柴冬梅 張偉 侯曉婷 呂偉

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長春 130011）

某大型全鋁全承載城市客車車體骨架設(shè)計開發(fā)

柴冬梅 張偉 侯曉婷 呂偉

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長春 130011）

建立了某鋼制全承載城市客車車體骨架的有限元模型，通過模態(tài)試驗驗證了其準(zhǔn)確性。在鋼制客車幾何模型和有限元模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行全鋁車體骨架結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化和靈敏度分析，找出對鋁制客車性能參數(shù)影響較大的零部件，依據(jù)靈敏度分析結(jié)果搭建優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型，代入基于OptiStruct求解器模塊的優(yōu)化軟件中進(jìn)行迭代優(yōu)化。實車模態(tài)試驗驗證結(jié)果表明，優(yōu)化后的全鋁車體骨架在性能參數(shù)不低于鋼制車體骨架的情況下，實現(xiàn)了38.5%的輕量化效果。

1 前言

汽車輕量化對汽車的能源消耗、污染物排放、操縱穩(wěn)定性、行駛安全性、乘坐舒適性等有重要意義[1～2]。據(jù)統(tǒng)計，汽車每減輕其總質(zhì)量的10%，燃油消耗量可降低6%～8%[3]。鋁具有質(zhì)量輕、成形性好、強(qiáng)度高等優(yōu)點，近年來鋁型材在車輛輕量化中的應(yīng)用有不斷擴(kuò)大的趨勢[4～5]。

目前，國內(nèi)外各大汽車廠商如沃爾沃、斯堪尼亞、亞歷山大丹尼斯、比亞迪等，已有量產(chǎn)全鋁客車在英國、芬蘭、馬來西亞、香港、深圳等多個地區(qū)使用。但這種全鋁客車指的是全鋁車身骨架[6]，不包括底架部分。本文所提出的全鋁客車包含全鋁車身及全鋁底架，克服了全鋁底架設(shè)計中出現(xiàn)的多個設(shè)計難點，實現(xiàn)了真正意義上的全鋁客車，可為客車設(shè)計提供參考。

2 車體骨架設(shè)計開發(fā)流程

本文在已有鋼制客車三維模型的基礎(chǔ)上，以某全鋁全承載城市客車為研究對象，對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，最終得到鋁制客車輕量化設(shè)計方案。在生產(chǎn)試制后，進(jìn)行實車試驗，以驗證優(yōu)化設(shè)計流程的準(zhǔn)確及可靠性。本文設(shè)計思路及優(yōu)化流程如圖1所示。

3 鋼制客車結(jié)構(gòu)有限元建模仿真及試驗驗證

3.1 鋼制客車有限元建模

本文所研究的鋼制客車基礎(chǔ)模型為某大型全承載低入口城市公交客車，主要用于城市公共交通運(yùn)輸。車身骨架主要由頂蓋總成、左側(cè)圍總成、右側(cè)圍總成、前圍總成、后圍總成及五人凳總成拼焊而成。底架由前部底架總成、中部底架總成及后部底架總成焊接而成。各分總成主要由各種型號的鋼制矩管焊接而成，車身骨架與底架通過外伸梁焊接而成。車體骨架承載件矩管材料為Q345A，加強(qiáng)及支架類零件材料為Q235A，部分鈑金沖壓件材料為355L，所用材料部分參數(shù)如表1所示。

圖1 全鋁車體骨架設(shè)計開發(fā)流程

表1 材料參數(shù)

建立有限元模型過程中，車身骨架與底架均采用殼單元建模，網(wǎng)格平均尺寸為10 mm，關(guān)鍵零部件及受力較大處采用5 mm網(wǎng)格劃分。矩管件之間的焊接通過共節(jié)點連接，螺栓及鉚釘連接采用RBE2單元模擬。發(fā)動機(jī)、儀表臺、玻璃、空調(diào)等質(zhì)量以集中質(zhì)量點的形式按實際安裝位置加載，站立乘客等通過均布載荷施加于地板。最終建立完成的有限元模型共有1 176 594個節(jié)點，1 056 742個單元，單元主要類型為CTRIA3、CQUAD4，如圖2所示。

圖2 鋼車有限元模型

3.2 仿真結(jié)果及試驗驗證

在進(jìn)行有限元分析時，分別對車體骨架的強(qiáng)度、剛度及模態(tài)進(jìn)行了仿真計算。強(qiáng)度方面分析了滿載彎曲、制動、轉(zhuǎn)向、單輪懸空4種極限工況[7]，其中彎曲、單輪懸空工況分別采用2倍和1.5倍垂向動荷系數(shù)，轉(zhuǎn)向工況采用側(cè)向0.5倍和垂向1倍動荷系數(shù)，制動采用縱向0.8倍和垂向1倍動荷系數(shù)。仿真結(jié)果顯示，各工況最大應(yīng)力均在材料許用應(yīng)力范圍內(nèi)，符合設(shè)計要求。在車體骨架剛度方面進(jìn)行了彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度分析，其中彎曲剛度值為2.49×107N·m2，扭轉(zhuǎn)剛度為4.53×104N·m/(°)。為了進(jìn)一步驗證有限元建模方法的準(zhǔn)確性，對車體骨架進(jìn)行模態(tài)試驗，將試驗結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行了對比分析，結(jié)果如表2所示。從對比結(jié)果可以看出，仿真結(jié)果與試驗差值均在5%以內(nèi)，表明所建立的有限元模型能夠準(zhǔn)確地反映實際工況，精度及可靠性較高，能有效用于后續(xù)輕量化工作[8]。

表2 模態(tài)仿真與試驗對比

4 鋁制客車結(jié)構(gòu)設(shè)計及靈敏度分析

4.1 鋁制客車結(jié)構(gòu)設(shè)計

全鋁全承載車體骨架方案總體設(shè)計思路是充分利用鋁型材特點，進(jìn)行結(jié)構(gòu)整合，設(shè)計各種斷面不規(guī)則的型材，同時設(shè)計大斷面型材替代鋼結(jié)構(gòu)中的小型材焊接框架結(jié)構(gòu)，以減少鋁焊接帶來的強(qiáng)度損失（鋁焊接強(qiáng)度一般為基材的約70%）。同時，受力較大處或鋁型材無法替換的鈑金沖壓件的局部結(jié)構(gòu)（如轉(zhuǎn)向機(jī)支架、拖車鉤、油箱支架等）仍保留鋼制結(jié)構(gòu)，需重新設(shè)計鋼制件與鋁制件的連接方式。部分零部件及總成的轉(zhuǎn)化方案如表3所示。

表3 全鋁車體骨架部分轉(zhuǎn)化方案

全鋁車體骨架以鋼制車為基礎(chǔ)，在保證大多數(shù)總成位置及邊界條件不變的情況下，將鋼制車體骨架轉(zhuǎn)化為鋁制車體骨架，同時保證底架和車身性能滿足使用要求。在轉(zhuǎn)換過程中，充分利用鋁型材擠壓成型特點，設(shè)計出各種特殊斷面結(jié)構(gòu)，替代原有的鋼制結(jié)構(gòu)，如圖3所示為典型鋁型材斷面在車身和底架的分布。

圖3 車體骨架典型斷面分布

轉(zhuǎn)化完成的全鋁底架與原鋼制底架三維結(jié)構(gòu)對比如圖4所示。

圖4 全鋁底架與鋼制底架三維結(jié)構(gòu)

初步搭建完全鋁車體骨架結(jié)構(gòu)后，在原有鋼制客車車體骨架有限元模型基礎(chǔ)上進(jìn)行有限元模型的轉(zhuǎn)化，將變更部分重新劃分網(wǎng)格，再進(jìn)行連接，同時將材料屬性改為鋁合金。對全鋁車體骨架的初始模型進(jìn)行有限元分析，可為后續(xù)優(yōu)化提供思路和方向，結(jié)果顯示，全鋁車體骨架初始模型一階模態(tài)頻率、彎曲及扭轉(zhuǎn)剛度均小于鋼制客車模型，需進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計。

4.2 靈敏度分析

進(jìn)行客車車體骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計時，車體骨架性能參數(shù)一般均有相應(yīng)的目標(biāo)值，但影響這些性能參數(shù)的關(guān)鍵零部件卻難以區(qū)分，客車車體骨架零件數(shù)較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，往往只能按照經(jīng)驗判斷?；谟邢拊Ｐ偷撵`敏度分析可以有效避免車體骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程的盲目性，提升設(shè)計效率，減少優(yōu)化周期[9]。通過結(jié)構(gòu)靈敏度分析，可獲知車體骨架零件基本參數(shù)（如厚度、截面特性、質(zhì)量等）對車體骨架性能參數(shù)（如一階模態(tài)頻率、彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度）的影響程度，后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計變量也來源于靈敏度分析[10]。

本文以全鋁車體骨架六大總成496個主要零部件的厚度為設(shè)計變量，分別以一階模態(tài)頻率、彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度及車體骨架質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)，利用搭建好的有限元模型進(jìn)行靈敏度分析，尋找對目標(biāo)性能參數(shù)影響較大的零部件，從而為后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供基礎(chǔ)。表4為部分重要零部件的一階模態(tài)頻率靈敏度Sf、彎曲剛度靈敏度Sb、扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度St及質(zhì)量靈敏度Sm。

表4 靈敏度分析結(jié)果

由表4可知，車體骨架的彎曲剛度及扭轉(zhuǎn)剛度基本上隨零部件厚度值增大而增加，一階模態(tài)頻率靈敏度絕對值也偏小，說明車體骨架質(zhì)量增加對一階模態(tài)頻率影響有限。由于部分靈敏度出現(xiàn)負(fù)值，因此增大客車剛度并不一定能夠提高一階模態(tài)頻率，如果車身零部件厚度分配合理，便有可能實現(xiàn)在車體骨架質(zhì)量變化不大的情況下，彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度增大，同時一階模態(tài)頻率也提高，以使車體骨架性能參數(shù)達(dá)到相應(yīng)的目標(biāo)值。結(jié)合表4所示的靈敏度分析結(jié)果，可確定對彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度及一階模態(tài)頻率影響較大的零件，如C柱立梁、前門后立柱、中門后立柱、左、右側(cè)圍腰梁、頂蓋邊縱梁、側(cè)圍裙邊梁、底架地板、底架中縱梁、底架中橫梁等。

5 鋁制客車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計目前已在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用，一般可以分為尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化3個方面[11]。本文采用尺寸優(yōu)化設(shè)計方法，分別以零件厚度為設(shè)計變量，以車體骨架質(zhì)量最小為目標(biāo)函數(shù)，以不小于鋼制客車剛度、一階模態(tài)頻率為約束條件進(jìn)行迭代優(yōu)化，直至迭代收斂。其中，設(shè)計變量通過靈敏度分析結(jié)果獲得，考慮到工程實際，設(shè)計變量均為離散數(shù)值，在初始厚度的50%～200%范圍內(nèi)，間距為0.2 mm。本文采用的優(yōu)化工具為HyperWorks下的OptiStruct模塊[12]，構(gòu)建的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為：

式中，mt為車體骨架總質(zhì)量；Kb為彎曲剛度；Kt為扭轉(zhuǎn)剛度；f1為一階模態(tài)頻率；t為零件厚度；t0為零件初始厚度。

全鋁車體骨架總質(zhì)量目標(biāo)函數(shù)的迭代優(yōu)化收斂過程如圖5所示，共迭代了17步。

圖5 全鋁車體骨架總質(zhì)量迭代收斂曲線

車體骨架主要目標(biāo)性能參數(shù)的具體優(yōu)化結(jié)果如表5所示，由表5可以看出，優(yōu)化后一階模態(tài)頻率、彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度均有明顯改善，較優(yōu)化前分別提升了10.8%、28.3%、36%，均高于鋼車目標(biāo)值，滿足設(shè)計要求。雖然優(yōu)化后總質(zhì)量為2 095 kg，相比優(yōu)化前增加了4.6%，但與原鋼車車體骨架質(zhì)量3 408 kg相比，仍然實現(xiàn)了38.5%的降重，在鋁車性能參數(shù)滿足設(shè)計要求的情況下，輕量化成果依然可觀。

表5 車體骨架主要性能參數(shù)變化表

在優(yōu)化完成后，對全鋁車體骨架模型進(jìn)行強(qiáng)度有限元分析，經(jīng)各工況的仿真驗證，未出現(xiàn)應(yīng)力超過許用應(yīng)力的工況，因此認(rèn)為優(yōu)化結(jié)果有效，在工藝部門分析調(diào)整后，進(jìn)行設(shè)計采用。

6 鋁制客車試驗驗證

全鋁車體骨架輕量化方案設(shè)計完成后，進(jìn)行生產(chǎn)試制，為了驗證結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的準(zhǔn)確性，對試制完成的車體骨架進(jìn)行模態(tài)試驗分析。試驗采用錘擊測試法，試驗儀器設(shè)備使用LMS公司的數(shù)據(jù)采集前端SC316W，KISTLER公司的力錘及三向加速度傳感器。圖6所示為全鋁車體骨架模態(tài)試驗現(xiàn)場及測量點分布情況。

圖6 全鋁車體骨架模態(tài)試驗

模態(tài)試驗測得全鋁車體骨架綜合頻響函數(shù)曲線如圖7所示，相關(guān)振型如表6所示，其中模態(tài)一階扭轉(zhuǎn)頻率試驗值為9.7 Hz，與前期仿真優(yōu)化后的9.3 Hz的誤差為7.5%，具有較好的符合性。

圖7 車體骨架綜合頻響函數(shù)曲線

表6 模態(tài)試驗結(jié)果

7 結(jié)束語

本文以已有某大型全承載鋼制客車有限元仿真模型為基礎(chǔ)，通過局部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化得到鋁制客車初始模型，并對該模型進(jìn)行靈敏度分析，結(jié)合鋼制客車目標(biāo)性能參數(shù)，構(gòu)建數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，代入基于OptiStruct求解器模塊的優(yōu)化軟件中進(jìn)行迭代優(yōu)化，結(jié)果表明，鋁車體骨架性能參數(shù)滿足設(shè)計要求的情況下，與鋼制客車相比實現(xiàn)了38.5%的輕量化效果，減重效果較好。

全鋁車體骨架模態(tài)試驗與仿真優(yōu)化結(jié)果的一致性說明了本文所采用的設(shè)計方法和思路的可行性，可為全鋁客車的設(shè)計提供一定的參考。

1 范子杰，桂良進(jìn)，蘇瑞意.汽車輕量化技術(shù)的研究與進(jìn)展.汽車安全與節(jié)能學(xué)報，2014，（1）：1～16.

2 尹曉平.某型載貨汽車車架輕量化研究：[學(xué)位論文].長沙：湖南大學(xué)，2013.

3 徐建全，楊沿平，唐杰，等.純電動汽車與燃油汽車輕量化效果的對比分析.汽車工程，2012，（6）：540～543.

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5 潘復(fù)生，張丁非.鋁合金及其應(yīng)用.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

6 王華武，郝守海，徐茂林，等.焊接式全鋁客車車身設(shè)計開發(fā).汽車科技，2015（5）：35～40.

7 李輝.客車車身骨架有限元分析與輕量化改進(jìn)設(shè)計：[學(xué)位論文].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2006.

8 鄔廣銘，史文庫，劉偉，等.基于模態(tài)靈敏度分析的客車車身優(yōu)化.振動與沖擊，2013（3）：41～45.

9 瞿曉彬，何志剛，張敏中，等.城市客車車身結(jié)構(gòu)靈敏度分析及優(yōu)化.機(jī)械設(shè)計與制造，2007（1）：79～80.

10 胡浩.客車車身結(jié)構(gòu)靈敏度分析與拓?fù)鋬?yōu)化：[學(xué)位論文].華中科技大學(xué)，2006.

11 趙永輝.大客車車身骨架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計：[學(xué)位論文].武漢理工大學(xué)，2008.

12 蘇勝偉.基于Optistruct拓?fù)鋬?yōu)化的應(yīng)用研究：[學(xué)位論文].哈爾濱工程大學(xué)，2008.

（責(zé)任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2017年5月16日。

Design and Development on the Frame Structure of A Large Load-Bearing Aluminum City Bus

Chai Dongmei,Zhang Wei,Hou Xiaoting,Lv Wei
（China FAW Corporation Limited Ramp;D Center,Changchun 130011）

A finite element model of frame structure for a load-bearing steel city-bus was built,its validity has been verified by modal experiment.The structure transformation and sensitivity analysis of the aluminum bus frame were performed based on the geometric model and finite element model of the steel bus.And the parts which substantially affected performance parameters of the aluminum bus were identified.A mathematical model with design optimization was built according to sensitivity analysis results and it was computed iteratively by optimization software that was based on the OptiStruct solver.Vehicle model test shows that,a lightweight effect of 38.5%has been achieved while the performance parameters of the aluminum bus frame is not inferior to that of the steel one.

Aluminum busframe,Lightweight,Sensitivity analysis,Design optimization,Mode test

全鋁車體骨架 輕量化 靈敏度分析 優(yōu)化設(shè)計 模態(tài)試驗

U463.82 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1000-3703（2017）09-0048-05