基于多目标优化的客车车身骨架轻量化设计探讨

李江

（南京金龙客车制造有限公司，江苏 南京 210000）

1 大客车车身骨架结构有限元分析

1.1 有限元建模

一些大型客车在整体结构布置上属于全承载式车身结构，总体来说具，有一定的合理性，但在运行过程中逐渐发现，车身存在变形梯度和应力分布的不均匀性。为了提升客车运行过程中的安全性和稳定性，会对汽车车身采用局部加强的方法，以确保整车质量达到预期要求。在大型客车车身骨架轻量化设计时，运用有限元模型技术对车身骨架的设计和生产工艺进行分析，将客车整体细化分为组件和部件，单独命名汽车的各个总成集合单元，按照前围、侧围、底架、后尾、前后悬架、顶盖和各个截面进行分类，合理设置每个梁柱的截面参数。而在这些部件和组件中，会将汽车车身骨架的关键点和单元等进行表现，从而使设计人员更好地对各个总成的受力进行分析，优化总成截面设计并对方案进行评价。对大客车车身骨架结构的有限元分析，符合汽车生产企业的设计和工艺流程。针对汽车车身骨架前后悬架结构的不同形式，可以建立等效的有限元模型，使车身骨架和等效悬架系统更加完整。图1 所示为车身骨架各总成部件和组件层次之间的关系。

图1 车身骨架各总成部件和组件层次之间的关系

1.2 载荷和边界条件

在进行客车车身骨架轻量化设计的过程中，对边界和载荷条件进行计算尤为关键，在计算荷载过程中，可以根据车身具体结构，将其划分为骨架、设备质量、乘员、非结构和行李等内容，其中，非结构质量涉及内饰地板和玻璃等，此时，可以根据非结构因子乘以结构质量的方式对其进行计算。对客车车身骨架结构进行静力分析主要目的在于对设计结果面临最大承载和情况下的变形和应力进行计算，从而实现对材料刚度和强度的检验。一般来说，与车身骨架强度密切相关的因素有弯曲和扭转，此时，可以根据紧急制动工况验算骨架轻量化后的载荷。

1.3 强度和应力分析

在选择客车车身骨架构件截面尺寸时，需要从刚度和强度进行分析和设计，但最主要的因素还是由强度进行控制。客车运行过程中的安全性能需求对车身的骨架结构和受力提出了严格的要求，在对其进行优化设计过程中，要对截面的各部分尺寸给予科学、合理的设计，并反复验算所选截面的刚度和强度。在计算有限元应力过程中，如果选择某一截面尺寸，将会导致整体尺寸设计存在盲目性，要对其进行多次反复的模拟和计算。因此，在这里选择其他的设计思路，首先，将客车原车型构件尺寸作为初始的截面参数，并对各个梁柱的截面尺寸进行确认。之后，根据新的截面尺寸修改和优化不同单元集合的属性，然后，借助有限元对其新的内力值进行计算。最后，再对确定的截面尺寸进行弯曲扭转等工况的强度刚度验算。为了提升客车车身骨架轻量化设计的可靠性，要做好轻量化效果的总体评价工作。

1.4 车身骨架刚度和变形分析

在客车运行过程中，受外界应力影响，会对客车骨架造成一定的扭曲，车身骨架变形通常包括弯曲变形、开口变形和扭转变形，其与车身骨架的刚度质量有着非常密切的关系。因此，在进行客车车身骨架轻量化设计的过程中，需要对车身骨架的刚度和变形进行分析。对客车车身骨架结构有限元分析将计算过程和理论公式进行结合，从而实现对设计进程的量化控制，能够更好地提升车身骨架轻量化设计的科学性和合理性，提升车辆运输过程中的安全性。在进行车身骨架优化设计过程中，对局部的改进方案实施起来比较容易，但由于各方面因素的影响也存在一定的局限性，同时，由于型材规格和装配工艺方面可能具备一定的局限，进而导致一些设计不能很好地进行实施和应用，无法达到预期的效果。

2 车身骨架轻量化设计方法分析

随着社会经济科技的迅猛发展，客运成为人们短途出行的重要选择，汽车运输也是物流的主要途径之一，因此，对客车整体质量进行控制能够有效地促进国内生态文明的建设。一般来说，客车车身的轻量化发展主要从三个途径入手，第一是使用新材料技术，第二是使用先进的加工制造技术，第三是对客车的整体结构进行优化。综合来看，结构优化的方法能够有效减少客车生产使用的资源，这些资源包括材料造价以及设计工艺等，而通过科学的结构优化设计不仅能够减少资源的浪费，还能有效提升客车车身的整体结构强度和刚度，以及运行过程中的稳定性和安全性。将结构优化的设计方法运用到客车车身轻量化发展中，能够有效地缩短设计的周期，提升客车整体设计质量，并且改善传统设计方法中存在的一些问题。结构优化设计是一种以数学理论为基础的设计模型，通过计算机处理，可以将实际的物理模型转变为数学模型，设计人员可以对数学模型进行分析和讨论，从而应用先进的计算机软件对数学模型进行最优化设计。当前，在进行客车车身骨架轻量化改进设计的过程立足于多目标优化的基础，有限元方法和最优化技术所结合产生的结构优化设计技术逐渐成熟，并应用于产品设计的各个阶段，优化后的结构设计也取得了很好的运行效果。客车车身轻量化的优化设计主要包括三个内容，分别为目标函数、约束条件和设计变量。简单来说，目标函数就是进行优化设计所追求的最终目标，比如，客车车身骨架质量最轻或体积最小等。而约束条件指的是在满足必要性能条件的基础下实现所设定的最优化目标，比如，应力小于材料的许用应力、位移小于设定值等。而设计变量指的是在优化过程中对原有设计进行优化和改进的参数。

3 典型结构优化方法

当前国内常见的客车车身骨架材料主要由专用的汽车制造钢板构建，不同的钢板材料在强度和刚度上存在区别，因此，在进行客车车身骨架设计时会根据汽车强度性能需求在不同的部位选择不同类型的钢材。比如，在前后围和地板等对刚度强度要求较低的部件上主要采用低破钢，对强度和精度要求较高的部分，如低价的会采用抗变形能力强屈服极限化大的强度钢。在客车车身骨架整体结构中，还需要对构建的细小细节进行处理，包括倒角和微型孔等。

4 结语

本文通过对客车骨架进行的静力学分析，对客车骨架的局部结构进行了优化讨论，在提升客车骨架应力分布合理性的同时，可以通过科学的设计方法提升车身的刚度和强度，并且有效地减少车身建设所使用的材料。客车的轻量化设计能够有效促进国内汽车工业的深入发展，提高应用燃油能源的经济性和安全性，有效降低了客车的使用成本，对国内能源节约和环境保护的目标有着一定的推动作用。