搜索案例丨基于輕量化的客車結構側翻安全性研究
2017-01-05 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
摘 要:利用 RADIOSS 強大求解功能,運用尺寸優化方法對典型客車整車骨架進行優化分析與改 進,在實現輕量化目標的同時,滿足客車側翻安全性的要求,為客車輕量化設計提供參考。
關鍵詞:RADIOSS 輕量化 尺寸優化 側翻 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,使得客車安全性認識提到了一個新的高度。側翻是客車交通事 故最為主要的一種形式,由于客車承載特點,一旦發生翻車事故,容易造成較大的傷亡事故和財產 損失。傳統客車設計,為了提高客車側翻安全性,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。據統計:汽車自重每減少 10%,油耗可減少 6%-8%,排放可降 4%[1]。CAE 技術的發展,可以很好的解決輕量化與安全性矛盾問題,在實現輕量化同時,保證結構的側翻安全性。以某款半承載式客車為研究對象,運用 RADIOSS 強大的隱式與顯示求解器, 實現整車輕量化的同時滿足客車側翻安全性要求。
2 尺寸優化的理論基礎
優化理論與算法的不斷發展,使得工程領域,結構的優化占據越來越重要的地位。結構優化的 目的是在于以最少材料、最低的成本及最簡單工藝實現產品最佳的性能為目標,包括強度、剛度、輕量化等 。[ 2 ]
目前在客車輕量化方面應用比較多的有:形狀優化、拓撲優化、形貌優化、尺寸優化等優化方法。形狀、拓撲及形貌優化在產品概念設計階段應用比較多,尺寸優化方法在產品后期精細化設計 應用較多,尺寸優化是在給定結構的類型、材料、拓撲布局和幾何外形的情況下,以截面面積、慣 性積、板的厚度等作為設計變量,尋求最優的材料利用率。本文基于 RADIOSS 利用尺寸優化方法, 對大客車車身骨架進行尺寸優化,選取桿件截面厚度作為設計變量,設需要改變的車身骨架桿件總數為 n ,第 i 個構件截面厚度為 xi (i=1,2,3,…,n);以 X ={ x1 , x2 , x3 ,…, xn } T ,客車車身骨架的尺寸參數優化數學模型可以表述為:
3 客車骨架尺寸優化分析
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構主要力學特性的前提下, 對模型進行適當的簡化。在 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,配重采用質量點單元施加到相應區域,保證整車重量及質心位置與 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
個節點。客車有限元網格模型如圖 1 所示。
3.2 焊接模擬及材料參數
在對客車進行仿真分析時對整車骨架焊接過程中的出現的變形、殘余應力及連接失效等不做考 慮,認為各部件之間是剛性連接。前圍、后圍、車架、頂蓋、左右側圍各個總成通過共節點方式連 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,車身骨架閉環結構采用 Q345,其它部分采用 20#鋼,其材料 參數如表 1 所示:
表 1 材料參數表
| 材料 |
屈服極限 MPa |
強度極限 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 優化模型的建立
考慮到模型規模和計算效率及生產工藝模塊化需要,不可能將每個單獨構件作為一個設計變量, 這里根據結構的對稱性及客車生產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、側位腰梁及立柱作為設計變量,
總計 15 個厚度設計變量,分別表示為TH i , i = 1,2,...15 ;選取單元應力作為約束條件;設計目標 為體積最小。
表 2 各截面尺寸參數(mm)
| 變量名 | 原規格 | 優化結果 | 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
根據客車行駛的路況特點,選取彎曲工況、扭轉工況、制動工況及轉彎四種工況。彎曲工況主 要模擬客車整車行駛狀況;扭轉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;轉彎工況主要模擬客車轉彎時受力情況。這里考慮動載荷的影響,彎曲工況動載 荷系數為 2.5,扭轉工況動載荷系數為 1.5。綜合考慮計算規模和迭代效率,選取彎曲工況與扭轉工 況兩種典型工況作為優化工況,其它兩種工況通過驗證計算要求最大應力不得明顯超過原結構。圖2 是優化目標迭代過程,優化后的厚度需要根據結構承載及公司材料規格的要求進行圓整,圓整的 原則是主要承載結構向上圓整,一般加強結構向下圓整,優化及圓整后變量厚度如表 2 所示。
表 3 各工況優化改進前后最大應力(MPa)
| 工況 |
初始 結果 |
優化 結果 |
應力減少 百分比 |
圓整 結果 |
應力減少 百分比 |
最大應力區域 |
| 彎曲工況 | 265.9 | 264.6 | 0.4% | 264.2 | -0.6% | 中門區域 |
| 扭轉工況 | 216.3 | 243.1 | -12.4% | 238.7 | 10.3% | 左前減震器處 |
| 轉彎工況 | 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 |
通過對原結構及優化后圓整結構進行有限元分析,各工況下最大應力值及最大應力位置如表 3
所示?？傮w看整車應力水平不高,只是局部區域應力較大,圓整后扭轉工況最大應力值有所增加, 但最大應力位置沒有變,最大應力值仍小于材 B510 材料的屈服極限,仍是安全的?？紤]側翻安全 性需要優化主要選取車架、底架及頂蓋部件進行優化,為了滿足側翻安全性需要對立柱、側圍與頂 蓋連接區域增加小斜撐。優化后結構減重約 8.9%,經過圓整和局部加強后改進結構在應力水平及最 大應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 輕量化后客車側翻安全性分析
在輕量化基礎上依據 GB 13094-2007《客車結構全要求》及 ECE R66-02 對客車進行側翻安全 性仿真分析,原結構與優化改進后結構側翻時間歷程如圖 3 所示,原結構發生側圍立柱侵入生存空 間情況,侵入量約為 31.8mm,優化改進結構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;生存空間內的任何部分都未突出至變形車身結構外,滿足法規關于 客車側翻生存空間要求。
5 結論
在 RADIOSS 中利用尺寸優化設計方法,對某客車典型結構進行優化分析,同時考慮側翻結構 耐撞性要求對局部結構進行改進,實現了客車結構輕量化與側翻安全性要求。
6 參考文獻
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[10]ECE R66. E/ECE/324 Rev.1/Add.65/Rev.1 Uniform Technical Prescription Concerning The
Approval Of Large Passenger Vehicles With Regard To The Strength Of Their Superstructure.
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