郁铖 洪天宇 周梦瑶 777

【摘 要】以某款国产客车为例，通过对车身部分骨架进行刚度灵敏度分析，从中选取合适的优化对象，然后以车身质量最小化为目标，优化所选取车身零件的截面尺寸和厚度。对轻量化后的骨架进行侧翻碰撞仿真，确保优化后的结构安全性。结果表明，轻量化结果满足乘员安全性的要求。

【关键词】灵敏度分析；侧翻；轻量化

一、引言

当今时代的汽车产业的发展方向是低碳化、信息化、智能化，对此，轻量化技术是支持节能与新能源发展的重要生产技术之一，实现车身结构减重有利于提高汽车动力性以及节能减排、保护环境。

但不恰当的轻量化设计可能导致车身结构力学性能和乘员安全性的下降，因此本文以国内某款客车为例，将检验后的有限元模型在Hypermesh/Optistruct中进行计算求解，采用刚度灵敏度分析的方法，得到对刚度变化影响较小的构件并进行轻量化设计。再以客车最危险的侧翻碰撞事故为例，在Hypermesh/Ls-Dyna中检验优化后的客车乘员安全性。

二、建立有限元模型

从Catia中导入整车几何模型，在Hypermesh中建立有限元模型：为方便建模，做如下简化处理：（1）忽略管件的倒圆角；忽略一些非承载部件和工艺孔；左右侧围骨架中的部分弯曲梁用直梁代替[1]。（2）网格单元类型选择：所有规则的型材和蒙皮采用壳单元建模，钢板弹簧采用梁单元模拟，车内乘客生存空间采用低密度刚性单元，蓄电池和油箱采用体单元模拟，翻转平台及撞击面采用刚性壳单元模拟。（3）网格单元形状选择三角形与四边形混合交叉型，单元大小为40mm。（4）连接情况：各构件之间进行节点合并，各总成之间根据实际焊接情况，采用RBE2刚性单元模拟，蒙皮车身使用焊点连接。（5）材料选择：客车车身骨架结构和底盘骨架结构均使用Q235B材料，蒙皮使用Q235A材料[1]。

三、车身刚度灵敏度分析

轻量化设计的初衷是通过优化材料布局、去除材料冗余的方法达到减轻整车质量的目的，但不可避免地会影响车身性能如整车刚度、模态和内外部振动噪声性能等，又因为上述车身性能都可以直接或间接地通过刚度体现[2]，因此本文对车身构件进行刚度灵敏度分析，以期望尽量避免车身性能的大幅度降低。

（一）灵敏度分析

分析目标：弯曲刚度可用车身在铅垂载荷作用下产生的挠度大小来描述，扭转刚度可以用车身在扭转载荷作用下产生的扭转角大小来描述[2]，因此对于弯曲工况设为车身骨架的最大挠度，对于扭转工况设为车身的最大扭转角。

约束条件：对于两种工况下均设为车身构件的最大应力值

设计变量：由于客车车身结构件众多，不可能全部选择，故遵循以下选择原则：第一，避开对碰撞安全性、局部刚度性能影响大的零件；第二，忽略一些对刚度贡献量小的板件[2]。最后选择的设计变量包括：前风窗立柱、侧窗立柱、侧围第一立柱和后立柱、搁梁、腰梁、裙立柱、顶部横梁纵梁等杆件的高、宽、壁厚的变化量。

（二）优化设计

得到两种工况下变量的灵敏度分析结果，挑选其中灵敏度值大者即对目标函数和约束条件影响小的杆件的作为优化设计的设计变量。由于杆件密度均匀，质量与体积成线性关系，因此新的目标函数设为待优化的车身骨架的体积最小[3]，新的约束条件设为待优化的车身骨架的最大挠度和最大应力值，计算可得质量、挠度和应力随迭代次数的变化情况如表 1。由表知，优化分析共进行了10次迭代计算，从第6次开始数据渐趋平缓，其中第8次质量最小为700kg，较初始降低120kg，较总质量减小5.9%；此次最大挠度值较第一次增加0.0532mm，上升1.5%；最大应力值较初始值相比增大4.53Mpa，上升4.0%。虽然最大挠度与最大应力均有所上升，但幅度较小，较为理想。

但计算结果出于制造性与经济性的考虑无法直接应用，还需结合实际人为修正板厚，部分截面尺寸的修正值见表2。

四、仿真分析

考虑到地板搁梁与左右侧围的连接部分可能存在变形较大的问题，因此在连接处进行结构加强，采用管内填充的方法，填充材料选择环氧树脂、木屑及固化剂的混合物[1]。在有限元模型中建立实体单元模拟物和乘员安全空间，将模型递交到Hypermesh/Ls-Dyna中进行侧翻碰撞仿真计算。

（一）参数设置

求解前输入如下参数：（1）仿真初始角速度：利用能量守恒定律[4]，计算得客车接触地面的角速度为2.18rad/s。（2）接触设置：客车与平台之间的接触设置为面面接触，摩擦系数均为0.7；客车内部各部件间的接触设置为单面自动接触[4]，摩擦系数设为0.8。（3）时间步长：为了控制沙漏现象，设置沙漏系数为0.05，并通过人为改变质量缩放来控制时间步长的长短[4]。（4）仿真时间：设为200ms。

（二）侵入量分析

骨架变形量的大小直接影响到乘客的生命安全，因此根据骨架变形后位移是否侵入生存空間可以判断乘员安全性是否满足要求。本文中变形测量点选择在左右侧围车身立柱距离地板1250mm处各6个测量点[5]，仿真结束后变形的侧窗立柱与乘员生存空间的距离如表3所示。由表可知，变形后的车身构件未侵入乘员生存空间，说明乘员安全性满足要求，其中，前部立柱变形较后部大。

（三）加速度分析

客车发生侧翻事故时，如果客车的侧翻加速度较大而车辆结构刚度不够时，骨架结构会发生挤压变形进而造成人员伤亡，或者即便骨架结构没有入侵乘员生存空间，乘客也可能因为侧翻过程中的瞬时加速度过大导致意外。所以在客车侧翻过程中，加速度曲线可用来评价乘员安全性的好坏，曲线中峰值大小与峰值的持续时间是评价的重要指标[6]。

本次仿真中客车的质心加速度随时间变化的曲线如图1所示。第一个峰值意味着车体与地面发生第一次接触，第二个峰值意味着由于侧翻后车体发生变形后反弹。而与优化前相比，第一个和第二个峰值发生的时间均有延长，加速度值也略有减少，说明优化后的结构带给乘客的最大冲击载荷有所减少，乘员安全性略有提高。

五、结论

对已有车型在Hypermesh/Optistruct中进行刚度灵敏度分析，通过改变构件的截面尺寸和厚度可以达到轻量化的目的，但车身性能会略有降低。但通过局部加强等措施，在Hypermesh/Ls-dyna中进行侧翻碰撞仿真分析可知，结果满足侧翻碰撞下乘员安全性的要求。

【参考文献】

[1]阮诚心.基于侧翻碰撞仿真安全性的客车车身改进设计及乘员损伤研究[D].湖南：湖南大学，2012.6 .

[2]王志亮，刘波，马莎莎等.基于弯曲刚度和扭转刚度的白车身优化分析[J].机械科学与技术.2008，27（8）：1021-1024.

[3]曹文钢，曲令晋，白迎春.基于灵敏度分析的客车车身质量优化设计[J].汽车工程.2009，31（3）：278-281.

[4]徐晓芳.客车上部结构侧翻安全性研究[D].西安：长安大学，2017.6.

[5]王书举，潘一山，张国胜等.某6756型客车侧翻碰撞安全性分析[J].公路交通科技.2015，32（6）：154-158.

[6]周革，卢强.客车侧翻碰撞加速度评价的研究[J].机械工程师.2007，（3）：19-20.