客车车身骨架的轻量化设计与分析.pdf

第 61 卷 第 9 期Vol.61 No.92023 年 9 月September 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING0 引言基于交通状况与提高车辆效率的要求，轻量化设计必然是未来客车行业发展的重点之一1。对作为客车重要的承载结构的客车车身骨架进行结构优化，实现客车车身的轻量化，是提升客车整车性能和经济性的重要手段2。轻量化设计主要有3种方式，使用轻量化材料、先进工艺和基于有限元的结构优化。其中基于有限元的结构优化是客车生产制造的主要手段3。车身质量占客车总质量的比重较大，通过有限元技术建立车身骨架模型并对其进行优化处理，以降低成本，减少污染，提升能源利用效率4-5。Kongwat 等6以弯曲刚度、扭转刚度和侧翻安全为约束，基于结构质量和柔度的迭代拓扑优化求解母线配置，将每个载荷工况的最大位移约束作为目标函数，对框架结构进行轻量化；吴胜军等7通过 HyperStudy 联合 OptiStruct 的响应面，在满足车身骨架静强度载荷的要求下，计算各杆件厚度的最小值达到轻量化的目的；Yao 等8通过 HyperMesh 软件建立客车车身骨架的有限元模型，使用 Nastran 求解器计算 4种典型工况下车身骨架的静刚度与模态，通过仿真模拟，在保证客车车身强度、刚度和模态特性的前提下，优化客车结构和零部件尺寸参数，实现了客车车身骨架的轻量化；胡涛9通过建立客车车身骨架有限元模型，完成典型工况的静力学和模态分析，对车身骨架分组处理，通过灵敏度分析找出对骨架性能响应不敏感的部分，对其进行优化处理，实现客车车身骨架的轻量化。本文基于某燃油客车车身骨架有限元模型，对弯曲、急转弯和紧急制动这 3 种典型工况进行静力学分析。根据分析结果对客车进行尺寸优化，对比优化前后的应变与应力，验证轻量化方案的合理性。doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.09.016客车车身骨架的轻量化设计与分析石拓，周盼，周涛，辛江慧，许丽娇，臧利国（211167 江苏省 南京市 南京工程学院 汽车与轨道交通学院）摘要 为达到客车轻量化的要求，针对车身骨架进行有限元分析及优化。首先，建立某客车车身骨架的有限元模型，并对该模型进行加载与约束；然后，对客车在道路上行驶的 3 种常见工况（弯曲、急转弯和紧急制动工况）进行静力学分析；最后通过尺寸优化，改变梁单元厚度实现车身骨架的轻量化，并通过对比轻量化前后模型 3 种工况下的应变，验证轻量化方法的可行性。结果表明，轻量化优化后车身骨架减轻 855.5 kg，占比约为 12.2%，轻量化效果比较明显，为客车轻量化的实际应用提供参考。关键词 客车；车身骨架；轻量化；梁单元；静力分析 中图分类号 U463.83+1 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)09-0074-005引用格式：石拓,周盼,周涛,等.客车车身骨架的轻量化设计与分析 J.农业装备与车辆工程,2023,61(9):74-77,100.Lightweight design and analysis of bus body frameSHI Tuo,ZHOU Pan,ZHOU Tao,XIN Jianghui,XU Lijiao,ZANG Liguo(School of Automobile and Rail Transit,Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,Jiangsu,China)Abstract In order to meet the lightweight requirements of passenger cars,finite element analysis and optimization were carried out for the body frame of the passenger car.First,a finite element model of a passenger car body frame was established,and the model was loaded and constrained.Then the static analysis under three common running conditions(bending,sharp turning and emergency braking)were carried out.Finally,the lightweight of the body frame was realized by optimizing the thickness of the beam element,and the feasibility of the lightweight method was verified by comparing the strains of the three working conditions before and after lightweight.The results showed that after the lightweight,the body frame was reduced by 855.5 kg,accounting for about 12.2%,and the lightweight effect was obvious.The above research achieved the goal of providing suggestions for lightweight of passenger cars in practical applications.Key words bus;body frame;lightweight;beam element;static analysis基金项目：江苏省研究生科研与实践创新计划（SJCX22_1048）收稿日期：2022-09-0175第 61 卷第 9 期1 车身骨架有限元建模对客车车身骨架进行有限元建模，往往不需要考虑其复杂机构，对其进行适当简化，使其在不同工况近似实际情况。客车骨架模型如图 1 所示，由大量 C 型梁和 L 型梁组合而成，对其进行几何处理，处理部分主要是圆弧部分，如图 2 所示。观察发现，该客车车身骨架模型具有对称性。本文采用 HyperMesh 的镜像功能获得客车骨架二维网格有限元模型。对于 C 型梁与 L 型梁、C 型梁与C 型梁、L 型梁与 L 型梁连接处，需要将网格对齐并赋予连接关系。对客车骨架模型赋予材料属性如表 1 所示，厚度为 6 mm。表 1 客车骨架材料参数Tab.1 Material parameters of passenger car frame密度/(kg/m3)弹性模量/GPa泊松比 屈服强度极限/MPa7 8502060.28345在完成二维网格划分以及属性赋予后，需对划分的网格进行质量检查，检查标准如表 2 所示。表 2 网格质量检查标准Tab.2 Mesh quality check criteria参数标准参数标准最小尺寸/mm2 雅克比0.6最大尺寸/mm20 四边形最小内角/()40长宽比/()5 四边形最大内角/()140翘曲角/()15 三角形最小内角/()30扭曲角/()40三角形最大内角/()120客车车身骨架模型经过简化处理、划分网格、定义连接和赋予属性后的有限元模型如图 3 所示。2 模型加载与约束2.1 模型加载所测客车尺寸如表 3 所示。客车车身骨架承载的主要质量：客车车身骨架自身质量、乘客及座椅质量、油箱质量、发动机质量、空调质量，载荷具体参数见表 4。静力施加效果如图 4 所示。表 3 客车骨架尺寸参数Tab.3 Bus frame size parameters项目数值/mm客车骨架长11 011客车骨架宽2 498客车骨架高2 741表 4 客车载荷表Tab.4 Passenger car load项目质量/kg客车车身骨架1 711乘客及座椅3 780油箱286发动机550空调54客车在各类道路上行驶，主要有匀速直线行驶、急转弯和紧急制动等方式。本文对客车车身骨架进行的静态分析是指在客车受固定不变载荷时，车身骨架的位移及受力情况。此处固定不变载荷是一种理想状态，就是将变化缓慢的载荷作为固定不变的，以此简化分析。所以本文选用弯曲、急转弯和紧急制动工况进行分析，3 种工况载荷施加情况如表 5 所示。图 1 客车车身骨架三维模型Fig.1 3D model of bus body图 2 客车骨架三维模型圆弧面Fig.2 Arc surface of 3D model of bus skeleton图 3 客车车身骨架有限元模型Fig.3 Finite element model of bus body skeleton图 4 静力施加图Fig.4 Static force applicationFORCE=10.0FORCE=10.0FORCE=10.0FORCE=10.0FORCE=10.0FORCE=10.0石拓 等：客车车身骨架的轻量化设计与分析76农业装备与车辆工程 2023 年表 5 3 种工况的载荷Tab.5 The loads under three working conditions工况载荷加载弯曲工况载荷施加如图 4急转弯工况载荷施加如图 4，施加 0.4g 离心加速度紧急制动工况 载荷施加如图4，施加向前水平加速度0.7g2.2 模型约束客车车身骨架的约束选择施加在 2 个大 C 型纵梁，模拟客车所受支撑作用，约束效果如图 5 所示。弯曲、急转弯和紧急制动 3 种工况约束施加情况如表 6 所示。表 6 3 种工况约束的施加Tab.6 The application of constraint under three working conditions工况约束施加弯曲工况约束前后 X、Y 的平动急转弯工况约束左前 Y 平动，其余 X、Y 平动紧急制动工况约束前后 Y、Z 平动3 静力学分析3.1 弯曲工况弯曲工况的应变、应力云图如图6所示，可见，位移最大发生处在前车窗，大小为 15.89 mm，小于 GB/T 6792-2009客车骨架应力和形变测量方法 规定的变形量（30 mm）。应力最大发生处在第 1 个小 C 型梁与 2 个大 C 型纵梁相交的节点处，大小为 161.8 MPa，小于 Q345 材料的许用应力。因此弯曲工况下客车车身骨架的变形、应力都在允许范围内，结构安全。3.2 急转弯工况急转弯工况的应变、应力云图如图 7 所示。可见，位移最大发生处在外车壳前骨架，这是由于未添加该部分的约束导致的。采用 ISO 功能观察，最大位移应该在第 2 个竖直 C 型梁处，大小为 21.56 mm，小于 GB/T 6792-2009 规定的变形量（30 mm）。应力最大发生处在后轮处 C 型梁与 2个大 C 型纵梁的相交节点处，大小为 239.9 MPa，小于 Q345 材料的许用应力，因此符合要求。图 5 约束施加效果图Fig.5 Constraint application effect diagram1:1 Subcase 2(static):Static Analysis;Frame 0（a）Contour PlotDisplacement(Mag)Analysis system1.589E+011.413E+011.236E+011.050E+018.830E+007.065E+005.299E+003.533E+001.7G8E+001.783E-03 No ResultMax=1.589E+01Grids 157531Min=1.783E-03Grids 159762XYZ1:1 Subcase 2(static):Static Analysis;Frame 0Contour Plot Element Stresses(2D&3D)(vonMises,Max,CornerData)Analysis systemSimple Average1.618E+021.438E+021.258E+021.078E+028.988E+017.191E+015.394E+013.598E+011.801E+013.957E-02 No ResultMax=1.618E+02Grids 670030Min=3.957E-02Grids 138306（b）图 6 弯曲工况应变与应力云图Fig.6 Nephogram of strain and stress under bending condition（a）应变 （b）应力XYZ1:1 Subcase 2(static):Static Analysis;Frame 0Contour PlotDisplacement(Mag)Analysis system4.615E+014.103E+013.591E+013.080E+012.568E+012.056E+011.544E+011.032E+015.203E+008.436E-02 No ResultMax=4.615E+01Grids 424104Min=8.436E-02Grids 672470 1:1 Subcase 2(static):Static Analysis;Frame 0Contour Plot Element Stresses(2D&3D)(vonMises,Max,CornerData)Analysis systemSimple Average2.399E+022.132E+021.866E+021.599E+021.333E+021.066E+027.996E+015.331E+012.666E+015.282E-03 No ResultMax=2.399E+02Grids 634469Min=5.282E-03Grids 741778（b）图 7 急转弯工况应变与应力云图Fig.7 Nephogram of strain and stress under sharp turning condition（a）应变 （b）应力（a）XYZXYZ77第 61 卷第 9 期石拓 等：客车车身骨架的轻量化设计与分析3.3 紧急制动工况紧急制动工况的应变、应力云图如图 8 所示，可知，位移最大发生处在外车壳前车窗骨架，大小为 19.08 mm，小于 GB/T 6792-2009 规定的变形量（30 mm）。应力最大发生处在后轮处 C 型梁与 2个大 C 型纵梁的相交节点处，大小为 177.5 MPa，小于 Q345 材料的许用应力，因此符合要求。4 车身骨架轻量化4.1 优化后的尺寸结果在应变和应力条件合理的情况下，车身骨架有轻量化的余量，通过 HyperMesh 的 size 尺寸优化模块对车身骨架模型进行优化，优化结果见图 9。梁单元厚度优化为 2.987 mm，优化后车身应力最大值为 260.5 MPa，发生在发动机和油箱的载荷分配处及车后方小 C 型横梁与 2 个 C 型纵梁交界节点处，优化后的应力值在材料的允许范围内。4.2 优化前后应变与应力对比考虑到实际加工情况，将厚度设为 3 mm。优化后的梁单元厚度代入 3 种工况，去除节点处不合理的应力部分，优化前后 3 种工况的应变结果如表7 所示，应力结果如表 8 所示。表 7 优化前后 3 种工况的应变Tab.9 Strain sizes of three working conditions before and after optimization工况优化前/mm优化后/mm弯曲工况15.8917.26急转弯工况21.5627.14紧急制动工况19.0819.91表 8 优化前后 3 种工况的应力Tab.10 Stress sizes of three working conditions before and after optimization工况优化前/MPa优化后/MPa弯曲工况161.8 258.3 急转弯工况239.9 248.3 紧急制动工况177.5 244.1 表 7 数据显示，优化后的应变变大，但仍小于GB/T 6792-2009 规定的变形量（30 mm），验证了优化的合理性。表 8 的数据显示，优化后的应力变大，但仍小于 Q345 材料的许用应力，再次验证了优化的合理性。另外应力与应变是正相关的关系，符合应力等于应变乘以弹性模量的物理规律。优化后，客车车身骨架减重质量为 855.5 kg，优化前的车身骨架质量 1 711 kg，比较同类型客车，可知整车整备质量约为 7 t，计算得减重约为 12.2%。5 结论本文对客车车身骨架进行静力分析及结构优化，具体针对梁单元厚度进行优化，达到了客车轻量化的目的。（1）对 3 种典型工况（弯曲、急转弯和紧急制动）进行静力学分析，结果表明，3 种工况的应力均小于 Q345 材料的许用应力，应变也小于 GB/T 6792-2009 的规定。（2）通过尺寸优化梁单元厚度实现车身骨架的轻量化，对比模型轻量化前后 3 种工况下的应变，验证轻量化方法的可行性。结果表明，轻量化后车Contour PlotDisplacement(Mag)Analysis system1.908E+011.696E+011.484E+011.272E+011.060E+018.482E+006.362E+004.241E+002.121E+003.351E-05 No ResultMax=1.908E+01Grids 157531Min=3.351E-05Grids 7193871:1 Subcase 2(static):Static Analysis;Frame 01:1 Subcase 2(static):Static Analysis;Frame 0Contour Plot Element Stresses(2D&3D)(vonMises,Max,CornerData)Analysis systemSimple Average1.775E+021.577E+021.380E+021.183E+029.860E+017.889E+015.918E+013.947E+011.975E+013.947E-02 No ResultMax=1.775E+02Grids 245330Min=3.947E-02Grids 741777（b）图 8 紧急制动工况应变与应力云图Fig.8 Nephogram of strain and stress under emergency braking conditions（a）应变 （b）应力XYZXYZ（a）图 9 车身骨架有限元模型优化尺寸结果Fig.9 Optimization results of finite element model of body skeleton2.987E+002.987E+002.987E+002.987E+002.987E+002.987E+002.987E+002.987E+002.987E+002.987E+00 No ResultContour Plot Element Thicknesses(Thickness)1:1 Design:Iteration 3:Frame 4Max=2.987E+002D 556814Min=2.987E+002D 556814XYZ（下转第 100 页）100农业装备与车辆工程 2023 年5 结论（1）本文提出一种基于新型趋近律模糊自适应积分滑模控制方法。首先，采用新型趋近律设计系统的滑模控制器；其次，采用饱和函数代替趋近律中的符号函数；最后，采用模糊规则控制对趋近律中的参数进行在线补偿。（2）仿真结果表明，与传统趋近律的滑模控制和 PI 控制策略相比，该控制器不仅能够有效削弱系统的抖振，而且还可以提高系统的响应速度和增强系统的抗干扰能力，同时也验证了模糊自适应积分滑模控制策略的正确性和有效性。本文只考虑了控制方法和参数对永磁同步电机的影响，未考虑外界干扰对电机动态性能的影响。今后将进一步研究外界干扰如何影响电机的动态性能和如何对外界干扰进行补偿。参考文献1 甘志涵,吴昌军,丁镇涛,等.基于 PI 调节的车用永磁同步电机矢量控制研究 J.农业装备与车辆工程,2021,59(06):69-74.2 任金霞,黄艺培,蒋梦倩.PMSM 分数阶模型参考自适应调速系统研究 J.河南理工大学学报(自然科学版),2020,39(03):108-113.3 樊英杰,张开如,马慧,等.基于模糊 PI 永磁同步电机优化矢量控制系统的研究 J.电气传动,2016,46(03):15-19.4 张苏英,王跃龙,刘慧贤,等.基于新型趋近律的永磁同步电机滑模速度控制 J.微特电机,2020,48(04):50-54,63.5 王要强,朱亚昌,冯玉涛,等.永磁同步电机新型趋近律滑模控制策略 J.电力自动化设备,2021,41(01):192-198.6 闫宏亮,马菊菊,姬海斌.永磁同步驱动电机的滑模控制研究J.控制工程,2022,29(8):1473-1479.7 郭小定,柏达,周少武,等.一种新型趋近律的永磁同步电机滑模控制 J.控制工程,2018,25(10):1865-1870.8 张攀,石照耀,林家春,等.基于双曲正切函数的改进型永磁同步电机无感矢量控制系统 J.哈尔滨工程大学学报,2021,42(05):710-718.9 袁雷,胡冰新,魏克银.数现代永磁同步电机控制原理及MATLAB 仿真 M.北京:航空航天大学出版社,2016:3-25.10 刘金琨.滑模变结构控制 MATLAB 仿真 M.北京:清华大学出版社,2005:33-57.11 刘欣,张林.基于新型趋近律的永磁超环面电动机滑模控制 J.微特电机,2019,47(05):64-67.12 李晓丹.模糊PID控制器的设计研究D.天津:天津大学,2005.13 毛亮亮,周凯,王旭东.永磁同步电机变指数趋近律滑模控制J.电机与控制学报,2016,20(04):106-111.作者简介 李虎（1993-），男，硕士研究生，研究方向：机器人技术与应用。E-mail：通信作者 刘泓滨（1961-），男，硕士生导师，教授，研究方向：机器人技术与应用，数字化设计与制造等。E-mail：图 5 3 种控制器下三相电流的响应曲线Fig.5 Response curves of three-phase currents under three controllers三相电流 iabc/APASMC40200-20-400 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40时间/sSMC40200-20-400 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.4040200-20-40PI0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40（上接第 77 页）身骨架减轻 855.5 kg，占比约为 12.2%，优化效果比较明显。参考文献1 李杰.城市客车的发展趋势研究 J.设备管理与维修,2021,(10):82-83.2 刘合峰，肖以顺，冯正明.客车车身骨架构造与优化分析 J.汽车实用技术,2020(05):73-75.3 张鑫.一款纯电动客车车身骨架有限元分析与轻量化设计 D.长春:吉林大学,2020.4 邓耀，吉伟鹏，龚运息.某型观光车车身骨架有限元分析 J.制造技术与机床,2020(07):131-134.5 杨秀建，施世泽，高晋，等.基于侧碰仿真的纯电动客车骨架轻量化设计 J.农业装备与车辆工程,2020,58(07):25-31.6 KONGWAT S,JONGPRADIST P,HASEGAWA H.Lightweight bus body design and optimization for rollover crashworthinessJ.International Journal of Automotive Technology,2020,21(4):981-991.7 吴胜军，袁威，梁治千，等.某混合动力客车骨架的轻量化设计 J.现代制造工程,2022(03):48-53,76.8 YAO Chunge,YANG Mengjie.Research on lightweight design and finite element analysis of a 9 meter bus body frameJ.Journal of Physics:Conference Series,2021,1748(6):062022.9 胡涛.基于多目标优化的氢燃料电池客车车身骨架轻量化设计J.内燃机与配件,2022(05):17-20.作者简介 石拓（1999-），男，硕士研究生。研究方向：车辆动力学、振动与噪声控制。E-mail：shituo_通信作者 周盼（1986-），女，博士，副教授。研究方向：结构动力学、振动与噪声控制。E-mail：