特种车辆车体结构的轻量化设计研究*

巩 锐，侯步逸，陈 超，任 博，李 顺

(北京北方车辆集团有限公司，北京 100072)

0 引 言

自然灾害救援车主要用于应急抢险救灾，承担确保人民的生命和财产安全的重任。 开展高可靠性救援车的结构轻量化设计是保证自然灾害救援车具备良好的抗冲击能力和高承载能力，从而实现可以无视恶劣地形阻碍和天气状况，以最快速度到达灾害现场并展开救援的重要途径。 车体结构是救援车的关键承载部件。 车体结构轻量化的途径主要有两种:①从新材料入手，广泛采用轻金属或现代复合材料等低密度材料作为原料，以达到减重的目的；②从优化设计入手，对现有车体进行结构优化，在保证承载能力和可靠性的前提下减轻其质量。 前者轻量化效果明显，减重幅度比较大，但存在研发成本高、工艺复杂等问题；后者成本低、容易实现，如果方法得当，也能得到良好的轻量化效果[1-2]。 车体结构轻量化的目的是在不改变材料且不牺牲任何刚强度特性及动态特性的前提下实现车体结构的质量最小化。

笔者以救援车的车体结构为研究对象，采用拓扑优化、形貌优化、尺寸优化等方法对其进行结构优化设计，这对于实现救援车的轻量化、提高救援车的抗冲击和承载能力具有重要的工程实用价值。

1 车体结构轻量化总体设计技术途径

结构的轻量化设计贯穿产品的原理样机、初样机、正样机的整个设计过程。 对应的结构轻量化设计流程也可以分为概念优化设计、局部优化设计和详细优化设计3 个阶段。 概念优化设计阶段适用于产品的原理样机设计阶段，通过建立概念设计模型，定义封闭的设计空间，在给定的边界条件下，通过拓扑优化技术寻找出该优化空间中的最佳材料布局。 概念优化技术主要包括拓扑优化和形貌优化等。 局部优化设计阶段适用于产品从原理样机到初样机的过渡阶段，根据概念设计阶段得出的材料布局可以获得大体的结构设计思路，但是材料的分布不够清晰，因此在局部优化设计中采用局部拓扑优化技术，将该部位的设计空间重新定义再次进行拓扑优化设计。 详细优化设计阶段根据上两步获得清晰的材料布局，结合制造工艺设计，进行最终的尺寸和形状优化[3]。

针对自然灾害救援车体结构形式及承载特点，其结构轻量化设计过程3 个阶段的主要工作如下。

(1) 概念优化设计阶段:主要对车体承载框架结构进行拓扑优化，找出框架结构的空间布置样式，并根据优化计算结构，抽象出离散的设计方案，为下一步的局部优化提供设计思路；对车体薄壁板壳结构进行形貌优化设计，找出表面冲压筋的分布位置及分布样式。

(2) 局部优化设计阶段:主要对概念优化设计结果进行局部优化设计，找出需要增加或者删除的区域，确定结构的最终布局。

(3) 详细优化设计阶段:主要通过尺寸优化确定各个部分的几何尺寸、如板壳的厚度，梁结构的截面形状等；针对细部结构可能存在的应力集中问题，可以采用形状优化技术改变局部区域形状，进行倒角或者几何光顺处理，经过详细设计阶段处理的结构即为最终的设计方案。 车体结构轻量化设计流程如图1所示。

图1 车体结构轻量化设计的3 个阶段

2 车体结构轻量化综合设计

2.1 车体结构拓扑优化

结构拓扑优化设计的主要目标是寻找材料在空间中的最佳分布形式，从而确保其具有最好的结构承载形式。 结构拓扑优化本质上是一种等刚度和等强度的设计方法，要求拓扑优化的设计结果具备整体上的良好刚度和强度特性。

对于救援车体而言，其结构是由外围薄板壳和内部支撑骨架焊接而成的空间框架形式，内部骨架和板壳共同承担各种外界激励载荷冲击作用，相对于骨架而言，外围板壳主要起到形成车体封闭结构、确保车体具备良好的外观设计的作用，因此在结构形式上变化较少。 而内部骨架对于车体的整个承载力结构形式起着非常重要的支撑作用，因此在拓扑优化设计过程中，主要针对车体结构的承载骨架进行拓扑优化设计，形成良好的车体骨架布局形式，保证车体的刚度和强度特性。

(1) 结构拓扑优化设计方法

目前常用的结构的拓扑优化方法有变厚度法、变密度法及均匀化方法[4-5]。 文中主要采用变密度法。变密度法的基本思想是假设离散单元内部的材料属性为常数，设计变量定义为离散单元的相对密度，用xe来表达，设原始设计单元密度为ρ0，优化后单元密度为ρ，则存在关系式:ρ＝xeρ0。 单元的材料属性随着单元相对密度的变化而变化，并且与单元相对密度成指数变化关系:

式中:E0、E分别为单元初始弹性模量和优化后弹性模量；k0、k分别为结构单元初始刚度阵和优化后的刚度阵；m0、m分别为结构单元初始质量阵和优化后的质量阵；P为惩罚权因子，选择惩罚因子的目的是对中间密度单元项进行惩罚，以尽量减少结构中间密度单元的数目。

在车体骨架结构拓扑优化设计中，采用变密度法，以结构分析模型每个单元的相对密度，x(x＝{x1，x2，…，xn}T)为优化设计变量，考虑动态响应下的结构平衡方程Kqqqi＝feq，并满足约束条件g(u，x)≤0时，相应的拓扑优化数学模型可以表示为:

式中:q为等效静态载荷工况的数量；m为约束条件的数量。

(2) 车体骨架结构拓扑优化

根据车体结构承载特性及结构刚强度特性的分析，主要选择车体底部骨架和车体顶部座圈支撑结构作为拓扑优化的设计空间。

采用三维实体单元对优化设计空间进行有限元网格划分，填充整个设计空间，优化计算时以设计区域内每个单元的相对密度为设计变量，以多载荷工况下结构柔度的加权和最小为目标函数，以保留的结构质量百分比为约束条件。 采用OC 准则优化算法，在经多次迭代后得到了车体顶部座圈支撑结构及车底骨架结构的单元密度云图及单元密度值。 密度值越大的区域越重要，需要在优化设计中保留，密度值较小的区域可以根据结构轻量化程度在优化设计中去除，图2 中为将密度值为0.35 以下的单元去处之后保留的结构材料分布图。 图3 为拓扑优化设计目标函数的迭代历程曲线，可以看出，经过20 步迭代以后，目标函数趋于收敛。

图2 座圈支撑及车底骨架拓扑优化密度云图

图3 拓扑优化设计目标函数迭代历程曲线

车体骨架结构的拓扑优化设计是一个相当复杂的过程，很难通过一次优化就能取得比较满意的结果，有时往往需要在前一次的优化结果基础上进行几次甚至几十次的优化设计才能达到优化目的。

2.2 车体表面甲板结构形貌优化设计

(1) 结构形貌优化设计方法

形貌优化是一种形状最佳化的方法，即在板形结构中寻找最优的加强筋分布的概念设计方法，用于设计薄壁结构的强化压痕，在满足质量指标的要求下能满足强度、频率等要求。 与拓扑优化不同的是，形貌优化不删除材料，而是在可设计区域中根据节点的扰动生成加强筋。

救援车辆车体的外壳通常是由不同厚度的薄装甲板焊接而成，为了增加甲板的刚度，一种方法是在甲板内侧布置很多支撑梁结构，但是这样做往往会大大增加车体的质量，另一种方法是通过在甲板上冲压加强筋的方式来增强刚度。 在设计和制造过程中，冲压筋的分布位置及形状主要是根据设计经验确定，因此带有一定的盲目性，无法确保车体结构刚度的均匀性，造成有些区域刚度偏小，在不平路面激励或者发动机激励作用下，容易产生局部振动，引起车内噪声或者最终导致结构破坏。 为了改善车体甲板整体刚度分布不均、局部区域容易出现刚度不足的状况，采用形貌优化技术对车体薄甲板表面冲压筋的分布位置及形状进行了优化设计。

(2) 车体形貌优化设计流程

车体甲板冲压筋结构的形貌优化设计过程通常包括以下几个步骤:①优化设计区域选择。 通过车体模态分析，找出装甲板表面低频局部振动区域作为形貌优化的设计区域；②装甲板形貌优化。 在形貌优化过程中，以装甲板质量为约束条件，以最大化结构第一阶(或同时最大化前几阶)固有频率为目标函数进行结构形貌优化设计；③优化设计方案对比与选择。为了确保优化结果便于设计和制造，可以在形貌优化过程中考虑各种制造工艺要求，根据不同制造工艺下的优化结构进行多种方案的对比，从中选出最优结构；④优化结果成型处理。 根据形貌优化得到的节点变形向量，自动进行结构修改。

(3) 车体甲板形貌优化设计结果

以车体表面不同部位甲板为对象，采用形貌优化设计方法，优化得到了不同部位的甲板冲压筋结构形式，如图4 所示。

图4 车体不同部位甲板形貌优化结果

2.3 尺寸优化

尺寸优化设计是以结构的尺寸厚度为变量开展结构的优化设计。 在车体结构尺寸优化设计中，选择表1 所列部件的结构尺寸进行优化设计。 经过多次迭代以后，得到了各个部分的优化尺寸，考虑到制造工艺，最后需要对优化尺寸进行圆整处理。

表1 车体尺寸优化结果 /mm

续表1 车体尺寸优化结果 /mm

3 优化结果分析与比较

表2、3 分别对车体结构优化前、后的变形量和应力进行了对比分析。 从表中数据对比可以看出，在各典型工况下，车体最大变形量均减小35%以上，最大应力幅值均减小25%以上。

表2 优化前、后车体结构变形比较

表3 优化前、后车体结构最大应力比较

4 结 语

围绕自然载荷救援车的轻量化设计问题，以救援车的车体结构为对象，开展了车体结构的轻量化设计研究。

提出了特种车辆车体结构轻量化设计的总体技术途径。 研究了拓扑优化、形貌优化设计、尺寸优化设计等结构优化设计方法在救援车车体结构轻量化中的应用。

实现了车体对象的骨架结构拓扑优化、车体表面板壳结构拓扑优化和车体骨架的尺寸优化设计，得到了轻量化的车体结构。

通过对原始方案和轻量化设计方案结构刚强度计算结果的对比，发现优化后的结构具有良好的轻量化设计效果。 此优化方法对于实现特种车辆车体结构的优化设计和轻量化具有重要的研究意义和工程实用价值。