全承載客車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2017-02-15 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要: 結(jié)構(gòu)輕量化為近年來車輛設(shè)計(jì)之主要目標(biāo),減重最重要之目的為節(jié)省燃油與提高材料使用效率,車輛耐久強(qiáng)度與安全性也同時(shí)列入設(shè)計(jì)條件。本文將全新的客車開發(fā)流程導(dǎo)入客車廠, 利用 HyperWorks 軟件對一 12米城市客車進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),最終得到一全新設(shè)計(jì)之全承載結(jié) 構(gòu)。設(shè)計(jì)變更后結(jié)構(gòu)重量比原始車型減少超過 20%。最后,依照歐盟 ECER66 之客車上層結(jié)構(gòu) 側(cè)翻法規(guī),利用 RADIOSS 計(jì)算車身結(jié)構(gòu)之側(cè)翻強(qiáng)度,由結(jié)果顯示減重后之車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合法規(guī)之要求。

1 前言

隨著環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)峻與能源的縮減,客車作為主要的大眾交通工具之一,為提升燃油效率與安全性,客車設(shè)計(jì)的技術(shù)必須不斷追求進(jìn)步。全承載車身設(shè)計(jì)為各客車制造廠研發(fā)重點(diǎn)之一。

本公司依照多年的車輛開發(fā)經(jīng)驗(yàn),針對客車建立了一套先進(jìn)的開發(fā)流程(圖1)。本文以一款12米成熟量產(chǎn)型客車為基礎(chǔ)車型,利用先進(jìn)的優(yōu)化技術(shù),包括拓?fù)?尺寸與形貌優(yōu)化等,得到一個全新概念設(shè)計(jì)。在保證整車耐久強(qiáng)度充分滿足國內(nèi)主要城市工況行駛需要的要求下,最大可能地去降低結(jié)構(gòu)重量。其中客車優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

全承載客車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)hypermesh技術(shù)圖片1

圖1 澳汰爾客車開發(fā)流程

經(jīng)過重新設(shè)計(jì)為全承載車型。半承載是介于大梁式與全承載之間的車身結(jié)構(gòu),具有明顯的個別車架,以底架為基礎(chǔ)再與車身焊接結(jié)合,與車身的結(jié)合因限制于底架大梁型式,故此種車身結(jié)構(gòu)只能承受部分載荷。全承載(monocoque)結(jié)構(gòu)具備單體化構(gòu)造之車身(圖3)。車身五大片與底架焊接結(jié)合之改良設(shè)計(jì),受力時(shí)能將力快速傳遞,并分解到全車結(jié)構(gòu)各部位,兼顧結(jié)構(gòu)之強(qiáng)度與其耐久性能,因此其結(jié)構(gòu)有較佳之剛性,在整個行駛過程中,其有較佳之舒適性與較低的噪聲。

本文利用HyperWorks 之 MotionSolve 進(jìn)行車輛入力之計(jì)算,以 OptiStruct 進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)?；趯?shí)車耐久特性考慮,使用慣性釋放的方法,個別進(jìn)行多個行駛工況分析,并優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行減重。最后再以 RADIOSS進(jìn)行非線性顯式動力分析,計(jì)算車身結(jié)構(gòu)側(cè)翻強(qiáng)度。

全承載客車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)hypermesh技術(shù)圖片2

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2 客車優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖

全承載客車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)hypermesh技術(shù)圖片3

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3 全承載客車結(jié)構(gòu)示意圖

2有限元模型之建立

本文利用有限元前處理軟件 HyperMesh 建立客車之有限元模型,分析之設(shè)定則利用邊界條件與材料系數(shù)以及求解所需之參數(shù)控制卡片等,再依需求匯出至不同求解器進(jìn)行求解。

2.1 單位

本文所使用之單位為:mm/ton/sec/N。

2.2 模型之建立

首先將三維模型轉(zhuǎn)文件匯入 HyperMesh中,將骨架結(jié)構(gòu)之管件抽取中面,再進(jìn)行幾何清理,其中幾何清理對于網(wǎng)格質(zhì)量相當(dāng)重要。對于每一支骨架的每個方向至少要有 2~3排單元,三角形單元避免選用,同時(shí)應(yīng)低于整體單元數(shù)量之1%,以免高估結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。在保證殼單元基本不變形的條件下,采用節(jié)點(diǎn)重合方法模擬焊接,主要應(yīng)用在“T”形接頭。焊道之連接全部采用殼單元模擬焊接,螺栓和鉚釘采用剛性連接RBE2 模擬。

2.3 單元之質(zhì)量

為掌握計(jì)算穩(wěn)定性與效率,單元依骨架大小劃分為 20 mm 之單元,主要為二階四邊形板殼單元。幾何形狀變化較大的區(qū)域單元邊長不小于20mm,長寬比不大于 10,jacobian 不小于 0.6, 三角形單元數(shù)量不超過整體板殼元素總數(shù) 1%。

2.4 材料性質(zhì)

一般國內(nèi)客車結(jié)構(gòu)普遍使用的材料為 20#鋼、Q235A 與 Q345B,材料性質(zhì)如表 1 所示。

表1 材料性質(zhì)

全承載客車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)hypermesh技術(shù)圖片4

3有限元之仿真分析

針對客車之仿真分析,依序結(jié)合多體入力分析、準(zhǔn)靜態(tài)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、底架優(yōu)化分析、動態(tài)非線性之側(cè)翻分析,在研發(fā)初期能有效的節(jié)省開發(fā)時(shí)間,縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期、降低制造成本,并預(yù)估結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之差異與優(yōu)化后之設(shè)計(jì)方向,以 12米客車為例,客車仿真程序如下:

3.1 基礎(chǔ)車性能分析

以MotionSolve 多體動力軟件計(jì)算模型入力。首先執(zhí)行前懸架與后懸架入力(施力于輪胎) 之計(jì)算;再利用該結(jié)果代入OptiStruct 進(jìn)行綜合工況之結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。

3.2 目標(biāo)設(shè)定

包含減重目標(biāo)值、強(qiáng)度目標(biāo)值、設(shè)計(jì)變更后應(yīng)力值不超過基礎(chǔ)車型,同時(shí)滿足強(qiáng)度目標(biāo)值。

3.3 全承載結(jié)構(gòu)優(yōu)化

以新型式之底架搭配車身設(shè)計(jì)空間,于綜合工況下利用拓樸優(yōu)化,設(shè)計(jì)出新一輪的結(jié)構(gòu);并考慮廠家制造工藝限制、材料選擇成本等。之后繪制三維模型并計(jì)算優(yōu)化后結(jié)構(gòu)之強(qiáng)度。

3.4 側(cè)翻分析

依照歐盟 ECER66-01 之客車上層結(jié)構(gòu)側(cè)翻法規(guī),法規(guī)上之規(guī)定建立殘留空間,給予翻覆平臺轉(zhuǎn)軸每秒 5 度之角速度以舉升平臺。利用 RADIOSS計(jì)算整車側(cè)翻行為,檢查變形后的車身骨架有無侵入乘客之殘留空間。

4 分析結(jié)果

以MotionView建立多體動力學(xué)模型,并且計(jì)算不同典型工況下之載荷,前懸架與后懸架之多體計(jì)算模型如圖4~5所示:

全承載客車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)hyperworks仿真分析圖片5

將計(jì)算后之入力匯入基礎(chǔ)車之車身結(jié)構(gòu)有限元模型,設(shè)定材料系數(shù)、邊界條件與載荷;利用OptiStruct進(jìn)行綜合工況之結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析,分析之結(jié)果如圖6所示:

全承載客車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)hyperworks仿真分析圖片6

圖

6 半承載之基礎(chǔ)車分析結(jié)果示意圖

全承載結(jié)構(gòu)之優(yōu)化可分別針對底架(包含傳統(tǒng)之車架與地板)與車身五大片(包含前圍、后圍、頂蓋與左右側(cè)圍)建立設(shè)計(jì)空間,以車身搭配底架設(shè)計(jì)空間進(jìn)行優(yōu)化如圖7 所示?？紤]綜合工況下,利用拓樸(topology)進(jìn)行底架優(yōu)化,結(jié)果如圖 8 所示。

全承載客車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)hyperworks仿真分析圖片7

再以新設(shè)計(jì)之底架搭配車身設(shè)計(jì)空間如圖 9 所示,考慮綜合工況下,進(jìn)行拓樸優(yōu)化分析后, 其結(jié)果如圖 10 所示。

利用拓樸優(yōu)化之設(shè)計(jì)概念減重后,建立新的車身結(jié)構(gòu)三維,并建立有限元模型,前處理設(shè)定與基礎(chǔ)車相同,利用OptiStruct再度進(jìn)行綜合工況之結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析,而分析之結(jié)果顯示新設(shè)計(jì)的車身在各個工況的應(yīng)力均比基礎(chǔ)車型來得低,因此強(qiáng)度方面均比基礎(chǔ)車型來得優(yōu)良。

將全新設(shè)計(jì)之12米全承載客車,依據(jù)歐盟ECE R66-01之大客車上層結(jié)構(gòu)側(cè)翻法規(guī)(Strength ofsuperstructure),利用RADIOSS計(jì)算車身結(jié)構(gòu)翻覆之強(qiáng)度,其翻覆計(jì)算之歷時(shí)如圖11所示,整車骨架并未侵入乘客之殘留空間(圖12),圖13為翻覆之能量歷時(shí)圖。結(jié)果顯示優(yōu)化后的車身骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合歐規(guī) ECE R66 之要求。