混合动力城市客车侧围骨架结构的二次拓扑优化设计

王雨臣

（奇瑞万达贵州客车股份有限公司，贵阳550000）

混合动力城市客车侧围骨架结构的二次拓扑优化设计

王雨臣

（奇瑞万达贵州客车股份有限公司，贵阳550000）

以侧围骨架设计区域的质量分数为约束响应，以带权重的多工况下最小整车骨架柔度为目标函数，运用SIMP方法对某款低地板混合动力城市客车的侧围骨架结构进行了详细的二次拓扑优化，并对侧围骨架结构进行了优化设计。相比优化前的侧围骨架结构，车身骨架最大应力值平均下降13.99%，结构减重9.78%，并通过了整车定型实验。

混合动力城市客车；侧围骨架结构；拓扑优化；有限元分析

1　概述

混合动力技术作为国家大力支持和发展的一种节能技术，在城市客车中率先得以批量运用。混合动力城市客车的节能和减排的作用得到了市场认可。但是，采用混合动力技术的城市客车的整备质量通常远高于传统城市客车，同时其整车的布置和结构特性也与原来有所区别。因此，如何在新的布置情形下，设计出合理的结构来满足整车强度、刚度和轻量化的要求是目前该领域的一个重要课题。

在车身结构设计的初始阶段引入拓扑优化设计，而不是由经验来设计或改造结构的做法已得到现代汽车工程师的认同。对目标设计区域进行拓扑优化，作为结构设计的前提，以使结构具有合理的强度分布、提高结构的刚度和材料利用率，在汽车领域已经得到了运用。在客车领域，部分研究人员对车架、车身骨架结构进行了拓扑优化［1-8］，其结果显示，拓扑优化设计出来的结构能够使材料运用更加合理，结构具有更轻、性能更好的特点。

本文对某款混合动力城市客车进行了结构拓扑优化。由于我司底架结构设计受制于底盘厂家，因此，将底架和车身骨架进行了分阶段的拓扑优化。第一阶段先独立进行底架的拓扑优化，采用扭转刚度和抗弯刚度为评价指标，并对标传统大梁车架的相应刚度。将优化的底架拓扑构型与底盘厂共同讨论后完成底架的结构设计。第二阶段在优化后的底架结构基础上，建立整车骨架结构分析模型，进行车身骨架结构的拓扑优化。通过对拓扑优化结果分析得知：①顶盖拓扑出来的构型为斜撑结构，不便于安装空调、超级电容及内饰件，且斜撑结构增加了制造难度，即顶盖拓扑构型不太符合实际应用，顶盖骨架比较适用于尺寸优化；②前、后围骨架受限于造型设计，基本没有拓扑优化空间。

因此，本文重点阐述第二阶段的侧围骨架结构的拓扑优化，只以优化侧围骨架结构性能和材料利用率为目的，对某款低地板混合动力城市客车的侧围骨架结构进行了详细的拓扑优化。并依据拓扑优化结果和特性，对侧围骨架结构进行了二次优化设计。为了验证结构的合理性，以及此方法的可行性，该车型经过了完整的产品定型试验过程［9］，同时还增加了3 000 km强化路面试验。试验结果显示，此车型未有结构缺陷，从而证实了此方法在客车设计中的有效性。

2　侧围骨架拓扑优化建模及计算

2.1侧围骨架拓扑优化思路

拓扑优化技术的基本思想是，将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域内寻求最优材料的分布问题。拓扑优化中的拓扑描述方式和材料插值模型非常重要，SIMP法是在理论和工程研究运用中应用前景最为广泛的物料描述方法［10］。本文采用OptiStruct软件的优化模块对侧围结构进行优化，其拓扑描述方式和材料插值模型采用的是SIMP方法。

对于一个优化设计问题，其三要素是设计变量、目标函数和约束条件。由于一款车型的外形都有系列性，因此，侧围骨架结构的窗分型基本已定。加之底盘也基本定型，因此，其设计空间相对较小。而厂家为了减小不同车型中型材的规格型号，通常又要求其主要结构采用通用规格。因此，本文在充分考虑侧围结构的限制下，对侧围骨架结构作如下定义：

1）设计区域。侧围封闭环之间的斜撑区域，窗户加强梁的斜撑区域。具体设计区域如图1所示深色区域。

2）设计变量。设计空间里的每个单元密度。

3）目标函数。最小整车骨架各工况加权柔度（结构应变能），全局质量分数。

4）约束条件。由于还需对优化结果进行后续改进设计，且为获得较明显的骨架结构构型布置趋势，所以将各设计区域的质量分数约束为不大于0.1。

2.2有限元建模

由于混合动力城市客车的布置形式与传统城市客车的区别，造成了整车骨架受力的分布有所不同。为了合理优化侧围骨架结构，有必要将其放在整车骨架结构的分析中进行求解计算。虽然优化过程同比会增加计算时间，但是这样得到的结果才是较为合理的优化结果。因此，本文建立了整车优化前的整车骨架结构模型，并将设计区域用四面体实体单元描述和定义。最后建立的侧围骨架结构拓扑优化模型如图2所示。其中较大质量件都采用集中质量方法加载于相应骨架处。

本司与国外某企业合作建立了空气悬架的动力学模型，提取了本车型在满载状态下扭转、弯曲、制动等极限和常见工况下的悬架支撑处的反力，具体工况设置见表1。本文有限元模型的悬架支撑力即以提取的极限工况下支撑反力作为模型的外力输入，整车骨架结构支撑与约束方法采用应力释放法。

表1　整车边界条件

2.3拓扑优化设置

考虑到侧围骨架结构的制造特点，并为了减小优化中的棋盘格效应，设置侧围结构的最小和最大成员尺寸分别为30mm和70mm。同时考虑到侧围结构的特点，防止出现车内外侧围面不同材料分布的情形，采用OptiStruct软件中的拔模设置。

将左、右侧围的设计区域的质量分数作为约束响应条件，以便优化结果能够具有轻量化的效果。由于不同工况下悬架反馈的受力大小不同，也要求整车在不同工况下有不同的刚度特性。因此，拓扑优化时，必须综合考虑不同的工况。本文设置整车结构的加权柔度最小为优化目标。考虑到客车的极限制动情况属于不太常见工况，将其权重降低，具体权重设置见表1。

3　拓扑优化结果及分析

3.1拓扑优化结果

采用上述设置，经过拓扑优化计算，迭代21步得到优化结果。保留设计空间材料密度大于0.4的单元，结果如图3所示。

从优化结果可以看出，拓扑优化结果基本符合传统侧围结构受力特性，载荷传递路径明显。载荷路径基本沿着底架延伸的牛腿横梁区域传递至侧围立柱，且反映出侧围设计时尤其要考虑载荷的传导。考虑到整车模块化、材料规格的特点，此拓扑结构还需进行二次设计，以便易于加工制造。

3.2侧围结构的二次设计

根据拓扑优化结果，对侧围骨架进行结构及尺寸优化设计。在充分考虑载荷传递特性、加工难易程度以及整车其它部件安装结构的情况下，二次设计了优化后的侧围结构，如图4所示。从二次设计结构可以看出，新侧围结构与拓扑优化结构区别较明显，这是由于拓扑优化得到的构型未包含侧围与地板的连接结构，且未考虑内饰件的装配。但是新结构的斜撑结构基本利用了拓扑优化时的载荷传递路径，尤其加强了右侧中乘客门前和左侧中乘客门对面的斜撑密度，采用了平行2根斜撑结构来进行载荷传递。3.3侧围结构静力分析

图5是侧围骨架在拓扑优化前的设计结构。从结构模型来看，由于缺少混合动力侧围结构设计经验累积，侧围结构设计偏保守。

采用相同的边界条件下，对优化前后的整车结构模型进行了静力分析。其边界条件如表1所示。提取比较关键和受力比较大的4种载荷状况，对车身骨架结构关键区域应力进行了对比分析，对比结果如表2所示。

根据对比结果可以发现，此4种工况下的最大受力区域基本比较集中，且优化前后最大受力区域不完全相同。同时可以发现，优化后的结构最大应力值平均下降13.99%。优化前后侧围结构重量分别为743.8 kg和671.0 kg，减轻了9.78%。

表2　优化前后的车身结构的静力分析应力情况对比

4　结论

采用OptiStruct软件的优化模块对混合动力城市客车的侧围结构进行了详细的二次拓扑优化。优化过程中，以侧围骨架设计区域的质量分数为约束响应，以带权重的多工况下最小整车骨架柔度为目标函数。结合优化结果，对侧围结构进行了二次设计，并将优化设计的侧围结构运用于整车结构中。结论如下:

1）相比优化前的侧围骨架结构，车身骨架的最大应力值平均下降了13.99%，结构减重9.78%，。

2）车身结构设计时，并非结构刚度足够大就能减小局部结构应力集中，而是要找到一种平衡的结构，才能够最大限度地保证结构的受力合理。且侧围结构对车身结构的应力分布存在比较大的影响。

3）优化的结构通过了整车定型实验，从侧面表明了此拓扑优化设计思路和方法在客车车身设计中是切实可行的。

［1］赵永辉.大客车车身骨架结构拓扑优化设计［D］.湖北：武汉理工大学，2008.

［2］范文杰，范子杰，桂良进，等.多工况下客车车架结构多刚度拓扑优化设计研究［J］.汽车工程，2008，30（6）:531-533.

［3］高云凯，周晓燕，余海燕，等.城市公交客车车身结构拓扑优化设计［J］.公路交通科技，2010，27（9）:154-157.

［4］杨蔓，刘向征，田晟.某款电动客车车架的结构优化［J］.客车技术与研究，2012，24（3）:14-16.

［5］张胜兰，康元春，王卫.中型客车车架结构拓扑优化设计［J］.汽车技术，2012，（6）:36-39.

［6］邓仲卿，阳林，李琦，等.城市电动客车车身结构拓扑优化设计［J］.客车技术与研究，2013，35（2）:7-9.

［7］周伟，宋学伟.客车车身结构拓扑优化设计［J］.客车技术与研究，2012，34（6）:9-11.

［8］刘成武，梁辉泉，洪亮.公交客车车身骨架拓扑优化结构分析［J］.机电技术，2013，（1）：2-4.

［9］GB/T 13043-2006，客车定型试验规程［S］.北京：中国标准出版社，2006.

［10］刘志强，王明强.基于SIMP拓扑优化理论的结构概念设计研究［J］.江苏科技大学学报：自然科学版，2006，（1）:65-68.

修改稿日期：2015-08-02

Secondary TopologicalOptimalDesign of Side-wall Framework Structure for Hybrid City bus

Wang Yuchen
（Chery&Wanda BusCo.，Ltd，Guiyang 550000，China）

The detailed secondary topologyoptimization iscarried out to theside-wall framework structure for a low floor hybrid city buswith SIMP method，which sets themass-fraction of side-wall framework design region as the restraintresponseand sets theminimum flexibilityofwhole vehicle framework as theobjective functionwithweightedmulti-load cases.Meanwhile，the side-wall framework structure is optimally designed.Compared with original structure，the stress of the whole vehicle body framework structure is decreased by 13.99%，and the weight of side-wall framework is reduced by9.78%，and thenew side-wall framework structure ispassed through the type test ofwholevehicle.

hybrid citybus；side-wall framework；topologyoptimization；FEA

U463.83+1

B

1006-3331（2015）05-0022-04

王雨臣（1970-），男，工程师；总经理。