纯电动客车底架优化设计

汽车工业领域结构优化设计方法主要有:拓扑结构优化、尺寸结构优化以及形状结构优化等［1］。拓扑优化可以在设计阶段初期按照性能需求进行性能优化设计［2－4］，从而保证后续的尺寸优化和形状优化都是在材料最优分布的前提下进行的优化设计［5－7］。对于客车整车骨架而言，由于车身骨架结构简单，拓扑空间较小且方钢搭建较为成熟，本文将主要考虑底架的拓扑。为了使拓扑优化设计达到最大化，本文将不再以底架局部空间为拓扑优化对象。因此对某款纯电动客车整个底架进行拓扑优化设计，最大程度提高原有车身骨架的整体力学性能。

1底架的第一轮拓扑优化设计

1.1底架拓扑优化空间的建立。本文分析的纯电动客车整车骨架采用HyperMesh软件进行有限元建模。其中有限元单元总数为1290403个，节点数1260881个，三角形单元有7694个，占总数比为0.6%＜5%。故有限元模型合格。其整车车身骨架有限元模型如图1所示。拓扑优化是在给定的设计空间区域内找到其最优的材料分布，以达到最优力学性能和最省材料分布的结构优化设计［8］。所以拓扑优化被广泛用于汽车的正向设计以及轻量化设计［9－11］。本文基于SIMP材料差值的变密度法，以拓扑空间的单元密度为设计变量;以优化后与优化前的总体积比值不大于0.1为约束条件;以柔度最小化(即刚度值最大)为目标函数进行拓扑优化。本文所研究车型为底置电池的纯电动客车骨架，与传统燃油机客车骨架相比，纯电动客车车身结构与承受载荷基本保持不变，由于底架上的发动机换成了电池，并且电池体积分布较大，质量较重，因此底架的结构改动较大。所以本文只将底架作为拓扑优化设计空间，车身骨架仍采用较为成熟的基础车型客车骨架作为非拓扑设计空间，并将该底架作为拓扑设计空间，车身骨架作为非拓扑设计空间的整车骨架有限元模型在Optistruct软件中进行迭代计算。原底架如图2所示。为使拓扑空间达到最大化，除保留底架主要横纵梁以及一些功能性方钢以外，其余斜撑等方钢全部删除。由于前中门踏板作为单独总成进行整车组装，且考虑需站立乘客等情况应过盈设计，所以将其作为非拓扑空间。在拓扑空间区域铺设20mm厚的钢板。关于下文所用到的方向，其设置标准为:X轴为纵向，客车后侧方向为正向;Y轴为横向，客车右侧方向为正向;Z轴为竖直方向，向上方向为正向。底架铺设钢板示意图如图3所示。整个底架一共铺设73组钢板，其中XOY面铺设40组，XOZ面铺设10组，YOZ面铺设23组。为了使拓扑优化结果便于工程制造和工艺性，软件中设置了模式组约束进行对称设计。同时设置最小成员尺寸为75mm，最大成员尺寸为150mm。1.2工况设置和权重系数的确定。1.2.1拓扑优化的工况设置。客车在行驶过程中最常见的两种工况为弯曲工况和扭转工况，因此本次拓扑优化采取弯曲工况和扭转工况进行工况设置。对于弯曲工况:约束左前轮DOF23、右前轮DOF3、左后轮DOF123、右后轮DOF3。在底架中段左右纵梁上方施加均布载荷，均布载荷单侧合力大小为1000N。对于扭转工况:约束左后轮DOF123，右后轮DOF13，左前气囊和右前气囊之间建立MPC约束，MPC约束上施加力矩为2000Nm［12］。1.2.2多工况权重系数的确定。对于弯曲工况和扭转工况权重系数的确定，先给定弯曲和扭转两工况权重系数均为1，然后在Optist-ruct软件中进行一个迭代步的运算后输出OUT文件，查看OUT文件中两工况compliance值分别为2.988393E+02和1.150530E+03。由于两工况com-pliance值相差约4倍，因此重新给定弯曲和扭转两工况权重系数分别为4和1，重复上述步骤，得到两工况compliance值相近，分别为1.195357E+03和1.150529E+03。此时给定的权重系数即为合理的权重系数值。1.3拓扑优化结果与传力路径分析。通过Optistruct软件计算，经过73步迭代运算，得到拓扑优化计算结果。本次拓扑主要删除斜撑而保留横纵梁。通过局部放大车架的拓扑结果图，XOY面后桥左右上方拓扑优化结果与YOZ面与中部地板相连的后桥左右处拓扑优化结果如图4所示。由于后桥左右上方中间2根横梁处存在座椅安装点，故在底架的第一轮拓扑优化中只删除了附近的斜撑，保留了横梁。而从图4(a)可知，后桥左右上方中间2根横梁的存在明显打断了拓扑的传力路径。由图4(b)可知中间2根横梁虽有一定的加强作用，但是其传力路径结构复杂且衍生出很多细小路径，不利于工艺制造。故需要对这些横纵梁方钢进一步删除，扩大拓扑优化空间进行第二轮拓扑优化。使得传力路径更加清晰合理。即通过第一轮拓扑优化结果分析找出由于横纵梁的存在而导致的传力路径不合理的局部空间，对其拓扑空间进一步释放后展开第二轮拓扑优化。

2底架的第二轮拓扑优化设计

2.1底架局部改进后的拓扑优化空间。通过对第一轮拓扑优化结果与传力路径的分析可知，由于过多保留横纵梁方钢导致底架多处部位出现传力路径被打断以及衍生出过多细小路径等现象。故在不改变约束条件和目标函数的前提下，通过扩大第一轮底架拓扑优化空间，而车身骨架仍采用基础车型骨架作为非拓扑优化空间，最终将底架拓扑设计空间改动后的整车骨架有限元模型在Optistruct软件中进行迭代运算。第二轮拓扑XOY面后桥左右上方铺设钢板与YOZ面与中部地板相连的后桥左右铺设钢板如图5所示。即删除中间横梁，使得拓扑空间进一步释放。整个底架一共铺设69组钢板，其中XOY面铺设38组，XOZ面铺设10组，YOZ面铺设21组。第二轮拓扑底架铺设钢板示意图如图6所示。(a)XOY面后桥左右上方(b)XOZ面与中部地板相连的后桥左右处图5第二轮拓扑铺设钢板示意图图6第二轮拓扑底架铺设钢板示意图2.2拓扑优化结果与方钢搭建。2.2.1局部改进处的拓扑传力路径分析。通过Optistruct软件计算，经过72步迭代运算，得到拓扑优化计算结果。XOY面后桥左右上方第二轮拓扑优化结果与YOZ面与中部地板相连的后桥左右处第二轮拓扑结果如图7所示。(a)XOY面后桥左右上方(b)YOZ面与中部地板相连的后桥左右处图7第二轮拓扑优化结果示意图对比图4(a)和图7(a)可知第二轮拓扑优化传力路径无被打断现象;对比图4(b)和图7(b)可知第二轮拓扑优化传力路径更加清晰连贯且未出现细小路径。可进行下一步的方钢搭建。2.2.2底架第二轮拓扑优化结果与方钢搭建。通过HyperMesh软件Post界面中OSSmoth处理以及可制造化处理原则进行方钢搭建。XOY面拓扑优化结果如图8所示，XOY面方钢搭建如图9所示。图8XOY面拓扑优化结果图9XOY面方钢搭建从拓扑优化结果示意图可以看出，整体拓扑传力路径比较清晰且较为合理。故本次拓扑后的方钢搭建严格按照拓扑优化结果进行。考虑到生产工艺技术等工程实际情况，只对局部传力路径不明显处进行略微删减和改进。2.3拓扑优化前后的性能对比。客车的刚度主要包括弯曲刚度和扭转刚度。刚度工况的设置与拓扑优化的静力学分析设置相同。拓扑优化前后相关值对比见表1。由表1可知，经过两轮拓扑优化后与原车型相比，底架质量减轻了0．048t，弯曲刚度增加了4492.2N/mm，增幅达到了50.1%，扭转刚度增加了548.3kNm/rad，增幅达到了35.1%。

3结束语

本文采用SIMP差值的变密度法，以体积分数为约束条件，以最小柔度为目标函数，对某款纯电动客车底架进行了线性加权的多工况两轮拓扑优化，结果表明:在质量减轻了0．048t的同时，弯曲刚度和扭转刚度增幅分别达到了50.1%和35.1%。

作者:孙斌 吴长风 于国飞 沈斯哲 叶松奎 单位:厦门理工学院