文孝霞，杜子學(xué)，康中文，孫澤波

(1.重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶400074;2.重慶金冠汽車制造股份有限公司，重慶400041)

某汽車公司新開發(fā)一種專用指揮車，為降低專用車重量，指揮車車廂骨架均采用鋁合金骨架(圖1)，縱橫骨架梁之間通過(guò)鋼制連接塊及鋼制L型連接板通過(guò)螺栓連接，這樣的連接方式，大大提高了指揮車車廂骨架組裝效率。與傳統(tǒng)的鋼材相比，鋁合金材料具有密度小、質(zhì)量輕及彈性模量小的特性，筆者從鋁合金車廂三維模型建立著手，針對(duì)所開發(fā)車型的2種配重方案，對(duì)鋁合金車廂骨架進(jìn)行了必要的強(qiáng)度分析。分析結(jié)果顯示，鋁合金車廂骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到要求，結(jié)構(gòu)剛度不足，提出相應(yīng)改進(jìn)措施后，使鋁合金車廂剛度可滿足規(guī)定要求。

圖1 鋁合金廂體骨架Fig.1 Frame of aluminum alloy case

1 鋁合金骨架幾何模型

根據(jù)公司提供的設(shè)計(jì)方案，該指揮車的鋁合金車廂骨架全長(zhǎng)7 000 mm，寬2 450 mm，高2 735 mm(圖2)。車廂骨架均采用鋁合金材料，在廂體底部設(shè)計(jì)2個(gè)槽型輔梁?？v橫骨架之間通過(guò)鋼制連接塊及L型連接板，采用螺栓連接(圖3)。為增強(qiáng)廂體骨架強(qiáng)度，梁斷面采用異形斷面(圖4、圖5)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求在CATIA軟件中建立了該指揮車的CAD參數(shù)化模型。

圖2 鋁合金廂體骨架模型Fig.2 Model diagram of aluminum alloy case

圖3 鋁合金廂體骨架縱橫梁連接Fig.3 Diagrm of vertical and horizontal beam of aluminum frame

圖4 50×50截面Fig.4 50 ×50 section

圖5 50×110截面Fig.5 50 ×110 section

2 有限元模型建立

車廂的強(qiáng)度及剛度分析采用著名的CAE軟件hyperworks分析，由于車廂骨架縱橫梁的長(zhǎng)度為7 000 mm，而斷面寬度和高度為50 mm，長(zhǎng)度與寬度與高度尺寸之比值遠(yuǎn)小于1/15，是典型的空間梁結(jié)構(gòu)，因此車廂骨架梁用梁?jiǎn)卧M［1］。

1)由于縱橫梁在空間傳遞各種力及力矩，采用可以在6個(gè)自由度方向傳遞力與力矩的空間梁?jiǎn)卧＃搯卧哂?2個(gè)自由度。單元長(zhǎng)取50 mm。

2)該指揮車有2種配重方案。在第1種配重方案中，鋁合金骨架前部布置有電視墻，后部布置有隔墻，由于電視墻、隔墻高度與車廂骨架頂部無(wú)間隙相抵靠，與鋁合金骨架相比，電視墻與隔墻內(nèi)部是鋼架，可以將電視墻與隔墻近似看成剛體，與電視墻與隔墻相接觸的骨架區(qū)域不存在相對(duì)位移，用剛性單元模擬電視墻與隔墻。第2種配重方案無(wú)電視墻及延伸至頂棚的隔墻，不需用剛性單元模擬。

3)縱橫梁之間的連接用bolt單元模擬［2］。

4)在hyperworks中，建立50 mm×50 mm和50 mm×110 mm兩種截面，其中50 mm×50 mm截面在局部坐標(biāo)系下的慣性矩為:IY=13 081.8，IZ=11 872，IYZ=1 808.65，50 mm ×110 mm 截面在當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系下的慣性矩為:IY=332 437，IZ=63 349.8，IYZ=90 994.6。

5)在骨架底板縱橫梁交叉點(diǎn)，底部與側(cè)向立柱間都有鋼制三角支撐連接(圖6)，由于鋼制三角支撐傳遞力、力矩過(guò)程中，存在變形，用板單元模擬［3］。

圖6 鋼制三角支撐連接Fig.6 Diagram of connection supported by steel triangular

2.1 約束處理

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，鋁合金廂體副梁與車輛主車架之間通過(guò)6個(gè)騎馬卡螺栓剛性連接，為限制廂體副梁與主車架之間的縱向位移，在第2、第3組騎馬卡螺栓前部采用定位板進(jìn)行定位(圖7)。根據(jù)CAD模型中廂體骨架結(jié)構(gòu)與車架的固定方式，約束了6個(gè)騎馬卡螺栓所覆蓋區(qū)域節(jié)點(diǎn)的垂向z、側(cè)向y2個(gè)平動(dòng)自由度及繞軸的3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，釋放縱向自由度［2－3］。對(duì)連接板所在位置處槽型梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行縱向x及垂向z兩個(gè)平動(dòng)自由度及3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的約束。在騎馬卡螺栓及定位板以外副梁下邊緣區(qū)域節(jié)點(diǎn)約束垂向z方向自由度。

圖7 鋁合金廂體與車架連接模型Fig.7 Diagram of aluminum envelope and the frame connection model

2.2 載荷處理

由于是正在開發(fā)中的車型，負(fù)載的大小、形狀、質(zhì)量及安裝位置都是預(yù)估數(shù)據(jù)，根據(jù)公司提供的初步配重方案中各負(fù)載物體的大小、形狀、質(zhì)量及安裝位置等信息，作出2種配重方案(圖8)。由于計(jì)算工況分靜彎及制動(dòng)2種工況，以下分別對(duì)靜彎及制動(dòng)工況的載荷處理進(jìn)行闡述。

圖8 鋁合金廂體負(fù)載Fig.8 Aluminum envelope load map

表1 質(zhì)量分布Tab.1 Weight distribution

2.2.1 靜彎工況載荷處理

在靜彎工況下，將各負(fù)載質(zhì)量轉(zhuǎn)換成力，均布在負(fù)載所處位置的節(jié)點(diǎn)區(qū)域［4－5］?？紤]到指揮車行駛道路條件與載貨車相似，因此考慮行車動(dòng)載荷，取動(dòng)載系數(shù)為2，將車廂骨架蒙皮以分布力均布到各接觸面。

2.2.2 制動(dòng)工況載荷處理

汽車在緊急制動(dòng)時(shí)，各負(fù)載重心會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移，支撐在廂體骨架上的物體前后端法向反力值將發(fā)生變化，以某一負(fù)載支撐在縱橫梁上為例(圖9)。如負(fù)載的質(zhì)心不位于縱橫梁的骨架中心時(shí)，可以根據(jù)負(fù)載確切的布置位置，在CAD軟件中量取該負(fù)載在縱橫梁的覆蓋位置的幾何尺寸即可得到質(zhì)心相對(duì)于la和lb的位置。

圖9 負(fù)載受力Fig.9 Diagram of load

將分布力簡(jiǎn)化為集中力如圖10。

圖10 負(fù)載受力Fig.10 Diagram of load

根據(jù)圖11，分別對(duì)A及C點(diǎn)求矩，在垂直方向求合力，可得車廂骨架作用在負(fù)載上的法向反力計(jì)算式為:

式中:G為負(fù)載重量;m為負(fù)載質(zhì)量，γ為制動(dòng)強(qiáng)度;hg為負(fù)載質(zhì)心高度;F1、F2、F3、F4為縱橫梁對(duì)負(fù)載的法向反力;la及l(fā)b為負(fù)載的長(zhǎng)和寬。

根據(jù)公式(1)及各配重的質(zhì)量及形狀參數(shù)可初步計(jì)算各重物在汽車制動(dòng)時(shí)，前后支點(diǎn)處的法向反力，其中汽車制動(dòng)強(qiáng)度取為0.4，將計(jì)算得到的法向反力均布到梁前后支點(diǎn)的覆蓋節(jié)點(diǎn)上。

2.3 材料特性

根據(jù)汽車公司選材，其材料特性如表2，建立完整的模型如圖11，單元數(shù)目總計(jì)15 023個(gè)。

表2 材料特性數(shù)據(jù)Tab.2 Material property data

圖11 原結(jié)構(gòu)有限模型Fig.11 Finite model of original structure diagram

3 結(jié)果分析

3.1 靜彎工況計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)分析，原結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)如表3。

表3 原結(jié)構(gòu)靜彎工況計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)Tab.3 Data of the original structure under static bending condition

圖12 原結(jié)構(gòu)垂向變形Fig.12 Vertical deformation of the original structure

靜彎工況計(jì)算結(jié)果顯示(圖12)，第1種配重方案最大垂向位移為－30.87 mm，發(fā)生在車廂骨架頂棚前部空調(diào)安裝位置，最大側(cè)向位移為－7.95 mm，發(fā)生在車廂骨架左側(cè)圍第3根橫梁處，最大應(yīng)力為121.06 MPa，發(fā)生在底架中部立柱處，應(yīng)力 121.06 MPa，小于許用245 MPa，強(qiáng)度滿足要求。

3.2 制動(dòng)工況計(jì)算結(jié)果分析

以同樣的方法作了制動(dòng)工況下的廂體強(qiáng)度分析，計(jì)算結(jié)果如表4。

表4 原結(jié)構(gòu)制動(dòng)工況計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)Tab.4 Data of the original structure under braking condition

制動(dòng)工況計(jì)算結(jié)果顯示，最大位移比靜彎工況略大，仍發(fā)生在車廂頂部空調(diào)安裝位置。最大應(yīng)力為125.2 MPa，發(fā)生在底架中部立柱處，小于許用245 MPa，強(qiáng)度滿足要求。

對(duì)于剛度，可將車廂頂棚電視墻及隔墻之間近似簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，剛度采用抗彎剛度EI評(píng)價(jià)［6－8］:

式中:EI為簡(jiǎn)支梁彎曲剛度;F為集中力載荷;a為支點(diǎn)到施加集中力載荷點(diǎn)的距離;x為支點(diǎn)到測(cè)點(diǎn)的距離;L為兩支點(diǎn)間距;fzmax為測(cè)點(diǎn)撓度。

支點(diǎn)位置是電視墻與隔墻，兩者間距L為3 750 mm，支點(diǎn)到施加集中力載荷點(diǎn)的距離a=1 874.2 mm，支點(diǎn)到測(cè)試點(diǎn)的距離x=1 874.2 mm，根據(jù)公式(2)，車身的彎曲剛度EI=2 512.132 2 N·m2。制動(dòng)工況下計(jì)算彎曲剛度為EI=2 283.76 N·m2。汽車公司要求廂體抗彎剛度值不低于為7 536.41 N·m2，最大撓度絕對(duì)值不超過(guò)14 mm，顯然車廂剛度不符合設(shè)計(jì)要求。第2種配重方案撓度更大，擬放棄第2種配重方案，該計(jì)算結(jié)果與金冠公司做的試驗(yàn)結(jié)果是相吻合。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為減小第1種配重方案下的垂向撓度，使剛度符合設(shè)計(jì)要求，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。由于廂體骨架的最大撓度出現(xiàn)在安裝空調(diào)位置，電視墻與隔墻之間的梁段可局部簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，簡(jiǎn)支梁最大撓度出現(xiàn)在跨度中點(diǎn)。其計(jì)算式為:

式中:EI為簡(jiǎn)支梁彎曲剛度;P為集中力載荷;b為右端支點(diǎn)到集中力載荷點(diǎn)距離;L為兩支點(diǎn)的間距。

4.1 設(shè)計(jì)變量確定

以右端支點(diǎn)到載荷P作用點(diǎn)間距b，以及支撐空調(diào)的橫梁截面尺寸長(zhǎng)度a，高度h及材料彈性模量E為設(shè)計(jì)變量，即:x=［b，a，h，E］。

4.2 約束條件確定

載荷P點(diǎn)位置受實(shí)際使用條件約束，如:前部空調(diào)過(guò)分前移或者后移，將影響車內(nèi)空調(diào)冷風(fēng)在車廂內(nèi)的分布，影響乘客舒適性。因此，取其約束條件為大于1 500 mm，小于3 500 mm，斷面尺寸受加工條件約束，應(yīng)小于110 mm，梁最大應(yīng)力應(yīng)小于材料允許應(yīng)力 250 MPa［9－10］。

4.3 目標(biāo)函數(shù)的確定

由于車廂骨架的剛度不滿足要求，以最大撓度為目標(biāo)函數(shù)，梁橫截面尺寸帶入目標(biāo)函數(shù)中，得目標(biāo)函數(shù)為:

確立好優(yōu)化設(shè)計(jì)模型后，選擇遺傳算法為優(yōu)化方法，進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。優(yōu)化結(jié)果數(shù)據(jù)如表5。

表5 優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.5 Comparison of the data before and after optimization

1)從優(yōu)化結(jié)果看，斷面高度的優(yōu)化結(jié)果是108.6 mm并要求豎向放置，但直接將頂棚支撐空調(diào)的大斷面梁豎向放置，車廂頂部將凸起，影響外部美觀，若向內(nèi)凸起，車廂內(nèi)管線無(wú)法通過(guò)，因此采用將改進(jìn)的大斷面梁橫向放置，并在支撐梁的下端加設(shè)1根豎向放置的50 mm×110 mm矩形截面鋼制空心管梁。

2)按照優(yōu)化方案改進(jìn)原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，前部空調(diào)安裝位距離右端點(diǎn)位置調(diào)整至優(yōu)化值3 206 mm，支撐空調(diào)的梁改用50 mm×110 mm的大斷面，并在支撐梁下端增設(shè)1根鋼制矩形截面空心管梁后，計(jì)算結(jié)果顯示最大垂向撓度降為－11.91 mm，降幅達(dá)到63.8%，符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 論

1)采用CAE分析軟件針對(duì)所開發(fā)指揮車車廂骨架強(qiáng)度做了詳盡分析，計(jì)算結(jié)果表明:強(qiáng)度符合要求，但剛度不符合要求，這與金冠公司試驗(yàn)結(jié)果相吻合，因此所建立模型是正確的。

2)運(yùn)用優(yōu)化理論思想，選擇遺傳算法作為優(yōu)化算法，對(duì)空調(diào)安裝位置、橫梁截面寬度和高度及橫梁的材料參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果再結(jié)合工程實(shí)際調(diào)整具體結(jié)構(gòu)形式，重新用模型計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示最大垂向撓度降為 －11.91 mm，降幅達(dá)到61.3%，符合設(shè)計(jì)要求。

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