基于刚度的某客车骨架灵敏度分析与结构优化

詹斌，李芹，陶砾莹

（比亚迪汽车工业有限公司，广东深圳518118）

基于刚度的某客车骨架灵敏度分析与结构优化

詹斌，李芹，陶砾莹

（比亚迪汽车工业有限公司，广东深圳518118）

建立某电动客车整车骨架有限元模型，进行车身结构的弯曲刚度和扭转刚度有限元计算；然后进行车身弯曲刚度、扭转刚度及质量对构件厚度的灵敏度分析，依据灵敏度分析结果，优化车身构件厚度，提高车身骨架结构的扭转刚度和弯曲刚度，同时质量不增加。

客车悬架；弯曲刚度；扭转刚度；灵敏度分析；结构优化

车身刚度作为汽车最基本、最重要的性能指标，是车身设计过程中需要重点关注的性能，也是评价车身结构设计优劣的核心之一。车身刚度直接影响车身的疲劳性能、被动安全性能、NVH性能。因此，车身设计过程中，必须保证满足车身结构的刚度要求。对于电动客车，车身的轻量化能有效地节省电能消耗，提高汽车的动力性能；从结构上优化，并在保证车身刚度的同时，最大程度地降低车身质量，已成为当前研究的重点［1-2］。

本文以某电动客车为研究对象，利用CAE技术分析并评价其刚度特性。根据灵敏度分析结果选取优化设计变量，并对选取的车身构件厚度进行刚度和质量的静态灵敏度分析；在获得静态灵敏度信息的基础上，选择对车身刚度和质量影响较大的构件作为优化设计变量，使车身在满足刚度性能的同时，质量实现轻量化［3］。

1　车身刚度计算

本文中的车身刚度主要包括尾部弯曲刚度和扭转刚度。尾部弯曲刚度可用车身尾部在铅垂力作用下产生的挠度大小来描述；扭转刚度可以用车身在扭转载荷作用下产生的扭转角大小来描述。

1.1车身有限元模型建立

将此客车车身骨架模型通过UG软件转换为‘stp’格式的文件，由有限元前后处理软件Hyperworks读入并进行适当简化，去掉对整车骨架刚度影响较小的安装支架，省略内饰件、蒙皮、玻璃、电池包等非主要受力构件；忽略构件上小的倒角、倒边及孔；不考虑焊接和铆接结构的失效问题；采用壳单元Quard4和少量Tria3来划分构件，采用RBE2单元模拟焊接和铆接，以10mm基本尺寸建立车身骨架的有限元模型（图1），其包括1 872 709个节点，1 840 995个单元；其中三角形单元6 872个，占单元总数的0.37%。

1.2客车尾部弯曲刚度计算

计算尾部弯曲刚度时，选取的边界条件为约束左前空气弹簧支座处的y、z向自由度，约束右前空气弹簧支座处的z向自由度，约束左后空气弹簧支座处的x、y、z向自由度，约束右后空气弹簧支座处的x、z向自由度；在位于底盘车架尾部横梁的中间位置，施加沿-z方向大小为5 000N的力载荷。

提交Nastran计算得到，尾部横梁加载力位置处的z向位移为4.884mm，并以此挠度值计算得到尾部弯曲刚度值为1 023.8N/mm。

1.3客车扭转刚度计算

计算扭转刚度时，选取的边界条件为约束左后空气弹簧支座处的x、y、z向自由度，约束右后空气弹簧支座处的x、z向自由度，约束底盘车架最前端横梁中间位置的六个方向自由度；在两个前空气弹簧支座处施加大小为2 000N·m的力矩。

提交Nastran计算得到，前空气弹簧支座安装点在y、z平面相对扭转角为0.077°，以此角度值计算得到扭转刚度为25 974N·m/deg。

将以上得到的此客车的尾部弯曲和扭转刚度与同系列客车的相应刚度值进行对比。结果显示，此客车尾部弯曲和扭转刚度均偏小，车身的静态刚度有待提高，应进行结构优化来提高车身的尾部弯曲和扭转刚度。

2　车身结构灵敏度分析及优化

2.1灵敏度分析

灵敏度分析可以帮助设计者发现对系统性能影响大的属性，从而帮助设计者提出更好的修改建议，更进一步优化系统的性能［4］。车身结构灵敏度分析是车身结构性能参数ui的变化对车身结构设计参数xj变化的敏感性，是优化设计的重要一环，可成倍地提高优化效率。车身结构的性能参数对车身结构设计参数的灵敏度定义为［5］

sen（ui/xj）=∂ui/∂xj

借用之前在Hyperworks中建立的车身骨架静力刚度分析的有限元模型，导出为‘bdf’格式的文件，采用直接编辑‘bdf’文件的方法，在文件的执行控制部分将求解类型由SOL101（静力学计算）修改为SOL200（设计优化计算）；在工况控制部分添加优化类型为static，以及设计变量、约束如下［6］：

1）选取车身骨架结构厚度为设计变量，车身结构件较多，有601个［7］。

2）保证扭转刚度和尾部弯曲刚度达到同系列车型相同水平，计算时以测量点的位移上下限为刚度的约束条件。

完成上述设置后，将文件保存并提交Nastran软件计算，在计算得到的‘f06’文件中可得到车身骨架总质量、尾部弯曲刚度、扭转刚度对构件厚度的灵敏度信息。部分灵敏度计算结果如表1所示。

表1　杆件厚度及灵敏度

由表1所示的灵敏度计算结果，可以挑选对质量灵敏度小，而对扭转刚度和尾部弯曲刚度灵敏度大的杆件进行适当增厚处理；而对质量灵敏度大，对扭转刚度和尾部弯曲刚度灵敏度小的杆件进行适当减厚处理［8］。同时根据已有的型材，可得到有代表性的杆件厚度优化方案1，如表2所示。

表2　有代表性的部件厚度优化方案1

根据表2可以确定，在车身骨架有限元模型中的主要构件为中门上横梁、左右侧围裙边梁、车架中段横梁、顶围两侧纵梁、前后轮包处的立梁等。

2.2基于灵敏度分析的优化

将表2中所确定的部件的厚度作为优化设计的设计变量；以车身骨架质量小于等于原车身骨架质量为约束条件；将计算扭转刚度和尾部弯曲刚度的组合工况产生的加权应变能最小作为优化目标；在Hyperworks中用自带的Optistruct模块进行优化计算［9］，经过3次迭代计算，优化过程结束。由于优化时部件的厚度是连续变化的，一些零件的板厚含有多位小数，并不能用于实际生产，同时由于型材型号的限制，最终方案必须在优化的基础上圆整后得到［10-11］。有代表性的部件厚度优化方案2如表3所示。

表3　有代表性的部件厚度优化方案2

根据方案1和方案2中构件的厚度数据，对有限元模型的厚度重新赋值后进行尾部弯曲刚度、扭转刚度、整车质量的计算，得到的对比结果见表4。

表4　两种优化方案对比

由表4可以看出，虽然方案1增加的刚度性能较大，但骨架的质量增大了50 kg；方案2在刚度增大约5%的情况下，整车骨架的质量基本保持不变，不但满足刚度性能要求，同时还满足轻量化设计目标。

3　结束语

本文采用有限元方法对某电动客车车身的刚度进行了计算，并以车身骨架构件的厚度为设计变量，计算得到整车骨架刚度和质量的静态灵敏度信息，通过灵敏度的结果选取部分构件进行厚度的优化，最终使整车车身骨架质量不增加的情况下，尾部弯曲刚度和扭转刚度有了显著提高。在车身结构优化过程中，通过灵敏度分析，避免了结构修改的盲目性，提高了设计效率。

［1］谭继锦，张代胜.汽车结构有限元分析［M］.北京：清华大学出版社，2009.

［2］李志祥.微型客车刚度性能的分析与优化研究［D］.上海：上海交通大学，2010.

［3］任光梅，田湘龙，李彦生.微型客车车身静态灵敏度分析及优化［J］.现代制造工程，2012，（4）：31-34.

［4］张猛，陈勇敢，陈剑.灵敏度分析在车身结构优化设计中的应用［J］.汽车科技，2011，（2）：22-24.

［5］段月磊，毕传兴.基于刚度和模态灵敏度分析的轿车车身轻量化研究［J］.噪声与振动控制，2010，（6）：79-82.

［6］李增刚.Nastran快速入门与实例［M］.北京：国防工业出版社，2007.

［7］刘江，贵良进，王青春，等.全承载式大客车车身结构多目标优化［J］.汽车工程，2008，30（2）：170-174.

［8］王志亮，刘波，马莎莎，等.基于弯曲刚度和扭转刚度的白车身优化分析［J］.机械科学与技术，2008，27（8）：1021-1024.

［9］张胜兰，郑冬黎，郝琪，等.基于Hyperworks的结构优化设计技术［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［10］曹文钢，曲令晋，白迎春.基于灵敏度分析的客车车身质量优化研究［J］.汽车工程，2009，31（3）：278-281.

［11］王若平，柳淑云，朱国梅.大客车车身骨架早期局部开裂分析［J］.重庆理工大学学报：自然科学版，2014，（11）：1-5.

修改稿日期：2015-03-16

Sensitivity Analysisand StructureOp tim ization of a Bus Body Frame Based on Stiffness

Zhan Bin，LiQin，Tao Liying

（BYDAuto Industry Co.，Ltd，Shenzhen 518118，China）

A finite elementmodel of an electric bus frame is built，the bending stiffnessand torsional stiffness are calculated of the body structure；then the sensitivities of bending stiffness，torsional stiffness and mass about the thickness of components are analyzed respectively.Based on the sensitivity analysis results，through optimizing the thickness of the body components，the bending stiffness and torsional stiffness are improved while themass of the body don'tincrease.

bus frame；bendingstiffness；torsionalstiffness；sensitivityanalysis；structureoptimization

U463.82+2

A

1006-3331（2015）05-0016-03

詹斌（1989-），男，助理工程师；从事新能源客车CAE分析工作。