基于灵敏度分析的车身结构轻量化设计

姜艳林+李康+李华丽

摘要：就轨道车辆而言，车体钢结构是影响整车力学性能的主要承载部件，为避免车体与转向架产生共振，设计时要考虑车体的自振频率和刚度。车体结构的低阶弹性模态参数反映车身的整体动态刚度性能，是控制振动特性的关键指标。因此，本文选取车体结构一阶垂弯模态频率作为约束条件，同时把扭转刚度作为重要评价指标，进行车体的轻量化设计。

关键词：轨道车辆；车体结构；灵敏度

中图分类号：U270.32 文献标识码：A

1 车体结构有限元模型

以25型客车为例，主要研究整备状态下的车体一阶垂弯模态，其结果如图1所示，模态频率为10.29Hz。

因车钩位置较低，纵向拉伸力和压缩力主要通过底架进行传递。相对而言，侧墙和车顶的优化空间充裕，并且对车体一阶垂弯模态和刚度均会有较大影响。根据经验，端墙结构对车体整体力学性能影响不大。所以，文中主要选取侧墙和车顶的结构件作为设计变量，对这一部分板梁结构的厚度进行优化。参与灵敏度分析的零部件如图2所示，表1为车身零部件编号及优化范围，表中单位为mm。

2 灵敏度分析

车体结构作为一个复杂系统，具有很多设计变量，不能进行盲目修改。通过灵敏度分析可以确定各设计变量的板厚变化对车体重量、一阶垂弯模态频率和扭转刚度的影响率，基于此分析结果确定优化参数。

模态频率反映车体的动态刚度特性，模态灵敏度分析主要计算模态频率对设计参数的灵敏度；扭转刚度则反映车体的静态刚度特性，扭转刚度灵敏度分析主要计算扭转刚度对设计参数的灵敏度；同时计算车体质量对各设计参数的灵敏度。

2.1 模态灵敏度分析

文中以一阶垂弯模态频率作为分析对象，通过灵敏度分析确定了车体质量和一阶垂弯模态频率对各结构件厚度的灵敏度，分析结果如表2所示。

从表2中可以看出，底架波纹板、侧墙板和车顶板的厚度变化不仅对车体质量的影响较大，而且对一阶垂弯模态频率的影响同样较大。其次，对模态频率影响较大的依次是侧顶板、车顶弯梁和侧墙立柱。

2.2 位移灵敏度分析

轨道车辆扭转刚度的有限元计算方法是在顶车位置处施加垂向力来计算车体的扭转角，进而再计算扭转刚度。因此，扭转刚度的大小亦可以用力作用点处的位移大小来评价，位移与扭转刚度成反比关系。

本文在一、二位端顶车位置处分别添加垂向集中力。经计算，两集中力作用点处位移对各板厚的灵敏度系数如表3所示。

灵敏度均为负值。如果要减小位移、增加扭转刚度则需要增加板厚。

从表3中可以看出，只有侧墙板对扭转刚度的影响较大，而其它结构件的影响则相对比较小。

3 优化结果分析

优化分析的约束条件是：一阶垂弯模态频率不低于10Hz，扭转刚度的降低量不超过5%。

对车体轻量化设计的途径是：对质量灵敏度系数较大的结构件，减小其板厚。但这样会导致整体刚度的降低。因此，对于质量灵敏度系数小而模态和刚度灵敏度系数大的结构件则增加其板厚，以保证车体具有足够的刚度。

根据以上分析，减小侧墙板、侧墙横梁、车顶纵梁和底架波纹板的厚度；增加车顶边梁、侧墙边梁以及车顶弯梁的厚度；其余零部件厚度则保持不变。

经过优化，各构件的板厚依次为（按编号排序）：2mm，2mm，2mm，4mm，3mm，2mm，2.5mm，2.5mm，2mm，1.2mm。

优化后，车体一阶垂弯模态频率略有提高；一、二端力作用点处的位移均有所减少。优化后的整车刚度略有增加。当按满足刚度准则的要求来确定结构时，则可同时充分满足强度准则。

优化前、后车体性能参数的对比如表4所示。

对参与优化的10个部件而言，优化前的设计总质量为4.255t，优化后为3.874t，质量降低8.95%，优化效果显著。由于本次优化选取的部件数较少，故总重量减少并不多，仅381千克。

通过优化车体的一阶垂弯频率和扭转刚度均有所提高。根据表2，车体总质量和自振频率对车顶边梁、侧墙边梁和车顶纵梁的厚度不敏感，可以进一步减小板厚。

4 结论与建议

（1）经过优化，车体重量降低，在没有影响车体结构性能的同时，整车刚度分配更加合理。

（2）灵敏度分析結果反映出车身结构性能对各设计变量的灵敏程度，基于分析结果可以快速做出优化，避免盲目设计。

（3） 后续还可以通过优化端墙和平顶结构，以及优化结构件的截面形状来进一步降低车体总质量。endprint