劉春蕾 石琴

摘要：以某輕型載貨汽車為例，建立駕駛室有限元模型，通過實驗?zāi)B(tài)與數(shù)值模態(tài)對比進(jìn)行模型驗證。駕駛室與車架通過翻轉(zhuǎn)機構(gòu)連接，決定了載荷工況的特殊性。分析駕駛室的受力情況。在外載不變的情況下，基于各部件板厚的靈敏度值，對駕駛室進(jìn)行輕量化處理。輕量化結(jié)果用于外部載荷大小的更新，計算得到結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的駕駛室強度。分析結(jié)果表明：通過對靈敏部件的板厚修改，在總車身質(zhì)量減小的情況下，白車身的強度也有一定提高。

關(guān)鍵詞：駕駛室；靈敏度；特殊工況

中圖分類號：U469.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2550（2012）02-0027-04

Structural Optimization of Truck Cab Based on Special Load Case

LIU Chun-lei， SHI Qin

（School of Machinery and Automobile Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China）

Abstract: A finite element model for a light-duty truck cab is established， which is proved to be accurate by of experimental modal and numerical modal.Because the cab and the frame connect by the flip institutions，the load case is special and analyse the force of the cab.Under the same load case，based on the thickness of the sensitivity values of the various components，the cab is handled for light weight design.The result is used for the optimization of thickness and the update of external load value. The analysis results show that： the light weight process increases the strength of the white body significantly.

Key words: cab；sensitivity；special load case

目前輕型載貨汽車駕駛室廣泛應(yīng)用扭桿翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，使其可向前翻轉(zhuǎn)，便于整車的維修和保養(yǎng)。扭桿機構(gòu)作用在駕駛室的扭轉(zhuǎn)力矩在其所承受的外部載荷中占有很大比例。理想狀態(tài)下，扭桿的最大扭矩由駕駛室的重力矩決定，即由重心位置與重量共同決定。車身結(jié)構(gòu)各部件參數(shù)的改變不僅影響整體結(jié)構(gòu)參數(shù)，還會引起扭桿扭矩的變化。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法是建立在載荷工況不變的條件下的，難以解決這類外部載荷與設(shè)計變量同步變化的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。本文以某輕貨駕駛室為研究對象，將結(jié)構(gòu)靈敏度分析理論應(yīng)用到車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計中。采用結(jié)構(gòu)鈑金件厚度為設(shè)計變量，約束駕駛室結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值，優(yōu)化駕駛室的總質(zhì)量。輕量化使得重力矩值減小，降低了扭桿的扭矩值，進(jìn)而達(dá)到改善駕駛室應(yīng)力狀態(tài)的目的［1，2］。

1 靈敏度分析及優(yōu)化分析理論

1.1 靈敏度分析理論

車身結(jié)構(gòu)靈敏度是指設(shè)計變量對所關(guān)注的結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)的影響程度。結(jié)構(gòu)靈敏度分析就是研究車身結(jié)構(gòu)性能參數(shù)的變化對車身結(jié)構(gòu)參數(shù)或周圍條件變化的敏感性。靈敏度的計算常用泰勒級數(shù)推導(dǎo)，過程如下。

假定我們想知道U隨b的變化關(guān)系，則：

式中：U為結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，有限元計算中可以定義的參數(shù)有質(zhì)量、體積、重心、應(yīng)力、剛度及模態(tài)頻率等；b為結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)向量，可以采用鈑金件厚度、薄壁梁截面尺寸等；bi為第i個鈑金件的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)；e為與b同維度的向量［3，4］。

1.2 駕駛室理想解除鎖止?fàn)顟B(tài)的受力分析

本文分析的輕貨駕駛室采用的是單扭桿翻轉(zhuǎn)機構(gòu)（見圖1）。扭桿一端插入駕駛室左支承軸管內(nèi)花鍵中，另一端由扭桿臂固定在前右支架上，駕駛室前支承臂與駕駛室的左右地板骨架連接。駕駛室為鎖止?fàn)顟B(tài)時，扭桿的扭轉(zhuǎn)角為最大，此時扭桿的扭力矩最大；當(dāng)鎖止解除后，扭桿的扭力矩作用于駕駛室前支承，克服駕駛室重力矩，并施加較小的向上推力可使駕駛室實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)。

翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的工作特性要求駕駛室解除鎖止機構(gòu)后，保證駕駛室翻轉(zhuǎn)到0°~5°內(nèi)處于懸浮狀態(tài)，即理想狀態(tài)下扭桿的扭力矩與駕駛室重力矩達(dá)到平衡，這樣駕駛室在解除鎖止時，不會突然彈起或用較大的推力將其翻轉(zhuǎn)。圖2中駕駛室在鎖止?fàn)顟B(tài)時，駕駛室重心距扭桿的水平距離為L。則有：

M扭=M重力=9.8G·LFN=9.8G（4）

由公式（4）可知，理想狀態(tài)下，駕駛室在解除鎖止時，僅受扭桿施加的扭矩和支持力以及自身重力的作用。在質(zhì)量基本不變的情況下，扭矩與重心距扭桿的水平位置呈正比關(guān)系。對于應(yīng)用單扭桿翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的駕駛室來說，總質(zhì)量和重心位置直接影響了車身結(jié)構(gòu)強度與剛度［5］。

1.3 駕駛室優(yōu)化分析模型

駕駛室靜態(tài)鎖止時，承受外部載荷（即扭桿的扭矩）隨重心位置與質(zhì)量的變化而變化。在車身材料不變的情況下，本文選用總的車身質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)，設(shè)計變量為對結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值影響較為靈敏的零部件組的板厚，結(jié)構(gòu)應(yīng)力為狀態(tài)變量。保證應(yīng)力不增加的前提下，通過靈敏度分析結(jié)果改變設(shè)計變量值，降低駕駛室白車身總質(zhì)量，達(dá)到駕駛室結(jié)構(gòu)改進(jìn)的目的。

文中約束條件有兩類：一類是設(shè)計變量的約束；一類是狀態(tài)變量的約束。設(shè)計變量的約束常賦予設(shè)計變量h以上、下界，防止在優(yōu)化過程中出現(xiàn)不切實際的量值，表示為：

hjmin≤hj≤hjmax， j=1，2，…，n （5）

式中： hjmin為變量的下限值；hjmax為變量上限值，n為設(shè)計變量總數(shù)。

狀態(tài)變量的約束應(yīng)保證對駕駛室各零部件組板厚修改時，總質(zhì)量不增加，表示為：

σ（b）-σ0≤0 （6）

式中：σ（b）為結(jié)構(gòu)修改后的應(yīng)力最大值：M0為原結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值。

駕駛室白車身的設(shè)計優(yōu)化問題可表示為：

minf（b）g（hj）≤0，j=1，2，…，n（7）

式中：g（hj）是由設(shè)計變量和狀態(tài)變量的約束條件所構(gòu)成的約束函數(shù)［3，4］。

2 有限元模型建立與靜強度分析

2.1 有限元模型的建立

在某輕貨駕駛室白車身幾何模型的基礎(chǔ)上，建立模態(tài)分析有限元模型（見圖3）。駕駛室白車身主要以鈑金件構(gòu)成，鈑金件間連接方式有焊點連接和螺栓連接。在HYPERMESH中，以 20 mm的單位尺寸對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后白車身共離散成 149 505個節(jié)點，77 419個單元，其中66 091個Shell63板單元，28個Cbeam梁單元，焊點用Weld單元模擬，螺栓連接用Rigids單元模擬。依實際結(jié)構(gòu)確定各單元厚度。鋼材的彈性模量、泊松比及質(zhì)密度為210 GPa、0.3及7 900 kg/m2。

為驗證有限元模型的正確性，做了模態(tài)試驗，識別前5階模態(tài)頻率。

對建立的模型進(jìn)行低階模態(tài)分析，計算頻率從1~50 Hz，階數(shù)為5階。然后將計算結(jié)果和試驗結(jié)果的前5階振型與頻率作對比，如表1所示。

2.2 駕駛室白車身鎖止?fàn)顟B(tài)靜強度分析

駕駛室前支承與駕駛室底部縱梁通過螺栓連接，前支承與翻轉(zhuǎn)機構(gòu)軸管焊接為一體，扭桿左端通過花鍵與軸管連接，傳遞扭矩。前支承軸管兩端受左右支架的橡膠墊支承，可繞翻轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動，即前支承軸管兩端約束UX、UY、UZ、ROTX及ROTZ 5個自由度。駕駛室后懸置的全部自由度被約束。作用在前支承軸管左端的扭矩，通過重力矩的計算為109.9 N·m。駕駛室約束與加載具體情況見圖4。

對實際鎖止?fàn)顟B(tài)下駕駛室車身進(jìn)行靜強度計算，由結(jié)果知，白車身最大應(yīng)力為174.8 MPa，出現(xiàn)在地板左前縱梁第一個螺栓孔附近；地板左前縱梁前連接板最大應(yīng)力為148.7 MPa；地板左前縱梁內(nèi)加強板最大應(yīng)力為154 MPa。所使用材料SPCC的屈服極限一般為190~215 MPa，車身上最大應(yīng)力小于屈服極限。

3 靈敏度計算及優(yōu)化設(shè)計

3.1 靈敏度分析

由于該車車身部分強度指標(biāo)未能滿足工程要求，通過改變組成駕駛室的鈑金件厚度進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。在靜強度分析基礎(chǔ)上對白車身板厚進(jìn)行靈敏度的分析，可以確定結(jié)構(gòu)修改的最佳優(yōu)化參數(shù)。

由于車身構(gòu)件數(shù)量較多，不同位置的構(gòu)件對駕駛室強度的影響程度不同。因此，對各構(gòu)件進(jìn)行靈敏度分析，找出對最大應(yīng)力值影響較為顯著的設(shè)計變量就很有必要。根據(jù)靈敏度分析結(jié)果確定合適的設(shè)計變量。通過計算得到的部分對應(yīng)力最大值較靈敏的部件見表2。

注：靈敏度系數(shù)為正值表示厚度增大，最大應(yīng)力值增大；負(fù)值表示變化方向相反

從表2中可以看出，地板左前縱梁的厚度（變量h17）變化對駕駛室強度影響最大，即靈敏度最大；同時地板左前縱梁前連接板（h18）、前地板（h2）及其地板左前縱梁內(nèi)加強板（變量h19）、前橫梁（變量h39）等的厚度變化對最大應(yīng)力值大小影響較為靈敏。所以要減小目標(biāo)函數(shù)值，就要減小正靈敏度系數(shù)的部件厚度，增加負(fù)靈敏度系數(shù)的部件厚度。

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)靈敏度系數(shù)大小以及避免前后支承處連接部件及應(yīng)力最大部件厚度減小等原則，選取設(shè)計變量（見表2）。利用HYPERMESH軟件對車身有限元模型進(jìn)行靈敏度分析，目標(biāo)為駕駛室白車身總質(zhì)量最小，各部件厚度約束在±20%的變化范圍內(nèi)，原駕駛室白車身應(yīng)力最大值為178.4 MPa，約束其迭代目標(biāo)值不大于178.4 MPa。根據(jù)靈敏度計算和初步迭代優(yōu)化的結(jié)果，得到各零件新的板件厚度。綜合考慮兩種工況下靈敏度以及初步優(yōu)化的計算結(jié)果，重新確定車身各零件的板厚［6-9］。對駕駛室白車身應(yīng)力最大值影響較大的部分部件板厚變化情況見表3。

對綜合板厚修改后的有限元模型重新計算質(zhì)量和重心位置，確定施加扭矩大小為900.5 N·m。進(jìn)行強度計算，具體結(jié)果及其同優(yōu)化前后情況對比見表4。

由表4可以看出，載荷工況不變的情況下，約束應(yīng)力最大值不增加，對駕駛室車身進(jìn)行輕量化，可以減小白車身總質(zhì)量，從而降低作用在駕駛室上扭矩的大小，提高駕駛室車身強度。

4 結(jié)論

（1）通過與模態(tài)試驗數(shù)據(jù)的對比驗證了有限元模型的合理性，為修正和優(yōu)化分析提供了依據(jù)。

（2）靈敏度值的計算結(jié)果為確定設(shè)計變量提供了有效方法。

（3）特殊工況下駕駛室的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是采用扭轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的輕貨駕駛室設(shè)計中一種可供參考的方法，車身的輕量化帶來外部載荷的減小，從而一定程度提高白車身強度。

（4）該方法從優(yōu)化外部載荷環(huán)境角度出發(fā)，為解決類似結(jié)構(gòu)參數(shù)與某些外部載荷密切相關(guān)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題提供一種思路。

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