特殊工况下货车驾驶室的结构优化

来源:用户上传      作者: 刘春蕾 石琴

　　
　　摘要：以某轻型载货汽车为例，建立驾驶室有限元模型，通过实验模态与数值模态对比进行模型验证。驾驶室与车架通过翻转机构连接，决定了载荷工况的特殊性。分析驾驶室的受力情况。在外载不变的情况下，基于各部件板厚的灵敏度值，对驾驶室进行轻量化处理。轻量化结果用于外部载荷大小的更新，计算得到结构改进后的驾驶室强度。分析结果表明：通过对灵敏部件的板厚修改，在总车身质量减小的情况下，白车身的强度也有一定提高。
　　关键词：驾驶室；灵敏度；特殊工况
　　中图分类号：U469.2 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2012）02-0027-04
　　
　　Structural Optimization of Truck Cab Based on Special Load Case
　　LIU Chun-lei， SHI Qin
　　（School of Machinery and Automobile Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China）
　　Abstract: A finite element model for a light-duty truck cab is established， which is proved to be accurate by of experimental modal and numerical modal.Because the cab and the frame connect by the flip institutions，the load case is special and analyse the force of the cab.Under the same load case，based on the thickness of the sensitivity values of the various components，the cab is handled for light weight design.The result is used for the optimization of thickness and the update of external load value. The analysis results show that： the light weight process increases the strength of the white body significantly.
　　Key words: cab；sensitivity；special load case
　　目前轻型载货汽车驾驶室广泛应用扭杆翻转机构，使其可向前翻转，便于整车的维修和保养。扭杆机构作用在驾驶室的扭转力矩在其所承受的外部载荷中占有很大比例。理想状态下，扭杆的最大扭矩由驾驶室的重力矩决定，即由重心位置与重量共同决定。车身结构各部件参数的改变不仅影响整体结构参数，还会引起扭杆扭矩的变化。传统结构优化方法是建立在载荷工况不变的条件下的，难以解决这类外部载荷与设计变量同步变化的结构优化问题。本文以某轻货驾驶室为研究对象，将结构灵敏度分析理论应用到车身结构的优化设计中。采用结构钣金件厚度为设计变量，约束驾驶室结构应力最大值，优化驾驶室的总质量。轻量化使得重力矩值减小，降低了扭杆的扭矩值，进而达到改善驾驶室应力状态的目的［1，2］。
　　1 灵敏度分析及优化分析理论
　　
　　1.1 灵敏度分析理论
　　车身结构灵敏度是指设计变量对所关注的结构性能指标的影响程度。结构灵敏度分析就是研究车身结构性能参数的变化对车身结构参数或周围条件变化的敏感性。灵敏度的计算常用泰勒级数推导，过程如下。
　　假定我们想知道U随b的变化关系，则：
　　
　　式中：U为结构性能参数，有限元计算中可以定义的参数有质量、体积、重心、应力、刚度及模态频率等；b为结构设计参数向量，可以采用钣金件厚度、薄壁梁截面尺寸等；bi为第i个钣金件的结构设计参数；e为与b同维度的向量［3，4］。
　　1.2 驾驶室理想解除锁止状态的受力分析
　　本文分析的轻货驾驶室采用的是单扭杆翻转机构（见图1）。扭杆一端插入驾驶室左支承轴管内花键中，另一端由扭杆臂固定在前右支架上，驾驶室前支承臂与驾驶室的左右地板骨架连接。驾驶室为锁止状态时，扭杆的扭转角为最大，此时扭杆的扭力矩最大；当锁止解除后，扭杆的扭力矩作用于驾驶室前支承，克服驾驶室重力矩，并施加较小的向上推力可使驾驶室实现翻转。
　　
　　翻转机构的工作特性要求驾驶室解除锁止机构后，保证驾驶室翻转到0°~5°内处于悬浮状态，即理想状态下扭杆的扭力矩与驾驶室重力矩达到平衡，这样驾驶室在解除锁止时，不会突然弹起或用较大的推力将其翻转。图2中驾驶室在锁止状态时，驾驶室重心距扭杆的水平距离为L。则有：
　　 M扭=M重力=9.8G・LFN=9.8G（4）
　　由公式（4）可知，理想状态下，驾驶室在解除锁止时，仅受扭杆施加的扭矩和支持力以及自身重力的作用。在质量基本不变的情况下，扭矩与重心距扭杆的水平位置呈正比关系。对于应用单扭杆翻转机构的驾驶室来说，总质量和重心位置直接影响了车身结构强度与刚度［5］。
　　1.3 驾驶室优化分析模型
　　驾驶室静态锁止时，承受外部载荷（即扭杆的扭矩）随重心位置与质量的变化而变化。在车身材料不变的情况下，本文选用总的车身质量为目标函数，设计变量为对结构应力最大值影响较为灵敏的零部件组的板厚，结构应力为状态变量。保证应力不增加的前提下，通过灵敏度分析结果改变设计变量值，降低驾驶室白车身总质量，达到驾驶室结构改进的目的。
　　文中约束条件有两类：一类是设计变量的约束；一类是状态变量的约束。设计变量的约束常赋予设计变量h以上、下界，防止在优化过程中出现不切实际的量值，表示为：
　　 hjmin≤hj≤hjmax， j=1，2，…，n （5）
　　式中： hjmin为变量的下限值；hjmax为变量上限值，n为设计变量总数。
　　状态变量的约束应保证对驾驶室各零部件组板厚修改时，总质量不增加，表示为：
　　 σ（b）-σ0≤0 （6）
　　式中：σ（b）为结构修改后的应力最大值：M0为原结构应力最大值。
　　驾驶室白车身的设计优化问题可表示为：
　　 minf（b）g（hj）≤0，j=1，2，…，n（7）
　　式中：g（hj）是由设计变量和状态变量的约束条件所构成的约束函数［3，4］。
　　
　　2 有限元模型建立与静强度分析
　　
　　2.1 有限元模型的建立
　　在某轻货驾驶室白车身几何模型的基础上，建立模态分析有限元模型（见图3）。驾驶室白车身主要以钣金件构成，钣金件间连接方式有焊点连接和螺栓连接。在HYPERMESH中，以 20 mm的单位尺寸对几何模型进行网格划分，最后白车身共离散成 149 505个节点，77 419个单元，其中66 091个Shell63板单元，28个Cbeam梁单元，焊点用Weld单元模拟，螺栓连接用Rigids单元模拟。依实际结构确定各单元厚度。钢材的弹性模量、泊松比及质密度为210 GPa、0.3及7 900 kg/m2。

　　为验证有限元模型的正确性，做了模态试验，识别前5阶模态频率。
　　
　　对建立的模型进行低阶模态分析，计算频率从1~50 Hz，阶数为5阶。然后将计算结果和试验结果的前5阶振型与频率作对比，如表1所示。
　　2.2 驾驶室白车身锁止状态静强度分析
　　驾驶室前支承与驾驶室底部纵梁通过螺栓连接，前支承与翻转机构轴管焊接为一体，扭杆左端通过花键与轴管连接，传递扭矩。前支承轴管两端受左右支架的橡胶垫支承，可绕翻转中心转动，即前支承轴管两端约束UX、UY、UZ、ROTX及ROTZ 5个自由度。驾驶室后悬置的全部自由度被约束。作用在前支承轴管左端的扭矩，通过重力矩的计算为109.9 N・m。驾驶室约束与加载具体情况见图4。
　　
　　对实际锁止状态下驾驶室车身进行静强度计算，由结果知，白车身最大应力为174.8 MPa，出现在地板左前纵梁第一个螺栓孔附近；地板左前纵梁前连接板最大应力为148.7 MPa；地板左前纵梁内加强板最大应力为154 MPa。所使用材料SPCC的屈服极限一般为190~215 MPa，车身上最大应力小于屈服极限。
　　
　　3 灵敏度计算及优化设计
　　
　　3.1 灵敏度分析
　　由于该车车身部分强度指标未能满足工程要求，通过改变组成驾驶室的钣金件厚度进行结构优化设计。在静强度分析基础上对白车身板厚进行灵敏度的分析，可以确定结构修改的最佳优化参数。
　　由于车身构件数量较多，不同位置的构件对驾驶室强度的影响程度不同。因此，对各构件进行灵敏度分析，找出对最大应力值影响较为显著的设计变量就很有必要。根据灵敏度分析结果确定合适的设计变量。通过计算得到的部分对应力最大值较灵敏的部件见表2。
　　
　　注：灵敏度系数为正值表示厚度增大，最大应力值增大；负值表示变化方向相反
　　从表2中可以看出，地板左前纵梁的厚度（变量h17）变化对驾驶室强度影响最大，即灵敏度最大；同时地板左前纵梁前连接板（h18）、前地板（h2）及其地板左前纵梁内加强板（变量h19）、前横梁（变量h39）等的厚度变化对最大应力值大小影响较为灵敏。所以要减小目标函数值，就要减小正灵敏度系数的部件厚度，增加负灵敏度系数的部件厚度。
　　3.2 结果分析
　　根据灵敏度系数大小以及避免前后支承处连接部件及应力最大部件厚度减小等原则，选取设计变量（见表2）。利用HYPERMESH软件对车身有限元模型进行灵敏度分析，目标为驾驶室白车身总质量最小，各部件厚度约束在±20%的变化范围内，原驾驶室白车身应力最大值为178.4 MPa，约束其迭代目标值不大于178.4 MPa。根据灵敏度计算和初步迭代优化的结果，得到各零件新的板件厚度。综合考虑两种工况下灵敏度以及初步优化的计算结果，重新确定车身各零件的板厚［6-9］。对驾驶室白车身应力最大值影响较大的部分部件板厚变化情况见表3。
　　对综合板厚修改后的有限元模型重新计算质量和重心位置，确定施加扭矩大小为900.5 N・m。进行强度计算，具体结果及其同优化前后情况对比见表4。
　　
　　由表4可以看出，载荷工况不变的情况下，约束应力最大值不增加，对驾驶室车身进行轻量化，可以减小白车身总质量，从而降低作用在驾驶室上扭矩的大小，提高驾驶室车身强度。
　　
　　4 结论
　　
　　（1）通过与模态试验数据的对比验证了有限元模型的合理性，为修正和优化分析提供了依据。
　　（2）灵敏度值的计算结果为确定设计变量提供了有效方法。
　　（3）特殊工况下驾驶室的结构优化是采用扭转翻转结构的轻货驾驶室设计中一种可供参考的方法，车身的轻量化带来外部载荷的减小，从而一定程度提高白车身强度。
　　（4）该方法从优化外部载荷环境角度出发，为解决类似结构参数与某些外部载荷密切相关的结构优化问题提供一种思路。
　　
　　参考文献：
　　［1］ 张猛，陈勇敢，陈剑.灵敏度分析在车身结构优化设计中的应用［J］.汽车科技，2011，（2）： 22-24.
　　［2］ 黄金陵.汽车车身设计［M］.北京：机械工业出版社， 2007. ［3］ 石琴.大客车车身骨架结构强度分析及其改进设计［J］.汽车工程， 2007， 29（1）： 87-92.
　　［4］ 石琴，汪成明，刘钊.基于灵敏度分析的车身结构优化设计［J］.合肥工业大学学报，2009，32（7）：955-958.
　　［5］ 周福庚，张林涛. 轻型载货汽车驾驶室翻转机构的结构特点及设计［J］.农业装备与车辆工程，2008，198（1）：13-19.
　　［6］ 谭继锦.某型大客车车身骨架轻量化设计［J］.汽车工程，2006，28（4）：82-85.
　　［7］ 荣见华，郑健龙，徐飞鸿.结构动力修改及优化设计［M］.北京：人民交通出版社，2002：75-204.
　　［8］ 高云凯，张海华，余海燕.轿车车身结构修改灵敏度分析［J］.汽车工程， 2007， 29（6）： 511-536.
　　［9］ 崔岸，王登峰，陈海潮，等. 基于模态灵敏度分析的商用车驾驶室结构优化［J］.汽车工程， 2010， 32（6）： 535-539.

转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-1703450.htm