低地板电动城市客车车身拓扑优化与结构分析

张华，文光辉（重庆大学航空航天学院，重庆400030）

低地板电动城市客车车身拓扑优化与结构分析

张华，文光辉
（重庆大学航空航天学院，重庆400030）

基于某新型低地板纯电动城市客车的概念设计初始要求，建立该客车车身的有限元模型，采用变密度法，利用拓扑优化技术对多工况下的客车车身结构进行优化，并对优化的结构进行分析验证。结果表明，结构的刚度和强度均满足设计要求。

概念设计；有限元；车身结构；拓扑优化；纯电动城市客车

低地板客车的车身结构设计相对传统客车车身结构更复杂。比如对处于概念设计阶段的新型纯电动城市客车，电机取代发动机导致动力系统的改变使得底盘结构发生了较大的变化；另一方面全承载客车车身结构复杂，仅靠经验很难得到好的车架结构。

1　拓扑优化问题描述

拓扑优化理论应该在车身结构设计的初始阶段引入，而不是仅凭经验来设计或改造结构［1］。拓扑优化的目的是要找出在极限工况下客车结构最好的传力路径，与尺寸优化和形状优化相比，结构拓扑优化获取的效益更大，对工程设计人员更具吸引力，具有更广阔的工程应用前景［2-3］。目前，对客车车身结构拓扑优化大多是在已有车型基础上开展［4-8］。对于没有参考车型的新型客车而言，其车身拓扑优化前存在两个质量分布问题：对于没有确定结构的底盘，底盘各部件的安装点是不确定的；城市客车满载时，人的质量在底盘趋于均匀分布。因此，相应的质量载荷会使得拓扑优化结果模糊。

本文基于某新型低地板纯电动城市客车车身结构概念设计进行拓扑优化，考虑实际工程结构多半在多种工况下工作，应力约束是最基本的约束条件［9］。因此，优化约束条件为应力约束，采用变密度法在四种标准工况下对该新型低地板纯电动客车车身结构进行拓扑优化研究。

本文采用密度法进行材料插值，即SIMP方法。该方法引入一种假想的相对密度在0～1之间可变的材料，假设设计材料的宏观弹性常量与其密度成非线性关系，用公式表述为ke（ρ）=ρPke（其中ke为带有材料插值的单元刚度矩阵，ke为单元刚度矩阵；ρ为密度；P为惩罚因子）。在一定的材料用量的条件下，寻找具有某种度量的最大刚度（结构的最小柔顺性）的结构材料最佳分布形式。以结构的柔顺度作为目标函数、体积为约束，数学模型如下所述：

其中：X为设计变量（这里为相对密度）；x为单元设计变量（e=1、2、3……n为设计变量的数目）；C（X）为结构的柔顺度；F为载荷矩阵；U为位移矩阵；K为整体刚度矩阵；ue和ke分别为单元位移矩阵和单元刚度矩阵；V（X）为在设计变量状态下的结构有效体积；V0为在设计变量取1状态下的结构有效体积；f为材料用量的百分比（体积系数）；xmax、xmin为单元设计变量上下限；P为惩罚因子（一般取P=3）。

在HyperWorksOptiStruct软件中，可以通过自定义函数的方法来实现上面的折衷规划公式，然后将定义好的函数设为响应，最后将该响应作为目标函数进行优化。

2　客车车身结构拓扑优化

2.1客车拓扑优化模型

某新型低地板纯电动城市客车概念设计初始要求建立结构拓扑优化模型，车总体外形尺寸为12m×2.3 m×2.5m（长×宽×高），轴距为5.4m，前悬和后悬分别为2.1m和2.2m，车身是全承载结构，顶置电动空调。概念设计阶段的拓扑优化的区域为该客车结构所有区域，建立的基于造型的车身拓扑优化模型如图1所示。单元类型全部使用壳单元。该有限元模型单元总数为37 307，节点总数为38 281。

2.2质量载荷处理

电动客车车身的载荷主要来自电池、驱动电机、门窗、空调、座椅及乘客等质量，通常是根据客车车身结构在各种工况下实际的载荷、根据静力等效原则，将载荷施加到对应的有限元网格节点上。由于该研究基于客车概念设计，没有参考车型结构，底盘上各部件安装点无法确定。因此，在质量分配时做如下处理：

1）将能确定安装点的部件将其安装点处的节点在Hypermesh里用rb3单元连接，将相应部件的质量赋在rb3单元的主节点上。这些部件有门窗以及顶棚天窗。

2）不能确定安装点的部件主要在底盘上，在底盘上利用rb3单元将主梁位置处节点连接起来，将底盘质量按比例赋在rb3单元主节点上。另外，顶棚空调的质量做同样处理。

3）底盘各总成、乘客及座椅的质量。站立的乘客按8人/m2计算，乘客载荷为65 kg/人，座椅质量35 kg/个，底盘各总成质量如电机、电池、减速器等的质量参照所选类型确定。底盘所承载的质量载荷总共约8 t，参照方法2）将主梁节点用rb3单元连接起来，将质量按比例赋在底盘主梁上。

2.3约束条件处理

车身骨架连接处的应力，对客车车身整体的应力分布影响甚微［10］。为简化处理，直接约束悬架与车身连接点处的节点，对于连接点处产生的应力集中现象，在拓扑优化时将连接点附近的单元作为非设计区域，从而排除连接处应力集中对优化的影响。本文对客车四种典型工况下的拓扑优化进行研究，各工况约束处理如下：

1）弯曲、转弯和制动工况采用相同的约束处理：对悬挂与车身连接部位，约束垂直方向安装点z轴平移自由度、x轴和y轴转动自由度，其他自由度释放；约束纵向方向安装点x轴平移自由度、y轴和z轴转自由度，其他自由度释放；约束横向方向安装点y轴平移自由度、x轴和z轴转动自由度，其他自由度释放。其中x、y、z轴分别对应客车的纵向、横向和垂向。

2）扭转工况约束处理：分别对前左车轮、前右车轮、后左车轮和后右车轮悬空，在满载情况下来模拟极限弯扭工况，悬架与车身安装点约束处理与其他工况相同。

2.4全局应力约束参考值确定

对客车结构进行优化设计，首先须完成对原车模型的性能评估，才能在此基础上实施拓扑优化设计。单工况的拓扑优化研究结果一般只适用于所研究的典型工况，对于其他工况而言未必是最优的设计，所以研究在多种工况下的综合拓扑优化设计更具有实际意义［8］。首先分析客车多工况静力分析，得到客车各工况最大应力。

客车车身结构主要承受弯曲、扭转、转弯及制动四种典型工况，相应的加载方式以及各工况下客车最大应力见表1。其中“g”表示重力加速度；“-”表示该方向没有载荷。

表1　载荷工况及最大应力

扭转工况下的最大应力为237.8MPa，是其他工况最大应力的1.5～2倍。电动客车行驶中扭转工况为遇到的最严重的工况，本研究的拓扑优化全局应力约束以此条件作为参考设置。

2.5拓扑优化分析

根据SIMP密度函数插值模型，在拓扑优化软件OptiStruct中建立弯曲、扭转、转弯和制动四种工况下客车车身结构的材料密度，约束体积分数下限设为0.15，优化目标为体积最小。基于应力分析结果如表1所示，设置全局应力约束为230M Pa。

在CATIA里建立客车三维几何模型，车身结构构件布置应使车身构成一个连续完整的受力系统与合理的载荷路径［11］，相应的结果如图2所示。图2（a）-图2（f）为车身拓扑优化结果，图中深色部分是材料可取部分，浅色部分是材料保留部分；图2（g）-图2（l）是根据车身拓扑优化结果；图2（a）-图2（f）对应所建立的车身结构布置图。根据实际装配和加工要求，车身结构尽可能保持对称性。在主要受力横截面，客车车身结构布置形成一个封闭环。

2.6结构优化分析验证

将新布置的客车车身结构几何模型进行静力分析，加载方式和约束条件跟拓扑优化前的静力分析相同，材料都采用Q345钢，各工况下最大应力和最大位移如表2所示。

表2　各工况下最大应力、最大位移及相应发生位置

从应力云图看，各工况最大应力发生的位置均在悬架约束处，整体应力分布都呈梯度分布，局部分布均匀。由于在设计结构几何模型时，没有给出倒角，使得工况应力集中现象比较多，各工况最大应力在200MPa左右；而Q345钢屈服应力是350MPa。因此，安全系数超过1.5，满足设计要求。

刚度方面，从位移云图看，客车最大位移发生在转弯工况，最大位移为8.02mm，这是由于施加的侧向加速度所致。但是其垂直位移与制动时的垂直位移相差不大，模型的门窗口对角线变形量均在5mm内，满足一般客车对于开口结构变形量小于5mm的要求。

由此可知，该客车车身整体结构基本符合工程设计要求。

3　结论

1）对于无参考车型的新型低地板纯电动城市客车车身结构设计在概念设计阶段采用拓扑优化设计是可行的。

2）将质量分布在主梁上开展拓扑优化设计，可得较好的拓扑优化结果及力流环，由此设计出合理的车身结构，该结构的强度和刚度均满足设计要求。

3）拓扑优化所得结构整体应力分布都呈梯度分

布，局部分布均匀。为使轻量化效果最佳，还需进一步根据实际需求做尺寸优化。

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Topology Optim ization and StructuralAnalysison Low Floor Electric BusBody

Zhang Hua，Wen Guanghui
（College ofAerospace Engineering，Chongqing University，Chongqing400030，China）

Based on the requirements of initial concept design for a new low floor electric city bus，the authors establish a finiteelementmodelof the busbody，adoptthevariabledensitymethod，use the topologyoptimization techniques to optimize body structure undermulti-load cases，and verify the optimized structure analysis.The results show that thestiffnessand strength of the busbody structure allmeetthedesign requirements.

conceptdesign；finite element；busbody structure；topology optimization；pure electric bus

U 469.72；U 463.82+2

A

1006-3331（2015）04-0005-03

张华（1962-），男，副教授；博士；主要研究方向：结构分析及优化、固体力学、CAE分析。