厢式车厢体结构轻量化设计与仿真优化

近年来我国物流运输市场的持续发展，专用厢式运输车在我国的应用越来越广泛。随着物流运输市场对厢式车产品要求的不断提高，现阶段我国厢式车制造企业的开发设计水平不断加强，并且在轻量化、平台化和高效化方面不断吸收国外厢式车制造企业先进的设计开发理念。


汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。实验证明，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%~8%；汽车整备质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3~0.6升；汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。当前，由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。


厢体结构如图1所示，其中厢体骨架由型钢焊接而成，材料为普通碳钢。借助于CAE仿真技术，分析厢体在静载、动载工况下的结构强度，并对其进行轻量化设计，以减少开发成本，提高设计效率。

图1 厢体结构示意图

建立仿真模型


利用HyperMesh软件对厢体骨架进行网格划分，利用Abaqus进行求解骨架刚度、强度，并进行后处理，有限元网格模型如图2所示。

图2 模型网格示意图

边界条件及工况


以实际负载工况和连接为基础，梁单元模拟焊接，确定仿真分析施加载荷与边界条件后，模型如下图3所示，绿色显示为载荷施加位置，红色显示为约束链接位置。

图3 边界工况示意图

结果分析

在静载工况下，厢体结构应力如图4所示，厢体整体结构有极少量单元达到屈服强度，出现在部件焊接处，考虑应力集中因素，可以忽略。

图4 厢体整体应力云图

厢体的最大变形出现在顶部框架位置，如图5所示。在静载工况下，副车架变形在弹性阶段，如图6所示。

图5 厢体整体分析结果（变形）

图6 副车架分析结果（变形）

总体而言，该厢体结构强度满足设计要求，其最大应力远小于材料屈服强度，存在很大的有优化空间。

结构优化

从轻量化设计角度出发，设计两种优化方案，如下表1所示。图7是优化方案1结构模型图，图8是优化方案2结构模型图。

图7 方案1（结构优化）结构模型图

图8 方案2（材料替换）结构模型图

为验证所提出的优化方案在强度刚度方面是否满足设计需求，将两个优化方案按照原分析思路进行静载分析，其分析结果表明：两种优化方案都满足设计需求，应力及变形都在设计要求范围之内，对比结果见表2.。

动载工况分析


优化方案2减重最多，并且减重后其结构性能满足静载工况设计需求。为进一步验证优化方案结构强度、刚度是否合理，将优化方案2在动载工况下进行碰撞分析。

碰撞分析

模拟车辆行驶中遇到急刹车状况为实例，进行厢体结构的动力学分析，校核优化后厢体结构强度与刚度。分析结果如图9，其厢体结构的最大应力未超过材料的屈服强度，满足设计需求，证明了优化方案2符合设计要求。

图9 厢体结构应力云图

拓扑优化


拓扑优化是指在给定的设计空间内找到最佳的材料分布，或最佳传力路径，从而在满足各种性能的条件下得到重量最轻的设计方法。拓扑优化中最常用的材料插值模型方法为密度法（SIMP），即将有限元模型设计空间的每个单元的“单元密度（Density）”作为设计变量。该“单元密度”同结构的材料参数有关（单元密度与材料弹性模量E之间具有某种函数关系)，0-1之间连续取值，优化求解后单元密度为1(或靠近1)表示该单元位置处的材料很重要，需要保留；单元密度为0（或靠近0）表示该单元处的材料不重要，可以去除，从而达到材料的高效率利用，实现轻量化设计。


在轻量化设计过程中，拓扑优化技术备受大家青睐，本文将一个具体案例介绍拓扑优化技术在轻量化设计中的应用。


副车架在装配时与底盘大梁连接，是主要的受力部件，设计者一般将其强度设计的比较高，相应的其重量占比也很高。本实例单独选取副车架做拓扑优化，在副车架强度足够情况下，对其进行轻量化设计，工况为满载，如图10所示，其中蓝色区域为设计区域，其他区域为非设计区域。

图10 拓扑优化前处理图

定义优化三要素（变量、约束、目标）：

变量：材料分布密度

约束：最大等效应力<180Mpa（安全系数1.3）

目标：体积最小化

图11 拓扑优化结果图

优化结果如图11所示，蓝色区域为优化结果建议去除的部分，结合制造工艺要求，对模型结构进行修改，对结构部分区域进行镂空设计，新结构如下图12所示：

图12 新结构示意图

为验证新结构的强度刚度是否合理，对新结构重新进行了静力学分析，工况为满载，其结果表明：最大等效应力111Mpa<180Mpa(材料Q235，安全系数1.3)，未超过材料安全系数范围内的屈服应力，符合设计要求。分析结果如下图13所示：

图13 新结构应力云图

副车架结构在拓扑优化后，质量减轻13kg，占比8.6%，性能也能满足设计要求，优化前后具体变化如下表3所示。

总结


应用CAE仿真技术分析了一款厢式车厢体结构的强度，根据分析结果提出两种优化方案，通过静力学、动力学分析，验证了优化方案强度、刚度满足设计需求。利用拓扑优化技术对厢体副车架进行优化，在保证副车架强度和刚度前提下，对其进行减重设计，达到轻量化设计目的。

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