大客车车身与车架连接断面结构优化设计

2021-06-20吴长风

汽车科技 2021年3期

摘要：针对某大型客车半承载式车身车架连接结构展开优化设计，通过结构拓扑优化，得到悬架前后关键截面的传力路径，并据此重构结构形式，再通过尺寸优化分析，确定相关结构型材的厚度尺寸，得到结构的优化设计方案;将优化方案代入整车骨架中，进行结构刚强度分析对比，则原始与优化结构设计方案整车骨架刚度性能相当，高应力区域强度有所改善，并实现了轻量化设计。

关键词：半承载式;客车车身;拓扑优化;尺寸优化;轻量化

中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2021）03-0125-04

Structural Optimization Design Of Connection Section Between Body and Chassis Frame Of Semi-integral Bus Body

WU Chang-feng

（ Xiamen King-long United Automotive Industry Co.， Ltd， Fujian Provincial key Laboratory of Bus Safety and Energy-Saving Technology ， Xiamen 361023， China ）

Abstract： Aiming at the connection structure of the semi load-bearing body frame of a large bus， the optimization design is carried out. Through the structural topology optimization， the force transmission path of the front and rear key sections of the suspension is obtained， and the structural form is reconstructed accordingly. Then， through the size optimization analysis， the thickness size of the relevant structural profiles is determined， and the optimal design scheme of the structure is obtained. The optimal scheme is substituted into the vehicle skeleton for structural rigidity analysis Through the analysis and comparison of stiffness， the stiffness performance of the original and optimized structure is equivalent， the strength of high stress area is improved， and the lightweight design is realized.

Key words： Semi-integral; Bus body; Topology Optimization; Size Optimization; Lightweight

吳长风

毕业于吉林大学，博士，现就职于厦门金龙联合汽车工业有限公司工程研究院，高级工程师，任职专业总师，主要研究汽车碰撞安全与轻量化技术。

半承载式客车车身底架中间为桁架结构，前后段为槽钢结构，车架具有较大承载能力，底盘可独立运行，实现车身底盘的并行制造，工艺性较简便，成本相对较低，在国内团体以及海外市场仍然占据较大的份额。

半承载式车身结构在制造过程中，车身与车架连接结构为车身与底盘扣合时进行焊接，中间连接结构包括小截面杆件、U型槽钢等结构，结构用材刚度存在较大差异，结构设计形式比较多样，是车辆使用过程中较容易出现开裂等结构破坏。

半承载式大客车底盘主要由货车底盘设计演变，车身车架连接结构设计多数依靠经验为主，随着计算机技术的高速发展，基于有限元法与CAE的方法在客车车身骨架设计中得到了广泛的应用[1-3]，尤其拓扑优化与尺寸优化的应用，能够为结构设计提供更加科学合理的传力路径[4-6]，可有效提高结构设计的可靠性，并可实现结构的轻量化设计[7-8]。

1 骨架结构特点描述

本文以11m板簧三段式公路车半承载式车身结构为研究对象，底架结构如图1所示，其结构具有以下特点：

1）前段和后段车架下层为槽型大梁，车架上层为大规格的方钢。前段和后段车架与车身的连接形成一种复合的断面结构，由传统的槽型外伸梁（俗称“牛腿”）[9]，配合若干根方钢组成，悬架段的连接结构由于是地面入力的关键节点，为了可靠性，往往容易过盈设计。

2）车架中段上层是大规格方钢，下层出于行李舱空间的考虑，取消槽型大梁，改用小截面方钢桁架结构与车身连接，比较悬架段结构，受力相对不苛刻。

本文在保证整车弯、扭刚度的前提下，通过优化设计牛腿断面拓扑结构，实现结构合理传力设计与轻量化。首先以弯、扭刚度计算工况的加权柔度最小化为目标，对牛腿及其附属方钢结构所形成的断面进行拓扑优化，以获得最合理的牛腿减重孔的位置及方钢的传力路径。根据拓扑优化的结果对牛腿设计减重孔，同时重构方钢搭接结构，形成完整的断面结构;对牛腿和附属方钢进行基于尺寸优化的灵敏度分析，根据灵敏度重新配置方钢厚度，对比改进前后轻量化、刚强度性能变化是否满足既定目标。

2 拓扑优化与结构重构优化设计

基于整车骨架模型，定义连接截面，进行拓扑优化与结构重构，并进行尺寸优化，确定优化结构具体板厚，完成轻量化设计。

2.1 拓扑优化

为保证拓扑路径清晰且满足项目要求，本次拓扑优化的模型关键参数设置如下：

1）采用弯、扭刚度的工况进行拓扑优化，并以加权弯、扭工况柔度的最小化为目标值，根据工程经验设置弯曲权重0.8，左右扭转各为0.1加权系数;

2）为能够牛腿开孔区域拓扑变量不限制最大最小成员尺寸，体积分数限制上限为0.8，优化结果能够比较清晰显出开孔具体区域;

3）牛腿附属方钢结构的拓扑变量需要限制最大最小成员尺寸，体积分数限制上限为0.1～0.2之间，可让传力路径更加清晰，以便于方钢结构设计;

4）由于要求统一断面，所以对设计空间大小相近的拓扑结构需设置模式重复。

拓扑优化模型如图2所示，取前后悬架断面以及发动机断面底架与车架连接区域为优化空间。

拓扑优化结果如图3所示，蓝色区域为可去除材料区域，其他即为最优传力路径，可为该区域结构设计提供依据。

2.2 结构重构

根据拓扑优化的传力路径，进行截面结构重构，如图4所示，根据拓扑结果进行工程设计转化与重构，典型截面重构如图5所示，所有优化截面完成重构后，进行基于整车的尺寸优化分析。

2.3 尺寸优化

对重构后正常骨架模型进行基于尺寸优化的灵敏度分析，为重新配置各零件厚度提供依据。

尺寸优化第1步的相对灵敏度输出结果如图6所示。图中1～8为设置的8个厚度尺寸变量（1-1号斜撑厚度、2-2号斜撑厚度、3-3号八角厚度、4-4号立柱厚度、5-5号斜撑厚度、6-6号斜撑厚度、7-7号两根短立柱厚度、8-8号牛腿厚度等），具体位置如图7所示，柱形的高度代表每增加单位质量的该号变量对加权弯、扭刚度的贡献程度。

除了牛腿的初始厚度为3.0mm外，其余附属方钢的初始厚度均为2.0mm。可以看到，3号和7号变量的相对灵敏度较高，增加厚度的性价比较高，故调整3、7号变量的厚度为3mm;4、5、8号变量的相对灵敏度居中，保持不变;而2、6号变量的相对灵敏度较低，理论上应当减小厚度，考虑到2号变量在断面中是主要的承载结构，故2号变量的厚度保持2mm不变，而6号变量的厚度调整为1.5mm，则最终改进方案结构与厚度均确定。

3 优化前后刚度分析对比

分析优化设计前后进行整车骨架静弯曲、扭转刚度，对比结果如表1所示：

由以上表格可以看到，通过优化设计，弯、扭刚度基本和原车型持平，并且轻量化37kg。

4 优化前后强度分析对比

通过客车常用四工况法，进行整车骨架强度分析与对比，总体应力水平如表2所示，各个工况下，相关区域，结构最大应力水平有所降低，结构受力更加合理。图8、图9位优化后结构弯曲与扭转工况下应力分布图。

上述强度分析表明，优化设计方案结构受力更加合理，局部关键点应力水平呈现下降趋势，结构强度有所改善。

5 结束语

本文针对半承载式大客车车架与车身结构连接断面结构的优化设计为目标，同时保证结构刚强度相当的条件下，实现了轻量化37kg，该方法可以为该区域结构设计提供科学依据，并可有效改进与优化半承载式车身与车架连接结构设计，实现材料有效利用与轻量化设计。

参考文献：

[1]戚叶烽，谢鑫，马苗.某客车车架结构分析与优化[J].汽车科技，2017（01）：55-59.

[2]楊东升，毛洪海，张钦超，等. 车身骨架断裂问题分析及结构优化研究[J]. 机械制造与自动化， 2019（4）.

[3]王亮，余英俊，余健.纯电动客车轻量化设计方法研究[J].客车技术与研究，2016，38（05）：4-7.