全承载客车车身优化结构设计分析工学论文
摘要：车身结构对于整车性能起着举足轻重的作用，因此对车身结构设计的研究显得十分重要。目前我国客车工业的整体水平得到极大的提高，客车的整车质量也得到了稳步发展，但与国际上先进的客车工业相比，仍然存在很大的差距。从现代客车工业发展的重要方向全承载客车车身入手，进行了结构分析与优化设计。
关键词：全承载；车身结构；优化；客车
1全承载客车车身结构优化设计方法
(1)改变材料种类，采用密度小、杨氏模型数值高的材料。
(2)改变车身梁结构的截面形状，提高截面的抗扭、抗弯刚度。
(3)改变主要结构件的厚度，使得结构整体性能增强。通过改变车身的梁结构的截面形状和厚度是最适合全承载车身优化设计的方法，从而提高截面的抗扭、抗弯刚度，同时也能实现车身轻量化。
(4)车身骨架焊点处理。车身骨架结构具有焊点数目多(通常为几千一上万个)，具有空间复杂曲面及几何特征多等特点，受硬件条件限制要建立精确的车身模型极为困难。根据焊点的受力特性，国内外文献中提出了多种模拟方法，见表1：
由表1可知，对单个焊点若用适当高度的块单元模拟时，可获得较高的精度，但局部网格需要很密。对大量均布、密集排列的焊点，适当调整焊点区板厚及材料参数后，则可用单层板模拟而建模效率高。为模拟点焊区相邻构件在振动时的局部分离与接触情况，则可用节点祸合法更为适宜。
2全承载客车车身梁结构优化设计
2.1结构灵敏度分析算法
灵敏度是一个广泛的概念，从数学意义上可以理解为：若函数F(x)可导，其一阶灵敏度可表示为：
对结构的分析可分为动态分析和静态分析两个方面，对应的结构灵敏度分析也可分为动态和静态灵敏度分析。动态灵敏度分析有特征(特征值、特征向量)灵敏度分析、传递函数灵敏度分析和动力响应灵敏度分析等；静态灵敏度分析则可以是位移、应力等。
在有限元线性静态的优化分析中，约束和目标函数均有可能是静力平衡方程位移解的响应，记为T=T(δ)。而位移是设计变量的隐函数，记为δ=δ(X)则：T=T(δ(X))。可得位移对设计变量的`灵敏度为：
由上式可以看出，结构参数Xj的改变直接影响了质量矩阵M和刚度矩阵K，进而改变了固有频率。
为了权衡每一个设计变量在提高或不影响刚度或改善动态性能的同时又能降低车身质量，定义了一个衡量指标R，以截面厚度对车身质量和刚度的影响比较为例，其计算式为：
R值是指当截面厚度增加X璵m时，它对整车刚度和整车质量的增加的贡献的比值。
2.2车身灵敏度的分析
由于前桥右轮悬空和后桥右轮悬空工况分别使前后车厢位移较弯曲工况明显降低，因此讨论整车扭转刚度对车身骨架梁截面(矩形型材)长a、宽b、厚度t的灵敏度，同时计算整车质量对设计参数敏感度，并计算R值。可以根据零部件件的类型、位置和作用选取一些重要的构件来进行灵敏度分析。表2列出了具体的零部件名称和代号。
位置灵敏度分析的零部件名称顶棚主横梁(A0~A20)，主纵梁(A21~A24)前围前挡风玻璃立柱(B1~B2)，前挡风玻璃横梁(B3~B4)后围后挡风玻璃立柱(B6~B7)，后挡风玻璃横梁(B8~B9)侧墙侧窗玻璃立柱(C1~C18)，腰梁(C19~C22)，车门立柱(C23~C38)司机地板主纵梁(E1~E6)，与前桥连接处主横梁(E7)前车厢中心地板踏板梁(F1~F8)，上层中心主梁(F5~F6)后车厢前地板踏板梁(G1~G4)，与铰接盘连接的前端横梁(G5~G7)前、中、后车桥空气弹簧约束横梁(H1~H20)，车桥纵梁(H21~H26)，与中心地板龙骨发动机支撑纵梁(I1~I2)，支撑变速箱横梁(I3~8)，水箱悬挂横梁(I9~11)后车厢前端开口前端门立柱(J1~J4)灵敏度分析时，设定所有参数变化范围为130%，在此范围内进行迭代插值。由于前后车厢车桥扭转时只对自身车厢扭转刚度有明显的影响，因此分别计算前后车厢一阶扭转频率和中桥、后桥发生扭转时的前后车厢车身扭转刚度对梁单元的灵敏度。
2.3优化设计
根据灵敏度分析结果，从中选出对轻量化影响较为明显的参数，见表3所示，同灵敏度分析，设定所有参数变化范围为±35%，目标函数为质量最小，分别以整车一阶扭转频率>5HZ和整车扭转刚度>8.0E+04N.mm/度，分别对前后车厢进行优化。
优化的目标函数是质量最轻，状态变量为能反映前车厢整车扭转刚度边界下限的参数。选择中桥扭转时的前车厢扭转刚度为约束，要求整车刚度>8.0e+04N.mm/度。部分设计变量的优化结果见表4。其中tB1(B2)表示目标函数、约束函数对B1，B2梁的灵敏度接近，且初始值一致，即将它们作为一个变量进行优化。
通过优化车身结构质量下降了72Kg，占前车厢总质量的2.3%，而优化后的整车扭转刚度为8.8E+04N.mm/度左右，仍然大于8.0E+04N.mm/度，属于正常范围。这说明整个优化过程是有效的，同时可以看出整车扭转刚度和轻量化并不冲突。
(2)一阶扭转模态。
优化的目标函数是质量最轻，状态变量为能反映前车厢振动性能的频率参数，本文选择基础模态前车厢一阶扭转频率为约束，要求扭转频率>5HZ。部分设计变量的优化结果见表5。
通过优化车身结构质量下降了83Kg，占前车厢总质量的2.5%，而优化后的一阶扭转频率为5.376HZ左右，仍然大于5HZ，属于正常范围。这说明整个优化过程是有效的，同时可以看出一阶扭转刚度和轻量化并不冲突。
参考文献
[1]代红军，林程.电动客车车身有限元分析及其轻量化设计[J].客车技术与研究，2005，(3)：10-11.
[2]@王海亮，金先龙，林忠钦.低地板城市客车车身结构有限元分析[J].汽车工程，2008，15(3)：41-43.
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