朱红军，刘芳忠，吴 兵

(1.中车时代电动汽车股份有限公司, 湖南 株洲 412000；2.长沙中车智驭新能源科技有限公司，长沙 410000)

对传统汽车而言，轻量化能有效提高其动力性和经济性，并降低排放[1-2]；对电动汽车而言，降低重量将有助于提高续航里程、改善动力电池的使用效能[3]，从而大大提高产品的竞争力。本文采用有限元分析的手段，通过对某型纯电动客车多种工况下的应力分布进行分析，以车身骨架的截面尺寸为设计变量，以扭转刚度和1阶模态频率为约束，以重量最小为目标，对该型客车结构进行优化，最终达到在满足使用要求下降低车身重量的目的。

1 客车骨架结构优化

1.1 尺寸优化理论

尺寸优化的设计变量可以是材料的密度、单元面积和梁截面的尺寸[4]，目标函数可以是结构的重量或结构的体积。以xi表示各设计变量，以y表示目标函数，则y与xi之间满足一定的函数关系y=f(x1,x2,…xn)。为了使优化问题能够收敛且优化结果满足实际需要，往往还需要添加一定的约束条件gi，使得gi(x1,x2,…xn)≤0。优化过程的实质就是各设计变量xi在允许的范围内，在满足约束条件gi的同时使目标函数y最小化或最大化。

1.2 客车骨架尺寸优化

1.2.1 有限元模型建立及处理

该纯电动客车的前后悬架均采用板簧+吊耳的型式，电机和传动系统后置。对于前后围、左右侧围、顶盖和车架等薄壁管梁件，采用2D壳单元进行网格离散[5-6]，在完成各分总成的网格划分后进行整车骨架网格模型的组装；对于前后悬架采用1D单元进行简化处理。建立的整车骨架有限元模型共包含365 928个单元和352 811个节点，如图1所示。

图1 整车骨架有限元模型

客车骨架的前后围质量较小，减重的空间不大[7]，因此将除前后围外的骨架其他构件厚度作为优化设计变量，并允许各设计变量在初始厚度的基础上有±20%的变化。将对称件、具有相同规格要求的构件作为单一的设计变量，以rf作为顶盖设计变量的名称前缀，以l作为左右侧围设计变量的名称前缀，车架各设计变量的名称前缀以c表示。处理完成的客车骨架共104个优化设计变量。

本文将基于整车骨架的扭转刚度和1阶模态频率来设定优化问题的约束条件。扭转刚度定义为：分别约束左后轮心的dof13自由度和右后轮心的dof123自由度，在左前轮和右前轮心间建立Z向的MPC约束，在左前轮心处施加沿-Z向的载荷F，满足T=F·D/2=2 000 Nm，其中D为前轴左右轮心的轮距，单位为m。允许车身骨架的扭转刚度下降10%，即约束扭转工况下测量点的位移下限为-1.57 mm，同时约束车身骨架的1阶模态频率不低于9.2 Hz。将整车重量最小化设置为该优化问题的目标函数。

1.2.2 骨架尺寸优化结果

经5次迭代后优化问题得到收敛，约束条件和目标函数的迭代过程如图2所示。可以看出，设定的约束条件和目标函数都得到满足。在实际生产过程中，骨架管梁的厚度一般都在特定的规格中进行选择，为了使优化结果切实可行，需要对优化后的各设计变量的厚度进行圆整处理，部分结果见表1。圆整处理后的客车骨架减重135 kg,其中各分总成的质量变化及减重量占骨架总减重量的比值见表2。

(a) 扭转工况挠度变化

(b) 1阶模态频率变化

(c) 车身骨架质量变化

表1 部分设计变量值变化及圆整 mm

表2 分总成质量变化及减重占比

从表2数据看，车身重量的减少主要集中在车架和侧围，顶盖的减重空间相对较小。因此，对客车车身进行轻量化，车架和侧围是需要重点考虑的部位。

2 骨架强度校核及结构改进

2.1 强度校核

车身刚度的降低具体表现为管梁构件壁厚的减少，势必会降低客车骨架的承载能力，通过优化过程的自动迭代,在最大限度地降低客车骨架重量的同时，能确保骨架的扭转刚度满足约束要求，从而能降低因骨架壁厚的减薄而带来的整车应力风险。将前述经优化圆整后的整车骨架有限元模型进行弯曲、扭转、制动和转向工况的强度校核，可以对优化结果的可行性进行评估。

有限元强度校核发现：优化圆整后的客车骨架在弯曲和扭转工况下，客车骨架局部区域在优化后应力升高，局部应力风险加大。其中，弯曲工况下后板簧后安装板前端立柱应力从186 MPa提高至253 MPa；扭转工况下左侧围中部斜撑与立柱搭接部位应力从221 MPa提高至343 MPa。优化后的上述区域均超过相应工况下Q345材料在考虑动载系数下的许用应力230 MPa。

2.2 局部结构改进

根据优化圆整后的客车骨架强度校核结果，考虑进行如下改进：

1) 在后板簧后安装板前端的立柱旁新增厚度为1.5 mm的加强角，左右对称布置，如图3所示。

图3 新增加强角示意图

2) 将左侧围中部斜撑与侧围立柱搭接，改为斜撑同时与侧围立柱和P型腰梁搭接，如图4所示。

(a) 改进前

局部结构改进后，弯曲工况下后板簧后安装板前端立柱局部应力由253 MPa降低至183 MPa；扭转工况下左侧围中部斜撑与立柱搭接部位由343 MPa降低至174 MPa，均低于优化前的水平，且满足相应强度工况对材料的使用要求。局部结构改进后的客车骨架，在满足多种强度工况的要求外，整体质量相比尺寸优化前减少134 kg。

3 结束语

本文使用有限元分析方法对客车骨架进行了尺寸优化和圆整，并对优化圆整后的客车骨架进行强度校核和结构改进，最终得到的客车骨架在满足多种强度工况的使用要求下取得了良好的减重效果。