基于动态峰值力的客车骨架轻量化研究.pdf

车辆工程制造技术 现代制造工程 M o d e r nM a n u f a c t u r in gE n g in e e r in g 2 0 1 7 年第5 期 基于动态峰值力的客车骨架轻量化研究 周美施1 尹怀仙2 张铁柱1 张洪信1 刘高君1 1 青岛大学机电工程学院 青岛2 6 6 0 7 1 2 青岛大学科研处 青岛2 6 6 0 7 1 摘要 针对客车车身骨架基于静态荷载设计优化的不足 提出了基于动态峰值力设计优化客车骨架的方法 该方法是 建立车辆多体动力学模型和路面模型 仿真计算骨架的动态峰值力 基于该动态峰值力进行骨架有限元分析以及设计 优化 以某款客车为例 基于动态峰值力对客车骨架进行设计优化 质量减轻8 8 4 骨架优化后强度和剐度满足要 求 结果表明骨架基于动态峰值力设计优化的方法是可靠的 该方法可直接应用于任何车辆 任何工况下的结构设计 优化 无须具体考虑各工况条件动载系数的试验研究问题 缩短了设计时间 节省了研发费用 关键词 车身骨架 动态峰值力 有限元分析 轻量化 中图分类号 U 4 6 2 1 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 1 3 1 3 3 2 0 1 7 0 5 0 0 5 9 0 6 D o I 1 0 1 6 7 3 1 j c n k i 1 6 7 l 一3 1 3 3 2 0 1 7 0 5 0 1 2 S t u d yo nl ig h t w e ig h to fb u sf r a m eb a s e do nd y n a m icp e a kf o r c e Z h o uM e is h il Y inH u a ix ia n 2 Z h a n gT ie z h u l Z h a n gH o n g x in l L iuG a o j u n l 1M e c h a n ic a la n dE l e c t r o n icE n g in e e r in gC o l l e g e Q in g d a oU n iv e r s it y Q in g d a o2 6 6 0 71 S h a n d o n g C h in a 2S c ie n t if icR e s e a r c hO f f ic e Q in g d a oU n iv e r s it y Q in g d a o2 6 6 0 71 S h a n d o n g C h in a A b s t r a c t A im in ga tt h ed e f ic ie n c yo ft h eb u sf r a m ed e s ig no p t im iz a d o nb a s e do nt h es t a t icf o r e t h ed e s ig no p t im iz a t io no ft h eb u s f r a m eb a s e do nd y n a m icp e a kf o r c eisp r o p o s e d T h ed y n a m icm o d e lo ft h ev e h ic l ea n dt h er o a dm o d e lw e r ee s t a b l is h e din t h is m e t h o d a n dt h ed y n a m icp e a kf o r c eo ft h ef r a m eW a sc a l c u l a t e d T h ef in it ee l e m e n ta n a l y s isa n dd e s ig no p t im iz a t io nm o d e lo ft h e f r a m ew e r ee s t a b l is h e db a s e do nd y n a m icp e a kf o r c e O n eb u sW a st a k e na sa ne x a m p l e t h eq u a l it yo ft h ef r a m eisr e d u c e db y 8 8 4 p e r c e n t a g et h r o u g ht h em e t h o do ft h eb u sf r a m ed e s ig no p t im iz a t io nb a s e do nd y n a m icp e a kf o r c e T h es t r e n g t ha n ds t if f n e s so ft h ef r a m ea f t e ro p t im iz a t io nm e e tt h er e q u ir e m e n t s T h er e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o do ft h eb u sf r a m ed e s ig no p t im iz a t io n b a s e do nd y n a m icp e a kf o r c eisr e f ia b l e I tc a nb ed ir e c d y 印p l ie dt oa n yv e h ic l ea n ds t r u c t u r ed e s ig no p t im iz a t io nu n d e ra n yc o n d it io nw it h o u ts p e c if icc o n s id e r a t io nd y n a m icl o a dc o e f f ic ie n to ft h ee x p e r im e n t a lr e s e a l x 3 hu n d e rd if f e r e n tw o r k in gc o n d it io n s I t a l s os h o r t e nt h ed e s ig nt im ea n ds a v et h ed e v e l o p m e n tc o s t s K e yw o r d s b o d yf r a m e d y n a m icp e a kf o r c e f in it ee l e m e n ta n a l y s is l ig h t w e ig h t 0 引言 车身轻量化的主要手段是采用新材料 新工艺和 结构设计优化 在车身轻量化的设计中 结构必须满 足强度 刚度等要求 引 客车骨架包括车架和车身 框架 目前利用有限元方法对客车骨架结构轻量化设 计时 一般对骨架施加静态荷载 而实际上客车行驶 过程中承受的是复杂的动态荷载 所以需要考虑一个 动载系数 但动载系数都根据经验取定 可能存在较 大误差 从而影响了优化结果的准确性和可靠性 如 文献 3 对某型客车进行了轻量化研究 有限元分析 过程中将骨架扭转工况时的受力简化为静态力 文献 4 对某型车车架进行了强度和刚度分析 将车架扭 转工况下的动载系数取值为1 5 文献 5 对某型车架 进行了振动疲劳分析 将各工况的动载系数统一取值 为2 文献 6 对某型客车骨架进行了轻量化研究 将 各工况的受力均按照静态力简化处理 本文将采用多体动力学的方法建立客车多体动 力学模型 路面模型 并应用A D A M C a r 软件进行整 车动力学仿真 提取客车在C 级路面上行驶的动态峰 国家高技术研究计划项目 2 0 1 4 A A 0 5 2 3 0 3 山东省科技发展计划项目 2 0 1 4 Z Z C X 0 5 5 0 1 2 0 1 4 G G X l 0 3 0 4 4 青岛市战略性新兴产业培育计划 项目 1 4 8 1 2 g x 5 9 2 0 1 7 年第5 期现代制造工程 M o d e mM a n u f a c t u r in gE n g in e e r in g 值力 作为客车骨架有限元分析模型的荷载约束 在 此基础上完成骨架优化设计 形成一套骨架多学科优 化的新方法 1 客车骨架基于动态峰值力的受力分析 1 1整车虚拟样机模型的建立 本文以某款混合动力客车为例展开研究和论述 根据企业提供的客车荷载数据 将客车的荷载简化为 前段总成荷载 中段总成荷载 后段总成荷载 电池包 荷载 天然气罐荷载和动力总成荷载等 客车各部分 荷载重量如表l 所示 在A D A M S C a r 软件中建立客 车车身模型 将各总成荷载简化成一个质量点 采用 固定约束的方式与车身进行连接 然后将建立的悬 架模型 转向模型 动力系统模型 轮胎模型和车身模 型等通过相对应的通讯接E l 进行装配 得到整车 模型 表1客车各部分荷载重量 荷载名称重量 k g 前段总成荷载 中段总成荷载 后段总成荷载 电池包荷载 动力总成荷载 天然气罐荷载 5 2 0 31 8 5 15 6 0 3 0 0 9 4 0 3 1 3 当汽车以一定的车速口 m s 驶过空间频率为 n m 的路面时 路面激励的时间频率八s 1 为n 与 的乘积 即f V I I 空间频率 n n 内的路面位移 谱密度G n 与时间频率 五 内的路面位移谱密 度G 的换算式为 G 力 G 凡D n j 考 j 式中 几 为参考空间频率 0 1 m 一 将时间频率区间 一以 划分为多个小区间 将每 个小区间中间时间频率对应的功率谱密度作为该区 间的功率谱密度 则第i个小区间的功率谱口1 为 P i G 一i A f i 1 2 m 式中 馘为频率间隔如一i为第i个小区间的中间时间 频率 由功率谱与幅值谱的关系 得到每个小区间所对 应的不平度幅值为 A i PL G q U 耐j 酎 根据正弦波在A is in 2 r r f a ait 0 i 的标准差为A 其中t 为行驶时间 可以将m 个正弦波叠加 同时将 6 0 t x v 和厶i 秽n 删i代入正弦波公式中 即可得到随 机路面的垂直位移输入 Z 国is in 2 a r x n z i O i i l 式中 z 为随机路面的垂直位移输入 菇为客车行驶的 位移 n 删 为第i个小区间的中间空间频率 0 i为 0 2 r r 之间服从正态分布的随机数 本文利用M A T L A B 基于随机谐波叠加算法建立 c 级路面的不平度分布 因为路面存在一定的随机 性 故建立多个c 级随机路面 然后将提取的路面位 移戈与纵向路面不平度z 的数据导人A D A M S C a r 软 件中的R 0 a dB u il d e r 编写路面文件 生成C 级随机 路面 从现有车架理论和实验成果可见 一般视扭转工 况为车辆受力最恶劣工况 本文受力分析也主要针 对该工况 扭转工况主要仿真客车以2 0 k m h 的速度 在c 级路面上行驶 途中经过一个长1 m 宽0 5 m 深 0 1 2 m 的凹坑旧J 客车在C 级随机路面1 上行驶时 各部分总成动态力随时间历程变化如图1 图6 所 示 各部分总成动态峰值力均出现在客车行驶至凹坑 路面 车轮处于悬空工况时 为提高计算客车动态峰 值力的准确率 客车在c 级路面上行驶时各部分总成 的动态峰值力取客车在多个c 级随机路面行驶时各 部分总成动态峰值力的平均值 图1前段总成动态峰值力随时间历程变化曲线 图2中段总成动态峰值力随时间历程变化曲线 周美施 等 基于动态峰值力的客车骨架轻量化研究 2 0 1 7 年第5 期 图3 后段总成动态峰值力随时间历程变化曲线 图4 电池包动态峰值力随时间历程变化曲线 随机产生多个路面 以此为激励分别对客车进行 动态仿真 各总成动态峰值力与平均峰值力之间的误 差均未超过1 0 客车扭转工况下各总成动态峰值 力及误差分析如表2 所示 表2 中包括随机路面1 和 随机路面2 的计算数据 最后以平均峰值力作为有限 元分析的施加荷载 蛩5动力总成动态峰值力随时间历程变化曲线 图6 天然气罐动态峰值力随时间历程变化曲线 表2 客车扭转工况下各总成动态峰值力及误差分析 1 2 客车骨架有限元模型的建立 该客车骨架长为1 0 5 m 宽为2 5 m 高为2 7 5 m 主要由宽为0 0 8 m 高为0 2 2 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 客车骨架材料 主要采用Q 3 4 5 钢 屈服极限盯 3 4 5 M P a 弹性模量 E 2 0 6 1 0 P a 泊松比肛 0 2 8 密度P 78 5 0 k g m 3 为保证后续网格的划分效果 在建模时略去了一 些倒角 以及不重要的细微结构 钢板弹簧是汽车悬架中应用最广泛的一种弹性 元件 其结构简单 工作可靠 本文所研究客车的前 后悬架弹性元件均为钢板弹簧 目前在车架的有限 元分析中 应用螺旋弹簧单元等效处理钢板弹簧模型 的主要方法有以下3 种 独立螺旋弹簧单元模型 刚性 梁 螺旋弹簧组合模型及钢板弹簧三自由度模型归 1 本文采用了第3 种方法对钢板弹簧进行等效处理 考 虑钢板弹簧的客车骨架有限元模型如图7 所示 局 部放大的钢板弹簧等效处理方法如图8 所示 图8 中如用来表示钢板弹簧的垂向刚度 K 用来表示钢 板弹簧的纵向刚度 用来表示钢板弹簧的横向刚 度 钢板弹簧与车架吊耳连接处采用耦合的方式进 行连接 将客车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 并将分析结果与骨架基于静 态荷载有限元分析的结果进行比较 基于动态峰值 力扭转工况下骨架的应力分布如图9 所示 骨架的最 6 1 0 0 O O 0 O 0 0 O 0 4 3 2 O 9 8 7 6 5 2 0 1 7 年第5 期 现代制造工程 M o d e mM a n u f a c t u r in gE n g in e e r in g 大应力为1 9 4 M P a 安全系数为1 7 7 基于静态荷载 扭转工况下骨架的应力分布如图1 0 所示 骨架的最大 应力为1 5 7 M P a 动载系数取1 3 安全系数为1 6 9 图7考虑钢板弹簧的客车骨架有限元模型 图8 钢板弹簧等效处理简化图 N O D A LS O L U T I O N S U B 1 T I M E 1 S E Q V A V G A N S Y S E L O T N O 1 519 9 6 90 4 3 2 E 0 80 8 6 4 E 0 9013 0 E 0 90 17 3 E 0 9 扭转工况下混合动力客车骨架有限元分析 o n ew h e e ll e f tf l o a t in g 图9 基于动态峰值力扭转工况F 骨架的应力分布 基于动态峰值力对骨架扭转工况进行受力分析 相当于考虑了动载系数 所计算得到的应力比基于静 态荷载的应力要大 比值为1 2 3 左右 在骨架基于静 态荷载分析时选取的动载系数范围通常为1 2 2 说 明基于动态峰值力对骨架进行设计分析是可靠的 6 2 该方法可直接应用于任何车辆 任何工况下的结构设 计优化 无须具体考虑各工况条件动载系数的试验研 究问题 缩短了设计时间 节省了研发费用 A N S Y S P L O TN Ol 40 5 4 3 3 0 3 4 9 E 0 8 0 6 9 7 E 0 80 10 5 E 0 9013 9 E 0 9 扭转工况下混合动力客车骨架有限元分析 o n ew h e e ll e f tf l o a t in g 图1 0 基于静态荷载扭转工况下骨架的应力分布 2 客车骨架基于动态峰值力的设计优化 2 1 骨架优化设计数学模型的建立 1 强度约束 该优化设计模型要求结构的最大 应力不超过材料的许用应力 强度约束为盯 盯一九 n 为安全系数 2 刚度约束 该优化设计模型要求结构的最大 位移量6 6 其中 6 为结构设计允许的最大变 形量 3 目标函数 通过优化结构的截面厚度尺寸减 少骨架的质量 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 骨架优化模型的设计变量为骨架各纵梁的厚度 表示为 石 戈1 茗2 戈3 戈4 z 5 戈6 戈7 戈8 搿9 戈1 0 菇1 l 戈1 2 式中 x i 江1 2 1 2 为车架不同纵梁的截面厚度 x i所指代的纵梁在车架中的位置如图1 1 所示 其中 茗1 髫2 搿3 戈4 算5 戈6 戈7 z 8 戈1 1 戈1 2 分别为槽型钢的厚 度 槽型钢的厚度尺寸见本文第2 2 节表3 所示 其他 形状尺寸如图1 2 a 所示 戈 z 分别为z 型钢的厚度 形状尺寸如图1 2 b 所示 骨架优化设计的一般数学模型可具体表示为 M in 八x m i i l S u b o r 叽 8 6 洲虬 q 5 i 吖器觜 周美施 等 基于动态峰值力的客车骨架轻量化研究2 0 1 7 年第5 期 戈 戈i 戈iU 式中 戈为优化模型的设计变量 m i为骨架第i个单元 的质量 n 为骨架单元的总数目 叽 为骨架材料的许 用应力 艿 为结构设计允许的最大变形量 戈i 和算i 分别为设计变量的上限和下限 图1I设计变量指代的纵梁在车架中的位置 a 槽彤铒目b 7 H q 图1 2 优化设计变量的截面形状及尺寸 m m 2 2 骨架优化设计结果分析 利用优化软件I S I G H T 将S o l id w o r k s 与A N S Y S 集 成在一起 首先在S o l id w o r k s 软件中建立骨架的三维 模型 并赋予设计变量一个初始值 然后利用A N S Y S 软件对骨架进行有限元分析并计算骨架的总质量 采用步长加速优化算法寻求最优解并判断结果是否 收敛 如果收敛 则确定最优方案 如果不收敛 则优 化算法赋予设计变量新值 并自动在S o l id W o r k s 软件 中建立新骨架模型并导入A N S Y S 软件中进行分析 此 过程一直循环至找到最优解 将优化前与优化后设 计变量的数值进行对比 如表3 所示 表3 基于动态峰值力优化模型设计变量优化结果 本次优化骨架质量变化曲线如图1 3 所示 最终使 得骨架质量由原来的9 8 5 7 8 k g 减轻到8 9 2 7 k g 理想 状态下质量减轻9 4 4 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 本 文对设计变量优化后的值进行了圆整 圆整后骨架的 质量为8 9 8 6 8 k g 质量减轻8 8 4 骨架的轻量化效 果较为明显 巳 J j 嫱 喀 暑蚌 啦 图1 3目标函数变化曲线 为验证此优化方法的正确性 本文对骨架进行校 核分析 按照优化后圆整的尺寸重新建立骨架的三 维模型 并基于动态峰值力建立骨架有限元分析模 型 本文只验证了客车最危险的工况即扭转工况和 最常见的工况即满载弯曲工况 客车扭转工况下骨 架的等效应力分布如图1 4 所示 最大应力为2 8 3 M P a 安全系数为1 2 2 满足要求 客车满载弯曲工况下骨 架的等效应力分布如图1 5 所示 最大应力为1 1 5 M P a 安全系数为3 满足要求 A N S Y S P L O T N O 1 32 1 0 7 90 6 3 0 E 0 8 0 1 2 6 E 0 90 18 9 E 0 90 2 5 2 E 0 9 扭转工况下混合动力客车骨架有限元分析 o n ew h e e ll e f tf l o a t in g 图1 4 优化后骨架扭转工况下等效应力分布 综上分析 虽然骨架的满载弯曲工况安全系数依 然较大 但是骨架的最危险工况即扭转工况的安全系 6 3 臌雕器髓潍 2 0 1 7 年第5 期现代制造工程 M o d e mM a n u f a c t u r in gE n g in e e r in g 数已接近安全系数经验估值范围 通常取1 2 1 5 的下限 因此骨架不需要进一步优化 综合评价 此 次优化过程较为合理 既减轻了骨架的重量 又保证 了骨架多种工况下的强度和刚度 N O D A LS O L U T l 0 N S U B 1 A N S Y S P L O T N 0 1 104 2 4 7 0 2 5 5 E 0 80 510 E 0 80 7 6 4 E 0 8 0 10 2 E 0 9 满载弯曲工况下混合动力客车骨架有限元分析 o n ew h e e ll e f tf l o a t in g 图1 5 优化后骨架满载弯曲工况下等效应力分布 3 结论 1 本文提出了基于动态峰值力设计优化客车骨 架的方法 该方法建立车辆多体动力学模型和路面模 型 仿真计算骨架的动态峰值力 基于该动态峰值力 进行骨架有限元分析 该方法可直接应用于任何车 辆 任何工况下的结构设计优化 无须具体考虑各工 况条件动载系数的试验研究问题 缩短了设计时间 节省了研发费用 2 基于动态峰值力对某款客车骨架进行设计优 化 质量减轻8 8 4 3 骨架优化后强度和刚度满足要求 骨架基于动 态峰值力设计优化的方法是可靠的 参考文献 1 龙江启 兰凤崇 王金轮 等 半承载式客车骨架有限元建模 与轻量化研究 J 中国机械工程 2 0 1 2 2 3 4 4 9 9 5 0 3 2 史践 电动汽车与轻量化技术 J 汽车工艺与材料 2 0 1 1 1 2 4 2 9 3 孙立君 谭继锦 蒋成武 等 多工况下客车车身骨架轻 量化研究 J 汽车科技 2 0 1 0 3 2 0 2 4 4 张润生 侯炜 车架刚度及强度的有限元分析 J 拖拉 机与农用运输车 2 0 0 7 5 0 3 4 1 9 2 4 5 吴华杰