基于Hyperstudy的混合动力汽车骨架优化设计

袁威，吴胜军，王小艺

（湖北汽车工业学院 汽车动力传动与电子控制湖北省重点实验室，湖北 十堰442002）

近年来，我国汽车工业发展迅速，汽车行业对于节能减排的要求越来越高。车身骨架结构是汽车整车的主要承载部件，骨架质量在汽车整备质量中的比重占30%～40%，空载条件下，在车身质量上的油耗约为整车油耗的70%，车身制造成本占整车制造成本的比重超过50%。统计数据表明，当车身质量减轻1 000 kg，用户每年就将会增加10万元的净收益［1］。因此，发展汽车轻量化技术已经成为汽车企业提高核心竞争力的重要手段，而汽车轻量化目前主要指车身骨架结构的轻量化。随着混合动力客车在城市公交中的应用越来越广泛，减轻混合动力客车车身骨架结构质量显得更为重要。混合动力客车的动力电池组的质量过大，使得汽车整车质量过大，直接影响混合动客车的动力性和续航里程，在动力电池技术轻量化获得重大突破之前，车身结构轻量化依然是混合动力客车轻量化的重要途径［2］。文中采用Hyperstudy 联合Optistruct 的响应面优化方法对车身结构进行轻量化研究。

1 车身骨架建模及力学性能分析

1.1 混合动力客车车身有限元模型

客车的车身骨架是由不同厚度的方钢连接组成的复杂空间结构，整车骨架的刚度、强度等直接关系到客车的使用年限以及乘客的人身安全。该混合动力客车的车型是在传统的车型基础上通过添加混合动力系统，进行改造而成。

利用Catia 软件完成车身骨架CAD 模型的创建，使用Hyperworks 软件对模型进行抽取中面、几何清理、网格划分、部件连接、单元质量的检查等工作。为了节约之后的计算时间，提高效率，需要对模型适当简化并选取合适尺寸的单元格。该车有限元模型如图1所示。

图1 混合动力客车车身骨架有限元模型

车身骨架所用材料有2 种，其中车身的上骨架、侧围以及顶部骨架的部分材料为Q235，车身的底骨架部分材料为16Mn。材料的详细力学性能参数如表1所示。

表1 客车车身骨架材料特性

1.2 混合动力客车车身骨架静态性能分析

在行驶过程中车身的结构会因为各种振源的激励而产生振动，当振动的频率与车身的整体或者局部固有频率相近时，会产生共振现象。当车辆在行驶中产生了共振，车辆就会产生剧烈的振动和噪声，甚至造成结构破坏。因此，为了避免产生共振，对该客车车身骨架进行模态分析是十分必要的。表2为车身骨架自由状态下的，前六阶固有频率。

对于客车而言，路面激励一般取决于路面的条件，目前一般高速公路和城市路面的路面激励大多为1～3 Hz，由表2 可知，客车骨架的6 种模态相对于3 Hz 都高出许多，不会与路面激励产生共振。在客车运行过程中，极限扭转工况、紧急制动工况、水平弯曲工况和紧急转弯工况是最危险的工况。只要这4种工况都满足应力要求，则客车骨架符合安全要求。因此，对这4 种工况进行分析，各工况下车身骨架等效应力云图如图2所示。

表2 车身骨架前六阶模态

1）水平弯曲工况 设置约束为左前轮XYZ自由度，右前轮XZ自由度，左后轮YZ自由度，右后轮Z自由度。经过计算，得到图2a所示车身骨架在水平弯曲工况下的应力云图。从图中可以看出，在此工况下客车车身大部分的结构应力都比较小，车身骨架最大应力是127 MPa，位于地板与车身底部骨架相接处，由水箱与乘客的载荷引起。

2）极限扭转工况 设置约束为左前轮YZ自由度，左后轮XYZ自由度，右后轮XZ自由度。经过计算，得到图2b 所示车身骨架在极限扭转工况下的应力云图。从图中可以看出，该工况下，由于右前轮悬空车身骨架底部应力较大，最大应力集中在车身底部骨架前半部分，左侧横梁与纵梁的连接处，最大应力为210.6 MPa。

图2 各工况下车身骨架等效应力云图

3）紧急制动工况 设置约束为左前轮XYZ自由度，右前轮XZ自由度，左后轮YZ自由度，右后轮Z自由度。参照国标GB7258-2012中的规定，给客车车身骨架施加1 个纵向的0.8 g 减速度来模拟紧急制动工况。经过计算，得到图2c 所示车身骨架在紧急制动工况下的应力云图。从图中可以看出，应力最大位置位于车身底部骨架右后部横梁与纵梁结合处，应力最大值为132.9 MPa，这是由于发动机后置与乘客的载荷集中。

4）紧急转弯工况 设置约束为左前轮XYZ自由度，右前轮XZ自由度，左后轮YZ自由度，右后轮Z自由度。客车在向右急转弯时，车身骨架除了需要承受静态载荷以及乘客等载荷以外，还会受到由于自身重力引起的惯性力作用，即纵向惯性力。因此，需要在车身骨架上另外施加横向0.4g 的加速度来模拟此工况。得到图2d所示车身骨架在紧急转弯工况下的应力云图。在此工况下，应力多集中于车身后桥附近，最大应力位于客车车身骨架左后侧位置的上下纵梁连接件上，应力值为159.1MPa。

2 基于Hyperstudy车身骨架轻量化

客车车身的骨架结构复杂、杆件众多。将客车车身功能相似的部件以及对称部件重新划分为同1组，以此来减少变量，进而缩减优化计算时间。

混合动力客车车身骨架结构如图3 所示。车身侧围骨架如图3a～3b 所示，从图中可以看出，左右侧围的结构具有对称性。将客车车身左右侧围作用相同、相同规格及具有对称性的构件作为1个变量，最终重新划分为21个变量。从图3c～3d中可以看出，该混合动力客车车身顶盖骨架与车底骨架具有对称性，将具有对称性以及功能的构件相同的重新作为1个变量来处理，客车车身顶盖骨架重新分为7个变量，车底骨架重新分为34个变量。

由静力分析可知，极限扭转工况是最危险的工况。因此，将以车身结构质量最小值作为优化目标，将客车车身在极限扭转工况下的最大应力作为约束条件，将灵敏度中分析出的优化变量作为设计变量，为了使优化结果合理化，优化变量的变化范围设为2mm。

图3 客车车身骨架结构

计算出单个变量的截面厚度对车身骨架质量灵敏度S1，截面厚度对极限扭转应力灵敏度S2，计算出S2/S1。S2/S1值越大，则说明此变量的截面厚度对扭转应力影响越大。S2/S1值越小，则说明变量的截面厚度对于质量的影响较大，在减小截面厚度时对扭转应力影响较小。

如表3 所示，最终选取S2/S1值小于150 的变量为最终优化变量。选取变量为1～3、5、6、9～13、15～32、35～37、39、40、42～44、46～58、62，优化变量个数由原来62 个减少为51 个，有效达到了提高计算效率的目的。通过Hyperstudy 联合Optistruct 对多目标进行尺寸优化后，最终得到的结果不一定符合厚度标准。因此，还需要对优化后的结果进行圆整化处理，使其能够符合实际的要求。对各变量厚度进行圆整后所得到的结果如表4 所示。通过对客车车身骨架进行优化计算，并且对优化结果进行圆整化处理，最终得到优化结果。经过优化，客车车身骨架质量由原来的2409kg降低至2000kg，车身质量减轻409kg，约占总质量的16%。

将优化后的结构模型进行扭转、弯曲、制动、转弯4 种工况静力分析，与原模型数据作对比，得到的结果如表5所示。从表5可以看出，优化后模型应力最大的位置与优化前一致，该位置所用材料为Q235，屈服极限为235MPa，优化后的扭转极限为231MPa，低于材料的屈服极限，满足设计要求。

表3 各变量S2/S1分析结果

表4 各变量优化前后厚度及圆整结果

表5 优化前后静力分析结果对比 MPa

3 结论

1）通过将客车车身功能相似的部件以及对称部件重新分组，变量个数由原来62个减少为51个，有效提高了计算效率。2）经过优化，骨架质量减轻了409 kg，约占总质量的16%。3）优化后的车身骨架相对于原车身，4 个工况的应力都稍有增大，但在骨架所用材料应力许可范围之内。优化后的混合动力客车车身骨架强度性能满足要求。