朱紅軍，劉芳忠，吳 兵

(1.中車時代電動汽車股份有限公司, 湖南 株洲 412000；2.長沙中車智馭新能源科技有限公司，長沙 410000)

對傳統(tǒng)汽車而言，輕量化能有效提高其動力性和經(jīng)濟性，并降低排放[1-2]；對電動汽車而言，降低重量將有助于提高續(xù)航里程、改善動力電池的使用效能[3]，從而大大提高產(chǎn)品的競爭力。本文采用有限元分析的手段，通過對某型純電動客車多種工況下的應力分布進行分析，以車身骨架的截面尺寸為設計變量，以扭轉剛度和1階模態(tài)頻率為約束，以重量最小為目標，對該型客車結構進行優(yōu)化，最終達到在滿足使用要求下降低車身重量的目的。

1 客車骨架結構優(yōu)化

1.1 尺寸優(yōu)化理論

尺寸優(yōu)化的設計變量可以是材料的密度、單元面積和梁截面的尺寸[4]，目標函數(shù)可以是結構的重量或結構的體積。以xi表示各設計變量，以y表示目標函數(shù)，則y與xi之間滿足一定的函數(shù)關系y=f(x1,x2,…xn)。為了使優(yōu)化問題能夠收斂且優(yōu)化結果滿足實際需要，往往還需要添加一定的約束條件gi，使得gi(x1,x2,…xn)≤0。優(yōu)化過程的實質(zhì)就是各設計變量xi在允許的范圍內(nèi)，在滿足約束條件gi的同時使目標函數(shù)y最小化或最大化。

1.2 客車骨架尺寸優(yōu)化

1.2.1 有限元模型建立及處理

該純電動客車的前后懸架均采用板簧+吊耳的型式，電機和傳動系統(tǒng)后置。對于前后圍、左右側圍、頂蓋和車架等薄壁管梁件，采用2D殼單元進行網(wǎng)格離散[5-6]，在完成各分總成的網(wǎng)格劃分后進行整車骨架網(wǎng)格模型的組裝；對于前后懸架采用1D單元進行簡化處理。建立的整車骨架有限元模型共包含365 928個單元和352 811個節(jié)點，如圖1所示。

圖1 整車骨架有限元模型

客車骨架的前后圍質(zhì)量較小，減重的空間不大[7]，因此將除前后圍外的骨架其他構件厚度作為優(yōu)化設計變量，并允許各設計變量在初始厚度的基礎上有±20%的變化。將對稱件、具有相同規(guī)格要求的構件作為單一的設計變量，以rf作為頂蓋設計變量的名稱前綴，以l作為左右側圍設計變量的名稱前綴，車架各設計變量的名稱前綴以c表示。處理完成的客車骨架共104個優(yōu)化設計變量。

本文將基于整車骨架的扭轉剛度和1階模態(tài)頻率來設定優(yōu)化問題的約束條件。扭轉剛度定義為：分別約束左后輪心的dof13自由度和右后輪心的dof123自由度，在左前輪和右前輪心間建立Z向的MPC約束，在左前輪心處施加沿-Z向的載荷F，滿足T=F·D/2=2 000 Nm，其中D為前軸左右輪心的輪距，單位為m。允許車身骨架的扭轉剛度下降10%，即約束扭轉工況下測量點的位移下限為-1.57 mm，同時約束車身骨架的1階模態(tài)頻率不低于9.2 Hz。將整車重量最小化設置為該優(yōu)化問題的目標函數(shù)。

1.2.2 骨架尺寸優(yōu)化結果

經(jīng)5次迭代后優(yōu)化問題得到收斂，約束條件和目標函數(shù)的迭代過程如圖2所示?？梢钥闯?，設定的約束條件和目標函數(shù)都得到滿足。在實際生產(chǎn)過程中，骨架管梁的厚度一般都在特定的規(guī)格中進行選擇，為了使優(yōu)化結果切實可行，需要對優(yōu)化后的各設計變量的厚度進行圓整處理，部分結果見表1。圓整處理后的客車骨架減重135 kg,其中各分總成的質(zhì)量變化及減重量占骨架總減重量的比值見表2。

(a) 扭轉工況撓度變化

(b) 1階模態(tài)頻率變化

(c) 車身骨架質(zhì)量變化

表1 部分設計變量值變化及圓整 mm

表2 分總成質(zhì)量變化及減重占比

從表2數(shù)據(jù)看，車身重量的減少主要集中在車架和側圍，頂蓋的減重空間相對較小。因此，對客車車身進行輕量化，車架和側圍是需要重點考慮的部位。

2 骨架強度校核及結構改進

2.1 強度校核

車身剛度的降低具體表現(xiàn)為管梁構件壁厚的減少，勢必會降低客車骨架的承載能力，通過優(yōu)化過程的自動迭代,在最大限度地降低客車骨架重量的同時，能確保骨架的扭轉剛度滿足約束要求，從而能降低因骨架壁厚的減薄而帶來的整車應力風險。將前述經(jīng)優(yōu)化圓整后的整車骨架有限元模型進行彎曲、扭轉、制動和轉向工況的強度校核，可以對優(yōu)化結果的可行性進行評估。

有限元強度校核發(fā)現(xiàn)：優(yōu)化圓整后的客車骨架在彎曲和扭轉工況下，客車骨架局部區(qū)域在優(yōu)化后應力升高，局部應力風險加大。其中，彎曲工況下后板簧后安裝板前端立柱應力從186 MPa提高至253 MPa；扭轉工況下左側圍中部斜撐與立柱搭接部位應力從221 MPa提高至343 MPa。優(yōu)化后的上述區(qū)域均超過相應工況下Q345材料在考慮動載系數(shù)下的許用應力230 MPa。

2.2 局部結構改進

根據(jù)優(yōu)化圓整后的客車骨架強度校核結果，考慮進行如下改進：

1) 在后板簧后安裝板前端的立柱旁新增厚度為1.5 mm的加強角，左右對稱布置，如圖3所示。

圖3 新增加強角示意圖

2) 將左側圍中部斜撐與側圍立柱搭接，改為斜撐同時與側圍立柱和P型腰梁搭接，如圖4所示。

(a) 改進前

局部結構改進后，彎曲工況下后板簧后安裝板前端立柱局部應力由253 MPa降低至183 MPa；扭轉工況下左側圍中部斜撐與立柱搭接部位由343 MPa降低至174 MPa，均低于優(yōu)化前的水平，且滿足相應強度工況對材料的使用要求。局部結構改進后的客車骨架，在滿足多種強度工況的要求外，整體質(zhì)量相比尺寸優(yōu)化前減少134 kg。

3 結束語

本文使用有限元分析方法對客車骨架進行了尺寸優(yōu)化和圓整，并對優(yōu)化圓整后的客車骨架進行強度校核和結構改進，最終得到的客車骨架在滿足多種強度工況的使用要求下取得了良好的減重效果。