搜索案例丨基于輕量化的客車結(jié)構(gòu)側(cè)翻安全性研究
2017-01-05 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
摘 要:利用 RADIOSS 強(qiáng)大求解功能,運用尺寸優(yōu)化方法對典型客車整車骨架進(jìn)行優(yōu)化分析與改 進(jìn),在實現(xiàn)輕量化目標(biāo)的同時,滿足客車側(cè)翻安全性的要求,為客車輕量化設(shè)計提供參考。
關(guān)鍵詞:RADIOSS 輕量化 尺寸優(yōu)化 側(cè)翻 安全
Abstract: By RADIOSS and using the size optimization method, the typical structure of the whole bus body is optimized and redesigned. By this method, the coach body reaches the goal of being lightweight. At the same time, the optimized structure meets the rollover safety requirement. This method has positive significance to the weight minimization research of coaches.
Key words: RADIOSS, lightweight, size optimization, rollover, safety
1 引言
近年來,客車安全事故的頻發(fā),使得客車安全性認(rèn)識提到了一個新的高度。側(cè)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(chǎn) 損失。傳統(tǒng)客車設(shè)計,為了提高客車側(cè)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(jù)統(tǒng)計:汽車自重每減少 10%,油耗可減少 6%-8%,排放可降 4%[1]。CAE 技術(shù)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(xiàn)輕量化同時,保證結(jié)構(gòu)的側(cè)翻安全性。以某款半承載式客車為研究對象,運用 RADIOSS 強(qiáng)大的隱式與顯示求解器, 實現(xiàn)整車輕量化的同時滿足客車側(cè)翻安全性要求。
2 尺寸優(yōu)化的理論基礎(chǔ)
優(yōu)化理論與算法的不斷發(fā)展,使得工程領(lǐng)域,結(jié)構(gòu)的優(yōu)化占據(jù)越來越重要的地位。結(jié)構(gòu)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(xiàn)產(chǎn)品最佳的性能為目標(biāo),包括強(qiáng)度、剛度、輕量化等 。[ 2 ]
目前在客車輕量化方面應(yīng)用比較多的有:形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化、尺寸優(yōu)化等優(yōu)化方法。形狀、拓?fù)浼靶蚊矁?yōu)化在產(chǎn)品概念設(shè)計階段應(yīng)用比較多,尺寸優(yōu)化方法在產(chǎn)品后期精細(xì)化設(shè)計 應(yīng)用較多,尺寸優(yōu)化是在給定結(jié)構(gòu)的類型、材料、拓?fù)洳季趾蛶缀瓮庑蔚那闆r下,以截面面積、慣 性積、板的厚度等作為設(shè)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(jìn)行尺寸優(yōu)化,選取桿件截面厚度作為設(shè)計變量,設(shè)需要改變的車身骨架桿件總數(shù)為 n ,第 i 個構(gòu)件截面厚度為 xi (i=1,2,3,…,n);以 X ={ x1 , x2 , x3 ,…, xn } T ,客車車身骨架的尺寸參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型可以表述為:
3 客車骨架尺寸優(yōu)化分析
3.1 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(jié)構(gòu)主要力學(xué)特性的前提下, 對模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕Ｔ?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(zhì)量點單元施加到相應(yīng)區(qū)域,保證整車重量及質(zhì)心位置與 實車吻合。
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(wǎng)格模型如圖 1 所示。
3.2 焊接模擬及材料參數(shù)
在對客車進(jìn)行仿真分析時對整車骨架焊接過程中的出現(xiàn)的變形、殘余應(yīng)力及連接失效等不做考 慮,認(rèn)為各部件之間是剛性連接。前圍、后圍、車架、頂蓋、左右側(cè)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(jié)構(gòu)采用 Q345,其它部分采用 20#鋼,其材料 參數(shù)如表 1 所示:
表 1 材料參數(shù)表
| 材料 |
屈服極限 MPa |
強(qiáng)度極限 MPa |
楊氏模量 MPa |
泊松比 |
密度 (kg/m^3) |
| B510 | 355 | 510 | 210,000 | 0.3 | 7,860 |
| Q345 | 345 | 510 | 210,000 | 0.3 | 7,860 |
| 20# | 240 | 420 | 210,000 | 0.3 | 7,860 |
3.3 優(yōu)化模型的建立
考慮到模型規(guī)模和計算效率及生產(chǎn)工藝模塊化需要,不可能將每個單獨構(gòu)件作為一個設(shè)計變量, 這里根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性及客車生產(chǎn)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(cè)位腰梁及立柱作為設(shè)計變量,
總計 15 個厚度設(shè)計變量,分別表示為TH i , i = 1,2,...15 ;選取單元應(yīng)力作為約束條件;設(shè)計目標(biāo) 為體積最小。
表 2 各截面尺寸參數(shù)(mm)
| 變量名 | 原規(guī)格 | 優(yōu)化結(jié)果 | 圓整后 |
| TH_1 | □120*60*t4 | □120*60*t3.2 | □120*60*t3 |
| TH_2 | □80*50*t4 | □80*50*t2.5 | □50*60*t3 |
| TH_3 | □80*50*t4 | □80*50*t3.5 | □80*50*t3 |
| TH_4 | □80*80*t4 | □80*80*t4.2 | □50*50*t3 |
| TH_5 | □80*50*t4 | □80*50*t2.9 | □50*50*t3 |
| TH_6 | □80*50*t4 | □80*50*t3.8 | □50*50*t3 |
| TH_7 | □80*50*t4 | □80*50*t2.6 | □80*50*t4 |
| TH_8 | [280*80*t7 | [280*80*t6.7 | [280*80*t6 |
| TH_9 | □50*50*t2 | □50*50*t1.8 | □50*40*t2 |
| TH_10 | □50*50*t2 | □50*50*t1.7 | □50*40*t2 |
| TH_11 | □50*50*t3 | □50*50*t2.6 | □50*50*t3 |
| TH_12 | □50*60*t3 | □50*60*t3.3 | □50*60*t3 |
| TH_13 | □40*60*t2 | □40*60*t2.0 | □40*60*t2 |
| TH_14 | □50*30*t2 | □50*30*t1.4 | □50*30*t1.4 |
| TH_15 | □50*30*t3 | □50*30*t2.4 | □50*30*t3 |
3.4 工況的確定
根據(jù)客車行駛的路況特點,選取彎曲工況、扭轉(zhuǎn)工況、制動工況及轉(zhuǎn)彎四種工況。彎曲工況主 要模擬客車整車行駛狀況;扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)彎工況主要模擬客車轉(zhuǎn)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(shù)為 2.5,扭轉(zhuǎn)工況動載荷系數(shù)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(zhuǎn)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(yīng)力不得明顯超過原結(jié)構(gòu)。圖2 是優(yōu)化目標(biāo)迭代過程,優(yōu)化后的厚度需要根據(jù)結(jié)構(gòu)承載及公司材料規(guī)格的要求進(jìn)行圓整,圓整的 原則是主要承載結(jié)構(gòu)向上圓整,一般加強(qiáng)結(jié)構(gòu)向下圓整,優(yōu)化及圓整后變量厚度如表 2 所示。
表 3 各工況優(yōu)化改進(jìn)前后最大應(yīng)力(MPa)
| 工況 |
初始 結(jié)果 |
優(yōu)化 結(jié)果 |
應(yīng)力減少 百分比 |
圓整 結(jié)果 |
應(yīng)力減少 百分比 |
最大應(yīng)力區(qū)域 |
| 彎曲工況 | 265.9 | 264.6 | 0.4% | 264.2 | -0.6% | 中門區(qū)域 |
| 扭轉(zhuǎn)工況 | 216.3 | 243.1 | -12.4% | 238.7 | 10.3% | 左前減震器處 |
| 轉(zhuǎn)彎工況 | 179.4 | 150.7 | -15.9% | 150.7 | -15.9% | 右大梁腹板 |
| 制動工況 | 152.8 | 166.3 | -8.8% | 165.4 | -8.2% | 后氣簧支座處 |
通過對原結(jié)構(gòu)及優(yōu)化后圓整結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,各工況下最大應(yīng)力值及最大應(yīng)力位置如表 3
所示?？傮w看整車應(yīng)力水平不高,只是局部區(qū)域應(yīng)力較大,圓整后扭轉(zhuǎn)工況最大應(yīng)力值有所增加, 但最大應(yīng)力位置沒有變,最大應(yīng)力值仍小于材 B510 材料的屈服極限,仍是安全的。考慮側(cè)翻安全 性需要優(yōu)化主要選取車架、底架及頂蓋部件進(jìn)行優(yōu)化,為了滿足側(cè)翻安全性需要對立柱、側(cè)圍與頂 蓋連接區(qū)域增加小斜撐。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)減重約 8.9%,經(jīng)過圓整和局部加強(qiáng)后改進(jìn)結(jié)構(gòu)在應(yīng)力水平及最 大應(yīng)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(cè)翻安全性分析
在輕量化基礎(chǔ)上依據(jù) GB 13094-2007《客車結(jié)構(gòu)全要求》及 ECE R66-02 對客車進(jìn)行側(cè)翻安全 性仿真分析,原結(jié)構(gòu)與優(yōu)化改進(jìn)后結(jié)構(gòu)側(cè)翻時間歷程如圖 3 所示,原結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)圍立柱侵入生存空 間情況,侵入量約為 31.8mm,優(yōu)化改進(jìn)結(jié)構(gòu)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(nèi)的任何部分都未突出至變形車身結(jié)構(gòu)外,滿足法規(guī)關(guān)于 客車側(cè)翻生存空間要求。
5 結(jié)論
在 RADIOSS 中利用尺寸優(yōu)化設(shè)計方法,對某客車典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析,同時考慮側(cè)翻結(jié)構(gòu) 耐撞性要求對局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),實現(xiàn)了客車結(jié)構(gòu)輕量化與側(cè)翻安全性要求。
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