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1、純電動客車底架優(yōu)化設計 汽車工業(yè)領域結構優(yōu)化設計方法主要有:拓撲結構優(yōu)化、尺寸結構優(yōu)化以及形狀結構優(yōu)化等［1］。拓撲優(yōu)化可以在設計階段初期按照性能需求進行性能優(yōu)化設計［2－4］，從而保證后續(xù)的尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化都是在材料最優(yōu)分布的前提下進行的優(yōu)化設計［5－7］。對于客車整車骨架而言，由于車身骨架結構簡單，拓撲空間較小且方鋼搭建較為成熟，本文將主要考慮底架的拓撲。為了使拓撲優(yōu)化設計達到最大化，本文將不再以底架局部空間為拓撲優(yōu)化對象。因此對某款純電動客車整個底架進行拓撲優(yōu)化設計，最大程度提高原有車身骨架的整體力學性能。 1底架的第一輪拓撲優(yōu)化設計 1.1底架

2、拓撲優(yōu)化空間的建立。本文分析的純電動客車整車骨架采用HyperMesh軟件進行有限元建模。其中有限元單元總數(shù)為1290403個，節(jié)點數(shù)1260881個，三角形單元有7694個，占總數(shù)比為0.6%＜5%。故有限元模型合格。其整車車身骨架有限元模型如圖1所示。拓撲優(yōu)化是在給定的設計空間區(qū)域內(nèi)找到其最優(yōu)的材料分布，以達到最優(yōu)力學性能和最省材料分布的結構優(yōu)化設計［8］。所以拓撲優(yōu)化被廣泛用于汽車的正向設計以及輕量化設計［9－11］。本文基于SIMP材料差值的變密度法，以拓撲空間的單元密度為設計變量;以優(yōu)化后與優(yōu)化前的總體積比值不大于0.1為約束條件;以柔度最小化(即剛度值最大)為目標函數(shù)進行拓撲優(yōu)化。

3、本文所研究車型為底置電池的純電動客車骨架，與傳統(tǒng)燃油機客車骨架相比，純電動客車車身結構與承受載荷基本保持不變，由于底架上的發(fā)動機換成了電池，并且電池體積分布較大，質(zhì)量較重，因此底架的結構改動較大。所以本文只將底架作為拓撲優(yōu)化設計空間，車身骨架仍采用較為成熟的基礎車型客車骨架作為非拓撲設計空間，并將該底架作為拓撲設計空間，車身骨架作為非拓撲設計空間的整車骨架有限元模型在Optistruct軟件中進行迭代計算。原底架如圖2所示。為使拓撲空間達到最大化，除保留底架主要橫縱梁以及一些功能性方鋼以外，其余斜撐等方鋼全部刪除。由于前中門踏板作為單獨總成進行整車組裝，且考慮需站立乘客等情況應過盈設計，所以將

4、其作為非拓撲空間。在拓撲空間區(qū)域鋪設20mm厚的鋼板。關于下文所用到的方向，其設置標準為:X軸為縱向，客車后側(cè)方向為正向;Y軸為橫向，客車右側(cè)方向為正向;Z軸為豎直方向，向上方向為正向。底架鋪設鋼板示意圖如圖3所示。整個底架一共鋪設73組鋼板，其中XOY面鋪設40組，XOZ面鋪設10組，YOZ面鋪設23組。為了使拓撲優(yōu)化結果便于工程制造和工藝性，軟件中設置了模式組約束進行對稱設計。同時設置最小成員尺寸為75mm，最大成員尺寸為150mm。1.2工況設置和權重系數(shù)的確定。1.2.1拓撲優(yōu)化的工況設置。客車在行駛過程中最常見的兩種工況為彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況，因此本次拓撲優(yōu)化采取彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況進行

5、工況設置。對于彎曲工況:約束左前輪DOF23、右前輪DOF3、左后輪DOF123、右后輪DOF3。在底架中段左右縱梁上方施加均布載荷，均布載荷單側(cè)合力大小為1000N。對于扭轉(zhuǎn)工況:約束左后輪DOF123，右后輪DOF13，左前氣囊和右前氣囊之間建立MPC約束，MPC約束上施加力矩為2000Nm［12］。1.2.2多工況權重系數(shù)的確定。對于彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況權重系數(shù)的確定，先給定彎曲和扭轉(zhuǎn)兩工況權重系數(shù)均為1，然后在Optist-ruct軟件中進行一個迭代步的運算后輸出OUT文件，查看OUT文件中兩工況compliance值分別為2.988393E+02和1.150530E+03。由于兩工況c

6、om-pliance值相差約4倍，因此重新給定彎曲和扭轉(zhuǎn)兩工況權重系數(shù)分別為4和1，重復上述步驟，得到兩工況compliance值相近，分別為1.195357E+03和1.150529E+03。此時給定的權重系數(shù)即為合理的權重系數(shù)值。1.3拓撲優(yōu)化結果與傳力路徑分析。通過Optistruct軟件計算，經(jīng)過73步迭代運算，得到拓撲優(yōu)化計算結果。本次拓撲主要刪除斜撐而保留橫縱梁。通過局部放大車架的拓撲結果圖，XOY面后橋左右上方拓撲優(yōu)化結果與YOZ面與中部地板相連的后橋左右處拓撲優(yōu)化結果如圖4所示。由于后橋左右上方中間2根橫梁處存在座椅安裝點，故在底架的第一輪拓撲優(yōu)化中只刪除了附近的斜撐，保留了橫

7、梁。而從圖4(a)可知，后橋左右上方中間2根橫梁的存在明顯打斷了拓撲的傳力路徑。由圖4(b)可知中間2根橫梁雖有一定的加強作用，但是其傳力路徑結構復雜且衍生出很多細小路徑，不利于工藝制造。故需要對這些橫縱梁方鋼進一步刪除，擴大拓撲優(yōu)化空間進行第二輪拓撲優(yōu)化。使得傳力路徑更加清晰合理。即通過第一輪拓撲優(yōu)化結果分析找出由于橫縱梁的存在而導致的傳力路徑不合理的局部空間，對其拓撲空間進一步釋放后展開第二輪拓撲優(yōu)化。 2底架的第二輪拓撲優(yōu)化設計 2.1底架局部改進后的拓撲優(yōu)化空間。通過對第一輪拓撲優(yōu)化結果與傳力路徑的分析可知，由于過多保留橫縱梁方鋼導致底架多處部位出現(xiàn)傳力

8、路徑被打斷以及衍生出過多細小路徑等現(xiàn)象。故在不改變約束條件和目標函數(shù)的前提下，通過擴大第一輪底架拓撲優(yōu)化空間，而車身骨架仍采用基礎車型骨架作為非拓撲優(yōu)化空間，最終將底架拓撲設計空間改動后的整車骨架有限元模型在Optistruct軟件中進行迭代運算。第二輪拓撲XOY面后橋左右上方鋪設鋼板與YOZ面與中部地板相連的后橋左右鋪設鋼板如圖5所示。即刪除中間橫梁，使得拓撲空間進一步釋放。整個底架一共鋪設69組鋼板，其中XOY面鋪設38組，XOZ面鋪設10組，YOZ面鋪設21組。第二輪拓撲底架鋪設鋼板示意圖如圖6所示。(a)XOY面后橋左右上方(b)XOZ面與中部地板相連的后橋左右處圖5第二輪拓撲鋪設鋼板

9、示意圖圖6第二輪拓撲底架鋪設鋼板示意圖2.2拓撲優(yōu)化結果與方鋼搭建。2.2.1局部改進處的拓撲傳力路徑分析。通過Optistruct軟件計算，經(jīng)過72步迭代運算，得到拓撲優(yōu)化計算結果。XOY面后橋左右上方第二輪拓撲優(yōu)化結果與YOZ面與中部地板相連的后橋左右處第二輪拓撲結果如圖7所示。(a)XOY面后橋左右上方(b)YOZ面與中部地板相連的后橋左右處圖7第二輪拓撲優(yōu)化結果示意圖對比圖4(a)和圖7(a)可知第二輪拓撲優(yōu)化傳力路徑無被打斷現(xiàn)象;對比圖4(b)和圖7(b)可知第二輪拓撲優(yōu)化傳力路徑更加清晰連貫且未出現(xiàn)細小路徑?？蛇M行下一步的方鋼搭建。2.2.2底架第二輪拓撲優(yōu)化結果與方鋼搭建。通過H

10、yperMesh軟件Post界面中OSSmoth處理以及可制造化處理原則進行方鋼搭建。XOY面拓撲優(yōu)化結果如圖8所示，XOY面方鋼搭建如圖9所示。圖8XOY面拓撲優(yōu)化結果圖9XOY面方鋼搭建從拓撲優(yōu)化結果示意圖可以看出，整體拓撲傳力路徑比較清晰且較為合理。故本次拓撲后的方鋼搭建嚴格按照拓撲優(yōu)化結果進行?？紤]到生產(chǎn)工藝技術等工程實際情況，只對局部傳力路徑不明顯處進行略微刪減和改進。2.3拓撲優(yōu)化前后的性能對比?？蛙嚨膭偠戎饕◤澢鷦偠群团まD(zhuǎn)剛度。剛度工況的設置與拓撲優(yōu)化的靜力學分析設置相同。拓撲優(yōu)化前后相關值對比見表1。由表1可知，經(jīng)過兩輪拓撲優(yōu)化后與原車型相比，底架質(zhì)量減輕了0．048t，彎曲剛度增加了4492.2N/mm，增幅達到了50.1%，扭轉(zhuǎn)剛度增加了548.3kNm/rad，增幅達到了35.1%。 3結束語 本文采用SIMP差值的變密度法，以體積分數(shù)為約束條件，以最小柔度為目標函數(shù)，對某款純電動客車底架進行了線性加權的多工況兩輪拓撲優(yōu)化，結果表明:在質(zhì)量減輕了0．048t的同時，彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度增幅分別達到了50.1%和35.1%。