全承載客車車身優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

1、<p>　　全承載客車車身優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計分析</p><p>　　摘要：車身結(jié)構(gòu)對于整車性能起著舉足輕重的作用，因此對車身結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究顯得十分重要。目前我國客車工業(yè)的整體水平得到極大的提高，客車的整車質(zhì)量也得到了穩(wěn)步發(fā)展，但與國際上先進(jìn)的客車工業(yè)相比，仍然存在很大的差距。從現(xiàn)代客車工業(yè)發(fā)展的重要方向全承載客車車身入手，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：全承

2、載；車身結(jié)構(gòu)；優(yōu)化；客車 </p><p>　　1全承載客車車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法 </p><p>　　(1)改變材料種類，采用密度小、楊氏模型數(shù)值高的材料。 </p><p>　　(2)改變車身梁結(jié)構(gòu)的截面形狀，提高截面的抗扭、抗彎剛度。 </p><p>　　(3)改變主要結(jié)構(gòu)件的厚度，使得結(jié)構(gòu)整體性能增強(qiáng)。通過改變車身的梁結(jié)構(gòu)的截面形狀

3、和厚度是最適合全承載車身優(yōu)化設(shè)計的方法，從而提高截面的抗扭、抗彎剛度，同時也能實(shí)現(xiàn)車身輕量化。 </p><p>　　(4)車身骨架焊點(diǎn)處理。車身骨架結(jié)構(gòu)具有焊點(diǎn)數(shù)目多(通常為幾千一上萬個)，具有空間復(fù)雜曲面及幾何特征多等特點(diǎn)，受硬件條件限制要建立精確的車身模型極為困難。根據(jù)焊點(diǎn)的受力特性，國內(nèi)外文獻(xiàn)中提出了多種模擬方法，見表1： </p><p>　　由表1可知，對單個焊點(diǎn)若用適當(dāng)高度的

4、塊單元模擬時，可獲得較高的精度，但局部網(wǎng)格需要很密。對大量均布、密集排列的焊點(diǎn)，適當(dāng)調(diào)整焊點(diǎn)區(qū)板厚及材料參數(shù)后，則可用單層板模擬而建模效率高。為模擬點(diǎn)焊區(qū)相鄰構(gòu)件在振動時的局部分離與接觸情況，則可用節(jié)點(diǎn)禍合法更為適宜。 </p><p>　　2全承載客車車身梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 </p><p>　　2.1結(jié)構(gòu)靈敏度分析算法 </p><p>　　靈敏度是一個廣泛的概念，

5、從數(shù)學(xué)意義上可以理解為：若函數(shù)F(x)可導(dǎo)，其一階靈敏度可表示為： </p><p>　　對結(jié)構(gòu)的分析可分為動態(tài)分析和靜態(tài)分析兩個方面，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)靈敏度分析也可分為動態(tài)和靜態(tài)靈敏度分析。動態(tài)靈敏度分析有特征(特征值、特征向量)靈敏度分析、傳遞函數(shù)靈敏度分析和動力響應(yīng)靈敏度分析等；靜態(tài)靈敏度分析則可以是位移、應(yīng)力等。 </p><p>　　在有限元線性靜態(tài)的優(yōu)化分析中，約束和目標(biāo)函數(shù)均有可能

6、是靜力平衡方程位移解的響應(yīng)，記為T=T(δ)。而位移是設(shè)計變量的隱函數(shù)，記為δ=δ(X)則：T=T(δ(X))?？傻梦灰茖υO(shè)計變量的靈敏度為： </p><p>　　由上式可以看出，結(jié)構(gòu)參數(shù)Xj的改變直接影響了質(zhì)量矩陣M和剛度矩陣K，進(jìn)而改變了固有頻率。 </p><p>　　為了權(quán)衡每一個設(shè)計變量在提高或不影響剛度或改善動態(tài)性能的同時又能降低車身質(zhì)量，定義了一個衡量指標(biāo)R，以截面厚度對車

7、身質(zhì)量和剛度的影響比較為例，其計算式為： </p><p>　　R值是指當(dāng)截面厚度增加Xmm時，它對整車剛度和整車質(zhì)量的增加的貢獻(xiàn)的比值。 </p><p>　　2.2車身靈敏度的分析 </p><p>　　由于前橋右輪懸空和后橋右輪懸空工況分別使前后車廂位移較彎曲工況明顯降低，因此討論整車扭轉(zhuǎn)剛度對車身骨架梁截面(矩形型材)長a、寬b、厚度t的靈敏度，同時計算整

8、車質(zhì)量對設(shè)計參數(shù)敏感度，并計算R值。可以根據(jù)零部件件的類型、位置和作用選取一些重要的構(gòu)件來進(jìn)行靈敏度分析。表2列出了具體的零部件名稱和代號。 </p><p>　　位置靈敏度分析的零部件名稱頂棚主橫梁(A0~A20)，主縱梁(A21~A24)前圍前擋風(fēng)玻璃立柱(B1~B2)，前擋風(fēng)玻璃橫梁(B3~B4)后圍后擋風(fēng)玻璃立柱(B6~B7)，后擋風(fēng)玻璃橫梁(B8~B9)側(cè)墻側(cè)窗玻璃立柱(C1~C18)，腰梁(C19~C

9、22)，車門立柱(C23~C38)司機(jī)地板主縱梁(E1~E6)，與前橋連接處主橫梁(E7)前車廂中心地板踏板梁(F1~F8)，上層中心主梁(F5~F6)后車廂前地板踏板梁(G1~G4)，與鉸接盤連接的前端橫梁(G5~G7)前、中、后車橋空氣彈簧約束橫梁(H1~H20)，車橋縱梁(H21~H26)，與中心地板龍骨發(fā)動機(jī)支撐縱梁(I1~I2)，支撐變速箱橫梁(I3~8)，水箱懸掛橫梁(I9~11)后車廂前端開口前端門立柱(J1~J4)靈敏度

10、分析時，設(shè)定所有參數(shù)變化范圍為130%，在此范圍內(nèi)進(jìn)行迭代插值。由于前后車廂車橋扭轉(zhuǎn)時只對自身車廂扭轉(zhuǎn)剛度有明顯的影響，因此分別計算前后車廂一階扭轉(zhuǎn)頻率和中橋、后橋發(fā)生扭轉(zhuǎn)時的前后車廂車身扭轉(zhuǎn)剛度對梁單元的靈敏度。 </p><p><b>　　2.3優(yōu)化設(shè)計 </b></p><p>　　根據(jù)靈敏度分析結(jié)果，從中選出對輕量化影響較為明顯的參數(shù)，見表3所示，同靈敏度分

11、析，設(shè)定所有參數(shù)變化范圍為±35%，目標(biāo)函數(shù)為質(zhì)量最小，分別以整車一階扭轉(zhuǎn)頻率&gt;5HZ和整車扭轉(zhuǎn)剛度&gt;8.0E+04N.mm/度，分別對前后車廂進(jìn)行優(yōu)化。 </p><p>　　優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)是質(zhì)量最輕，狀態(tài)變量為能反映前車廂整車扭轉(zhuǎn)剛度邊界下限的參數(shù)。選擇中橋扭轉(zhuǎn)時的前車廂扭轉(zhuǎn)剛度為約束，要求整車剛度&gt;8.0e+04N.mm/度。部分設(shè)計變量的優(yōu)化結(jié)果見表4。

12、其中tB1(B2)表示目標(biāo)函數(shù)、約束函數(shù)對B1，B2梁的靈敏度接近，且初始值一致，即將它們作為一個變量進(jìn)行優(yōu)化。 </p><p>　　通過優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)質(zhì)量下降了72Kg，占前車廂總質(zhì)量的2.3%，而優(yōu)化后的整車扭轉(zhuǎn)剛度為8.8E+04N.mm/度左右，仍然大于8.0E+04N.mm/度，屬于正常范圍。這說明整個優(yōu)化過程是有效的，同時可以看出整車扭轉(zhuǎn)剛度和輕量化并不沖突。 </p><p>

13、;　　(2)一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)。 </p><p>　　優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)是質(zhì)量最輕，狀態(tài)變量為能反映前車廂振動性能的頻率參數(shù)，本文選擇基礎(chǔ)模態(tài)前車廂一階扭轉(zhuǎn)頻率為約束，要求扭轉(zhuǎn)頻率&gt;5HZ。部分設(shè)計變量的優(yōu)化結(jié)果見表5。 </p><p>　　通過優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)質(zhì)量下降了83Kg，占前車廂總質(zhì)量的2.5%，而優(yōu)化后的一階扭轉(zhuǎn)頻率為5.376HZ左右，仍然大于5HZ，屬于正常范圍。這說明

14、整個優(yōu)化過程是有效的，同時可以看出一階扭轉(zhuǎn)剛度和輕量化并不沖突。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1]代紅軍，林程.電動客車車身有限元分析及其輕量化設(shè)計[J].客車技術(shù)與研究，2005，(3)：10-11. </p><p>　　[2]王海亮，金先龍，林忠欽.低地板城市客車車身結(jié)構(gòu)有限元分析[J].汽車