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附录1：外文翻译公交车车身多目标优化和基于替代模型的翻转安全约束Yong Huh,Hyung-lck Kim,In-Hwan Shin,Jae-Mean Koo and Chang-Sung Seok韩国水原市长安洞成均馆大学机械工程学院摘要:在设计总线主体时，要考虑轻量，刚度，强度和翻车安全性能。在本文中，有限元（FE）首先建立包括总线车身的强度，刚度和翻车碰撞性的分析模型，然后通过物理测试进行验证。基于FE模型，设计实验，并根据实验数据创建响应面法和混合径向基函数的多个代理模型。之后，公共汽车车身的多目标优化问题（MOP）被制定为目标是使重量最小化并使扭矩刚度最大化。巴士车身受到强度和翻车安全的限制。通过采用多目标进化算法来获得Pareto最优集，求解MOP。最后，选择该集合的最优解作为最终设计，并与原始设计进行比较。关键词：公交车车身，有限元分析，代理模型，多目标优化1介绍轻型设计近年来引起了汽车制造商的极大关注。有两种减轻车辆重量的方法，第一种方法是使用较轻的材料替代钢，如铝合金（Saito et al。2000），第二种方法是使用最佳设计方法。由于难以获得刚度，应力和振动响应的灵敏度，许多研究者已经研究了考虑刚度，应力和NVH（噪声，振动和粗糙度）性能的车辆的最佳设计（Aguiar等2002; Lanet等人2004; Laxman等人，2009）。兰等人（2004）分析了中型客车车身的结构强度，刚度和低阶振动，并根据敏感性研究实施了结构优化，以减轻重量。 Laxman等人（2009）开发了一种两阶段轻量化设计方法，其中第一阶段是使用尺寸优化技术将刚体和模态频率约束最小化白车身（BIW）的重量，第二阶段是改善屋顶由于工程经验，通过改变几个部件的材料来破坏性能。滚动碰撞分析非常重要，因为公共汽车和客车翻转是最危险的事故类型之一。 因此近年来受到很多关注。 马丁内斯等人 （2003）根据考虑到乘员的统计数据和有限元（FE）分析，分析了翻车事故中的伤害类型。 Park和Yoo（2008）利用简单的波束元素建模了一个总线车身的翻转有限元模型，以减少模拟时间。 Guler等人 （2007）研究了座椅结构以及乘客和行李重量对翻车安全性的影响。然而，由于非线性高，碰撞响应的敏感性不容易被发现（Forsberg和Nilsson 2007）。此外，碰撞分析是耗时的。因此，难以解决包括碰撞响应在内的优化问题。一种有效的方法是使用替代模型来代替碰撞响应（Redhe et al.2002; Craig et al.2005; Forsberg and Nilsson 2005）。代数模型由一系列基函数组成，可用于构建实际结构响应的全局或中等近似。常用于已发表文献的多种替代模型，例如响应面法（RSM）（Roux et al。1998），Kriging模型（Forsberg和Nilsson 2005）和径向基函数（RBF）神经网络模型（Park和Sandberg 1993）等。基于替代模型，车辆的多学科设计优化（MDO）包括耐撞性响应已被广泛研究。Sobieski等（2001）和Craig等人（2002）构建了NVH的响应面模型和设计抗碰撞响应最优车辆重量较轻。车辆设计优化问题通常有多个目标。多目标问题的最优结果不是一个单一的解决方案，而是一组权衡解决方案，也称为帕累托最优解，帕累托集合或帕累托前沿。传统上，多目标问题被解决为使用聚合方法的单个成本函数问题，例如加权和方法，其通过将每个目标预先乘以用户定义的权重因子来将一组目标定标为单个目标。但经典方法在运行中无法获得多于一个的帕累托最优解。此外，难以获得均匀的帕累托最优解的集合，例如，加权和方法中的权重向量的均匀选择不一定在帕累托最优前沿找到均匀的解，并且也找不到定位的解在帕累托最优阵线的非凸部分（Deb 2005）。与古典方法不同，进化算法（EAs）可以直接用其基于人口的操作来解决多目标问题，并在运行中获得全局最优解。近年来已经开发了各种各样的EA。其中大部分是基于遗传算法，例如NSGA-II（Debet al。2000），SPEA2（Zitzler et al.2001），PESA等。然而，还针对多目标优化开发了其他相对较新的基于群体的演化算法，例如粒子群优化（Coello et al。2004; Hart和Vlahopoulos 2010）和免疫算法（Tan et al。2008; Gong et al。2008）等.基于代理模型，可以通过EA有效地解决包含碰撞响应的车辆的多目标优化问题。 廖等 （2008）考虑了BIW（Body In White）作为目标的重量，加速特性和趾板入侵，全部由响应面法制定，并采用NSGA-II算法搜索帕累托最优解。王等。 （2010）构建了使用粒子群优化的车辆多目标优化的碰撞响应（即敏感时区和吸收能量的加速度）的基于时间的元模型。在目前的研究中，基于代理模型进行了集成总线主体的多目标优化。重量应尽量减少，并且在静强度和翻车安全性的限制下扭转刚度将最大化。首先，公交车身体的有限元模型由壳单元构成，并通过物理测试验证。然后，选择壳单元的厚度作为设计变量。根据制造的对称性和均匀性要求，将变量分组，然后根据敏感性研究进行筛选，以选择最重要的变量。之后，使用实验设计（DOE），即最佳拉丁超立方体设计（Park 1994）来探索设计空间。接下来，通过基于实验数据的逐步回归技术创建替代模型，其中使用响应面法和混合径向基函数。最后，通过使用NSGA-II和AMISS-MOP算法解决了多目标优化问题，并获得了Pareto最优解。选择帕累托集合的最优解作为最终设计，并与原始设计进行比较，以证明本文中使用的方法的优点。2 FE模型和验证2.1有限元模型构建了总线框架的两个FE模型。第一个模型是静态分析，包括扭转刚度分析和应力分析，如图1所示。第二种模型用于翻转分析，其中考虑了前后挡风玻璃和屋顶板的影响，如图1所示。所使用的求解器分别是MSC Nastran和LS-DYNA。本文使用的材料为合金钢，弹性模量为210GPa，质量密度为7.8610 3 kg / m 3，泊松比为0.3，屈服应力为510 MPa。材料的塑性应变应力如表1所示。在扭转刚度分析中，前右空气弹簧支撑件被迫上升5毫米，而后左轴空气弹簧支撑件在后轴固定的同时被迫下降5毫米。然后，通过有限元分析获得空气弹簧支撑件的反作用力，扭转刚度如下计算其中f是反作用力，L是左右空气弹簧支撑件的中心之间的距离，d是强制位移，即d = 5mm。在应力分析中，考虑到最佳情况，其中考虑满负荷，仅支撑三个轮胎，即前右轮胎是悬挂的，挂起。为确保没有塑性变形，最大应力应小于屈服应力。在翻车防碰撞分析中，实施左侧翻车，以获得总线主体对剩余空间的结构入侵。根据欧洲经委会第66号（联合国欧洲经济委员会1996年），巴士机构的任何一种结构均不得侵入剩余空间。2.2验证为了确认有限元模型的准确性，公交车车身的静态弯曲实验和公交车段的翻车碰撞试验进行了实验。应该注意的是，测试用例与上一节提到的优化情况不同。图3显示了静态弯曲实验的场景，前后轴支撑，乘客和行李地板均匀分别装载了1320公斤和840公斤。在这种情况下，对母线上四个位置的von Mises应力进行了测试，然后与FE模型给出的结果进行了比较。比较如图1所示。 4，这表明模拟与实验结果之间的差异很小。最大差异发生在第二个测试点，差异为10.67。因此，本文建立的静态FE模型被认为是足够的。总线部分的翻车碰撞试验是以欧洲经委会第66号作为指导。两个加速度传感器位于前柱和后柱抵靠碰撞侧。通过测试和仿真获得的加速度在图1中进行了比较。这表明两条曲线的趋势相同，峰值加速度值接近。图6显示了母线段最终变形的比较。这表明变形是相似的。为了量化比较变形，柱子的变形角度（见图7，也表明具有高应变能的区域）进行了测量和比较。 表2显示了两个传感器的峰值加速度值和平均变形角度。 这表明，翻转模拟和测试之间的最大差异为16.4，因此本文建立的翻转有限元模型被认为适合于优化设计。3近似方法输入数据与工程设计问题的输出响应之间的真实数学关系通常太复杂，无法获得。因此，响应通常通过物理测试或FE分析获得。然而，这两种方法都是耗时的，因此它们不适用于迭代优化。因此，基于近似方法的替代模型被用于物理模型或高保真FE模型的存储以提高效率。为了创建代理模型，需要一个数据集包括足够的输入数据和输出响应。通常，输入数据由DOE生成，输出响应通过物理测试或FE分析获得。图8显示了创建sur-一个输出和两个输入之间的门控模型，其中y是实际响应的估计。在本文中，选择最佳拉丁超立方体设计（Park 1994）作为DOE方法。可以看出，RSM适用于创建静态响应的替代模型（例如位移，应力等）（Roux等人1998）。因此，RSM用于构建本研究中刚度和应力反应的替代模型。但是对于高度非线性响应，RSM可能不会产生适当的预测，而RBF可以提供很好的准确性（Fang et al。2005）。然而，当问题出现嘈杂时，RSM比RBF更好，因为它导致平滑元模型的趋势（Jin et al。2001）。由于翻转碰撞分析中的数值噪声和高非线性性，本文采用混合径向基函数（HRBF）与RSM和RBF结合，创建了车架与后期空间碰撞之间的入侵。下面介绍RSM，RBF和HRBF的基本概念，以及替代模型的适应性指标。假设估计响应y和实际响应y之间的误差为e，则估计响应y表达式如下：其中i（x）是基函数，bi是系数，p是项数RSM中的基函数通常选自二次多项式。二阶聚合物的全部术语，名义是：关于获得RSM系数的细节可以在Kutner等人看到。 （2004）。RBF的基函数被称为核函数，其形式如下。需要提及的是，HRBF被称为Krishnamurthy（2003）和Fang等人的增强径向基函数（ARBF）。 （2005年）。在他们的作品中，引入了正交条件，并使用p + 1个采样点来获得（5）的系数。与ARBF不同，本文采用PRESS误差准则的逐步回归技术克服过拟合，如下所述。需要提及的是，HRBF被称为Krishnamurthy（2003）和Fang等人的增强径向基函数（ARBF）。（2005）。 在他们的作品中，引入了正交条件，并使用p + 1个采样点来获得（5）的系数。 与ARBF不同，本文采用PRESS误差准则的逐步回归技术克服过拟合，如下所述。替代模型中最重要的问题之一是过度拟合，即实验点的误差被驱动到非常小的值，但是当向模型引入新的设计点时，误差很大。 如果在RSM中使用完整的二次项，或者选择所有实验点作为RBF中的中心，则通常会发生过拟合。为了克服过度拟合，创建替代模型时通常使用回归分析。本文采用逐步回归技术（Wang and Jain 2003）。此外，过度拟合也与错误标准有关。在本文中，引入了预测的误差平方和（PRESS）（Kutner等人2004）标准代替构造代理模型的误差（SSE）标准的平方和。使用PRESS标准，替代模型仅适用于从n个实验数据的n-1个点，并且对于剩余的一个，从该模型获得预测。 PRESS标准产生了替代模型预测的良好指示，因为当模型不包括在回归中时，模型给出每个点上的小残差。替代模型的拟合优度统计包括F检验和R平方（Kutner等，2004）。给定显着性水平，如果替代模型的F值大于F分布的临界值，即如果F F a，则认为替代模型是显着的。 R平方度衡量替代模型的适应度是多少。在本文中，使用三个指标，即R平方R2，调整的R平方R2a和PRESS R平方R2 p。R2和R2a都在0和1之间，其值越接近于1，表示替代模型具有更好的拟合度。然而，考虑到自由度，R2 a是替代模型的拟合质量比R2更好的指标。R2P取0到1之间的任何值，值越接近1表示替代模型的预测能力越好。如果三个指标都接近1，则替代模型的拟合和预测质量是好的。 4优化4.1配方总线主体的多目标优化问题的形成如下：其中m是总线框架的重量; k t是扭转刚度; i是第i个关键点的von Mises应力;并且d j是第j个窗柱与剩余空间之间的入侵; xl和xu分别是设计矢量的上限和下限。观察到总体最大应力的替代模型的精度差，因为最大应力的位置在设计变量发生变化时会发生变化增加响应的非线性。因此，原始设计中应力值最高的几个关键点用于捕获最大应力。在本研究中选择了原始设计中具有高应力值的六个关键点，如图1所示。 9，用P1P6注释，相应的代理模型为16。根据ECE规则第66条，身体结构与剩余空间之间不应有入侵。翻车碰撞性分析的结果表明，碰撞侧的窗柱具有侵入残余空间的最大可能性。每边有七个窗柱，如图所示。 9，从前到后编号从1到7，每个柱和剩余空间之间的入侵分别表示为d 1，d 2，.，d 7。解决（ 6）是：1.考虑到制造约束，如何从总线框架中的数百个栏中选择最重要的变量，以减少问题的维度。2.如何获得结构响应比FE分析更有效，克服了翻车碰撞性非线性的难度。3.如何在运行中实现多目标优化问题的帕累托最优解。以下三节介绍本文采用的相应技术，即基于分组策略和敏感性研究的变量选择技术，基于DOE的代理模型 和大约模拟方法和多目标进化算法。4.2变量选择由于总线主体的有限元模型是用壳单元构成的，所以结构的厚度被定义为可变的。总线上有数百个条，存在制造约束。因此，如果所有的厚度参数都被认为是设计变量，那么问题就太复杂了。为了降低复杂性，必须减少设计变量的数量。考虑到制造约束，变量被分组。主要制造约束是对称性和均匀性。因此，相应的结构由相同的设计变量描绘，以减少变量的数量。例如，如图1所示。如图10所示，深黑色的纵向和纵向条都具有对称性和均匀性要求，因此，黑色黑色中所有纵向条的厚度可以定义为可变的，也就是称为垫底。最后，总线框架的所有条都分开。通过单个设计变量提取到81组砂。然而，并非所有变量对响应都是重要的，有一些变量会稍微影响响应，这可以忽略以进一步减少问题的维度。每个变量的意义可以通过敏感性研究来评估，描述如下。其中K是系统刚度矩阵，u是未知位移矢量，P是施加的载荷矢量。然后位移的偏导数可以是获得如下。在本文中，敏感度研究由MSC Nastran实现。扭转刚度和最大应力响应灵敏度的结果如图所示。 具有较大敏感度的设计变量被认为对响应更为重要，并将被选择。尽管在已发表的文献中已经推导出了耐碰撞响应的敏感性（Pedersen 2003，2004），当使用明确的有限元来解决接触问题时，获得灵敏度仍然不容易（Forsberg和Nilsson 2007）。因此，在翻车碰撞中具有大应变能的钢筋被认为是翻车安全性的重要结构。最后，设计变量的总数减少到31.相应的结构如图5所示。 12，其中包括大部分的纵向条，屋顶的纬度条，两边的窗和门柱等。4.3代孕模型实验点采用最佳拉丁超立方体设计进行采样，通过有限元分析获得真实的结构响应。逐步回归技术是基于实验数据实现的，用于创建替代模型。在本文中，RSM用于创建静态响应的代理模型，即刚度和应力响应，并且HRBF用于构建碰撞响应的代理模型，即柱和残余空间之间的入侵。之后，实施F检验，并计算出R平方，以评估模型的质量。所有替代模型的信息如表3所示。可以看出，F检验中所有替代模型的F值远大于0.05的显着水平的临界F值，这意味着所有替代型号很重要。此外，R2，调整后的R2和PRESS R2都接近1，这表明模型在实验点上足够准确，对预测也有好处。重量模型仅接近结构质量，其不包括窗玻璃，车身面板或乘客等的质量。由于设计变量是壳单元的厚度，所以权重模型是线性的，如下：其中0 = m 0，这是所有非变量的权重结构; i =i A i，其中i是材料的质量密度，A i是中表面的面积; n v是设计变量的数量。可以使用预处理软件MSC Patran轻松获得权重模型的系数。因此，DOE和逐步回归是不必要的。为了验证该模型，实验点随机生成，FE分析和线性模型分别获得的重量分别为3,054.3 kg和3,054.4 kg，说明该模型是正确的。4.4进化算法基于人口操作，多目标进化算法（MOEAs）可以在单次运行中找到多目标优化问题的均匀分布的帕累托最优解。 NSGA-II（Deb等2000）是最流行的算法之一。在NSGA-II中，快速非主导分类方法基于帕累托最优关系对群体进行排名，其中等级为1的个体是当前群体中非主导的解，然后拥挤距离分配过程计算距离为每个人的每一个人保持人口的多样性。此外，引入了结合父母和子女人口的精英策略来改善融合。然而，发现NSGA-II的融合仍有待改进（Sindhya等，2008）。因此，Su等人（2010）开发了一种进化算法AMISS-MOP（多目标优化问题的自适应多岛搜索策略），以提高NSGA-II的收敛和效率。在AMISS-MOP中，引入归档集以提高算法的效率，并开发了一种自适应多岛搜索策略，以提高搜索帕累托最优解的性能。在算法中，人口集中在M代的子空间中，其中子空间的中心位于非主导的前沿，子空间的范围取决于中心个体周围的个体的密度，M是根据中央个人的拥挤距离自适应计算。在本文中，NSGA-II和AMISS-MOP都用于解决总线主体的多目标优化问题.5结果多目标优化问题由NSGA-II和AMISS-MOP解决，其中群体大小和最大生成分别设置为100和300。通过两种算法获得的非主导方案如图1所示。这表明NSGA-II获得的非主导解决方案的扩散比AMISS-MOP更广泛，但是AMISS-MOP的收敛是下降的，比NSGA-II。在目前的研究中，选择AMISS-MOP获得的非主导优化方案进行讨论，如图1所示。 14和表4，其中0设计是原始设计。可以看出，非主导的最优解的重量在2,400kg和3,400kg之间，扭转刚度在25kNm / deg至55kNm / deg之间。表4中的第一个设计具有最大的重量和刚度减少，即分别减少440 kg（15.39）和13.85 kNm / deg（34.61）。最后一个设计（25）拥有最大的刚度和重量增量，即分别增加了12.47 kNm / deg（31.18）和463 kg（16.19）。设计师可以从组根据偏好观察到，在非主导优化集合中存在严格优于原始设计的三种解决方案（11，12和13设计），即重量较低但刚度大于原始设计。在本研究中，第11个设计被选为新的设计。第11个设计的设计变量被舍入为预定义的集合中最接近的离散值：根据最大生成，1.0,1.5,1.75,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,5.0和6.0设置为100，300。通过两种算法获得的非主导方案如图1所示。这表明NSGA-II获得的非主导溶液的扩散比AMISS-MOP更广泛，但AMISS-MOP的收敛性优于NSGA-II。在目前的研究中，选择AMISS-MOP获得的非主导优化方案进行讨论，如图1所示。14和表4，其中0设计是原始设计。可以看出，非主导的最优解的重量在2,400kg和3,400kg之间，扭转刚度在25kNm / deg至55kNm / deg之间。表4中的第一个设计具有最大的重量和刚度减小，即分别减少了440kg（15.39）和13.85kNm / deg（34.61）。最后的设计（25）拥有最大的制造要求来获得最终设计。最终设计通过有限元分析验证，结果如表5所示。表明最终设计优于原始设计，其中重量减少了76公斤（2.66），扭转刚度提高了0.42，最大应力降低了50 MPa（13.77），在翻车碰撞过程中没有入侵。最大应力位于关键点P4上，如图3所示。证明使用六个“关键点”来捕捉最大压力的策略效果很好。6结论总线主体的设计是一个多目标优化问题，包括静态和翻转故障响应。由于耗时的结构分析，耐碰撞反应的非线性高和经典方法的多个目标之间的冲突，难以解决这个问题。通过使用近似方法构建总线结构响应的代理模型并采用多目标进化算法来克服困难。总线机身的刚度和应力的代理模型采用响应面法建立，并且使用混合径向基函数构建了翻转碰撞中的入侵，其中采用PRESS误差准则的逐步回归技术来避免过度拟合。验证表明，本文创建的替代模型具有良好的准确性。采用两种进化算法，即NSGA-II和AMISS-MOP来解决多重异议优化问题。结果表明，AMISS-MOP的收敛性优于NSGA-II。选择由AMISS-MOP获得的帕累托最优解的最优解作为最终设计。结果表明，最终的设计大大提高了车身的性能。附录2：外文原文大型客车车身设计总计：毕业论文： XX 页 表 格： XX 表 插 图： XX 幅 指导教师： XX 评 阅 人： XX 完成时间： XX 摘 要大型客车由发动机、底盘、车身和电器设备等几大部分构成。研究表明，大型客车车身约占整车质量的30%40%，在空载情况下，有70%的燃油消耗在车身质量上，同时，车身是汽车各组成部分中唯一具有吸收碰撞能量能力的，在碰撞发生时通过合理变形对车内乘员进行防护。因此对于大型客车车身的设计，能够有效的提高车辆的动力性、燃油经济性和行驶稳定性。本文以KLQ6100G城市公交车为例，参照KLQ6100G城市公交车已有汽车底盘，用三维设计软件（CATIA）对该公共汽车的车身造型、内饰布置、乘客区布置等各种汽车布置进行设计与研究。在设计该车布置时，参考以往同类型设计研究方法，对该车的各部件装饰形式进行了认真分析，并严格按照公共汽车制造标准进行设计。在能够提高载客量的基础上优化外形设计，使其美观大方，并且依靠内部结构设计，提高乘客乘坐时的舒适性，增强乘客的乘坐体验。由于我国城市化进程的加速以及居住郊区化带来的交通需求，大型客车在解决城市交通需求和市场需求的角度上变得越来越重要。对大型客车车身造型及总布置的研究，有利于我国城市公交的发展。在贯彻公共交通“安全、舒适、快捷、经济、方便”的基本原则下，本论文有一定的应用和参考价值。关键词：城市客车；CATIA；车身造型；总布置IABSTRACTContent: Large passenger cars from the engine, chassis, body and electrical equipment, and other major components. The study shows that the large passenger car body occupies about 30% to 40% of the vehicle quality, in the case of no load, 70% of the fuel consumption in the body quality, while the body is the only part of the car with the ability to absorb collision energy Of the collision occurred in the car through a reasonable deformation of the occupant protection. Therefore, the design of large passenger car body, can effectively improve the vehicles power, fuel economy and driving stability.This paper to KLQ 6 1 00G city bus, for example, with reference to KLQ 6 1 00G city bus has a car chassis, with three-dimensional design software (CATIA) on the bus body shape, interior layout, passenger area layout and other automotive layout design and research. In the design of the car layout, with reference to the same type of design and research methods, the car parts of the decorative form awakened a careful analysis, and in strict accordance with the bus manufacturing standards for design. In the process of theoretical analysis and modeling, learn the latest body design information, the design of repeated changes in the capacity to improve the basis of the volume to optimize the shape design, so beautiful and generous, and rely on the internal structure of the design to improve passenger comfort , To enhance the passengers ride experience.Due to the acceleration of the urbanization process and the traffic demand caused by the suburbanization, the large passenger car is becoming more and more important in solving the urban traffic demand and market demand. The study on the shape and layout of large passenger cars is conducive to the development of urban public transport in China. Under the basic principle of safe, comfortable, fast, economical and convenient for public transportation, this paper has certain application and reference value.Keywords: city bus； CATIA,；body shape； total layout目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论1 1.1 大型客车车身设计的研究现状11.2 我国城市公交车发展方向21.3 本课题的研究内容31.4 本章小结42 车身外部造型与总布置设计52.1 空气动力学特征在整车外形中的应用52.2 汽车车身制图52.3 整车外形总布置设计72.4 车身三维造型设计102.5 本章小结173 车身内部总布置设计183.1 人机工程学在整车内部总布置中的应用183.2 确定驾驶员座椅H点位置213.3 仪表板设计243.4 确定各操纵件的位置263.5 乘客区座椅布置283.6 本章小结304 驾驶区三维造型设计314.1 仪表台造型设计314.2 驾驶员座椅造型设计334.3 操纵件造型设计344.4 驾驶区各主要部件装配384.5 本章小结385 乘客区三维造型设计395.1 地板设计395.2 乘客座椅及座椅支架造型设计415.3 乘客区座椅装配425.4 本章小结436 结论44参 考 文 献45附录1：外文翻译46附录2：外文原文52致 谢54III大型客车车身设计1 绪论由于我国城市化进程的加速以及居住郊区化带来的交通需求，大型客车在解决城市交通需求和市场需求的角度上变得越来越重要。对大型客车车身造型及总布置的研究，有利于我国城市公交的发展。 1.1 大型客车车身设计的研究现状国外汽车大公司和设计公司具备汽车创意和造型的能力，德国戴姆勒-克莱斯勒公司就开发过几十至几百种大型客车车身，积累了几十年的大型客车车身开发经验。国外的学者在汽车轻量化研究和拓扑优化研究方面，作了很多研究和试验，取得了很多重要的成果。1951年德国凯斯鲍尔公司设计出承载式的客车车身结构，这种结构的开发技术最早源于飞机机身设计，当时该公司6名员工轻而易举地把一个客车车身骨架抬起，这标志着客车车身结构的轻量化迈上新台阶。1993年，Kim.T.在1993年发表了关于客车车身结构优化研究的文章，文中首先对客车车身的有限元模型进行弯曲刚度和扭转刚度分析，然后提出了在车身质量不增加的条件下提高车身刚度的结构优化方案1。1995年,Kane等人分别用遗传算法和蚁群优化算法对金属平板进行了拓扑优化设计2；2010年，A.gauchia等人运用有限元分析、灵敏度分析和遗传算法等技术对大型客车车身进行结构优化3。同时在国内，许多学者在车身结构优化方面，基于有限元分析，多体动力学分析和疲劳寿命分析结果，综合考虑车身刚度、强度、振动、疲劳、碰撞安全性和轻量化也做了许多研究。2001年吉林大学的林松采用了梁、板壳和弹簧单元对某大型客车车身建立有限元模型，通过车身部分结构灵敏度优化后将整车质量降低了5.7%4。2003年，徐宏兵、葛如海等人运用有限元分析技术对大客车车身骨架进行轻量化设计，设计结果显示车身实现减重5.08%5。2004年，陈茹雯运用ANSYS软件对某大型客车车身进行了有限元分析并进行了拓扑优化6。2004年，陈吉清、兰凤崇等人提出了概念开发阶段的客车车身结构优化分析方法，从而有助于在设计初期预测和完善整车性能，减少设计重复和缩短开发周期，为车身结构参数的选择提供明确方向7。2010年，苏瑞意、杜良进等人对客车车身骨架进行多目标优化，优化目标包括重量、刚度强度、模态和侧翻安全性，优化结果显示整车质量下降4.26%8。 1.2 我国城市公交车发展方向最近几年，我国发生了天翻地覆的变化，尤其是城市化越来越迅速，城市人口越来越多，从而居住范围越来越广，甚至一些大城市出现了卫星城居住的现象，为此，我们要提供足够的交通支撑。依据现有的交通条件，只有大力的发展公共交通事业才是解决问题的根本之道，城市公交为城市交通运输提供了难以想象的作用。（1）大型化 传统铰接式客车的面积大，转弯半径也大，所以在行驶时不灵活，有许多大城市已经将其作为历史产物而淘汰了，将逐步转变为1112米长，能够乘坐100120 人的乘客的大型城市专用汽车，而不是大巴士。例如：双层大巴成功的将的大容量和负荷对柔性弯曲这一冲突化解，做出了具有良好的视觉效果的大巴车，方便了旅游观光乘客的游览。香港的巴士有四千两双层巴士构成了香港的交通主题，但是北京、上海、天津、重庆、深圳城市选用的都将是选择的双层巴士。相信城市公共汽车也将逐步变成这样。（2）降低底盘现如今，公共汽车低地板技术的应用越来越广泛，它大大增加了公共汽车的稳定性，从而在一定程度上也提高了它的舒适性。本实用新型技术使汽车重心有了一定降低，从而方便了那些乘坐的乘客，特别是孩子、行动不便的老龄人和身体残疾的乘客。目前，中国的低底盘公交车还不被称之为真正的低底盘公交车，因为对于前后桥问题，目前的技术尚不能解决，同时底盘悬挂技术也没有得到解决。然而在欧洲，这一技术已经在实际应用发挥了巨大的作用。目前，欧美汽车公司开发的采用了一种特殊的低地板车桥，空气悬架，降低地板高度，使得低地板公交车成为著名的城市公交车的首选。结合我国的国情进行研究分析，最终得出当低地板公交车地板高度小于600毫米时为最适宜高度。（3）高端舒适，提升档次公共汽车在配置动力装置时，要选择性能较好的发动机，发动机动力要大，扭矩选择要大，最好是配备较低油耗较低排放，较低的油耗的发动机，然后还要保证车的内饰较好，皮质齐全，比如冷风暖器、使车内可以按自身需要调节温度，从而使车内高端大气，档次得到提升，从而可以实现客车的多种用途。（4）减少对环境污染自从工业时代以来，人们的生产生活对地球环境造成了越来越大的破坏与污染。而汽车使用的柴油发动机虽然动力很大，但是他的大动力是由于它的高油耗，他的这个矛盾阻碍了高动力柴油发动机的发展，许多城市为了保证环境健康，从而抵制大功率柴油机的使用，近几年来，诞生了许多以液化天然气和压缩天然气为主要燃料的发动机，工业排放大大降低，降低了大约百分之六十，符合现有国家政策，是一个有前景的技术。因此绿色燃料汽车将逐渐占领汽车市场。（5）汽车造型越来越新潮美观希望可以得到外形颜色鲜艳，外观线条流畅，的车辆。因为这种车辆外观可以直接反映现代城市风景人文，成为一个风景优美的现代化城市的点缀，而且车辆的内外装修要求软化处理，从而使人有种豪华车的感觉，表面安装了大型双曲全景玻璃，为旅游人群提供了便利。（6） 汽车自动化程度更高随着现代智能化发展，公共汽车也要求愈来愈智能化愈来愈自动化，这样不仅可以减少人力，而且还可以提升服务质量，增强乘客体验，而且GPS定位、导航、智能语音等等技术都可以増加公共汽车的可监管性，最终提高客车质量。 1.3 本课题的研究内容客车三大总成是是指发动机、 底盘、车身，客车车身在客车制造过程中也占据及其重要的地位。本文以K L Q 6 1 00G城市公交车为例，参照K L Q 6 1 00G城市公交车已有汽车底盘，用三维设计软件（CATIA）对该公共汽车的车身造型、内饰布置、乘客区布置等各种汽车布置进行设计与研究。在设计该车布置时，参考以往同类型设计研究方法，对该车的各部件装饰形式进行了认真分析，并严格按照公共汽车制造标准进行设计。本设计以KLQ6100G客车为依据，外形尺寸为1031024402900（mm）（3100不含空调），座位数为31+1，额定载客量为76人，用于大型城市公交客车车身。一般客车使用寿命为8年到12年。(1) 底盘有关数据底盘为分段式底盘、发动机后置轴距 5100mm前悬 2260 mm 后悬 2950 mm前轮距 2020mm 后轮距 1860mm轮胎 9.00R20-14PR(2) 底盘质量参数整备质量参数 9400kg前轴 3300kg后轴 6100kg允许最大总质量 15000kg允许最大前轴荷 5000kg允许最大后轴荷 10000kg该客车在总布置时采用了分段直大梁底盘，以降低地板高度。该底盘的前端纵梁（z0）上表面离地高度为570 mm，后端离地高度870mm。在驾驶区地板骨架采用Q235 30501.75的矩形钢管作为横梁。 1.4 本章小结本章主要讲述了我国城市公交客车的发展方向和市场需求，为了满足这个需求，加快城市化建设步伐，在现有底盘的基础上，结合KLQ6100G城市公交车的车身开发，对该车型进行车身造型设计和总布置设计。2 车身外部造型与总布置设计 2.1 空气动力学特征在整车外形中的应用随着汽车车速的提高其稳定性安全性等可能会有降低，为了保持汽车高速行驶的稳定性，且满足汽车内部通风降噪舒适性等要求，我们需要研究汽车的空气动力性能。现如今，对汽车动力性能的研究已经成为关键的一步，且该性能的好坏已经成为车辆好坏的一个指标。根据空气流体学可知，随着汽车外形的变化所受到的的阻力也不同，所以我们通过研究实验希望可以得到在高速行驶下汽车受力的最优解。通过研究，当汽车采用如下外形的时候可以减少阻力；（1）棱角圆化 车身前成面与侧面需要连集成箱体装，如果使其过渡段圆滑过渡，这样可以降低CD值来减小风阻。（2）水槽形状对阻力的影响 在窗口中的挡风玻璃和挡风玻璃的交叉点上的前风窗立柱，处于前方气流流向两侧的拐角处。而圆滑过渡的立柱形状，能减少因气流分离产生的阻力。（3）表面光洁 由气体阻力的形成条件可知，当平面粗糙度大的时候，其受到的空气阻力较大；当平面粗糙度较小，即表面为光滑表面时，其摩擦力较小，所以表面越光滑其上受到的空气阻力越小，越有利于汽车的行驶。此外，汽车车身上的一些外部装置应该尽可能地嵌入车身内，而且可以采用曲面玻璃使其紧贴车身从而减小阻力。 2.2 汽车车身制图（1）首先要确定坐标系，在汽车的车身设计过程中，一般使用右手坐标系确定坐标。汽车的长度方向用X坐标轴表示，宽度方向用Y坐标轴表示，车身高度方向是用Z坐标轴表示。详情如图2-1。图2-1 车身坐标系（2）坐标零平面的确定一般情况下，框架梁的上缘沿框架的上边缘平面为高度方向坐标的零平面。以零平面为基准，零平面上面为正方向，零平面下方为负平面。此设计零平面为基准平面，基准面为地面，以上为正，以下为负。垂直于汽车理论中间线高度方向的零平面作为他的基准面，这基准面前方的为负方向，在这个基准平面的后方为正方向9。（3）图面布置当人们绘制车身的样图时候，一般会规定一个方向，即从汽车右边向左边行驶过程中的方向规定为正方向，并且按照这个方向编制车身技术相关的文件。百分之一线标记坐标数值和坐标方向包括坐标线从零平面和7号函数值的大小，本文设计中坐标线间距设计为400mm。（4）图形标注三维制图软件中标注应该严格按照绘图标准，首先，标注的零线，其坐标尺寸大部分时候是从离他最近的地方标注出来，有时候也可以根据尺寸的基准标注出来，然后记住绘制导线先后之间是有一定联系的，本文中设计图形时采用了第一种方式，也采用了第二种方式。 2.3 整车外形总布置设计2.3.1前围布置前围布置首先要考虑车身强度，然后要考虑到驾驶员行进过程中的视野是否良好，最终使风窗面尽量最大化。其中前围尺寸的设计应该参照具体标准。如图2-2所示，在前围装置上要考虑到车牌的安装，其安装也要依靠一定的国家标准。图2-2 前围布置图2.3.2左侧围布置为增大玻璃表面积来提升视野范围，侧窗立柱采用垂直形式，做到工艺简单。在对客车进行左侧的布置时还应考虑驾驶过程中左侧车窗玻璃的设计，并且左右两侧的玻璃应对称设计，以保证零件的互换性10。本论文中风窗下缘至地板表面距离为740mm。详情如图2-3。图2-3 左侧围布置图2.3.3右侧围布置如图2-4，右侧车围类似于左侧车围的设计方法，但是因为右侧是车门所在区，是以根据客车结构安全要求 GB 13094-1997去设计车门大小，包括宽度和高度。图2-4 右侧围布置图2.3.4后围布置本论文后围设计的倒梯形，优雅的后门，没有了以往客车后围僵化呆板的感觉。为了更好的通风和散热，在开放的跑道形辐射孔密集布置后，既美观又热，还能节省材料。后窗不宜太大或者太复杂，后排座椅靠背应尽量暴露尽量最小化，否则这样会影响视觉效果，而且大大增加购买玻璃的成本。如图2-5所示,对于后围造型中关于照明设施的置放，我们同样依凭国家标准去设计它们彼此之间的尺寸以及在它们的置放方式。图2-5 后围布置图2.3.5顶盖布置顶盖为车身的车顶，它的横向截面图在图纸上显示为为三段圆弧。车身安全顶窗设计应按照规范。如图2-6所示。图2-6 顶盖布置图 2.4 车身三维造型设计2.4.1 前围造型前围里布置着各种零件、灯具及商标，需要妥善处理车身表面形状、前风窗玻璃形状尺寸以及各种照明设施的关系11。（1）前围形面形成前围表面为曲形空间表面，如果从不同的部分切割空间曲面，并得到不同的切割线（截面线）。设计的前横曲线由三段圆弧组成。竖曲线由两条短弧组成。该轮廓是由水平曲线周围的纵向曲线扫描，然后与两侧和顶部导出圆角。如图2-7所示。图2-7 前围曲面形成图（2）风窗玻璃面形成风窗玻璃面是由前围形面裁剪而成，做到与前围区面联系光滑，以此来降低风阻，并且保持客车车身前方美观。如图2-8所示，在ZX面做出折线，把折线以Y轴方向投影，剪切投影曲面。图2-8 前风窗玻璃面（3）保险杠形面形成剪切前围上半部分并偏移下半形面，用连接面填充，如图2-9。保险杠形成如图2-10。图2-9 保险杠形面图图2-10前围保险杠图（4）灯具前大灯由照明灯与信号灯组合而成，如图2-11所示，先在ZY面做曲线，沿X轴投射到前围，用投影线剪切该面并填补。图2-11 灯具形面形成图2.4.2 侧围造型客车侧围包括前后侧投影、车顶侧投影，整体由侧围、轮、轮盖和侧边组成。如图2-12，本设计中侧面设计方法即为在软件中用曲线投影拉伸。图2-12 侧围面形成图如图2-13，XZ面草绘矩形，投射到面上，拉伸形面上投影线包围的形面。图2-13 侧围风窗形成图2.4.3 后围造型后围造型要求整体呼应。如今客车前后围已向前薄后肥发展，以求达到呼应统一的体量感。如图2-14，后围的绘制方法和前围相似，也是由曲线拉伸而成的。然后再到出圆角。图2-14 后围主要表面形成图如图2-15所示，后围保险杠成型同前围，是由后围主要形面偏移后中心再用面添补而成。图2-15后围保险杠图如图2-16，设计照明设施形面，ZY面做平面图，向后围面投影，剪切后围基本形面，添补。图2-16 后围灯具形面形成图2.4.4 顶盖造型如图2-17，XY面做两矩形投影，剪切形面，剩下的形面用来安放安全顶窗。图2-17 顶盖形成图2.4.5 后视镜及灯具的造型（1）后视镜后视镜中最重要的一点就是必须可以调节镜子方向。具体设计为先绘曲线，作曲线垂面，在垂面画闭合曲线，把曲线沿前一曲线扫描。如图2-18，安装镜面是用拉伸而成的。图2-18 后视镜支架图如图2-19，其后视镜支架与镜面局部结合的部分采用混和操作。图2-19 支架连接处图（2）灯具布置包括前远光灯前后雾灯等的一系列照明设施的安装，国家标准系统都有严格的规定，我们应该按照标准严格的进行设计。2.4.6 外部各形面装配选定主基准面，然后对总偏移参考基准面测量所有部件距离，选择不同的面为基准能避免在修改过程中因一个平面的变化导致另一部分是改变表面一个基准装配尺寸链误差引起的错误。如图2-20，选择前基准面装配一般基准面，左、右、顶、后壁依次装配。 图2-20 车身组装图 2.5 本章小结本章主要研究了在CATIA软件中设计客车外形图需要做的一些具体注意事项。其中客车结构主要尺寸为：乘客门与安全顶窗数量都为2；乘客门中点之间的距离为4757.5mm；安全顶窗相邻两边间距为5995mm；乘客门的高度2160mm；乘客门净宽830mm（单通道门）或1300mm（双通道门）；安全顶窗洞口净面积490680=3332000mm2，均达到客车的结构所需安全要求GB13094-1997。3 车身内部总布置设计 3.1 人机工程学在整车内部总布置中的应用总体布局规划必须要符合工效学的原理，满足大多数人的身体结构，如此才能满足消费者需求，方便操作，使使用者用着舒服安全。通过测量人体的各方面尺寸长短以及使用习惯，找到座椅形状、方向盘布置等间最科学的搭配，如此才真正符合工效学的原理，满足大多数人的生理结构12。3.1.1 汽车驾驶员眼椭圆（1）汽车驾驶员眼椭圆眼椭圆即驾驶员坐在车中驾驶座位，他眼睛在车中的图形，经过统计分布即为椭圆形状，故称为汽车驾驶员眼椭圆。（2）眼椭圆样板1）先画眼椭圆的坐标线为X-X、Y-Y、Z-Z。2）测量出H点调节量在水平方向为102mm，另外根据一些其他数据，确定左右眼椭圆中心位置。3）画长短轴。长轴在侧视图和俯视图上的倾角分别为6.4和5.4。如图3-1、图3-2。图3-1 眼椭圆侧视图图3-2眼椭圆俯视图 3.1.2 眼椭圆样板在车身侧视图上的定位（1）水平调节量得到确定以后，加上之前设计分析得出眼椭圆百分位，选择最合适的样板。（2）如图所示，现在车身H点上作出垂直线，并亮出638mm。然后在这个地方作出水平工作线，如图3-3所示。图3-3 眼椭圆侧视定位图图3-4 眼椭圆俯视定位图 3.2 确定驾驶员座椅H点位置（1）H点人体模型H点即人躯干与腿部相交的地方，H点人体模型如图3-5。图3-5 H点人体模型模型的组成部分如下：背盘、头部探杆、臀盘等。其中臀盘适应人体背部特征。为了保证驾驶椅H点的设置符合驾驶员的操纵需求，需要在确定的过程中满足工效学原理13。在背盘和臀盘相交的地方，设置有铰接副，契合人体胯点处的结构，H点位于铰接线的中心处。（2）驾驶员座椅H点的确定以身高175，体重70公斤的标准成年男子身材为例，得出H点坐标（-940，710，640）如图所示。图3-6 驾驶员座椅H点根据上文确定驾驶员视野如图3-7、图3-8所示。图3-7 驾驶员视野侧视图图3-8 驾驶员视野俯视图 3.3 仪表板设计客车仪表板可以传达汽车运行状况，关系到行车安全和工作环境。主仪表板包含水温、机油压力、制动报警、燃油表、车速表及里程表。其两侧有控制板，电源开关、灯光开关、门开（闭）开关等14。相对于主仪表板，副仪表板一般用以安装空调系统、电路板和驻车制动操纵设置等，位于靠近驾驶者窗户的下沿，驾驶位置的左边。3.3.1 设计原则（1）安全性仪表板的布置形式、结构特点、材料品质以及装备的质量影响驾驶质量。为了仪表板的安全，大体上要考虑这几个因素：1)位于驾驶员面前的仪表板和内护板，其形状要使撞击过来的力量达到最小。2)出于驾驶员驾驶车辆时腿部使用灵活，必须要在仪表板下面有充裕地方，这样在应对冲击时，才可以保护其腿部。3）受到冲击后，控制和操纵部分仍然能够使用，确保客车还是可以操作。（2）操纵性仪表板是传递指令的部件，为保证操作，具体有以下几个方面可以考虑。1）操纵装置需符合工效学原理，例如变速杆与驾驶员位置的距离。2）控制装置便于使用与维修。（3）美观性1）优化造型。2）线条吻合车身造型风格。3）着色与整车内部布置协调，材料质地档次高。3.3.2 确定仪表板位置驾驶员的伸及界面影响了仪表板的安装位置，而伸及界面为椭圆空间曲面。测量驾驶员可以对汽车的最大操作范围，观测出能够影响人的观测范围的最主要位置是图中所示驾驶室中的H点的位置，根据驾驶室的主要影响位置，我们能测量出驾驶室的次要影响位置，确定仪表台的安装位置为：副仪表板底面高度坐标为200mm，储物箱平面长度坐标为-1785毫米，并与客车的横向零平面相互对称。位置如图3-9、图3-10。图3-9 仪表板长宽定位图图3-10 仪表板高度定位图 3.4 确定各操纵件的位置3.4.1 定转向盘的位置行驶过程中，驾驶员主要是依靠手的运动以及手臂的运动来把握汽车方向盘，所以我们从这个角度出发，设计最有利于驾驶员操作的方向盘位置及尺寸，按照人体工程学设计15，参照客车驾驶区尺寸GB / T 13053 -1991，并且结合了人机学使之符合人体工程，具体布置如图3-8。3.4.2 客车踏板以及操纵杆的布置结合人体工程学确定油门位置，按照相关标准客车驾驶区尺寸GB/T 13053-1991进行设计，设计尺寸如图3-11、图3-12。图3-11 踏板纵向布置图图3-12 踏板横向布置图总的来说，各部件位置是统筹相关的，它们的尺寸关系会直接影响驾驶员的驾驶操作，因此，人机工程学在这一部分的设计中是重中之重的考虑，需要完全满足驾驶员的操纵条件。 3.5 乘客区座椅布置本设计要求座椅布置为311。座椅分布合理的话，可以扩大车内的站立区域的面积，从而增加客容量。 如图3-13所示，八张座椅分别面对面安置在车厢两侧。图3-13 前轮罩上方座椅布置如图3-14，后轮罩座椅的布置为单侧车轮罩上方22背对背安置。图3-14 后轮罩上方座椅布置图图3-14 后轮罩上方座椅布置图如图3-15，第三步是向面对上了年纪的老人、社会弱势群体、身体情况不佳、孕妇以及残疾人设置的专座，为了上下车方便这些座椅将安置在乘客后门对面。图3-15 老弱病残专座布置图 3.6 本章小结本章在确定驾驶员座椅胯点基础上定下仪表板的位置为仪表板下缘至地板表面距离500mm，并确定了方向盘和踏板位置，具体为：方向盘直径484mm;角度为70；方向盘最低点到座垫226mm；方向盘最外侧到靠背375mm；方向盘中心到座椅中心为0mm；踏板中心到两侧障碍物距离130mm。座椅布置为同方向座椅间距740mm；面对面座椅间距1360mm；座垫间距560mm；座垫至侧围距离30mm，均达到国家标准尺寸。4 驾驶区三维造型设计 4.1 仪表台造型设计主仪表板基础部分设计如图4-1。先草绘一椭圆封闭曲线并拉伸，封闭拉伸体并导圆角。图4-1 仪表板基础部分形成图仪表板形面设计如图4-2所示，利用弧长扫描，用形面成果剪切基本部分。图4-2仪表盘形面生成图 按钮平面如图4-3，斜线拉伸平面使其与形面截交，填充截交线。图4-3 仪表板按钮安装平面形成图物件箱形成如图4-4所示，将类椭圆封闭曲线拉伸并剪切掉靠近前围的部分。图4-4 物件箱形成图副仪表板形成如图4-5，作封闭曲线拉伸得到拉伸，封闭两端，在上端面剪切一孔，向内拉伸该孔边线形成柱面，。图4-5 副仪表台形成图 4.2 驾驶员座椅造型设计驾驶座是驾驶时接触时间最长的部分，一张设计不合适的驾驶员座椅会令驾驶员在操纵过程中不舒适，提高了驾驶员的工作疲劳强度，而一张良好的驾驶员座椅则不然，它能令驾驶员在操纵时精神百倍，同样在我们的驾照考试中第一环就是调整座椅，目的也是为了改善我们的操纵过程。4.2.1 驾驶员座椅的结构尺寸要求标准参考客车座椅QC/T 633-2000。4.2.2 驾驶员座椅的造型设计座椅上表面如图4-6，用曲线沿直线拉伸。而图4-7显示的内容为，将座垫两侧和前方平面相切并导圆角。图4-6 副仪表台形成图图4-7 驾驶员座椅座垫表面形成图如图4-8所示为靠背型面形成图。图4-8靠背形面形成图 4.3 操纵件造型设计各操纵件如下图。图4-9 变速器操纵杆图4-10 加速踏板图4-11 制动踏板图4-12 离合器踏板图4-13 方向盘图4-14 投币器 4.4 驾驶区各主要部件装配以座椅基准面为总基准面，依次组装油门、刹车、离合器、变速器操纵杆、方向盘、仪表台。组装后如图4-15所示。图4-15 驾驶区轴侧图 4.5 本章小结本章介绍了CATIA环境下仪表台、驾驶员座椅等形成过程，并且对装配尺寸进行了设计。驾驶员座椅的具体尺寸：座椅高436mm，宽470mm，深410mm；座垫角5，靠背与座垫夹角94；靠背高618mm，宽440mm。5 乘客区三维造型设计 5.1 地板设计地板设计的合理与否将影响到乘客是不是能在一个安静的乘车环境中乘坐，而包含在地板设计中的踏步设计也是非常重要的一环，它能决定除有生活自理能力的成年人以外的上了岁数的老年人亦或是还在蹒跚学步的幼童能否方便不费力的上下车。（1）地板高度乘坐客车的人上下车的方便程度取决于地板的设计，其中最主要的是高度设计，关于地板高度应保证乘客在车内能自由走动并且头部不会与客车内扶手与顶盖碰撞。降低地板高度或减少踏步级数可使上下方便。如图5-1所示，本设计配合低地板公交车专用，因此发动机悬置高度、变速器及后桥高度决定了地板高度。图5-1 地板高度和长度方向设计（2）通道宽度为了方便乘客在交通高峰期能够顺利在客车内部来回走动并不发生拥挤踩踏的意外事件，因此通道宽度应尽量拓宽，如图5-2。图5-2 地板宽度方向设计（3）踏步的设计不论是过高的踏板还是过低的踏板都会影响乘客的乘车体验，尤其对于老弱病残等社会弱势群体来说更是如此，因此一个合理的踏板高度是非常重要的，应在保证一定深度的同时降低高度。本设计尺寸参照（GB 13094-1997）见图5-1、图5-2。（4）作图方法确定客车地板高宽，如图5-3所示，XZ面草绘出地板平面线，沿Y轴拉伸。 图5-3 地板平面形成图 地板台阶轮罩如图5-4。图5-4 地板台阶轮罩形成图 5.2 乘客座椅及座椅支架造型设计乘客座椅的形状同样影响乘客的乘车体验，座椅形状的过程如图5-5、图5-6，用一侧视封闭曲线沿Y轴拉伸，对靠背上部挖孔作为扶手，对孔导圆角得镜像。图5-5 乘客座椅形面形成图图5-6 乘客座椅外形乘客座椅支架如图5-7。图5-7 支架设计 5.3 乘客区座椅装配参照2.4.6节提及的原理，选定主基准面，然后对总偏移参考基准面测量所有部件距离，选择不同的面为基准能避免在修改过程中因对一个平面的变化导致另一部分是改变表面一个基准装配尺寸链误差引起的错误，进行乘客座椅装配。装配后如图5-8所示。乘客站姿与坐姿如图5-9所示。图5-8 乘客座椅装配图图5-9 站姿与坐姿 5.4 本章小结本章内容主要对客车地板和座椅系统进行设计，同时完成装配，具体尺寸如下：车内高2180mm；高地板高640mm，一级踏步高370mm，一级踏步深638.4mm；通道宽550mm，通道地板坡度0；踏步高270mm；踏步深400mm。乘客座椅高430mm，深400mm，宽440mm(单人座)或890mm（双人座）；座垫角5；靠背与座垫夹角93靠背高800mm。6 结论本论文主要做的工作有：在CATIA环境下对客车外形、驾驶区、乘客区等造型；确定客车结构主要尺寸、驾驶员座椅胯点、仪表板、操纵件位置；得出驾驶区和乘客区以及地板等设计。具体如下。（1）客车结构主要尺寸为：乘客门与安全顶窗数量为均2；乘客门中点之间的距离为4757.5mm；安全顶窗相邻两边间距为5995mm；乘客门的高度2160mm；乘客门净宽830mm（单通道门）或1300mm（双通道门）；安全顶窗洞口净面积490680=3332000mm2。（2）仪表板的位置为仪表板下缘至地板表面距离500mm，方向盘和踏板位置：方向盘直径484mm;角度为70；方向盘最低点到座垫226mm；方向盘最外侧到靠背375mm；方向盘中心到座椅中心为0mm；踏板中心至两侧障碍物距离130mm；座椅布置为同方向座椅间距740mm；面对面座椅间距1360mm；座垫间距560mm；座垫至侧围距离30mm。（3）驾驶员座椅尺寸：座椅高436mm，宽470mm，深410mm；座垫角5，靠背与座垫夹角94；靠背高618mm，宽440mm。（4）地板设计：车内高2180mm；高地板高640mm，一级踏步高370mm，一级踏步深638.4mm；通道宽550mm，通道地板坡度0；踏步高270mm;踏步深400mm。乘客座椅尺寸：高430mm，深400mm，宽440mm(单人座)或890mm（双人座）；座垫角5；靠背与座垫夹角93靠背高800mm。 本设计设计的大型客车尺寸均达到国家标准尺寸，并通过对其车身造型以及内外部总布置的造型优化和深入了解，设计出了更经济安全舒适的大型客车。参 考 文 献1Kane,Couro,Jouve,Francois,Schoenauer,Marc.Structral topology optimization in linear and nonlinear elasticity using genetic algorithms.American Society of Mechanical Engineers,Design Engineering Division(Publication)DE.2010(9):385392.2Lan,F.,Chen,J.,Lin,J.Comparative analysis for bus side structares and lightweight optimization.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Journal of Aut omobile Engineering,2012,10.3A.Gauchia,V.Diaz,M.J.L.Boada,et al.Torsional stiffness and weight optimization of a real bus structureJ.International Journal of Automotive Technology.2010,11(1):41 -47.4林松.客车车身改型设计有限元方法的研究及应用D.长春:吉林大学,2012.5徐宏兵，葛如海，王怀.大客车车身骨架轻量化改进设计J.江苏大学学报，2013,24（6）：25-286陈茹雯.某客车车身有限元分析及拓扑优化.南京理工大学硕士学位论文.2014,7.7杨志军，吴晓明，陈塑寰，孟树兴.多工况约束下客车顶棚拓扑优化.吉林大学学报.2016,3.8苏瑞意，杜良进，吴章斌，等.大客车车身骨架多学科协同优化设计J.机械工程学报.2010,46 （18）：128-133.9宋群.基于全承载技术的纯电动客车设计与研究D.长春：吉林大学.2010.10陈文第.客车制造工艺技术M.北京:人民交通出版社,2012.10.11中国标准出版社.汽车国家标准汇编(客车卷)S.北京:标准出版社,2013.12汽车工程手册编辑委员会.汽车工程手册(设计篇)M.北京:人民交通出版社,2011:721-742.13尤春风. CATIA V5机械设计M.北京:清华大学出版社 2012.14王望予.汽车设计(第3版)M.北京:机械工业出版社.2010:157-178.15龚微寒主编.汽车现代设计制造M.北京:人民交通出版社,2015. - 45 -附录1：外文翻译公交车车身多目标优化和基于替代模型的翻转安全约束Yong Huh,Hyung-lck Kim,In-Hwan Shin,Jae-Mean Koo and Chang-Sung Seok韩国水原市长安洞成均馆大学机械工程学院摘要:在设计总线主体时，要考虑轻量，刚度，强度和翻车安全性能。在本文中，有限元（FE）首先建立包括总线车身的强度，刚度和翻车碰撞性的分析模型，然后通过物理测试进行验证。基于FE模型，设计实验，并根据实验数据创建响应面法和混合径向基函数的多个代理模型。之后，公共汽车车身的多目标优化问题（MOP）被制定为目标是使重量最小化并使扭矩刚度最大化。巴士车身受到强度和翻车安全的限制。通过采用多目标进化算法来获得Pareto最优集，求解MOP。最后，选择该集合的最优解作为最终设计，并与原始设计进行比较。关键词：公交车车身，有限元分析，代理模型，多目标优化1介绍轻型设计近年来引起了汽车制造商的极大关注。有两种减轻车辆重量的方法，第一种方法是使用较轻的材料替代钢，如铝合金（Saito et al。2000），第二种方法是使用最佳设计方法。由于难以获得刚度，应力和振动响应的灵敏度，许多研究者已经研究了考虑刚度，应力和NVH（噪声，振动和粗糙度）性能的车辆的最佳设计（Aguiar等2002; Lanet等人2004; Laxman等人，2009）。兰等人（2004）分析了中型客车车身的结构强度，刚度和低阶振动，并根据敏感性研究实施了结构优化，以减轻重量。 Laxman等人（2009）开发了一种两阶段轻量化设计方法，其中第一阶段是使用尺寸优化技术将刚体和模态频率约束最小化白车身（BIW）的重量，第二阶段是改善屋顶由于工程经验，通过改变几个部件的材料来破坏性能。滚动碰撞分析非常重要，因为公共汽车和客车翻转是最危险的事故类型之一。 因此近年来受到很多关注。 马丁内斯等人 （2003）根据考虑到乘员的统计数据和有限元（FE）分析，分析了翻车事故中的伤害类型。 Park和Yoo（2008）利用简单的波束元素建模了一个总线车身的翻转有限元模型，以减少模拟时间。 Guler等人 （2007）研究了座椅结构以及乘客和行李重量对翻车安全性的影响。然而，由于非线性高，碰撞响应的敏感性不容易被发现（Forsberg和Nilsson 2007）。此外，碰撞分析是耗时的。因此，难以解决包括碰撞响应在内的优化问题。一种有效的方法是使用替代模型来代替碰撞响应（Redhe et al.2002; Craig et al.2005; Forsberg and Nilsson 2005）。代数模型由一系列基函数组成，可用于构建实际结构响应的全局或中等近似。常用于已发表文献的多种替代模型，例如响应面法（RSM）（Roux et al。1998），Kriging模型（Forsberg和Nilsson 2005）和径向基函数（RBF）神经网络模型（Park和Sandberg 1993）等。基于替代模型，车辆的多学科设计优化（MDO）包括耐撞性响应已被广泛研究。Sobieski等（2001）和Craig等人（2002）构建了NVH的响应面模型和设计抗碰撞响应最优车辆重量较轻。车辆设计优化问题通常有多个目标。多目标问题的最优结果不是一个单一的解决方案，而是一组权衡解决方案，也称为帕累托最优解，帕累托集合或帕累托前沿。传统上，多目标问题被解决为使用聚合方法的单个成本函数问题，例如加权和方法，其通过将每个目标预先乘以用户定义的权重因子来将一组目标定标为单个目标。但经典方法在运行中无法获得多于一个的帕累托最优解。此外，难以获得均匀的帕累托最优解的集合，例如，加权和方法中的权重向量的均匀选择不一定在帕累托最优前沿找到均匀的解，并且也找不到定位的解在帕累托最优阵线的非凸部分（Deb 2005）。与古典方法不同，进化算法（EAs）可以直接用其基于人口的操作来解决多目标问题，并在运行中获得全局最优解。近年来已经开发了各种各样的EA。其中大部分是基于遗传算法，例如NSGA-II（Debet al。2000），SPEA2（Zitzler et al.2001），PESA等。然而，还针对多目标优化开发了其他相对较新的基于群体的演化算法，例如粒子群优化（Coello et al。2004; Hart和Vlahopoulos 2010）和免疫算法（Tan et al。2008; Gong et al。2008）等.基于代理模型，可以通过EA有效地解决包含碰撞响应的车辆的多目标优化问题。 廖等 （2008）考虑了BIW（Body In White）作为目标的重量，加速特性和趾板入侵，全部由响应面法制定，并采用NSGA-II算法搜索帕累托最优解。王等。 （2010）构建了使用粒子群优化的车辆多目标优化的碰撞响应（即敏感时区和吸收能量的加速度）的基于时间的元模型。在目前的研究中，基于代理模型进行了集成总线主体的多目标优化。重量应尽量减少，并且在静强度和翻车安全性的限制下扭转刚度将最大化。首先，公交车身体的有限元模型由壳单元构成，并通过物理测试验证。然后，选择壳单元的厚度作为设计变量。根据制造的对称性和均匀性要求，将变量分组，然后根据敏感性研究进行筛选，以选择最重要的变量。之后，使用实验设计（DOE），即最佳拉丁超立方体设计（Park 1994）来探索设计空间。接下来，通过基于实验数据的逐步回归技术创建替代模型，其中使用响应面法和混合径向基函数。最后，通过使用NSGA-II和AMISS-MOP算法解决了多目标优化问题，并获得了Pareto最优解。选择帕累托集合的最优解作为最终设计，并与原始设计进行比较，以证明本文中使用的方法的优点。2 FE模型和验证2.1有限元模型构建了总线框架的两个FE模型。第一个模型是静态分析，包括扭转刚度分析和应力分析，如图1所示。第二种模型用于翻转分析，其中考虑了前后挡风玻璃和屋顶板的影响，如图1所示。所使用的求解器分别是MSC Nastran和LS-DYNA。本文使用的材料为合金钢，弹性模量为210GPa，质量密度为7.8610 3 kg / m 3，泊松比为0.3，屈服应力为510 MPa。材料的塑性应变应力如表1所示。在扭转刚度分析中，前右空气弹簧支撑件被迫上升5毫米，而后左轴空气弹簧支撑件在后轴固定的同时被迫下降5毫米。然后，通过有限元分析获得空气弹簧支撑件的反作用力，扭转刚度如下计算其中f是反作用力，L是左右空气弹簧支撑件的中心之间的距离，d是强制位移，即d = 5mm。在应力分析中，考虑到最佳情况，其中考虑满负荷，仅支撑三个轮胎，即前右轮胎是悬挂的，挂起。为确保没有塑性变形，最大应力应小于屈服应力。在翻车防碰撞分析中，实施左侧翻车，以获得总线主体对剩余空间的结构入侵。根据欧洲经委会第66号（联合国欧洲经济委员会1996年），巴士机构的任何一种结构均不得侵入剩余空间。2.2验证为了确认有限元模型的准确性，公交车车身的静态弯曲实验和公交车段的翻车碰撞试验进行了实验。应该注意的是，测试用例与上一节提到的优化情况不同。图3显示了静态弯曲实验的场景，前后轴支撑，乘客和行李地板均匀分别装载了1320公斤和840公斤。在这种情况下，对母线上四个位置的von Mises应力进行了测试，然后与FE模型给出的结果进行了比较。比较如图1所示。 4，这表明模拟与实验结果之间的差异很小。最大差异发生在第二个测试点，差异为10.67。因此，本文建立的静态FE模型被认为是足够的。总线部分的翻车碰撞试验是以欧洲经委会第66号作为指导。两个加速度传感器位于前柱和后柱抵靠碰撞侧。通过测试和仿真获得的加速度在图1中进行了比较。这表明两条曲线的趋势相同，峰值加速度值接近。图6显示了母线段最终变形的比较。这表明变形是相似的。为了量化比较变形，柱子的变形角度（见图7，也表明具有高应变能的区域）进行了测量和比较。 表2显示了两个传感器的峰值加速度值和平均变形角度。 这表明，翻转模拟和测试之间的最大差异为16.4，因此本文建立的翻转有限元模型被认为适合于优化设计。3近似方法输入数据与工程设计问题的输出响应之间的真实数学关系通常太复杂，无法获得。因此，响应通常通过物理测试或FE分析获得。然而，这两种方法都是耗时的，因此它们不适用于迭代优化。因此，基于近似方法的替代模型被用于物理模型或高保真FE模型的存储以提高效率。为了创建代理模型，需要一个数据集包括足够的输入数据和输出响应。通常，输入数据由DOE生成，输出响应通过物理测试或FE分析获得。图8显示了创建sur-一个输出和两个输入之间的门控模型，其中y是实际响应的估计。在本文中，选择最佳拉丁超立方体设计（Park 1994）作为DOE方法。可以看出，RSM适用于创建静态响应的替代模型（例如位移，应力等）（Roux等人1998）。因此，RSM用于构建本研究中刚度和应力反应的替代模型。但是对于高度非线性响应，RSM可能不会产生适当的预测，而RBF可以提供很好的准确性（Fang et al。2005）。然而，当问题出现嘈杂时，RSM比RBF更好，因为它导致平滑元模型的趋势（Jin et al。2001）。由于翻转碰撞分析中的数值噪声和高非线性性，本文采用混合径向基函数（HRBF）与RSM和RBF结合，创建了车架与后期空间碰撞之间的入侵。下面介绍RSM，RBF和HRBF的基本概念，以及替代模型的适应性指标。假设估计响应y和实际响应y之间的误差为e，则估计响应y表达式如下：其中i（x）是基函数，bi是系数，p是项数RSM中的基函数通常选自二次多项式。二阶聚合物的全部术语，名义是：关于获得RSM系数的细节可以在Kutner等人看到。 （2004）。RBF的基函数被称为核函数，其形式如下。需要提及的是，HRBF被称为Krishnamurthy（2003）和Fang等人的增强径向基函数（ARBF）。 （2005年）。在他们的作品中，引入了正交条件，并使用p + 1个采样点来获得（5）的系数。与ARBF不同，本文采用PRESS误差准则的逐步回归技术克服过拟合，如下所述。需要提及的是，HRBF被称为Krishnamurthy（2003）和Fang等人的增强径向基函数（ARBF）。（2005）。 在他们的作品中，引入了正交条件，并使用p + 1个采样点来获得（5）的系数。 与ARBF不同，本文采用PRESS误差准则的逐步回归技术克服过拟合，如下所述。替代模型中最重要的问题之一是过度拟合，即实验点的误差被驱动到非常小的值，但是当向模型引入新的设计点时，误差很大。 如果在RSM中使用完整的二次项，或者选择所有实验点作为RBF中的中心，则通常会发生过拟合。为了克服过度拟合，创建替代模型时通常使用回归分析。本文采用逐步回归技术（Wang and Jain 2003）。此外，过度拟合也与错误标准有关。在本文中，引入了预测的误差平方和（PRESS）（Kutner等人2004）标准代替构造代理模型的误差（SSE）标准的平方和。使用PRESS标准，替代模型仅适用于从n个实验数据的n-1个点，并且对于剩余的一个，从该模型获得预测。 PRESS标准产生了替代模型预测的良好指示，因为当模型不包括在回归中时，模型给出每个点上的小残差。替代模型的拟合优度统计包括F检验和R平方（Kutner等，2004）。给定显着性水平，如果替代模型的F值大于F分布的临界值，即如果F F a，则认为替代模型是显着的。 R平方度衡量替代模型的适应度是多少。在本文中，使用三个指标，即R平方R2，调整的R平方R2a和PRESS R平方R2 p。R2和R2a都在0和1之间，其值越接近于1，表示替代模型具有更好的拟合度。然而，考虑到自由度，R2 a是替代模型的拟合质量比R2更好的指标。R2P取0到1之间的任何值，值越接近1表示替代模型的预测能力越好。如果三个指标都接近1，则替代模型的拟合和预测质量是好的。 4优化4.1配方总线主体的多目标优化问题的形成如下：其中m是总线框架的重量; k t是扭转刚度; i是第i个关键点的von Mises应力;并且d j是第j个窗柱与剩余空间之间的入侵; xl和xu分别是设计矢量的上限和下限。观察到总体最大应力的替代模型的精度差，因为最大应力的位置在设计变量发生变化时会发生变化增加响应的非线性。因此，原始设计中应力值最高的几个关键点用于捕获最大应力。在本研究中选择了原始设计中具有高应力值的六个关键点，如图1所示。 9，用P1P6注释，相应的代理模型为16。根据ECE规则第66条，身体结构与剩余空间之间不应有入侵。翻车碰撞性分析的结果表明，碰撞侧的窗柱具有侵入残余空间的最大可能性。每边有七个窗柱，如图所示。 9，从前到后编号从1到7，每个柱和剩余空间之间的入侵分别表示为d 1，d 2，.，d 7。解决（ 6）是：1.考虑到制造约束，如何从总线框架中的数百个栏中选择最重要的变量，以减少问题的维度。2.如何获得结构响应比FE分析更有效，克服了翻车碰撞性非线性的难度。3.如何在运