1 前言
與先進(jìn)客車工業(yè)相比的主要差距是，豪華車的制造主要是組裝式。自20 世紀(jì)70 年代，國產(chǎn)客車占據(jù)國內(nèi)客車市場。進(jìn)一步提高客車工業(yè)采用數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造整體水平和徹底擺脫客車設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)路線，是使我國開發(fā)出具有國際先進(jìn)水平客車產(chǎn)品的重要途徑之一。數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)摒棄傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品重復(fù)定義模式，建立從設(shè)計(jì)到制造的唯一的產(chǎn)品數(shù)字化定義模型；應(yīng)用模擬、仿真、干涉檢查、CAE 等數(shù)字分析技術(shù)，提高產(chǎn)品開發(fā)效率和可靠性，為基于網(wǎng)絡(luò)的全球制造提供數(shù)字化產(chǎn)品模型和制造信息。
以某集團(tuán)NJ6826TMF 型客車為對(duì)象和使用ANSYS 工具，本文進(jìn)行靜態(tài)的剛度強(qiáng)度分析和動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià)的模態(tài)分析和譜分析，殼元算法徹底克服梁元的弊病；以截面位置調(diào)整為輕量化基礎(chǔ)，提出基于截面位置、截面參數(shù)、材料變化的優(yōu)化方案。模態(tài)分析選取無車架自由模態(tài)、白車身約束模態(tài)、滿載模態(tài)進(jìn)行。以滿載模態(tài)分析為基礎(chǔ)；研究不同車速下的骨架對(duì)路面譜激勵(lì)的加速度功率譜的響應(yīng)。整個(gè)優(yōu)化過程以車身剛度性能為約束。驗(yàn)算和實(shí)際應(yīng)用表明，修改建議是合理的。
2 面向數(shù)字化設(shè)計(jì)的客車車身模型的建立
據(jù)統(tǒng)計(jì)，客車車身的質(zhì)量約占整車自身質(zhì)量的40%～60%。因此，車身是客車更新?lián)Q代的關(guān)鍵?；?/SPAN>Pro/E 或UG 的NJ6826TMF 車身骨架數(shù)模是用ANSYS 建立基于殼元的強(qiáng)度、剛度、模態(tài)、功率譜分析和基于梁元的輕量化計(jì)算的基礎(chǔ)；該數(shù)模坐標(biāo)系（圖1）保證了從設(shè)計(jì)到制造的產(chǎn)品信息的唯一性。
圖1 NJ6826TMF 車身骨架數(shù)模整體坐標(biāo)系
2.1 基于殼元和梁元的有限元模型
根據(jù)車身結(jié)構(gòu)和載荷分布特點(diǎn)，采用ANSYS 的標(biāo)準(zhǔn)4-節(jié)點(diǎn)四邊形殼元SHELL63，以自定義方式將模型劃分成若干區(qū)域和各區(qū)域單元尺寸，總共為2838 個(gè)區(qū)域，單元數(shù)為102717，節(jié)點(diǎn)數(shù)為102313。圖2 為基于殼元的整車車身的有限元模型。
圖2 殼元模型
考慮到，影響車身骨架性能的主要因素是其剛度，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)只需從整體分析整車性能；其次，使用梁元進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效率明顯高于殼元的，再一點(diǎn)，應(yīng)用ANSYS 建立整車骨架的參數(shù)化面模型是非常困難的。故，選用ANSYS 的3-節(jié)點(diǎn)梁元BEAM188 建立車身骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型（圖3），共4715 個(gè)單元和9165 個(gè)節(jié)點(diǎn)。
圖3 梁元模型
2.2 承載特點(diǎn)和邊界條件
2.2.1 載荷處理
NJ6826TMF 車身骨架所承受的載荷包括自重、集中載荷、均布載荷。骨架自重計(jì)算是通過定義模型的材料密度和重力加速度實(shí)現(xiàn)。乘客和座椅質(zhì)量按集中載荷施加在座椅與地板連接處的節(jié)點(diǎn)上；發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱等動(dòng)力裝置質(zhì)量按連接方式施加在車架上。風(fēng)載荷、玻璃、空調(diào)的質(zhì)量按均布載荷分別施加在前風(fēng)窗框架上、相應(yīng)的窗框位置上、空調(diào)位于的頂蓋橫梁和縱梁上。
2.2.2 約束處理
NJ6826TMF 車身與車架鉚接按剛性連接處理；忽略充氣輪胎變形，按全約束處理。減振裝置的處理是，靜態(tài)分析時(shí)，為避免鋼板彈簧和前扭桿彈簧的變形干擾，彈簧與車架聯(lián)接處按全約束處理；約束模態(tài)分析時(shí)，考慮車架下的彈簧系統(tǒng)對(duì)車身振動(dòng)的影響，加入彈簧單元。該車前懸架采用扭桿彈簧；后懸架采用鋼板彈簧，起導(dǎo)向和減振作用。該彈性元件（圖4）剛度K =294000N/m；ANSYS 有限元模型的連接點(diǎn)a、b、c、d 沿Y 軸方向約束為零，其他5 個(gè)自由度均給于約束；段ab 和cd 為彈簧元Combin14，bd 段采用梁單元Beam4。彈簧剛度系數(shù)由扭桿彈簧剛度系數(shù)和鋼板彈簧的剛度系數(shù)換算得到。
圖4 鋼板彈簧模型
2.2.3 連接方式處理
骨架結(jié)構(gòu)件的連接方式為鉚接、螺栓連接、焊接?；?/SPAN>ANSYS 殼元，用以模擬鉚釘、螺栓、焊點(diǎn)傳遞力和力矩效果的連接處理是采用共面方式進(jìn)行。例如，圖5(a)所示的8個(gè)小圓面為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件剛性連接的共用面，其網(wǎng)格分別與兩結(jié)構(gòu)件的網(wǎng)格形成連接；圖5(b)所示的縫焊連接的模擬是，將兩結(jié)構(gòu)件相連的部分粘接(glue)在一起。對(duì)于梁元的連接模擬，ANSYS 的處理是，將梁元的節(jié)點(diǎn)融合(merge)在一起，模擬其剛性連接。
圖5 基于殼元的連接模型
2.3 最優(yōu)化方法的選擇
嚴(yán)重的能源消耗和地球環(huán)境污染，使汽車輕量化逐漸成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要指導(dǎo)原則。優(yōu)化目的是，以骨架體積Volume 為目標(biāo)函數(shù)，達(dá)到骨架質(zhì)量降低，共4 種優(yōu)化方案（圖6）；選取對(duì)車身性能影響較大的整車扭轉(zhuǎn)剛度、車身一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率、一階彎曲模態(tài)頻率為優(yōu)化用的車身狀態(tài)；優(yōu)化設(shè)計(jì)變量（截面尺寸）是立柱長度（車門，側(cè)窗，側(cè)圍）、側(cè)圍立柱寬、底骨架輔橫梁長、底骨架輔橫梁寬、頂蓋橫梁、車架前圍斜支撐參數(shù)、底骨架主橫梁厚度、側(cè)圍腰梁厚度等。這些變量對(duì)車身質(zhì)量有重要影響，但對(duì)骨架剛度貢獻(xiàn)不大。為提高優(yōu)化效率和能夠在全設(shè)計(jì)空間得到最優(yōu)解，采用ANSYS零階法；通過對(duì)目標(biāo)函數(shù)添加罰函數(shù)將約束問題轉(zhuǎn)換為非約束問題；該法能夠有效地處理車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算。ANSYS 提供分析—評(píng)估—修正的循環(huán)過程；即，分析初始設(shè)計(jì)，對(duì)分析結(jié)果按設(shè)計(jì)要求評(píng)估，修正設(shè)計(jì)；重復(fù)進(jìn)行這一循環(huán)過程，直到滿足為止。
圖6 車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案
3 分析計(jì)算舉例
3.1 彎曲和彎扭聯(lián)合工況的剛度計(jì)算
彎曲工況下，骨架的最大變形位于后排五人座的橫梁中部，其值為5.92mm（圖7）。彎扭工況下，左前輪懸空，變形最大部位產(chǎn)生在底架左前端，其值為5.778mm（圖8）。
3.2 滿載的模態(tài)分析
為用于譜分析，考慮汽車滿載行駛時(shí)的運(yùn)行工況，將乘員、座椅、行禮和發(fā)動(dòng)機(jī)等附加質(zhì)量按質(zhì)量元mass21 分布；車身的前十階模態(tài)計(jì)算舉例如圖9 所示。
圖9 滿載情況的車身約束模態(tài)振型舉例
圖10 后行李箱的變形對(duì)比
4 結(jié)束語
計(jì)算結(jié)果與客車實(shí)際情況基本吻合：結(jié)構(gòu)薄弱的后部存在較多應(yīng)力集中，在較好路況下可滿足要求，長期在差路況下行駛易出現(xiàn)骨架的疲勞斷裂；圖10 所描述的是改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)變形分析例子。通過4 種輕量優(yōu)化方案分析，它們的質(zhì)量分別下降8.1％、7.5％、13.1％、67.9％；方案1 扭轉(zhuǎn)剛度基本不變，中間方案的扭轉(zhuǎn)剛度分別提高4.9％、0.3％，方案4 扭轉(zhuǎn)剛度下降4.8％。方案1 和方案2 的質(zhì)量變化相當(dāng)，方案2 扭轉(zhuǎn)剛度明顯提高。鋁合金的應(yīng)用，方案3 輕量化明顯，扭轉(zhuǎn)剛度提高，一階扭轉(zhuǎn)頻率降低明顯（圖11）；方案4 的輕量化效果最佳，剛度水平下降最多。綜合考慮，方案3 優(yōu)化效果最好；但是，它的鋼-鋁混合式結(jié)構(gòu)存在著不同材料的連接工藝的實(shí)現(xiàn)問題。對(duì)于小批量手工生產(chǎn)，膠鉚連接方式較合適，強(qiáng)度高，連接可靠；具有一定的可行性。
（轉(zhuǎn)載）
