輕量化的客車結構側翻安全的仿真應用
1、引言
近年來，客車安全事故的頻發(fā)，使得客車安全性認識提到了一個新的高度。側翻是客車交通事故最為主要的一種形式，由于客車承載特點，一旦發(fā)生翻車事故，容易造成較大的傷亡事故和財產損失。傳統(tǒng)客車設計，為了提高客車側翻安全性，一般通過增加壁厚及截面積等方式，這種方式在增加安全性的同時，增加整車重量。據統(tǒng)計：汽車自重每減少10%，油耗可減少6%-8%，排放可降4%。CAE技術的發(fā)展，可以很好的解決輕量化與安全性矛盾問題，在實現輕量化同時，保證結構的側翻安全性。以某款半承載式客車為研究對象，運用RADIOSS強大的隱式與顯示求解器，實現整車輕量化的同時滿足客車側翻安全性要求。
2、尺寸優(yōu)化的理論基礎
優(yōu)化理論與算法的不斷發(fā)展，使得工程領域，結構的優(yōu)化占據越來越重要的地位。結構優(yōu)化的目的是在于以最少材料、最低的成本及最簡單工藝實現產品最佳的性能為目標，包括強度、剛度、輕量化等。目前在客車輕量化方面應用比較多的有：形狀優(yōu)化、拓撲優(yōu)化、形貌優(yōu)化、尺寸優(yōu)化等優(yōu)化方法。形狀、拓撲及形貌優(yōu)化在產品概念設計階段應用比較多，尺寸優(yōu)化方法在產品后期精細化設計應用較多，尺寸優(yōu)化是在給定結構的類型、材料、拓撲布局和幾何外形的情況下，以截面面積、慣性積、板的厚度等作為設計變量，尋求最優(yōu)的材料利用率。本文基于RADIOSS利用尺寸優(yōu)化方法，對大客車車身骨架進行尺寸優(yōu)化，選取桿件截面厚度作為設計變量，設需要改變的車身骨架桿件總
3、客車骨架尺寸優(yōu)化分析
（1）客車骨架有限元建模
在保證計算的精度及計算效率前提下，盡可能如實地反映汽車車身結構主要力學特性的前提下，對模型進行適當的簡化。在HyperMesh中以殼單元為主，推力桿支座等部件采用實體單元，建立了客車車身骨架有限元幾何模型，配重采用質量點單元施加到相應區(qū)域，保證整車重量及質心位置與實車吻合。
圖1客車有限元網格模型
有限元模型共計589319個單元，其中四邊形單元578461個，三角形單元10558個，593496個節(jié)點?？蛙囉邢拊W格模型如圖1所示。
（2）焊接模擬及材料參數
在對客車進行仿真分析時對整車骨架焊接過程中的出現的變形、殘余應力及連接失效等不做考慮，認為各部件之間是剛性連接。前圍、后圍、車架、頂蓋、左右側圍各個總成通過共節(jié)點方式連接，各大片之間通過剛性連接，螺栓通過beam單元模擬。
客車骨架中車架采用B510材料，車身骨架閉環(huán)結構采用Q345，其它部分采用20#鋼，其材料參數如表1所示：
表1材料參數表
（3）優(yōu)化模型的建立
考慮到模型規(guī)模和計算效率及生產工藝模塊化需要，不可能將每個單獨構件作為一個設計變量，這里根據結構的對稱性及客車生產特點選取車架上縱梁、車架前后大梁、行李倉橫梁、行李倉斜撐、行李倉立柱、地板斜撐、地板橫梁、頂蓋邊縱梁、頂蓋縱梁、弧桿、側位腰梁及立柱作為設計變量，
表2各截面尺寸參數(mm)
（4）工況的確定
根據客車行駛的路況特點，選取彎曲工況、扭轉工況、制動工況及轉彎四種工況。彎曲工況主要模擬客車整車行駛狀況；扭轉工況主要模擬客車通過凸凹不平路面情況；制動工況主要模擬客車制動時受力情況；轉彎工況主要模擬客車轉彎時受力情況。這里考慮動載荷的影響，彎曲工況動載荷系數為2.5，扭轉工況動載荷系數為1.5。綜合考慮計算規(guī)模和迭代效率，選取彎曲工況與扭轉工況兩種典型工況作為優(yōu)化工況，其它兩種工況通過驗證計算要求最大應力不得明顯超過原結構。圖2是優(yōu)化目標迭代過程，優(yōu)化后的厚度需要根據結構承載及公司材料規(guī)格的要求進行圓整，圓整的原則是主要承載結構向上圓整，一般加強結構向下圓整，優(yōu)化及圓整后變量厚度如表2所示。
圖2優(yōu)化目標迭代示意圖
表3各工況優(yōu)化改進前后最大應力(MPa)
通過對原結構及優(yōu)化后圓整結構進行有限元分析，各工況下最大應力值及最大應力位置如表3所示?？傮w看整車應力水平不高，只是局部區(qū)域應力較大，圓整后扭轉工況最大應力值有所增加，但最大應力位置沒有變，最大應力值仍小于材B510材料的屈服極限，仍是安全的。考慮側翻安全性需要優(yōu)化主要選取車架、底架及頂蓋部件進行優(yōu)化，為了滿足側翻安全性需要對立柱、側圍與頂蓋連接區(qū)域增加小斜撐。優(yōu)化后結構減重約8.9%，經過圓整和局部加強后改進結構在應力水平及最大應力沒有明顯增加前提下整車骨架減重約213kg，占整車骨架重的7.5%。
4、輕量化后客車側翻安全性分析
在輕量化基礎上依據GB13094-2007《客車結構全要求》及ECER66-02對客車進行側翻安全性仿真分析，原結構與優(yōu)化改進后結構側翻時間歷程如圖3所示，原結構發(fā)生側圍立柱侵入生存空間情況，侵入量約為31.8mm，優(yōu)化改進結構最小生存空間間隙約為18mm，生存空間外的車身任何部分位置都未侵入生存空間；生存空間內的任何部分都未突出至變形車身結構外，滿足法規(guī)關于客車側翻生存空間要求。
圖3優(yōu)化前后生存空間變化圖
5、結論
在RADIOSS中利用尺寸優(yōu)化設計方法，對某客車典型結構進行優(yōu)化分析，同時考慮側翻結構耐撞性要求對局部結構進行改進，實現了客車結構輕量化與側翻安全性要求。
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