微型客車(chē)車(chē)身靜態(tài)靈敏度分析及優(yōu)化

1、微型客車(chē)車(chē)身靜態(tài)靈敏度分析 及優(yōu)化微型客車(chē)車(chē)身靜態(tài)靈敏度分析及優(yōu)化任光梅，田湘龍,李彥生(北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與癥用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124)摘要:通過(guò)HyperMh軟件建立了某微型客車(chē)車(chē)身的有限元分析模熨，并験證了右限元楔舉的正確性進(jìn)行了車(chē)劈彎曲 刖度和扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)板件厚度的靈敢度分析。根據(jù)靈敏度分析結(jié)呆，選擇優(yōu)化設(shè)計(jì)變?nèi)缫攒?chē)身質(zhì)確均目棟函數(shù)，以車(chē)身 彎曲側(cè)度和扭轉(zhuǎn)K度為狀態(tài)變鈕，對(duì)車(chē)身迸行結(jié)構(gòu)優(yōu)化關(guān)鏡詞:徴型客車(chē);有限元$靈敏度分析;優(yōu)化中圖分類(lèi)號(hào)：文就標(biāo)志碼川 文章編號(hào)16713133(2012)(-003104Static sensitivity analysis and opti

2、mization for minibus bodyR-cn Guailgniei Tian Xiwigkng.Li Yai)$herig(College of Mchanieal Engineering and Applied Electronics Technology,Beijing University of Industry,Beijing 100124.Chino)Abstract：The finite element 曲uilynh trwk-l for the minjbu$ body is 剜 up by HyperMeli and verified by l他t The se

3、nsitivity of flexuraland torior sialxMit the thickness of shell components of the minibus body are analyzed respectively. Baiwdcm (he rmtivity iixialyifi rr?mJl cho(King optimization design variable,using the body 3 gro&i ma陰 出 the objective of iijncticmu- 補(bǔ)ng tho floxural stiffrvs and Sision stiffr

4、uss of th* miinilxis body as the stato vuriablc ,the tructure of minibus body is optimized. Key words: mituibus ；fi nite element ； senitivitv anulw8if ：optimaLiono引宮隨著全球能源的日益緊張和人們環(huán)保意識(shí)的堀 強(qiáng)安全、節(jié)能、環(huán)保和輕雖化已成為、氣今世界汽車(chē)產(chǎn) 業(yè)發(fā)展的主流方向。在滿足安全法規(guī)和乘員舒適性 的前提下.如何優(yōu)化車(chē)身結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)車(chē)身的輕量化已 成為目舸汽車(chē)行業(yè)中研究的熱點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)汽車(chē)車(chē)身 質(zhì)雖約古汽車(chē)總質(zhì)蚩的30% -40%,

5、汽車(chē)每減輕苴總 質(zhì)就的2%,燃油消耗凰可降低6% 8%0因此，最 犬限度地誠(chéng)少材料使用址實(shí)現(xiàn)車(chē)身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè) 計(jì)對(duì)降低油耗、節(jié)約材料和降低成本具有重要意義。 車(chē)身設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的工程涉及參數(shù)眾多冃口改 變參數(shù)，既延長(zhǎng)了研發(fā)時(shí)間又浪費(fèi)大屋的生產(chǎn)成本. 筆者采用靈敏度分析方法，以某微那客車(chē)車(chē)身為研究 對(duì)象，在完成對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)靜態(tài)靈敏度分析的基礎(chǔ)上, 選取對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)影響戢為靈敏的部分進(jìn)行優(yōu)化。1靈敏度分析的理論基礎(chǔ)靈嫩度是關(guān)注指標(biāo)對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變敏的變化 梯度.在剛度分析過(guò)程中,體現(xiàn)為洌度對(duì)車(chē)身各板件 厚度d數(shù)值的變化梯度，在數(shù)學(xué)意義上可以這樣理 解，若一個(gè)函數(shù)F(d)可導(dǎo)，其一階靈敏度S為：陽(yáng)嚅1

6、式中:S為一階靈墩f(shuō)fi；F(對(duì)d求導(dǎo)得：K,JxLj= F，d若外戟荷向&|F|.X1為0.則：luLxi = IOi.E(3)= -i “I m 式屮:K “量為結(jié)構(gòu)有限元模型總剛度逆矩陣。結(jié)構(gòu)有限元模型的總剛度矩陣是由各單元的相31應(yīng)矩陣疊加而成，即Kh嚴(yán)E W， K 宀為 擴(kuò)展后的單元?jiǎng)偠染仃嚿蠟閱卧；萌?工広匚對(duì)/求導(dǎo)得: rK/m =莎(5) 則式(4)可以債寫(xiě)為：八二工W(6)式中:為中對(duì)應(yīng)單元的分雖洌單元位移向戢;觀為單元自由度;IC，丿為來(lái)擴(kuò)階的單 荒剛度導(dǎo)數(shù)矩陣。式(6)就是結(jié)構(gòu)位移向樹(shù)”丨山對(duì)設(shè)計(jì)變雖d的 靈敏度算式。住車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析中.車(chē)身有限元模 型由板殼單元構(gòu)成

7、，因此板殼單元未擴(kuò)階的單兀剛度 矩陣為Z iK = fCn +=廚閃+血Wz(7)式中：心L.和K；-分別為板売單元的膜剛度 和彎曲剛度對(duì)單元?jiǎng)偠鹊呢暙I(xiàn);E為材料彈性常數(shù); d為板殼草元厚度。矩陣i/c；Lxn,和笛只與組成單元的各肖 點(diǎn)坐標(biāo)有關(guān)，而與E和d尤關(guān).且有：5丸兇+3滋聞=Fc 尼+帀用(8)C = r仏F = E/c因此只需再計(jì)算一次各單元的剛度矩陣即可 得A*, . x* O2車(chē)身結(jié)構(gòu)有限元模型的建立與驗(yàn)證在保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性和如實(shí)反映車(chē)身結(jié)構(gòu)主 變力學(xué)待性的前提下,對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)的三維兒何模規(guī)進(jìn) 行簡(jiǎn)化,采用板殼單元對(duì)車(chē)身零/部件進(jìn)行離散，并 盡呈采用四邊形板殼單兀模擬，輔以少屋

8、的三角形 單元以滿足髙質(zhì)址網(wǎng)洛的過(guò)渡需要。車(chē)身結(jié)構(gòu)有限 元模型共包括320 251個(gè)單元、其中有306 262個(gè)四 邊形單元,13 989個(gè)三角形單元。在軟件中將主參 考系坐標(biāo).臨點(diǎn)設(shè)遺在兩前輪中心連線的中點(diǎn)位愷， 車(chē)身縱向向后為X軸正方向，乍身橫向向右為丫軸 正方向，車(chē)身向上為？軸正方向，微型客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu) 有限元模型如圖1所示，圖1中的白圓點(diǎn)川為車(chē)身 質(zhì)心所住位宙，點(diǎn)4(x,y,z)的坐標(biāo)為4( 1 0圖1微餵客車(chē)車(chē)身結(jié)枸有限元模墾為了嵋證揆空的正確性對(duì)模型按腮實(shí)車(chē)靜態(tài)彎 IHI剛度試驗(yàn)工況完成邊界條件和戟荷的施加。邊界 條件設(shè)豐為約朿安裝前輪割左、右螺雄彈贊支承處和 后輪鋼板彈簧的吊耳安裝

9、處的所有自由度，在軍身座 椅安裝處施加大小為3 000N的試驗(yàn)載荷。車(chē)身彎曲國(guó)2車(chē)身彎曲剛度擒度曲線由圖2所示的撓度曲線可知.除個(gè)靜態(tài)試驗(yàn)點(diǎn)撓 度值囚受到試驗(yàn)加載和模型簡(jiǎn)化的滋響.乍身彎曲剛 度的計(jì)算撓度曲線和靜態(tài)試驗(yàn)撓度曲線基本吻合，證 明有限元模型是正確的，叮以作為對(duì)車(chē)身板件進(jìn)行靈 敏度分析利結(jié)構(gòu)優(yōu)化的依據(jù)。3車(chē)身結(jié)構(gòu)靜態(tài)靈敏度分析靈敏度分析作為車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的重要環(huán) 節(jié),其分析結(jié)果可以點(diǎn)接反映出結(jié)構(gòu)各設(shè)計(jì)變址對(duì)結(jié) 構(gòu)性能的影響。本文所提到的車(chē)身結(jié)構(gòu)誨態(tài)靈孃度 是描車(chē)身的靜態(tài)彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)乍身板件悸 度d的靈敏度。3.1目標(biāo)函數(shù)的確定優(yōu)化的目的是在滿足剛度性能的前提下,實(shí)現(xiàn)車(chē) 身

10、骨架的輕蚩化，閡此在進(jìn)行靈敏度計(jì)算時(shí)，將車(chē)身 質(zhì)甩定義為目標(biāo)甌數(shù)。3.2狀態(tài)先蜃的選取對(duì)于彎胎工況,將車(chē)架最大撓度處妁節(jié)點(diǎn)Z向位 移作為狀態(tài)變量;對(duì)于扭轉(zhuǎn)工況，由于在Op恤liuci軟 件中無(wú)法直接將扭轉(zhuǎn)角足義為響應(yīng)星,所以將車(chē)身的 集中力作用點(diǎn)處的Z向位移定義為狀態(tài)變雖。 3.3設(shè)計(jì)變址的選取為提高優(yōu)化效率，根據(jù)靈敏度分析結(jié)果選取設(shè)計(jì). 變就，即先對(duì)選馭的車(chē)身板件埠度進(jìn)行靜態(tài)靈敏度分 析=在獲得靜態(tài)靈敏度分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，選擇對(duì)車(chē) 身剛度和質(zhì)區(qū)影響較大的板件厚度作為設(shè)計(jì)變it 調(diào) 整板件的序度，使車(chē)身在満足剛度性能的同時(shí)盡可能 地減輕質(zhì)星。34邊界條件及載荷施加對(duì)于彎曲工況，計(jì)算時(shí)的載荷工況

11、為約束安裝前 輪罩左、右縹旋彈簧支承處和后輪鋼板彈贊的吊耳安 裝處的所冇自由度，在座椅安裝處施加集中載荷;對(duì) 于扭轉(zhuǎn)工呪，約束前輪罩左、右螺嫌彈贊支承處的所 有自由度，在后鋼板彈簧的前、后吊耳之間的左、右縱 梁上施加大小相等方向相反的豎直方向的集中力，即 對(duì)車(chē)身施加一個(gè)扭矩。目標(biāo)隨數(shù)和狀態(tài)變筑對(duì)各不件設(shè)計(jì)變呈d的靈 敏度分析結(jié)果如表1所示。為了 慣速直觀地選擇出設(shè)計(jì)變化過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu) 響應(yīng)比較靈敏的零件.利用求得的目標(biāo)塚數(shù)和狀態(tài)變 雖對(duì)各冬件設(shè)計(jì)變址d的靈敏度.計(jì)算出各設(shè)計(jì)變雖 的以下參數(shù):S“/Sm、,其中S/Sm、5O/Sn分別表 示彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)設(shè)計(jì)變址的靈敏度與板件 質(zhì)塑對(duì)設(shè)計(jì)變蜃

12、的靈敏度的比值，如圖3、圖4所示。通過(guò)表1的靈敏度分析結(jié)果可以看出，車(chē)身不 同零/部件釣厚度攻變對(duì)車(chē)身剛度性能的影響有較大133彎曲剛度靈敘度與質(zhì)司靈墩度的比值塔/那件療侈圖4扭轉(zhuǎn)剛度熒敏度與質(zhì)墳靈敏度的比值叢1靈散度分析結(jié)果設(shè)計(jì)變車(chē)身板件)貢僦靈敘度 S(1 mm1)彎曲剛度 靈敏度SJ (mm - mm-*)扭轉(zhuǎn)剛哎 艮馥屢?guī)?C mm mm 1)寧件序號(hào)冬件代號(hào)153021110.000.0154S0.30250253021180.001 5&0.00)270.005 4235302J1IO.OOI4SO.OO3 3O0.005 96453023160.000 加0.000600.001

13、88553026110.004510.021400.03090654011110.014300. 108 500.568 50757 500.004 75202H0II240.064690.077 000.088952128011460.00121O.UGO380.010092228011510.000400.000010.00! 87232011560.000920.007 060.005 39242801240.00850.081 700.254002528013190.001300.(X30720.02! 202628013210.001540.009 140.01171272WIS22

14、Q.W1OZO.O06O70-W1672818014220.00-?O70.0189O0.148 002928014450.002M0.000 700.0049230280IS1I0.001 12O.DC0 440.007000 S70.003 010.01130322S015380.001 120.002 700.022403328015610.000500.000020.000433451030240.002 8()0.003 330.1060035510304S0.003 250.010 530.179003651022110.002990JX3 360.039

15、853751023110.004 850.056 150.1653851024130.001 伸0.006 540.Q36 !O3951023)50.003560.040 230.18830405103011O.(XM530.043 450.037954!5103L210.000660.006 62(k 004 454251031240.003 340.014 750-045 7043S103137ft. 003 320.031 150.005 274451032210.000660.007 480.004 364551032220.001580.013 650.008 924651032Z5

16、0.005 770.037 150-200504751033230.001530.011 400.00986485103Q120.0202。O.W2 5Q0.J55 504901 M20.00123O.0W270-019905057011150.001210.604 330.002 63515702116ft. 001-150.WK60O.T731S2S702I170.001400.001 61o.noQoa5357032110.001670.000 600.020 50區(qū)別。由圖3、圖4所示可知、側(cè)圍外蒙皮前段流水 權(quán)、B柱內(nèi)蒙皮、側(cè)后上窗內(nèi)蒙皮、B柱內(nèi)蒙皮加強(qiáng)鐵、 前輪殼和前門(mén)権內(nèi)板(對(duì)應(yīng)

17、圖3和圖4中橫坐標(biāo)6、 10 JI J6J8.37 J9)等零件厚度的政變對(duì)車(chē)身剛度 性能形響較大;前風(fēng)窗尸框、水箱上橫梁.前圍支架、 前門(mén)錢(qián)鏈加強(qiáng)鐵、中涓門(mén)上導(dǎo)軌、后地板前橫梁、縱梁 前段下加強(qiáng)鐵、橫梁屮段、前橫梁、第一橫梁和頂蓋后 撐條(對(duì)應(yīng)圖3和圖4中橫坐標(biāo)2、3、4、13、15、21、22、 等零件厚度的改變對(duì)車(chē)身質(zhì)笫變化彩 響較大因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先選取以上 零件。根據(jù)以上分折從商剛度、輕質(zhì)童的角度岀發(fā)，并 考慮到T.程應(yīng)用屮的工藝、生產(chǎn)成本等實(shí)際問(wèn)題，選 擇前風(fēng)窗下框、前圍支架、側(cè)國(guó)外蒙皮前段小柱內(nèi)蒙 皮沖湃門(mén)上導(dǎo)軌Ji柱內(nèi)蒙皮加強(qiáng)鐵、后地板諭橫梁、 縱梁前段F加強(qiáng)飲、橫

18、梁屮段、前橫梁、第一橫梁、前 門(mén)檻內(nèi)板等十二個(gè)零件.將川厚度作為設(shè)計(jì)變氐進(jìn) 行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。35結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分析在進(jìn)行車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化的同時(shí)必須兼顧車(chē)身剛度 性能因此將車(chē)身質(zhì)雖最小設(shè)為目標(biāo)函數(shù)車(chē)身的彎 曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度設(shè)為約束條件日經(jīng)過(guò)6次迭代計(jì) 算優(yōu)化過(guò)稈向動(dòng)結(jié)束車(chē)身質(zhì)蛍達(dá)到收斂，收斂過(guò)程 如圖5所示。圖5 H標(biāo)甬?dāng)?shù)迭代收斂過(guò)根考慮到生產(chǎn)過(guò)程中使用的扳金材料厚度具有一 定的規(guī)格，所以將優(yōu)化得到的板厚加以調(diào)整.優(yōu)化館、 后及調(diào)整后的車(chē)身板件序度對(duì)比如表2所示。根據(jù)調(diào)整后的車(chē)身板件厚度計(jì)殊車(chē)身的彎曲剛 度和扭轉(zhuǎn)剛度，并將其優(yōu)化后的分析結(jié)果與原車(chē)身進(jìn) 行對(duì)比驗(yàn)遲 牟身性能參數(shù)對(duì)比如表3所示。由對(duì)比結(jié)果可知.通過(guò)對(duì)關(guān)鍵零丿部件的優(yōu)化，車(chē) 身質(zhì)歆滅少了 14.3町年身彎曲剛度和抓轉(zhuǎn)剛廈變化 址分別為-1 37% .0, 40%，仍高于國(guó)內(nèi)同類(lèi)車(chē)型的 剛度性能和滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，因此優(yōu)化后的車(chē)身結(jié)34袤2憂化前、后及調(diào)整后的車(chē)身板件厚度對(duì)比車(chē)幷樓件