检査：整车模型中和邻部件可能出现相互穿透，需进行检查和调整，消除穿透现象。

以有限元为基础的结构优化中，拓扑优化、形貌优化和尺寸优化是最为常见的优化方法，被广泛应用于产品开发的各个阶段。在产品的初始概念设计阶段，可以采用拓扑（Topology ）优化、形貌（ Topography）优化和自由尺寸（ Free Sizing）优化技术得到初始结构的基本形状。本文主要采用拓扑优化和尺寸优化相结合的方法对客车车身桁架的位置和厚度进行优化。拓扑（Topology）优化是一种数学方法，能在给定的空间结构中生成优化的形状及材料的分布。通过将区域离散成有限元网格，OptiStruct为每个单元计算材料特性，在给定的约束条件下，改变材料的分布，优化用户给定的设计目标。拓扑优化基本思想是将寻求结构最优拓扑问题转化为求解设计区域内最佳材料分布的问题。其最大优点是能在不知道结构拓扑形状的基础上，根据已知载荷条件和边界条件确定较合理的结构形式。拓扑优化不涉及具体结构的尺寸设计，但可以提供满足条件的最优材料分布方案。

密度法把每个设计区域单元的材料密度定义为设计变量，在 0-1 之间连续变化。0和1分别代表空和实。密度法假象材料的刚度与密度成线性关系，既可用于各向同性的材料，也可用于各向异性的材料。密度法具有很好的有效性和普遍适用性，因此密度法是所有拓扑优化默认的方法。

均匀化法，结构材料被表示为具有周期性的微观结构的多空连续体或不同密度的分层复合物。其基本思想是材料中引入单胞微结构，优化过程中以单胞尺寸为拓扑设计变量，建立材料密度与特性之间的关系。

三、结束语

对客车骨架进行静力学分析，并且模拟了典型工况下客车骨架的应力分布。通过这些研究，对客车骨架的局部结构进行了优化，使客车骨架的应力分布更合理，提高了车身的刚度、强度，减少了车身所用的材料，到达轻量化的目的。客车的轻量化提高了燃油的经济性，降低了客车的成本，在一定程度上提高了客车的整车性能与安全性能。

参考文献：

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