低地板电动城市客车车身拓扑优化与结构分析

第４期　客车技术与研究　ＢＵＳ＆ＣｏＡＣＨ　ＴＥＣＨＮ０ＬｏＧＹ　ＡＮＤ　ＲＥＳＥＡＲＣＨ　

低地板电动城市客车车身拓扑优化与结构分析　张华，文光辉　（重庆大学航空航天学院，重庆４０００３０）　摘　要：基于某新型低地板纯电动城市客车的概念设计初始要求，建立该客车车身的有限元模型，采用变　密度法，利用拓扑优化技术对多工况下的客车车身结构进行优化，并对优化的结构进行分析验证。结果表　明，结构的刚度和强度均满足设计要求。　关键词：概念设计；有限元；车身结构；拓扑优化；纯电动城市客车　中图分类号：Ｕ４６９．７２；Ｕ４６３．８２　２　文献标志码：Ａ　文章编号：１００６—３３３１（２０１５）０４—０００５—０３　Ｔｏｐｏｌｏｇｙ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　Ｌｏｗ　Ｆｌｏｏｒ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｂｕｓ　Ｂｏｄｙ　Ｚｈａｎｇ　Ｈｕａ，Ｗｅｎ　Ｇｕａｎｇｈｕｉ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００３０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｉｎｉｔｉａｌ　ｃｏｎｃｅｐｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ａ　ｎｅｗ　ｌｏｗ　ｆｌｏｏｒ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｉｔｙ　ｂｕｓ，ｔｈｅ　ａｕｔｈｏｒｓ　ｅｓ—　ｔａｂｌｉｓｈ　ａ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｕｓ　ｂｏｄｙ，ａｄｏｐｔ　ｔｈｅ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｍｅｔｈｏｄ，ｕｓｅ　ｔｈｅ　ｔｏｐｏｌｏｇｙ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈ—　ｎｉｑｕｅｓ　ｔｏ　ｏｐｔｉｍｉｚｅ　ｂｏｄｙ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｕｎｄｅｒ　ｍｕｈｉ－ｌｏａｄ　ｃａｓｅｓ，ａｎｄ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｕｓ　ｂｏｄｙ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｌｌ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｃｅｐｔ　ｄｅｓｉｇｎ；ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ；ｂｕｓ　ｂｏｄｙ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｔｏｐｏｌｏｇｙ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ｐｕｒｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｂｕｓ　

低地板客车的车身结构设计相对传统客车车身结　构更复杂。比如对处于概念设计阶段的新型纯电动城市　客车，电机取代发动机导致动力系统的改变使得底盘结　构发生了较大的变化；另一方面全承载客车车身结构复　杂，仅靠经验很难得到好的车架结构。　

１拓扑优化问题描述　拓扑优化理论应该在车身结构设计的初始阶段引　入，而不是仅凭经验来设计或改造结构［１ｌ。拓扑优化的　目的是要找出在极限工况下客车结构最好的传力路径，　与尺寸优化和形状优化相比，结构拓扑优化获取的效益　更大，对工程设计人员更具吸引力，具有更广阔的工程　应用前景［２－３】。目前，对客车车身结构拓扑优化大多是在　已有车型基础上开展　。对于没有参考车型的新型客　车而言，其车身拓扑优化前存在两个质量分布问题：对　于没有确定结构的底盘，底盘各部件的安装点是不确定　的；城市客车满载时，人的质量在底盘趋于均匀分布。因　此，相应的质量载荷会使得拓扑优化结果模糊。　本文基于某新型低地板纯电动城市客车车身结构　概念设计进行拓扑优化，考虑实际工程结构多半在多种　

工况下工作，应力约束是最基本的约束条件【９】。因此，优　化约束条件为应力约束，采用变密度法在四种标准工况　下对该新型低地板纯电动客车车身结构进行拓扑优化　研究。　本文采用密度法进行材料插值，即ＳＩＭＰ方法。该方　法引入一种假想的相对密度在０～１之间可变的材料，　假设设计材料的宏观弹性常量与其密度成非线性关系，　用公式表述为　（ｐ）＝ｐＰｋ　（其中ｋ　为带有材料插值的单　元刚度矩阵，ｋ　为单元刚度矩阵；Ｐ为密度；Ｐ为惩罚因　子）。在一定的材料用量的条件下，寻找具有某种度量的　最大刚度（结构的最小柔顺性）的结构材料最佳分布形　式。以结构的柔顺度作为目标函数、体积为约束，数学模　型如下所述：　Ⅳ　Ｍｉｎ：Ｃ（　）：ＵｒＫＵ＝　（　）ｐ“。Ｔ　

。　ｌ　

ｓ　ｔ　ｖ（ｘ）／ｖｏ　

Ｋ　Ｆ　

其中：　为设计变量（这里为相对密度）；　为单元设计　变量（ｅ＝１、２、３……ｎ为设计变量的数目）；ｃ（ｘ）为结构　

作者简介：张华（１９６２一），男，副教授；博士；主要研究方向：结构分析及优化、固体力学、ＣＡＥ分析。　客车技术与研究　的柔顺度；Ｆ为载荷矩阵；Ｕ为位移矩阵；Ｋ为整体刚度　矩阵；　和ｋ　分别为单元位移矩阵和单元刚度矩阵；Ｖ　（　）为在设计变量状态下的结构有效体积；Ｖ。为在设计　变量取１状态下的结构有效体积；ｆ为材料用量的百分　比（体积系数）；　—　为单元设计变量上下限；Ｐ为惩　罚因子（一般取Ｐ＝３）。　在ＨｙｐｅｒＷｏｒｋｓ　ＯｐｔｉＳｔｒｕｃｔ软件中，可以通过自定义　函数的方法来实现上面的折衷规划公式，然后将定义好　的函数设为响应，最后将该响应作为目标函数进行优化。　２客车车身结构拓扑优化　２．１　客车拓扑优化模型　某新型低地板纯电动城市客车概念设计初始要求　建立结构拓扑优化模型，车总体外形尺寸为１２　１ＴＩ×２－３　ｍ×２．５　ＩＴＩ（长×宽×高），轴距为５．４　ｍ，前悬和后悬分别　为２．１　ＩＴＩ和２．２１ＴＩ，车身是全承载结构，顶置电动空调。　概念设计阶段的拓扑优化的区域为该客车结构所有区　域，建立的基于造型的车身拓扑优化模型如图１所示。　单元类型全部使用壳单元。该有限元模型单元总数为　３７　３０７，节点总数为３８　２８１。　图１拓扑优化模型　２．２质量载荷处理　电动客车车身的载荷主要来自电池、驱动电机、门　窗、空调、座椅及乘客等质量，通常是根据客车车身结构　在各种工况下实际的载荷、根据静力等效原则，将载荷　施加到对应的有限元网格节点上。由于该研究基于客车　概念设计，没有参考车型结构，底盘上各部件安装点无　法确定。因此，在质量分配时做如下处理：　１）将能确定安装点的部件将其安装点处的节点在　Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ里用ｒｂ３单元连接，将相应部件的质量赋在　ｒｂ３单元的主节点上。这些部件有门窗以及顶棚天窗。　２）不能确定安装点的部件主要在底盘上，在底盘　上利用ｒｂ３单元将主梁位置处节点连接起来，将底盘质　量按比例赋在ｒｂ３单元主节点上。另外，顶棚空调的质　量做同样处理。　３）底盘各总成、乘客及座椅的质量。站立的乘客按　８人／ｍ　计算，乘客载荷为６５　ｋｇ／人，座椅质量３５　ｋｇ／　个，底盘各总成质量如电机、电池、减速器等的质量参照　所选类型确定。底盘所承载的质量载荷总共约８　ｔ，参照　方法２）将主梁节点用ｒｂ３单元连接起来，将质量按比　例赋在底盘主梁上。　２．３约束条件处理　车身骨架连接处的应力，对客车车身整体的应力分　布影响甚微＿１０１。为简化处理，直接约束悬架与车身连接　点处的节点，对于连接点处产生的应力集中现象，在拓　扑优化时将连接点附近的单元作为非设计区域，从而排　除连接处应力集中对优化的影响。本文对客车四种典型　工况下的拓扑优化进行研究，各工况约束处理如下：　１）弯曲、转弯和制动工况采用相同的约束处理：对　悬挂与车身连接部位，约束垂直方向安装点ｚ轴平移自　由度、　轴和Ｙ轴转动自由度，其他自由度释放；约束纵　向方向安装点　轴平移自由度、Ｙ轴和ｚ轴转自由度，其　他自由度释放；约束横向方向安装点Ｙ轴平移自由度、　轴和　轴转动自由度，其他自由度释放。其中　、Ｙ、　轴分　别对应客车的纵向、横向和垂向。　２）扭转工况约束处理：分别对前左车轮、前右车轮、　后左车轮和后右车轮悬空，在满载情况下来模拟极限弯　扭工况，悬架与车身安装点约束处理与其他工况相同。　２．４全局应力约束参考值确定　对客车结构进行优化设计，首先须完成对原车模型　的性能评估，才能在此基础上实施拓扑优化设计。单工况　的拓扑优化研究结果一般只适用于所研究的典型Ｔ况，　对于其他工况而言未必是最优的设计，所以研究在多种　工况下的综合拓扑优化设计更具有实际意义［８１。首先分析　客车多工况静力分析，得到客车各工况最大应力。　客车车身结构主要承受弯曲、扭转、转弯及制动四　种典型工况，相应的加载方式以及各工况下客车最大应　力见表１。其中“ｇ”表示重力加速度；“一”表示该方向没　有载荷。　表１　载荷工况及最大应力　工况　弯曲　扭转　转弯　制动　方向　一ｌ　一１　一ｌ　—ｌ　载荷／ｇ　Ｙ方向　０．７　方向　０．４　最大应力／ＭＰａ　１７２－２　２３７．８　１７８．３　１７３－２　＿　第４期　霍新强，沈海燕：某混合动力客车动力总成悬置系统的设计计算　接照计算的安装角度和位置参数，采用该悬置软　垫。经装车测试，与同类型车比较，减振效果明显，大大　地提高了车辆的舒适性。　

３结束语　本文先采用试验测试的方法确定了动力总成的质　量、质心和转动惯量等参数，然后采用经验计算公式计　算了动力总成悬置系统的相关参数，并以此为依据与悬　置软垫生产厂家协调，对计算进行修正、优化。对设计方　案作了反复的调整和验算，最后确定了悬置的方案。该　方法简单实用，比较适合我国大客车悬置系统开发的现　状，可以快速地匹配选用或开发悬置系统；有条件进行　ＣＡＥ仿真分析的，该方法也可以作为ＣＡＥ仿真前选择　悬置方案的手段。　

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