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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(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法主要有:拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化、尺寸結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及形狀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)果圖，XOY面后橋左右上方拓撲優(yōu)化結(jié)果與YOZ面與中部地板相連的后橋左右處拓撲優(yōu)化結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)果。XOY面后橋左右上方第二輪拓撲優(yōu)化結(jié)果與YOZ面與中部地板相連的后橋左右處第二輪拓撲結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)果圖9XOY面方鋼搭建從拓撲優(yōu)化結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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%。
純電動客車底架優(yōu)化設計
