1、1基于概念设计的客车车身结构设计与优化系统基金项目：国家自然科学基金资助项目（11272077） ；辽宁省“百千万”人才项目（2010921057） ；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（DUT12LK10） 作者简介：侯文彬（1973-） ，男，河北张家口人，大连理工大学副教授，博士 摘要：针对客车车身结构概念设计的特点，开发了客车车身结构概念设计与优化系统（简称 BCD） ，建立了参数化的客车车身结构概念模型以该模型为模板，实现了新客车车身结构概念几何模型的创建和车身尺寸参数调整，同时建立了车身系统的静态刚度分析、低阶模态分析、灵敏度计算和优化设计计算的自动化过程，对车身的结构性能和低
2、阶模态进行了有效的预估最后，本文使用该系统计算了某客车车身结构的刚度和低阶模态，并在保证车身质量降低的情况下实现了刚度和低阶模态的提高，有效的改善该车身结构性能，实现了车身轻量化，验证了 BCD 系统的有效性和可靠性 关键词：客车车身；概念设计；车身优化；轻量化 中图分类号：U46221 文献标识码：A 客车车身骨架是由薄壁杆件组成的复杂的空间高次超静定结构，是整车的关键总成其受力情况复杂，结构分析难度较大，并且其结构性能的好坏与客车车身使用寿命直接相关1-2一般来说客车车身结构应该满2足如下要求：具备足够的静态结构刚度以满足装配及使用要求；强度上要能承受实际工况中出现的最大静载荷及动载荷，以
3、保证其疲劳寿命；还应具有合理的动态性能以达到控制振动和噪声的目的3-4客车车身的开发流程可以分为：产品策划、概念设计、技术设计、产品试制、产品试验和生产准备 6 个阶段其中客车车身结构概念设计阶段对于整车开发具有重要意义，是保证整车性能、设计质量及可靠性的重要阶段，是集中体现创造性思维的阶段在实际应用中，客车车身结构概念设计一直是客车车身开发的薄弱环节随着设计人员对概念设计阶段重要性认识的加深，欧美等主要客车厂商越来越注重概念开发阶段的工作，但是总体说来，客车车身结构概念设计的发展水平还远远没有达到轿车相应水平5本文结合客车车身结构概念设计阶段的特点，开发了客车车身结构概念设计系统该系统在概念
4、设计阶段引入参数化设计思想、CAE 分析和优化方法，将参数化建模、CAE 分析和优化计算集成为一体，实现了 CAE 分析的智能化和“分析驱动设计”的设计理念，并且对于实现客车车身轻量化具有重要意义 1BCD 系统介绍 BCD 系统是在 Siemens NX 件平台进行二次开发实现，其系统结构如图 1 所示，为三层体系结构最顶端的用户层提供了供用户操作的向导式界面，该系统将客车车身结构概念设计阶段复杂的操作分解为 24 步简单操作，使用 UI Styler 创建了与操作步骤对应的交互式操作界面，并通过底层知识库将已有设计经验作为默认设计参数加载到对话框中，指导用户操作逻辑层分为 4 个模块，包括
5、几何建模模块、有限元建模模块、3求解与后处理模块和车身参数优化模块在几何建模模块中，用户可以对系统提供的客车车身结构概念模型的尺寸参数进行编辑，以创建新的客车车身结构概念模型；在分析模块中用户可以选择分析工况类型，包括弯曲刚度计算、扭转刚度计算和模态分析，系统自动完成对概念模型的网格划分，加载梁截面属性和材料属性，设置载荷值和约束条件，用户既可以选择接受系统提供的这些参数的默认值，也可以根据实际分析需要自行设置需要的参数；在求解与后处理模块，系统自动调用 NX Nastran 求解器进行计算，然后生成后处理视图和分析报告；车身优化模块的主要功能是对概念车身进行灵敏度分析并进行尺寸和形状优化，获
6、得优化的车身结构参数物理层指进行车身结构概念设计时用到的各种数据库，包括车身模板库、梁截面库等，具体指保存有相应信息的电子表格为了实现车身结构概念模型的全参数化，在建立车身结构概念模型时将所有参数信息都存储在相应的电子表格中，形成不同的参数库系统运行时会自动加载参数库中的参数信息，也可以将新的设计参数保存到参数库中逻辑层和物理层通过 NX/Spreadsheet 电子表格技术建立联系，在逻辑层和物理层之间进行数据传递 2 客车车身结构参数化的定义实现 在 BCD 系统中，客车车身参数化的实现主要依靠模板完成，模板是一个带有若干产品属性的参数化的车身几何模型，其形状是可调节的系统通过模板可产生新
7、的车身模型下面介绍模板及设计参数 21 设计参数的确定 1） 总体结构参数：轮廓尺寸（车长、车高、车宽） 、轴距、前悬、4后悬因为对于客车车身，接近角、离去角与车身蒙皮有关，车身结构概念模型不考虑车身蒙皮，所以没有选择接近角、离去角作为结构参数图2 为车身结构概念模型长度方向上参数定义 2） 外观特征参数：前门宽度及高度、后门宽度及高度、前后轮轮框宽度、车窗高度前后轮轮框高度及车窗宽度通过调整梁位置实现尺寸调整 22 概念模型的创建原则 建立概念车身参数化模型时，既要考虑车身概念设计阶段的特点，也要考虑到后续参数化有限元模型的自动生成，综合考虑，提出了建立概念车身参数化模型应遵循的原则为： 1
8、） 将车身结构简化为控件线框模型，在不改变车身结构主要力学特性的前提下，忽略工艺孔、翻边、小的肋板等对整体刚度影响较小的非承载件在自动建立有限元模型时，用梁单元进行模拟计算 2） 对于同向焊接的两根梁，因为其焊接处强度近似等于材料内部强度，故可将其简化为一根梁 3） 为了实现概念车身参数化模型的快速修改，需要给设计者提供合适的设计参数和约束条件，但是过多的约束将使模型过于详细，不符合车身结构概念设计的要求，约束过少又难以满足整体设计要求 23 设计参数的确定 系统使用 UG/KF 技术建立客车车身结构概念模型，模型属性按照性质的不同，可以分为两部分，如图 3 所示一部分是用于创建几何对象的子规
9、则，另一部分是用于表达几何对象间参数关系的属性子规则用来创5建各种几何对象，使用各种函数确定创建的几何对象的参数关系属性用来创建主要参数，创建几何对象时引用已建立的属性，当属性值改变时即可改变几何对象的参数在 KF 导航器中，建立新的子规则时，选择ug_point 创建概念模型中的点，选择 nx_line 创建概念模型中的直线，选择 ug_spline_tru 创建概念模型中的样条线直线和样条线表示车身模型中的梁综合使用属性和子规则可以实现各种参数化要求，达到参数化建模的目的 24 客车概念模型的参数管理 BCD 系统使用电子表格建立参数数据库，保存和管理各种参数信息这些参数信息通过 UG/S
10、preadsheet 接口导入到 BCD 系统中，通过调用相应函数完成数据的读写及表单的建立、制作图表等操作电子表格中存储的参数信息可以分为概念模型几何信息和用于建立概念模型的有限元模型的信息概念模型几何信息包括车身主要尺寸参数、车身侧围梁位置、车身顶架梁位置信息、梁截面信息等用于建立概念模型的有限元模型的信息包括默认的载荷值和约束情况、梁单元信息等在创建参数化的概念模型时，为了实现对已有经验和知识的重用，将国家标准和一些学者的研究结果作为经验，以约束和限制车身参数的修改范围 25 车身模板中梁的编辑 2.5.1 梁几何位置调整 2.5.2 梁的增加和删除功能 BCD 系统提供了梁的增加和删除
11、功能，便于用户对模板的调整梁的增加功能是通过增加一个 NX Studio Spline 曲线对象， 然后附上相应的截面、材料和有限元属性 63 客车车身结构分析 客车车身结构概念设计系统（BCD）的一个重要的设计理念就是在车身结构概念设计阶段引入 CAE 分析，系统根据已经建立的客车概念车身参数化模型及用户输入的设计参数自动生成概念车身有限元模型和载荷及边界条件6，用户可以根据需要进行车身结构刚度计算和模态分析 车身结构刚度为：在不至于毁坏车身的外力的作用下，车身抵抗弹性变形的能力，是评价客车车身性能的一项重要指标，对车身其他性能如 NVH 性能和车身结构耐久性都有很大影响7客车在正常行驶中，
12、受车内乘员、货物等载荷的作用引起车身弯曲变形，形成弯曲工况；在特殊情况下，如汽车单轮悬空、对角轮骑障等，车身扭转变形，形成扭转工控车身结构静态结构刚度分析包括车身弯曲刚度和车身扭转刚度 客车车身进行弯曲刚度分析时，可以将车身整体简化为一根简支梁，对车架施加垂直载荷，使车身整体弯曲变形，测量最大挠度值，根据载荷和该挠度值就可以计算得到客车车身弯曲刚度 BCD 系统使用客车车身在扭转载荷作用下产生的扭转角大小来评价车身扭转刚度，即用单位轴距长度轴间相对扭转角评价整车的扭转刚度8-9BCD 系统由式（1）计算扭转角，由式（2）计算车身扭转刚度 式中：GJ 为车身的扭转刚度；M 为车身所施加的扭转载荷
13、； 为车身扭转角 客车在行驶时，由于发动机运转、路面不平等因素的存在，车身结构会在这些振源的激励下产生振动，当振源的激励频率接近车身整体或者局部的固有频率时，会发生共振现象，出现剧烈的振动和噪声，甚至7可能造成结构破坏 BCD 采用 NX Nastran SQL103 求解器可计算 100 阶以下低阶模态 4 客车车身结构优化设计 为实现刚度和模态综合多目标优化，BCD 系统综合了折中规划法和评价频率法10，采用式（3）作为综合多目标优化目标函数，综合了客车整车车身弯曲刚度、扭转刚度和一阶弯曲和扭转模态 4 个目标 在进行优化时，一般要对客车车身结构进行灵敏度分析，这样可以掌握车身结构性能指标
14、对设计变量的灵敏度，选择较灵敏的变量作为优化变量系统采用梯度法进行灵敏度计算，集成了 NX 的 Opt 优化迭代模块，优化变量可以为厚度和截面形状因子 5 设计实例 为了验证 BCD 系统，下面结合某款客车的骨架结构和尺寸，采用该系统进行结构设计和优化过程，并进行结果对比与分析该车身结构初次结构分析结果如表 1 所示与原车分析数据相比，分析最大误差为扭转刚度 11285%，其它误差均在 10%以内，主要原因在于概念结构模型省略了一些加强筋所致，导致刚度有所下降 为了实现车身的轻量化，下面对车身结构进行优化设计，采用的优化变量主要是尺寸厚度优化目标选用了弯曲刚度、扭转刚度、一阶弯曲模态和一阶扭转
15、模态 4 个目标值，设定该目标值大于当前值，即保持目前车身结构性能不减弱优化约束为质量小于当前质量，即车身变轻在考虑对称的情况下，优化变量选择梁 B1 等 23 根梁的截面厚度值作为初选优化变量，如图 5 粗线条梁所示经过灵敏度分析后，挑选 11 根影响较大8的梁的厚度作为优化变量如图 6 所示 通过验证值与优化前指标进行的对比，结果显示弯曲刚度值提高了2489%，扭转刚度值提高了 0531%，整体扭转振型频率提高了 0616%，整体弯曲振型频率降低了 0282%，满足优化目标所设定的值，在车身结构性能不降低的情况下车身质量减少 17095 kg，达到了车身减重的目的优化结束后 BCD 系统使
16、用优化后的尺寸更新设计模型并产生车身的实体模型（见图 7） ，供后期设计使用 6 结论 基于参数化模板技术开发实现了基于客车结构概念设计的车身结构概念设计与优化系统BCD，实现了客车车身结构概念设计和优化的整个流程的一体化这对于缩短车身结构设计周期和车身轻量化具有实际意义通过对某型号客车车身结构模型进行的分析和优化，验证了系统的正确性和有效性，该分析结果也可作为该客车车身后续设计阶段的设计参考，以指导车身轻量化设计 参考文献 1石琴，张代胜，谷叶水，等.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 SHI Qin，ZHANG Daisheng， GU Y
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