混合动力客车全铝合金车身顶盖骨架优化设计

郝守海　胡蓉　徐茂林　刘小明（东风商用车有限公司技术中心，武汉 430056）



混合动力客车全铝合金车身顶盖骨架优化设计

郝守海胡蓉徐茂林刘小明
（东风商用车有限公司技术中心，武汉 430056）

【摘要】讨论了全铝客车车身顶盖骨架设计过程，以钢结构公交车为参照模型，经过拓扑优化分析和尺寸优化分析，完成了铝合金车身顶盖骨架设计。重点论述了顶盖骨架圆角过渡型材的优化设计过程，指出了骨架局部结构的设计思路：取出优化区域，拓扑优化分析，根据拓扑结果进行结构再现，并对再现模型进行尺寸优化确定结构壁厚，将优化结构放入整体模型中进行分析验证。结果表明，采用过渡圆角的车身骨架模态分析结果优于原车结构，车身顶盖轻量化效果明显。

主题词：铝合金客车车身顶盖骨架优化设计

1　　前言

车身作为汽车的重要部件，在轻量化方面已越来越受到重视。铝合金材料具有较高的比强度，虽然弹性模量低，但有很好的挤压性，能得到复杂截面的构件［1］，从结构上补偿部件的刚度，因而采用铝合金材料制造汽车车身，可在满足刚性及强度等多方面力学性能要求的条件下，大幅降低材料的消耗及构件的质量。目前开发的混合动力汽车由于电池及相关配套部件增加了整车质量，所以对混合动力汽车进行轻量化显得尤其必要，采用铝合金材料是有效措施之一。

拓扑优化是汽车结构优化领域出现的一种新的研究方向，是减轻结构质量、提高汽车动力性和经济性的有效手段［2］。目前国内针对汽车车身结构、底盘、发动机等零部件的拓扑优化分析和设计都已经比较成熟，汽车工程师普遍认为，应该在车身结构设计的初始阶段引入拓扑优化理论，而不是仅凭设计经验来设计或改造结构［3］。

2　全铝合金车身顶盖骨架

传统客车车身（图1）分为地板、前围、后围、左、右侧围和顶盖6个部分。顶盖骨架总成相对于其它总成而言结构单一，主要由弯横梁和直纵梁组成，梁多采用Q235矩形钢，其所承载的装配件有顶置空调、天窗、风道、行李架、前、后顶饰和厢灯等，同时顶盖骨架必须具有足够的结构强度和刚度，以达到法规及整车性能所要求的承载能力。

顶盖骨架直纵梁两端与弯横梁焊接连接，弯横梁（图2）的中间部分为大半径的圆弧曲线，两侧为小半径圆弧曲线，采用钢管弯制而成，两端与侧围骨架上方的纵梁连接。

目前，国际上全铝客车车身连接方式主要分为焊接和铆接2种，对铝合金结构焊接易导致骨架变形，且对操作人员的专业技能要求高，而铆接操作简便、效率高。在本车型顶盖骨架设计中采用了粘铆结合的创新工艺，即在骨架上，梁与梁之间采用铆接，在局部强度较弱的部位同时采用粘接进行辅助连接。

铝合金顶盖骨架总成（图3）为独立的骨架结构，其主要包括直梁式的纵梁、弧线形的横梁和前后贯通式的圆角过渡型材。纵梁和横梁之间采用铆接，形成了顶盖骨架的中间主体，圆角过渡型材与顶盖骨架中间总成使用粘接与铆接，圆角过渡型材贯通于整个顶盖骨架总成，是顶盖主要的抗扭部件。

铝合金顶盖骨架与传统顶盖骨架的主要区别在于顶盖两侧的圆弧铝型材，其截面形状如图4所示。该结构是顶盖骨架的设计重点，完全由CAE优化分析主导完成。

对于铝合金型材来说，小圆弧弯曲成型性能相对较差，这也是顶盖总成设计中的难点。考虑到铝型材的加工成型特点，采用整体贯通式铝合金型材设计，型材挤压方向与骨架横梁方向垂直，此方案可较大幅度地提高骨架刚性及承载强度，连接工艺简单。

考虑到轻量化效果，需要保证圆角过渡铝型材的尺寸尽量小，因此根据车身外形尺寸将上、下截止端点确定在尽量靠近小半径圆弧曲线的两端。内部加强筋的形状、方向以及型材料厚则必须通过CAE拓扑优化及仿真分析来确定。其开发过程主要包括有限元原始建模、拓扑优化、详细优化、截面尺寸修正、整车分析验证、截面尺寸工艺修正及最终模型整车验证。

3　　圆弧过渡铝型材优化设计

3.1CAE模型建立

顶盖圆角过渡型材的CAE模型是从整车模型中截取的一段，长度约2 m。

a. 对圆角过渡区进行网格划分［4］，建立CAE模型（图5）。

模型以顶盖圆弧区的外表面为网格划分基础面，通过偏移50 mm生成圆角过渡区，网格边长为10 mm，网格类型以四边形为主。偏置建立的网格模型为型材的内部加强筋优化模型，外层建立薄壳（shell）模型作为型材的外表面壳体模型。

b.载荷施加

根据实车状态的变形和受力情况，确定截取部分的载荷工况，建立优化模型的载荷步（如表1所示，坐标系方向与整车坐标系一致）。

表1　优化模型的载荷步

c.模型拓扑优化

针对完成的CAE模型进行静态应力分析，再根据分析结果建立拓扑优化模型。

应注意的是挤压铝型材的拓扑优化模型需要定义拉伸路径，以保证分析完成后的优化模型符合挤压工艺的特点，即任意截面上的形状相同，本车型选取圆角过渡区下端外侧的节点（见图6）。

3.2拓扑优化

通过有限元拓扑优化分析可以得到顶盖过渡圆角的内部加强筋分布云图（图7a），该云图的形状决定了圆角过渡区内部的加强筋走向（图7b）。

根据拓扑优化云图在圆角过渡区内增加6根加强筋，加强筋形成2个N字形，中间通过增加外壳壁厚进行连接。在进行模型细化时，将分析模型转化为壳体单元（图7c），并依照加强筋的端点将圆角过渡区的内、外壁进行切割，以便开展进一步的尺寸优化分析。

3.3详细设计优化建模

将拓扑优化后的圆角过渡区结构引入整车分析模型中，再施加整车强度、刚度、侧翻等效工况，按照对应工况的应力、变形值设置优化约束条件，定义过渡圆角各筋板以及内、外板厚度为设计变量，对其进行尺寸优化设计。尺寸优化过程中，设计变量与刚度矩阵一般为简单的线性关系［5］。

通过整体车身框架尺寸优化确定各筋板以及内、外板的厚度，结合优化结果和工艺要求进一步确定内部筋板是否保留，最终确定顶盖过渡圆角的外形尺寸和内部筋板的位置及料厚。

根据尺寸优化结果，确定去除圆角过渡区内部的4根加强筋，保留中间的2根加强筋，同时增加型材的外侧壁和下端面料厚。加强筋形状如图8所示，2根加强筋的上端互相靠拢，下端趋于分开。

3.4过渡圆角与原车结构性能对比分析

对采用过渡圆角的整车模型和原车结构模型进行对比分析，从模态、弯曲刚度和扭转刚度的角度判定优化效果。

a.模态对比

模态分析结果对比见表2，采用过渡圆角的车身骨架的模态分析结果优于原车结构的模态分析结果。

表2 模态分析结果

b.弯曲刚度对比

弯曲刚度测量分析中，将模型前、后桥通过工装夹具固定于试验台架上，在前、后桥中间截面对应的底盘纵梁上加载，并在底盘纵梁最大位移处以及沿纵梁均匀分布的若干测点处进行位移测量，如图9所示。

取底盘纵梁底面最大Z向位移，弯曲刚度为［6］：

式中，δi为测点的Z向变形量；Xi为前悬支撑点到测点的距离；L为前、后悬支撑点距离；P为施加的载荷；a为前悬支撑点至加载点的距离；b=L-a为后悬支撑点到加载点的距离。

弯曲刚度对比分析结果如表3所示。结果显示，采用过渡圆角的车身结构，弯曲刚度左侧提高11.2%，右侧提高12.6%。

表3　弯曲刚度对比分析结果

c.扭转刚度对比

扭转刚度测量分析中，将模型前、后桥通过工装夹具固定于试验台架上，在前桥左、右端部加载，在底盘纵梁加载面对应位置处以及沿纵梁均匀分布的若干测点处进行位移测量，如图10所示。

取对应加载面的底盘纵梁底面最大Z向位移，扭转角为［7］：

扭转刚度为［7］：

式中，δL、δR分别为左、右纵梁上测点的Z向变形量；T为施加的载荷；Xi为后悬支撑点到测点的距离；Bi为左、右对称测点的间距。

扭转刚度对比分析结果如表4所示。结果显示，采用过渡圆角的车身结构，扭转刚度提高47.2%，可见圆角过渡型材对整车刚度性能提升效果非常明显。

表4　　扭转刚度对比分析结果

d.顶盖骨架强度分析

将优化后的顶盖骨架与其它骨架总成进行整合，形成完整的客车有限元分析模型，然后对整车骨架进行静态应力分析，其中顶盖骨架部分的分析结果如表5所示。

表5　　顶盖骨架强度分析结果　MPa

由顶盖骨架的应力分析可以看出，各种工况下最大应力均满足铝合金材料的许用应力值。

3.5轻量化效果

由于圆角过渡铝型材带有部分顶盖外板和内板，因此在比较质量时需要考虑顶盖蒙皮的质量，在此将顶盖骨架和蒙皮进行统一对比，其中钢结构顶盖骨架的外蒙皮为厚1.0 mm的钢板，铝合金顶盖外蒙皮为厚1.5 mm的铝板。

钢结构顶盖骨架和铝合金顶盖骨架的质量对比如表6所示。

表6 质量对比结果

表中所示的连接件对于钢结构骨架而言是指焊丝的质量，对于铝合金顶盖骨架而言指的是角接头和粘胶的质量。结果表明，车身顶盖采用铝合金结构减轻质量达22.3%。

参考文献

1王明哲，王麟平，张宝红，等.铝合金锥壳体成形工艺分析.热加工工艺，2013，42（5）：24～26.

2周鹤，马力，赵永辉.基于大客车车身骨架拓扑优化结果的可制造化处理.客车技术，2009（1）：24～27.

3高云凯，张荣荣，彭和东.微型电动轿车车身骨架结构分析.汽车工程，2003，25（6）：638～641.

4王松，严运兵，张胜兰.客车车架有限元分析及尺寸优化.汽车科技，2012（4）：35～39.

5卢建志，杨世文，李鹏，等.基于拓扑和尺寸组合优化的ATV车身轻量化研究.中北大学学报（自然科学版），2012，33（2）：141～144.

6袁强飞.机身等直段截面弯曲刚度有限元等效计算方法.科技信息，2013（17）：84～84.

7于国飞.基于有限元的全承载式客车车身强度刚度分析.客车技术与研究，2010（4）：14～15.

（责任编辑斛畔）

修改稿收到日期为2016年2月2日。

中图分类号：U463.83+1

文献标识码：A

文章编号：1000-3703（2016）06-0011-04

Optimization Design of Roof Frame for Hybrid Aluminum Bus

Hao Shouhai，Hu Rong，Xu Maolin，Liu Xiaoming
（Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center of DFCV，Wuhan 430056）

【Abstract】In this paper，roof frame design process of all-aluminum bus is discussed，with a steel structure bus as a reference model，after analysis of the topology optimization and size optimization，we complete the aluminum roof frame design.We emphasize on the optimization design process of fillet roof frame transition extrusions，and point out the design ideas of partial frame structure：take out the optimization area，make topology optimization analysis and structural reproduction according to the topology results，and use size optimization of the reproduction model to determine thickness of the structure，then put the optimized structure into the entire model for analysis to verify.The results show that the modal analysis results of the body frame structure with transition fillet is better than that of the original car structure，the lightweight effect of roof structure is obvious.

Key words:Aluminum alloy，Bus body，Roof frame，Optimization design