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城市公交客车车身结构拓扑优化设计


第27卷第9期 2010年9月

公路交通科技
Journal of Highway and Transportation Research and Development

VoL 27

No.9

Sep.2010

文章编号:1002—0268(2010)09—0

154—05

城市公交客车车身结构拓扑优化设计
高云凯,周晓燕,余海燕
(同济大学,上海201804) 摘要:根据某城市公交客车初步确定的造型和总布置的要求,为了能在车身的概念设计阶段获得该客车车身骨架的 合理布置方案,在车身结构设计中引入了拓扑优化的设讦方法,并且将该优化结果应用于指导设计。利用有限元分 析软件Hypermesh建立客车的拓扑优化的有限元模型,并且在其优化模块Optistruct中,采用变密度法和线性加权法, 研究了多工况条件下城市公交客车车身结构的拓扑优化问题。根据得到的拓扑优化结果,同时充分考虑实际的装配 和性能要求,完成城市公交喜车车身骨架的初步布置。在此基础上,进行进一步的尺寸优化,得到满足设计要求的 城市公交客车车身结构。拓扑设计得到的结果可为12 nl的城市公交客车的车身骨架布置提供参考。 关键词:汽车工程;车身结构;拓扑优化;城市客车;多工况 中图分类号:U463.82+2 文献标识码:A

Topological Optimization for Body Structure of City Bus
GAO Yunkai,ZHOU Xiaoyan,YU Haiyan

(Tongji Abstract:In order
according
to to

University,Shanghai

201804,China)

obtain



reasonable

city bus

body skeleton layout at the conceptual of general arrangement of the city

design stage, bus,topology

the

preliminary styling

and requirements

optimization Writ8

introduced

for bus body structure design,and the optimization result was used for guidance

of design.The topology optimization model of the bus was constructed with the FEM software Hypermesh,and variable density method coupled with linear weight sum method were employed Optistruct
to

into the optimization module conditions.The

study

the

optimization

of

city

bus

body

structures

under

multiple-ease

preliminary layout of the city bus body skeleton was completed according to the result of topology optimization in fully consideration of other practical assembly and performance requirements.A further size optimization

Was subsequently conducted to obtain the satisfactory

designed

body structure of the city bus.The resllIt of the

topology design

can

provide



recommendation for the body skeleton layout of 1 2 m city bus.
case

Key words:automobile engineering;body structure;topology optimization;city bus;multiple load

0引言 城市公交客车在我国国民的日常生活中占据重 要地位。客车车身结构影响车身强度、刚度、模态 和疲劳寿命等性能,且对客车的安全性能起决定性 作用。

计或改造结构¨J。结构拓扑优化是一种概念化设计, 开展于概念设计早期,主要研究结构材料布局。在 概念设计阶段为设计者提供科学依据,使复杂的结 构和部件可灵活、理性地进行优选旧1。与形状优化 和尺寸优化相比,由于拓扑优化的结果决定了产品 的最优拓扑,即决定了产品的最终形状与性能,应 用拓扑优化技术,可以在很大程度上保证车身结构 设计后续的尺寸和形状优化是在材料分布最优初始

现代汽车工程师认为,应该在车身结构没计的
初始阶段引入拓扑优化理论,而不是仅凭经验来没

收稿日期:2009.09-16 基金项目:上海汽车工业科技发展基金资助项目(20070991) 作者简介:高云凯(1963一),男,黑龙江宾县人,同济大学教授、博导,研究方向为汽车车身结构与工艺.(gaoyunkai@tongji.edtr cn)

万方数据

第9期

高云凯,等:城市公交客车车身结构拓扑优化设计

155

拓扑形式下进行的,能够极大地提高材料利用率"1。 具体到客车车身设计方面,其目的是在考虑各种可 能出现的危险工况下,根据不同的约束条件,在一 个连续体的设计空间中确定出车身主要承载结构件 的最佳布局一]。国内陆续开展对客车车身结构的拓 扑研究,目前的研究主要是针对客车的某单一部件

部分的重量,通过公式(1)计算各部分板单元的厚 度,确定了拓扑优化板单元应采用的初始厚度值。 di=5×M。/(p×Ai), (1)

其中,di为各部分板单元的厚度;肘j为参考车型相 应部分的莺量;P为本文研究的客车车身的材料密 度;Ai为相应各部分拓扑卒间的面积。 在分析过程中,为得到最佳的拓扑优化结构布 局,综合考虑客车实际可能发生的危险工况,包括 一种弯曲_l:况和4种单轮悬空的弯扭组合工况。
1.1

进行拓扑,或者是客车车身整体结构骨架的单工况
拓扑优化设计。 本文基于变密度法,根据线性加权法将多工况 载荷下的多目标函数的优化问题转化为单日标函数 问题。并根据拓扑优化结果,完成客车车身骨架的 初步布置。


载荷处理 根据客车车身骨架在各个工况下实际的载荷,

应用静力等效原则,将载荷施加到相应的节点上。 考虑到城市公交客车实际运行状况,在进行静态弯 曲工况分析时,在实际载荷的基础上考虑2.5倍的 动载系数,4种弯扭组合工况考虑1.5倍的动载 系数。 1.2约束条件 本文研究的城市公交客车车身总布置中,车架 通过钢板弹簧与前后车桥相连,每一车桥的两端装 有车轮。拓扑分析中约束车架钢板弹簧前后吊耳支 座处,如图2所示。

客车拓扑优化模型 本文根据城市公交客车的初步造型建立拓扑优

化模型,总布置确定车长12 ITI,车身是半承载结构。 根据拓扑优化设计理沦,进行拓扑优化首先是要建

立车身骨架的拓扑空间,在这个设计空问I二可以任
意布置骨架材料,考虑城市公交客车的基本功能、 性能和装配等实际要求,选取可能的尽量大的区域, 充分挖掘优化的潜力,建立了基于造型的车身拓扑 优化模型,如图l所示。要求这种结构应既满足载 荷及约束的特点,又便于优化计算。将客车顶盖、 窗台以下的侧围部分、底架和牛腿确定为拓扑优化 空间,其他非拓扑空间部分骨架根据参考车型进行 布置。针对客车车身的基本结构采用曲面薄板建立 拓扑空间基本结构,同时考虑到计算效率和客车本

图2约束位置
Fig.2 Constraint positions

身结构特点,非拓扑优化窀间部分采用梁单元进行 离散,板、梁单元之问根据节点对应关系采用rbe2 单元连接。

以弯曲工况为例,车身骨架整体约束点及其约

束自由度如表1所示。
表1车身骨架整体约束点及其约束自由度
Tab.1 Constraint

positions

and DOFs of bus body skeleton



多工况拓扑优化方法 拓扑优化设计的基本要素包括设计变量、约束

函数和目标函数。根据本文研究的客车车身结构, 选取优化区域的单元伪密度作为设计变量,与传统
图1车身拓扑优化模型
Fig.1 TopoIogy

优化设计不同,拓扑优化设计变量是一个不断减小 进而重组的过程,结构拓扑优化的变密度方法是将 结构中定义的设计区域,进行有限元单元网格划分, 每一个单元都由相对密度为0~1的多孑L材料组成,

D啮body栅咖

optimization model of dty

在前处理过程中,根据造型,参考某客车相应

万方数据

公路交通科技

第27卷

在设计区域加上载荷和边界约束条件之后,结构柔 度达到最小值∞1。 单工况的拓扑优化研究结果一般只适用于所研

初步布置。骨架杆件的布置要考虑到功能需求、起 加强作用及为安装附件的需要。车身结构构件布置 应使车身构成一个连续完整的受力系统与合理的载 荷路径¨1|,在主要受力横截面,车身骨架形成一个 封闭力流环。图3为车身各部分结构布置的初步设 计方案: (1)牛腿:根据拓扑结果,将斜向杆件改成横 向;以右边牛腿为例,第2、3、7、8根牛腿是设置 吊耳所必需的;在第1、2根牛腿之间,左边由于转 向器,所以需多设置一根牛腿;考虑支撑变速器、 发动机、空调压缩机组、散热器和电瓶组安装点的 需要和与窗台立柱形成完整的受力系统设置其他 牛腿。 (2)底架:底架右边前门和中门门槛处作为非 拓扑空间,不布置杆件;横担的设置根据拓扑结果, 同时充分考虑座椅和驾驶室隔断的安装所需承载 骨架。 (3)左、右侧围:轮罩、水箱进气门、压缩机 与空滤器门等不能布置杆件;右侧围相比左侧围, 需要设置前门框梁和中门框梁;根据拓扑结果,及 为与窗台立柱形成完整的受力系统布置骨架杆件。 (4)顶盖:紧急逃生口不布置杆件;设置纵梁 以承载天然气瓶组、天然气瓶罩和空调车顶组件; 设置横梁以和窗台构成完整的受力系统。 根据拓扑优化结果初步布置的车身骨架,满足 一般城市公交客车的实际装配和功能要求。针对拓 扑优化结果初步设计布置的车身骨架,做进一步的

究的典型工况,对于其他工况而言未必是最优的设
计,甚至可能是不合理的设计,所以研究在多种工 况下的综合拓扑优化设计更具有工程意义。 对于多工况拓扑优化,本文研究采用质量分数

约束方法,由于计算厚度时拓扑空间的质量为参考
车型车身相应部位单元厚度的5倍,考虑约束函数 时,定义质量分数上限为20%。车身结构刚度是较 强度要求更高的指标,车身设计和优化时,应以满 足刚度要求为主要目标∞o。为使客车车身发挥最大 的承载能力,定义整车结构的柔度最小作为目标函 数。用变密度方法求解多工况下结构拓扑优化问题 时,因其目标函数取为结构柔度,而柔度与相应工 况有关,故多工况下结构拓扑优化问题成为多目标 优化问题o 71。客车车身多工况拓扑主要面临的问题 是如何根据客车的实际工况寻找到一种方法能够使 得所有的目标函数同时都达到最优化,也即是要满 足不同实际工况的最优需求。一般情况下很少能找 到,但可以找到一些可能存在的能满足工程要求的 次最优化解或称Pareto最优解[8]。多目标优化问题 只有当求的解是非劣解或弱非劣解时才有意义,劣 解是没有意义的,而绝对最优解存在的可能性最 小旧J。多工况下整车的柔度采用各子工况加权柔度, 根据: 4,I

F(X)]=∑AZ(x),

(2)

尺寸优化,并对优化之后的车身骨架模型进行模态

其中,工为各子工况的柔度;Ai为各子工况的加权

分析和强度刚度校核,模态分析主要应用于评价系
统的动态特性、载荷识别、振动控制等领域【l 2|。分 析结果表明,拓扑设计的城市公交客车车身在经过 进一步的尺寸优化之后,关键的模态频率(一阶扭 转模态频率与一阶弯曲模态频率)与参考车型相当, 最大应力值都满足车身所设计采用的材料Q235的允 许应力,模型的门窗口对角线变形量均在5 mm内, 满足一般客车对于开口结构变形量小于5 mm的 要求。 4结论 (1)城市公交客车车身结构布置在概念设计阶 段采用拓扑优化设计是可行的; (2)开展多工况下连续体结构优化设计研究将 更符合工程实际,具有工程应用价值。综合工况下,

系数,A;>10,i=1,…,m,且∑Ai=1。
于是把多目标极小化模型(VMP)的最优化问

题转换为下列数值函数的极小化问题,即求解:
min+E E^了 r(x)]=卿;Az(x),


其最优解便是按各分目标的重要程度,使各分目标 值尽可能小的解‘10]。
考虑到城市公交车所适应的道路条件,将弯曲

工况目标柔度权重系数入.定为50%,4种弯扭组合
工况权重系数入:、入"k、k均为12.5%。 3车身结构拓扑设计 根据多工况综合拓扑优化分析得到的车身各部

分的拓扑结构,参考某运营中的城市公交客车的车 身结构布置并考虑工艺可实现性,进行车身骨架的

可根据拓扑结果,同时考虑载荷和典型部件的分布
及力流环原则布置车身骨架杆件;

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第9期

高云凯,等:城市公交客车车身结构拓扑优化设计

157

性能方面满足设计要求,且比参考车型降重
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