全承載客車(chē)車(chē)身優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

1、<p>　　全承載客車(chē)車(chē)身優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析</p><p>　　摘要：車(chē)身結(jié)構(gòu)對(duì)于整車(chē)性能起著舉足輕重的作用，因此對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究顯得十分重要。目前我國(guó)客車(chē)工業(yè)的整體水平得到極大的提高，客車(chē)的整車(chē)質(zhì)量也得到了穩(wěn)步發(fā)展，但與國(guó)際上先進(jìn)的客車(chē)工業(yè)相比，仍然存在很大的差距。從現(xiàn)代客車(chē)工業(yè)發(fā)展的重要方向全承載客車(chē)車(chē)身入手，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：全承

2、載；車(chē)身結(jié)構(gòu)；優(yōu)化；客車(chē) </p><p>　　1全承載客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法 </p><p>　　(1)改變材料種類(lèi)，采用密度小、楊氏模型數(shù)值高的材料。 </p><p>　　(2)改變車(chē)身梁結(jié)構(gòu)的截面形狀，提高截面的抗扭、抗彎剛度。 </p><p>　　(3)改變主要結(jié)構(gòu)件的厚度，使得結(jié)構(gòu)整體性能增強(qiáng)。通過(guò)改變車(chē)身的梁結(jié)構(gòu)的截面形狀

3、和厚度是最適合全承載車(chē)身優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，從而提高截面的抗扭、抗彎剛度，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)車(chē)身輕量化。 </p><p>　　(4)車(chē)身骨架焊點(diǎn)處理。車(chē)身骨架結(jié)構(gòu)具有焊點(diǎn)數(shù)目多(通常為幾千一上萬(wàn)個(gè))，具有空間復(fù)雜曲面及幾何特征多等特點(diǎn)，受硬件條件限制要建立精確的車(chē)身模型極為困難。根據(jù)焊點(diǎn)的受力特性，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中提出了多種模擬方法，見(jiàn)表1： </p><p>　　由表1可知，對(duì)單個(gè)焊點(diǎn)若用適當(dāng)高度的

4、塊單元模擬時(shí)，可獲得較高的精度，但局部網(wǎng)格需要很密。對(duì)大量均布、密集排列的焊點(diǎn)，適當(dāng)調(diào)整焊點(diǎn)區(qū)板厚及材料參數(shù)后，則可用單層板模擬而建模效率高。為模擬點(diǎn)焊區(qū)相鄰構(gòu)件在振動(dòng)時(shí)的局部分離與接觸情況，則可用節(jié)點(diǎn)禍合法更為適宜。 </p><p>　　2全承載客車(chē)車(chē)身梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) </p><p>　　2.1結(jié)構(gòu)靈敏度分析算法 </p><p>　　靈敏度是一個(gè)廣泛的概念，

5、從數(shù)學(xué)意義上可以理解為：若函數(shù)F(x)可導(dǎo)，其一階靈敏度可表示為： </p><p>　　對(duì)結(jié)構(gòu)的分析可分為動(dòng)態(tài)分析和靜態(tài)分析兩個(gè)方面，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)靈敏度分析也可分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)靈敏度分析。動(dòng)態(tài)靈敏度分析有特征(特征值、特征向量)靈敏度分析、傳遞函數(shù)靈敏度分析和動(dòng)力響應(yīng)靈敏度分析等；靜態(tài)靈敏度分析則可以是位移、應(yīng)力等。 </p><p>　　在有限元線性靜態(tài)的優(yōu)化分析中，約束和目標(biāo)函數(shù)均有可能

6、是靜力平衡方程位移解的響應(yīng)，記為T(mén)=T(δ)。而位移是設(shè)計(jì)變量的隱函數(shù)，記為δ=δ(X)則：T=T(δ(X))?？傻梦灰茖?duì)設(shè)計(jì)變量的靈敏度為： </p><p>　　由上式可以看出，結(jié)構(gòu)參數(shù)Xj的改變直接影響了質(zhì)量矩陣M和剛度矩陣K，進(jìn)而改變了固有頻率。 </p><p>　　為了權(quán)衡每一個(gè)設(shè)計(jì)變量在提高或不影響剛度或改善動(dòng)態(tài)性能的同時(shí)又能降低車(chē)身質(zhì)量，定義了一個(gè)衡量指標(biāo)R，以截面厚度對(duì)車(chē)

7、身質(zhì)量和剛度的影響比較為例，其計(jì)算式為： </p><p>　　R值是指當(dāng)截面厚度增加X(jué)mm時(shí)，它對(duì)整車(chē)剛度和整車(chē)質(zhì)量的增加的貢獻(xiàn)的比值。 </p><p>　　2.2車(chē)身靈敏度的分析 </p><p>　　由于前橋右輪懸空和后橋右輪懸空工況分別使前后車(chē)廂位移較彎曲工況明顯降低，因此討論整車(chē)扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)車(chē)身骨架梁截面(矩形型材)長(zhǎng)a、寬b、厚度t的靈敏度，同時(shí)計(jì)算整

8、車(chē)質(zhì)量對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)敏感度，并計(jì)算R值?？梢愿鶕?jù)零部件件的類(lèi)型、位置和作用選取一些重要的構(gòu)件來(lái)進(jìn)行靈敏度分析。表2列出了具體的零部件名稱和代號(hào)。 </p><p>　　位置靈敏度分析的零部件名稱頂棚主橫梁(A0~A20)，主縱梁(A21~A24)前圍前擋風(fēng)玻璃立柱(B1~B2)，前擋風(fēng)玻璃橫梁(B3~B4)后圍后擋風(fēng)玻璃立柱(B6~B7)，后擋風(fēng)玻璃橫梁(B8~B9)側(cè)墻側(cè)窗玻璃立柱(C1~C18)，腰梁(C19~C

9、22)，車(chē)門(mén)立柱(C23~C38)司機(jī)地板主縱梁(E1~E6)，與前橋連接處主橫梁(E7)前車(chē)廂中心地板踏板梁(F1~F8)，上層中心主梁(F5~F6)后車(chē)廂前地板踏板梁(G1~G4)，與鉸接盤(pán)連接的前端橫梁(G5~G7)前、中、后車(chē)橋空氣彈簧約束橫梁(H1~H20)，車(chē)橋縱梁(H21~H26)，與中心地板龍骨發(fā)動(dòng)機(jī)支撐縱梁(I1~I2)，支撐變速箱橫梁(I3~8)，水箱懸掛橫梁(I9~11)后車(chē)廂前端開(kāi)口前端門(mén)立柱(J1~J4)靈敏度

10、分析時(shí)，設(shè)定所有參數(shù)變化范圍為130%，在此范圍內(nèi)進(jìn)行迭代插值。由于前后車(chē)廂車(chē)橋扭轉(zhuǎn)時(shí)只對(duì)自身車(chē)廂扭轉(zhuǎn)剛度有明顯的影響，因此分別計(jì)算前后車(chē)廂一階扭轉(zhuǎn)頻率和中橋、后橋發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)的前后車(chē)廂車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)梁?jiǎn)卧撵`敏度。 </p><p><b>　　2.3優(yōu)化設(shè)計(jì) </b></p><p>　　根據(jù)靈敏度分析結(jié)果，從中選出對(duì)輕量化影響較為明顯的參數(shù)，見(jiàn)表3所示，同靈敏度分

11、析，設(shè)定所有參數(shù)變化范圍為±35%，目標(biāo)函數(shù)為質(zhì)量最小，分別以整車(chē)一階扭轉(zhuǎn)頻率&gt;5HZ和整車(chē)扭轉(zhuǎn)剛度&gt;8.0E+04N.mm/度，分別對(duì)前后車(chē)廂進(jìn)行優(yōu)化。 </p><p>　　優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)是質(zhì)量最輕，狀態(tài)變量為能反映前車(chē)廂整車(chē)扭轉(zhuǎn)剛度邊界下限的參數(shù)。選擇中橋扭轉(zhuǎn)時(shí)的前車(chē)廂扭轉(zhuǎn)剛度為約束，要求整車(chē)剛度&gt;8.0e+04N.mm/度。部分設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表4。

12、其中tB1(B2)表示目標(biāo)函數(shù)、約束函數(shù)對(duì)B1，B2梁的靈敏度接近，且初始值一致，即將它們作為一個(gè)變量進(jìn)行優(yōu)化。 </p><p>　　通過(guò)優(yōu)化車(chē)身結(jié)構(gòu)質(zhì)量下降了72Kg，占前車(chē)廂總質(zhì)量的2.3%，而優(yōu)化后的整車(chē)扭轉(zhuǎn)剛度為8.8E+04N.mm/度左右，仍然大于8.0E+04N.mm/度，屬于正常范圍。這說(shuō)明整個(gè)優(yōu)化過(guò)程是有效的，同時(shí)可以看出整車(chē)扭轉(zhuǎn)剛度和輕量化并不沖突。 </p><p>

13、;　　(2)一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)。 </p><p>　　優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)是質(zhì)量最輕，狀態(tài)變量為能反映前車(chē)廂振動(dòng)性能的頻率參數(shù)，本文選擇基礎(chǔ)模態(tài)前車(chē)廂一階扭轉(zhuǎn)頻率為約束，要求扭轉(zhuǎn)頻率&gt;5HZ。部分設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表5。 </p><p>　　通過(guò)優(yōu)化車(chē)身結(jié)構(gòu)質(zhì)量下降了83Kg，占前車(chē)廂總質(zhì)量的2.5%，而優(yōu)化后的一階扭轉(zhuǎn)頻率為5.376HZ左右，仍然大于5HZ，屬于正常范圍。這說(shuō)明

14、整個(gè)優(yōu)化過(guò)程是有效的，同時(shí)可以看出一階扭轉(zhuǎn)剛度和輕量化并不沖突。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1]代紅軍，林程.電動(dòng)客車(chē)車(chē)身有限元分析及其輕量化設(shè)計(jì)[J].客車(chē)技術(shù)與研究，2005，(3)：10-11. </p><p>　　[2]王海亮，金先龍，林忠欽.低地板城市客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)有限元分析[J].汽車(chē)