基于以界面力度量的车身承载度的客车结构优化研究

张苗莉，任金东，周姗姗

(1.吉林大学汽车工程学院，长春 130022； 2.一汽轿车股份有限公司，长春 130011)

2016146

基于以界面力度量的车身承载度的客车结构优化研究

张苗莉1，任金东1，周姗姗2

(1.吉林大学汽车工程学院，长春 130022； 2.一汽轿车股份有限公司，长春 130011)

在传统的评价方法基础上，采用车身结构承载度的另一种度量方法——界面力法，对某半承载式客车的车身承载度进行了分析，并以提高车身承载度为目标，对该客车的结构进行了改进。首先，通过计算结构应变能密度发现车身结构承担载荷较少，没有充分发挥车身材料的性能，且不同环结构承担的载荷不同，整车后部环的承载度大于前部的环。其次，根据应变能分析结果选定底架部分零件(前后纵梁和行李仓构件)作为优化对象，并以它们的截面尺寸和厚度作为优化变量，制定实验方案并进行了优化。对改进后的结构与原结构的性能(强度、弯曲刚度、扭转刚度和低阶模态)进行了对比分析。结果表明，优化的结果比较理想，说明界面力法能准确地计算出车身各个环结构的承担载荷和载荷在车身上的分布情况，为有针对性地进行结构改进提供了优化方向。文中采用的车身承载度指标能有效权衡车身和底架的材料分配，可作为衡量客车结构合理性的一个指标和结构优化目标。

客车；车身承载度；界面力；结构优化

前言

长途营运客车载客量大、运行频繁、线路长，其安全性和能耗不容忽视，需要采用各种仿真方法对其结构进行优化[1-2]，尤其是在满足功能的基础上更加注重性能的优化。为此，子结构法[3]、多目标遗传算法、移动最小二乘响应面法、序列响应面法等相继出现和应用[4-12]；梁体混合建模[13]、灵敏度分析、应变能分析等技术层出不穷，用以鉴别优化方向，提高计算效率[14-16]。

客车结构按照车身参与承载的程度不同分为半承载式和全承载式。半承载式结构是在底盘基础上焊装车身，便于制造，但其前后纵梁较笨重，车身参与承载较少；且企业通过组装方式制造整车，不利于整车的结构优化。全承载式结构由空间桁架式结构组成，材料利用率高[17-20]。目前，无论是半承载还是全承载结构，车身承担的载荷所占比重仍不高，需要通过优化来充分发挥车身材料性能[17]。对于半承载式客车生产企业，如何在保持原有生产模式基本不变，改进现有的半承载式结构，提高车身的承载作用，非常值得研究。

车身结构承载度[21]用于描述整车结构中车身承载的比重。科学合理地度量车身承载度是明确车身材料利用状况和有针对性地进行结构优化的前提。以往车身承载度的评价方法有以下几种。

(1) 基于强度的评价[21]以某一应力水平为基准，分别计算出底架和整车的承载能力并进行对比。

(2) 基于刚度的评价[21]以整车刚度与底架刚度的比值来计算车身承载度。

(3) 基于变形比的评价[22-23]已知车身与底架的变形时，可用二者的变形比来评价车身承载度。

(4) 基于变形能的评价[22-23]用车身结构的变形能与整车结构总变形能之比来评价车身承载度。

车身承载度，顾名思义就是反映车身承担载荷比重的指标。对于基于强度的评价方法，由于车身结构设计因素可能导致局部高应力区，因此该方法不能综合反映车身的承载情况。基于刚度和变形比的评价方法与车身承载度有关系，但又不等同。基于变形能的方法能从宏观上反映车身承担的载荷比重，但不能反映具体细节。本文中采用界面力法[22]来评价车身承载度，对某半承载式客车的车身承载度进行分析，并以提高车身承载度为目标，对该客车的结构优化进行研究。

1 车身承载度评价的界面力法

界面力是车身与底架、底架与悬架连接部位所传递的力，这里主要指所传递的z向力，因为它占实际界面力的绝大部分。用这两个力之比来评价车身承载度。客车车身结构的侧围立柱与上围横梁连接，构成环形结构。其中有些环结构可能断开而并非贯通的。本文中只是借助于“环”结构特征来表达力的传递。底架通常通过外伸横梁向车身传递力，且车身最大变形通常位于两侧围上，因此选取侧围与底架连接的部分作为界面计算各个环的承载度。底架传给车身的力主要是附近的悬架经由底架传递而来，因而评价车身承载度时应采用相临的界面点(底架与车身和与之相邻的悬架与底架界面点)进行计算。设Fmi为车身环i处受到的来自底架的界面力，Fnj为邻近环处的悬架传递给底架的界面力，如图1所示，则环i处的承载度为

pi=Fmi/Fnj

(1)

整个车身的承载度定义为各环承载度的加权平均，即

(2)

式中：wi为车身各环承载度的权系数；pi为车身环i的承载度；n为环数。

半承载式客车结构主要由底架承担载荷，车身参与承载较少，因此应着重对底架结构进行改进。界面力法尤其适合对半承载式客车结构进行优化。

2 某客车车身承载度分析

以某大型高二级长途客车为研究对象。该车总长12m，宽2.55m，高3.7m，轴距6.3m，空载总质量12t，最高车速120km/h，座位数49个。车身骨架采用冷弯型钢组焊，构成半承载式车身，底架为三段式大梁结构。行李仓位于下部。车身左右侧围与上围共形成9个环状结构，每个环在侧围有左右2处与底架横梁焊接，即图2中的miL或miR点(i=1，2，…，9)，下标L或R表示左或右侧(下同)；相应的界面力为FmiL或FmiR。悬架与底架的连接点为njL或njR点(j=1，2，…，4)，相应的界面力为FnjL或FnjR。底架受到悬架支撑点传来的力，然后将这些力通过9个环传递至车身，于是，这9个环的承载度综合反映了车身的承载程度。

依次计算单个环的承载度，将它们加权平均后得到车身承载度。各环承载度的权系数根据该环界面力占所有环界面力之和的百分比计算。利用MSC.Nastran计算得出各工况下各界面力和环的承载度。表1示出弯曲工况下各界面力的分布和各环承载度，最终车身承载度为12.2%。表2给出了其它工况的计算结果。由表1和表2可知：

表1 弯曲工况界面力计算结果

(1) 在不同工况下车身承载度不同，弯曲工况和扭转工况的承载度小于制动和急转弯工况。

(2) 车身承载度的整体水平偏低。每个连接点上底架向车身传递的力较小，使每个环的承载度偏小，导致车身承载度偏小。

(3) 不同环界面点所传递的力不同，主要原因是底架和车身结构材料分配不够合理。图3示出各工况下各环承载度，可见有的环传递的力大(如环7、5)，有的环传递的力小(如环8)，原因与其相对应的底架结构有关。

(4) 前五环分布于整车的前半部分，后四环分布于后半部分。后半部分环的承载比前半部分大，主要是由于后纵梁上安装了动力总成等装置，使受力偏大，向车身传递的力也较大。

(5) 同一工况下，同一个环左右两边传递的力不同，有的相差较大，与载荷边界条件和结构不对称有关。

3 面向车身承载度的结构优化

3.1 结构改进研究

3.1.1 确定优化方向

结构优化之前先要确定要优化的构件。灵敏度分析是常用的方法，以找出对结构性能影响较大的零件，作为优化对象[24-25]。但灵敏度分析要对大量的结构参数进行仿真实验，才能找出对结构性能影响大的零件。事实上，灵敏度分析更适用于明确了要优化的结构之后，进一步找出要优化的参数。本文中采用应变能密度法，通过统计分析找出结构各零件在典型工况下的应变能密度分布情况，将应变能密度小的零件作为优化对象。

表2 其它工况的车身承载度计算结果

通过应变能分析发现，底架大部分构件应变能密度普遍很小，说明底架结构过于笨重，材料远没有充分利用。图4示出整车弯曲和扭转工况下底架零件的应变能密度分布，对应的零件位置见图5。可见，很多底架构件应变能密度很小，结构比较笨重，使车身承担载荷较小。因此，底架每一根杆件都可作为优化的对象。本文从中选择应变能密度很小的前后纵梁和行李仓部分构件进行优化。

3.1.2 结构优化

纵梁常采用槽型截面或H形截面，其弯曲刚度较好[25]。考虑到底架纵梁主要承担弯曲载荷，上面还要安装其它总成，因此仍采用槽型截面，优化的目标是其截面尺寸。为简化计算，用梁单元划分网格，赋予相应的截面属性，计算截面属性与承载度的关系，选择最优值作为纵梁截面尺寸。

槽形截面属性简化为厚度(T)、宽度(W)和高度(H)。计算出各自情况下的车身承载度，观察其随截面属性的变化趋势。限于篇幅，这里只给出前纵梁的结果。图6为弯曲和扭转工况下各环承载度随截面尺寸的变化情况。纵梁截面厚度对车身承载度有一定的影响，对弯曲工况的影响大一些。随着厚度的减小，车身承载度逐渐增大，所以，满足强度、刚度要求前提下厚度小些为好。弯曲工况下的车身承载度受高度变化的影响较大。单独改变前纵梁的宽度对车身承载度的影响不大；对扭转工况而言，随着宽度的减小，车身承载度甚至有减小的趋势，但变化较小。考虑上述趋势和工程实际即可确定纵梁截面尺寸。

在前后纵梁结构改进基础上，对行李仓结构件进行优化。原始方案和改进方案的各零件截面规格列于表3。采用正交实验设计确定仿真实验方案，进行计算，选出一组最优的截面尺寸，结果如表4所示。可见，优化后扭转和弯曲工况下车身承载度分别提高4.2%和3.9%，且大部分环的承载度都有所提高(环3、9承载度略有下降，但幅度不大)，说明结构的改进使底架向车身的传力有了一定调整。

表4 改进前后承载度对比 %

3.2 优化前后结构性能对比

对修改后的模型进行基本性能分析，与原模型进行对比，计算结果如表5所示。结果表明，修改后结构1阶弯曲和扭转频率都有所提高，整车刚度略有下降，质量约减轻了263kg，而车身承载度有一定提升，提高了材料利用率。

表5 结构改进前后基本性能对比

4 结论

(1) 提出了一种新型车身承载度指标，利用它对某半承载式客车的车身承载度进行计算分析，发现该客车的车身结构承担载荷很少，没有充分发挥车身部分的材料性能；同时，不同环承担的载荷不同，整车后部分环的承载度大于前部的环，说明车身后部承担的载荷较大，而前后部分骨架结构的截面尺寸一样，表明底架和骨架的结构设计不完善，需要进行改进。

(2) 对结构进行了能量密度和灵敏度分析，选定前后纵梁和行李仓零件进行结构优化。改进后的结构显著地提高了车身各环结构的承载度，从而提高了整个车身承担载荷的比重，且在基本未降低原有性能的基础上，将结构质量减轻很多，得到了良好的轻量化效果。

(3) 界面力法不仅能客观地计算出车身结构承担载荷的比重，而且能清楚地将车身各个环结构的承载情况计算出来，从而得知载荷在车身上的分布情况，为有针对性地进行结构改进提供了优化方向。同时，还能观察各个车身与底架连接点处传递力的大小，从而可从力的传递路径上判断相关结构合理性，为结构优化提供依据。

(4) 该车身结构承载度计算的界面力法，以及在此基础上的结构优化方法还处于探索阶段，没有考虑力矩的作用和侧翻安全性的要求。今后拟进行有关的仿真与实验研究来获取理想情况下车身各环和车身整体承载度的经验值，作为结构设计和优化依据。

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A Study on Coach Structure Optimization Based on Load Ratioof Vehicle Body Measured by Interface Force

Zhang Miaoli1, Ren Jindong1& Zhou Shanshan2

1.CollegeofAutomotiveEngineering,JilinUniversity,Chuangchun130022； 2.FAWCarCo.Ltd.,Changchun130011

On the basis of traditional methods, another measuring method for load ratio of vehicle body, i.e. interface force method is adopted to analyze the load ratio of a semi-monocoque body of a coach and modify its structure with increasing its load ratio as objective. Firstly it is found by the calculation of the strain energy density of structure that the body structure bears lesser load, its material insufficiently fulfills its function, and different rings bear different loads with the load ratio of rings in rear position higher than those in front position. Then based on the results of strain energy density analysis, some parts in under-frame, such as front and rear longitudinal rails and luggage compartment are selected to be optimized, with their section size and thickness taken as optimization variables, and the performances of structure modified (strength, bending stiffness, torsional stiffness and low-order modal frequencies) are analyzed and compared with those of original one. The results show that the outcome of optimization is satisfactory, demonstrating that interface force method can accurately calculate the loads borne by each ring structure of body and their distribution, guiding the direction of targeted structure modification and optimization. The load ratio indicator adopted can effectively judge the material distribution between the body and under-frame of vehicle and can be an indicator of measuring the rationality of coach structure and an objective of optimization.

coach; load ratio of vehicle body; interface force; structural optimization

原稿收到日期为2015年10月9日，修改稿收到日期为2015年12月29日。