輕量化的客車結(jié)構(gòu)側(cè)翻安全的仿真應(yīng)用

 1、引言

 近年來，客車安全事故的頻發(fā)，使得客車安全性認(rèn)識提到了一個新的高度。側(cè)翻是客車交通事故最為主要的一種形式，由于客車承載特點(diǎn)，一旦發(fā)生翻車事故，容易造成較大的傷亡事故和財(cái)產(chǎn)損失。傳統(tǒng)客車設(shè)計(jì)，為了提高客車側(cè)翻安全性，一般通過增加壁厚及截面積等方式，這種方式在增加安全性的同時，增加整車重量。據(jù)統(tǒng)計(jì)：汽車自重每減少10%，油耗可減少6%-8%，排放可降4%。CAE技術(shù)的發(fā)展，可以很好的解決輕量化與安全性矛盾問題，在實(shí)現(xiàn)輕量化同時，保證結(jié)構(gòu)的側(cè)翻安全性。以某款半承載式客車為研究對象，運(yùn)用RADIOSS強(qiáng)大的隱式與顯示求解器，實(shí)現(xiàn)整車輕量化的同時滿足客車側(cè)翻安全性要求。

 2、尺寸優(yōu)化的理論基礎(chǔ)

 優(yōu)化理論與算法的不斷發(fā)展，使得工程領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化占據(jù)越來越重要的地位。結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的是在于以最少材料、最低的成本及最簡單工藝實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品最佳的性能為目標(biāo)，包括強(qiáng)度、剛度、輕量化等。目前在客車輕量化方面應(yīng)用比較多的有：形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化、尺寸優(yōu)化等優(yōu)化方法。形狀、拓?fù)浼靶蚊矁?yōu)化在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段應(yīng)用比較多，尺寸優(yōu)化方法在產(chǎn)品后期精細(xì)化設(shè)計(jì)應(yīng)用較多，尺寸優(yōu)化是在給定結(jié)構(gòu)的類型、材料、拓?fù)洳季趾蛶缀瓮庑蔚那闆r下，以截面面積、慣性積、板的厚度等作為設(shè)計(jì)變量，尋求最優(yōu)的材料利用率。本文基于RADIOSS利用尺寸優(yōu)化方法，對大客車車身骨架進(jìn)行尺寸優(yōu)化，選取桿件截面厚度作為設(shè)計(jì)變量，設(shè)需要改變的車身骨架桿件總

3、客車骨架尺寸優(yōu)化分析

 （1）客車骨架有限元建模

 在保證計(jì)算的精度及計(jì)算效率前提下，盡可能如實(shí)地反映汽車車身結(jié)構(gòu)主要力學(xué)特性的前提下，對模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?。在HyperMesh中以殼單元為主，推力桿支座等部件采用實(shí)體單元，建立了客車車身骨架有限元幾何模型，配重采用質(zhì)量點(diǎn)單元施加到相應(yīng)區(qū)域，保證整車重量及質(zhì)心位置與實(shí)車吻合。

圖1客車有限元網(wǎng)格模型

 有限元模型共計(jì)589319個單元，其中四邊形單元578461個，三角形單元10558個，593496個節(jié)點(diǎn)。客車有限元網(wǎng)格模型如圖1所示。

 （2）焊接模擬及材料參數(shù)

 在對客車進(jìn)行仿真分析時對整車骨架焊接過程中的出現(xiàn)的變形、殘余應(yīng)力及連接失效等不做考慮，認(rèn)為各部件之間是剛性連接。前圍、后圍、車架、頂蓋、左右側(cè)圍各個總成通過共節(jié)點(diǎn)方式連接，各大片之間通過剛性連接，螺栓通過beam單元模擬。

 客車骨架中車架采用B510材料，車身骨架閉環(huán)結(jié)構(gòu)采用Q345，其它部分采用20#鋼，其材料參數(shù)如表1所示：

表1材料參數(shù)表

 （3）優(yōu)化模型的建立

 考慮到模型規(guī)模和計(jì)算效率及生產(chǎn)工藝模塊化需要，不可能將每個單獨(dú)構(gòu)件作為一個設(shè)計(jì)變量，這里根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性及客車生產(chǎn)特點(diǎn)選取車架上縱梁、車架前后大梁、行李倉橫梁、行李倉斜撐、行李倉立柱、地板斜撐、地板橫梁、頂蓋邊縱梁、頂蓋縱梁、弧桿、側(cè)位腰梁及立柱作為設(shè)計(jì)變量，

表2各截面尺寸參數(shù)(mm)

 （4）工況的確定

 根據(jù)客車行駛的路況特點(diǎn)，選取彎曲工況、扭轉(zhuǎn)工況、制動工況及轉(zhuǎn)彎四種工況。彎曲工況主要模擬客車整車行駛狀況；扭轉(zhuǎn)工況主要模擬客車通過凸凹不平路面情況；制動工況主要模擬客車制動時受力情況；轉(zhuǎn)彎工況主要模擬客車轉(zhuǎn)彎時受力情況。這里考慮動載荷的影響，彎曲工況動載荷系數(shù)為2.5，扭轉(zhuǎn)工況動載荷系數(shù)為1.5。綜合考慮計(jì)算規(guī)模和迭代效率，選取彎曲工況與扭轉(zhuǎn)工況兩種典型工況作為優(yōu)化工況，其它兩種工況通過驗(yàn)證計(jì)算要求最大應(yīng)力不得明顯超過原結(jié)構(gòu)。圖2是優(yōu)化目標(biāo)迭代過程，優(yōu)化后的厚度需要根據(jù)結(jié)構(gòu)承載及公司材料規(guī)格的要求進(jìn)行圓整，圓整的原則是主要承載結(jié)構(gòu)向上圓整，一般加強(qiáng)結(jié)構(gòu)向下圓整，優(yōu)化及圓整后變量厚度如表2所示。

圖2優(yōu)化目標(biāo)迭代示意圖

表3各工況優(yōu)化改進(jìn)前后最大應(yīng)力(MPa)

 通過對原結(jié)構(gòu)及優(yōu)化后圓整結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，各工況下最大應(yīng)力值及最大應(yīng)力位置如表3所示?？傮w看整車應(yīng)力水平不高，只是局部區(qū)域應(yīng)力較大，圓整后扭轉(zhuǎn)工況最大應(yīng)力值有所增加，但最大應(yīng)力位置沒有變，最大應(yīng)力值仍小于材B510材料的屈服極限，仍是安全的。考慮側(cè)翻安全性需要優(yōu)化主要選取車架、底架及頂蓋部件進(jìn)行優(yōu)化，為了滿足側(cè)翻安全性需要對立柱、側(cè)圍與頂蓋連接區(qū)域增加小斜撐。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)減重約8.9%，經(jīng)過圓整和局部加強(qiáng)后改進(jìn)結(jié)構(gòu)在應(yīng)力水平及最大應(yīng)力沒有明顯增加前提下整車骨架減重約213kg，占整車骨架重的7.5%。

 4、輕量化后客車側(cè)翻安全性分析

 在輕量化基礎(chǔ)上依據(jù)GB13094-2007《客車結(jié)構(gòu)全要求》及ECER66-02對客車進(jìn)行側(cè)翻安全性仿真分析，原結(jié)構(gòu)與優(yōu)化改進(jìn)后結(jié)構(gòu)側(cè)翻時間歷程如圖3所示，原結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)圍立柱侵入生存空間情況，侵入量約為31.8mm，優(yōu)化改進(jìn)結(jié)構(gòu)最小生存空間間隙約為18mm，生存空間外的車身任何部分位置都未侵入生存空間；生存空間內(nèi)的任何部分都未突出至變形車身結(jié)構(gòu)外，滿足法規(guī)關(guān)于客車側(cè)翻生存空間要求。

圖3優(yōu)化前后生存空間變化圖

 5、結(jié)論

 在RADIOSS中利用尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對某客車典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，同時考慮側(cè)翻結(jié)構(gòu)耐撞性要求對局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了客車結(jié)構(gòu)輕量化與側(cè)翻安全性要求。

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