基于等寿命客车骨架优化方法研究

周美施，张铁柱，尹怀仙，张洪信，赵清海

(青岛大学 机电工程学院，山东 青岛 266071)

0 引言

车身轻量化，结构必须满足强度、刚度和疲劳寿命等要求[1-2]。骨架结构轻量化主要有3条途径：1) 车身结构优化，利用刚度更高的结构和合理选择板件厚度减轻骨架质量；2) 采用轻质材料替换传统低强度钢；3) 更新骨架零件的制造和连接工艺。客车骨架的轻量化主要利用有限元方法优化车身结构[3]。对已设计完成的车身结构，其结构优化主要为改变横纵梁截面厚度，进行尺寸优化。利用有限元方法对客车车身骨架结构轻量化设计已有诸多研究成果[4-11]。但目前客车骨架结构轻量化主要针对危险工况进行优化，实际上客车行驶过程中危险工况出现的概率较低，考虑危险工况的轻量化分析是不符合实际情况的，应考虑各个工况在客车行驶过程中所占的比例对客车骨架进行全工况下的轻量化分析。

提出基于全工况等寿命设计优化客车骨架的方法，以某款客车骨架为例，分别进行了基于危险工况强度优化和基于全工况等寿命设计优化，并对优化结果进行比较，验证了基于全工况等寿命骨架设计优化方法的可靠性。

1 基于危险工况强度优化

1.1 骨架有限元模型的建立与分析

以某款城市客车骨架为例进行研究。该客车骨架长为10.5 m、宽为2.5 m 、高为2.75 m，主要由宽为0.08 m、高为0.22 m且厚度不等的槽型钢以及不同型号的方形钢管焊接而成。为保证后续网格的划分效果，在建模时略去不重要的细微结构。简化后模型主要包括6部分，分别是前围骨架、后围骨架、左侧围骨架、右侧围骨架、顶围骨架和车身骨架。骨架结构如图1所示。网格尺寸设置为0.4，客车骨架有限元模型有252 358个节点，110 069个单元。

图1 客车骨架结构

客车骨架材料属性如表1所示。

表1 材料属性

客车车身骨架计算载荷可以分为：骨架质量、非结构质量、设备质量及乘客质量。发动机、天然气罐、电动机、电池、变速器、玻璃和司机及乘客等荷载采用均布加载方式处理，根据各载荷与车身骨架之间的连接部位分别加载在相应的节点上。客车车身骨架有限元模型加载质量分布情况如表2所示。

表2 客车车身骨架有限元模型加载质量分布

对客车骨架满载弯曲工况、加速工况、制动工况、转弯工况动态仿真所提取的各总成动态峰值力作为骨架有限元分析的荷载约束，建立基于动态峰值力的骨架有限元分析模型，各工况骨架的最大等效应力值如图2所示。

图2 不同工况下骨架的最大等效应力

图3 骨架过减速带工况下应力分布

由图2得，客车骨架危险工况为过减速带工况(扭转工况)，骨架的最大应力为194MPa，骨架过减速带工况应力分布如图3所示，安全系数为1.77，可以看出骨架强度有剩余，骨架还有进一步优化的空间。

1.2 基于危险工况骨架的设计优化

建立基于危险工况骨架设计优化的数学模型。该模型以骨架各纵梁的厚度尺寸为设计变量，以质量最少为优化目标。数学模型可具体表示为：

Find.X=[x1，x2，…，xi，…，xn] (i=1～n)

(1)

表3给出考虑危险工况下各设计变量优化结果。

表3 基于动态峰值力优化模型设计变量优化结果

优化骨架质量变化曲线如图4所示，最终使得骨架质量由原来的985.78kg减轻到892.7kg，理想状态下质量减轻9.44%。但是考虑到实际骨架的加工制造工艺及标准，为了不增加骨架的制造成本，对设计变量优化后的值进行圆整，圆整后骨架的质量为898.68kg，质量减轻8.84%。

图4 目标函数变化曲线

骨架轻量化效果较为明显，但只考虑危险工况的优化，优化后不能保证满足其他工况使用要求。因此提出基于全工况等寿命设计优化方法，避免这一弊端，丰富了骨架轻量化理论。

2 基于全工况等寿命优化方法

基于全工况等寿命优化方法包括两部分内容，第一部分为建立单一工况等寿命设计优化模型；第二部分为考虑各工况概率因子的全工况等寿命优化模型。

1) 基于单一工况等寿命设计优化模型。

建立了不同工况骨架设计优化的数学模型。该模型以骨架各横纵梁的厚度尺寸为设计变量，以质量最少为优化目标。数学模型可具体表示为：

Find.X=[x1，x2，…，xi，…，xn] (i=1～n)

(2)

2) 考虑各工况概率因子的全工况等寿命优化模型

全工况等寿命设计优化包括满载弯曲工况、加速工况、制动工况和转弯工况。完成常见4种工况的设计优化后，建立考虑各工况概率因子的全工况等寿命优化模型。

(3)

式中，xn为基于全工况优化的设计变量最终结果；ai表示第i种工况在全工况中出现的概率因子；xi表示第i中工况设计变量优化结果。

参考国标中规定的用于评价城市客车燃油经济性的四循环工况的特征值见表4。其中的加速比例对应城市客车在运行过程中加速工况占比；匀速比例和怠速比例对应客车在运行过程中满载弯曲工况占比；减速比例是客车在制动工况和转弯工况在运行过程中的占比。两者各占减速比例中的一半。由此可得客车运行过程中加速工况、满载弯曲工况、制动工况、转弯工况的占比见表5。由于城市道路状况相对良好，城市客车最危险工况为过减速带工况，其出现概率也较少，因此在进行全工况等寿命模型建立的时候不考虑过减速带工况，只将其用作骨架性能校核工况。

表4 客车行驶循环工况

表5 客车运行工况占比 %

基于全工况等寿命设计优化方法不仅要求不同零件的寿命相同，而且考虑了全工况出现的概率因子，完善了基于危险工况优化的弊端。

3 基于全工况等寿命骨架设计优化

3.1 骨架设计优化

针对该款城市客车骨架进行全工况等寿命设计优化。基于满载弯曲工况等寿命骨架设计优化，骨架质量由原来985 kg减轻至919 kg，骨架质量减轻66 kg，占骨架总质量的6.7%；基于加速工况等寿命骨架设计优化，骨架质量由原来985 kg减轻至755.17 kg，骨架质量减轻229.83 kg，占骨架总质量的23%；基于制动工况等寿命骨架设计优化，骨架质量由原来985 kg减轻至932 kg，骨架质量减轻53 kg，占骨架总质量的5.4%；基于转弯工况等寿命骨架设计优化，骨架质量由原来985 kg减轻至777 kg，骨架质量减轻208 kg，占骨架总质量的21.2%。4种工况目标函数变化曲线如图5-图8所示。

图5 满载弯曲工况

图6 加速工况

图7 制动工况

图8 转弯工况

最终的设计变量结果按照公式(3)进行计算，并形成基于全工况等寿命设计优化的最终模型。表6为4工况等寿命优化模型设计变量尺寸全工况设计变量尺寸。

表6 全工况设计变量尺寸

续表6

全工况等寿命模型骨架质量为876.3kg。原骨架模型质量为985kg，骨架质量减少了108.7kg，骨架质量比原来减轻11%。

3.2 轻量化骨架性能验证

基于全工况等寿命优化后的骨架进行过减速带工况进行验证。按照全工况等寿命模型建立骨架的三维模型，并对骨架的强度、刚度、寿命进行分析验证。经计算得，骨架最大应力为259MPa，如图9所示，安全系数为1.3，骨架最大变形为34mm，如图10所示。均满足客车骨架设计与使用要求，骨架最小寿命为9×105，大于客车期望寿命，满足客车行驶要求。

图9 骨架应力分布图

图10 骨架应变图

3.3 不同优化方法的对比

基于危险工况的骨架设计优化，质量减轻8.84%；基于全工况等寿命的骨架设计优化，质量减轻11%，轻量化效果明显优于前者。因为客车行驶过程中危险工况出现的概率较低，仅考虑单一工况的轻量化分析是不够全面的，应考虑各个工况在客车行驶过程中所占比例对客车骨架进行全工况下的轻量化分析。相比于基于危险工况骨架的设计优化，基于全工况等寿命骨架设计优化方法更接近于实际情况，使得轻量化效果更加显著。

4 结语

1) 提出了基于全工况等寿命骨架设计优化方法。基于全工况等寿命优化基本理论包括两部分内容，第一部分为建立单一工况等寿命设计优化模型；第二部分为考虑各工况概率因子的全工况等寿命优化模型，丰富了骨架轻量化理论。

2) 以某款客车骨架为例，进行了基于危险工况强度优化和基于全工况等寿命设计优化进行比较。基于扭转工况骨架的设计优化，质量减轻8.84%；基于全工况等寿命骨架设计优化，质量减轻11%，轻量化效果明显优于前者。

3) 基于全工况等寿命优化后的骨架满足强度、刚度和疲劳寿命的设计要求，骨架基于全工况等寿命设计优化的方法是可靠的。