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HyperWorks在小型客车减重优化中的应用

2020/1/30    来源:Altair论文集    作者:曾锋      
关键字:HyperWorks  轻量化  仿真  OptiStruct  
应用HyperWorks先进的CAE优化方法,针对一台长度为6米的电动小巴进行减重设计。项目成果得到了一个国内领先的白车身重量指标。

1 概述

    轻量化已成为行业技术发展的一大趋势。降低客车的整备质量意味着降低能耗、提升续航里程以及获得更好的操控性和动力性。近年来,国内接连颁布汽车轻量化产业规划与支持政策。2015年颁布的《中国制造2025》提出掌握汽车低碳化、轻量化材料等核心技术产业化,从关键零部件到整车的完整工业体系,推进轻量化产业发展。汽车轻量化发展路线与目标已确定:2016年10月26日,中国汽车工程学会节能与新能源汽车技术路线图指出,汽车轻量化技术将成为汽车行业未来重点发展目标之一,要在2025年力争整车质量平均减轻20%。

    在轻量化设计过程中,必须保证车身具有足够的刚度、足够的强度,并且保持良好的疲劳耐久性能。利用CAE技术优化设计汽车结构,可以使零部件薄壁化、小型化、复合化,以及对零部件结构进行合理改进从而最大限度地减轻零部件的质量。HyperWorks软件平台实现了前后处理、优化求解器及CAD模型输出的集成化,HyperWorks轻量化解决方案相较于传统设计手段具有不可比拟的优越性。

    本文介绍了利用HyperWorks仿真平台进行某6米电动小巴的减重工作,项目成果使该车白车身重量降低了约200kg,达到了国内同行业领先水准。

2 技术方案介绍

    2.1 总体技术路线

    该车原始结构方案如图1所示,其采用了传统客车的“鸟笼式”骨架结构,整车白车身均由方钢搭接而成,为低入口一级踏步结构状态。

原始结构方案

图1 原始结构方案

    根据前期对该车市场定位与推广目标需求的调研分析,笔者认为该车的轻量化设计势必要摆脱现有方钢骨架结构状态的束缚,进行创造性的结构设计并同时兼顾制造成本。经多轮评估,决定对该样车的白车身进行全方位的正向拓扑优化设计,以及对部分区域使用冲压结构代替方钢骨架,并进行形貌优化设计。总体技术路线主要包括如下几个方面:

    1)进行底盘多体动力学载荷提取及整车受力分析,找到可进行优化设计的空间;

    2)在外观、总布置不变动的前提下利用OptiStruct求解器进行拓扑优化计算,找出结构型材最合理的分布位置;

    3)利用钣金件对部分方钢结构进行有效代替;

    4)在整车级别上进行两轮以上的优化分析(综合利用形貌优化和尺寸优化技术);

    5)进一步简化次要结构。

    2.2 新型结构方案介绍

    基于上述技术路线,在OptiStruct强大的结构优化功能辅助下,开发出多种新型结构方案从而达到减重的目的。

    (1)采用新型车身结构搭接方法,即钣金冲压成型的顶盖和侧围骨架之间的搭接方法,如图2和图3所示。图3中的U字型折板,将顶盖外钣金件、顶弧杆冲压件,以及侧围骨架进行过渡接合,这种方法是实现方钢骨架结构和钣金结构混搭的关键思路。

新型搭接方案

图2 新型搭接方案

U型板

图3 U型板

    (2)采用新型一级踏步客车动力电池固定方案。该方案将动力电池模块固定在中段地板,以组合的折弯钣件,搭配塞焊和边缘焊缝,固定在纵向主梁上。中间并开螺栓孔,使电池组可以快速抽换。这种结构考虑了局部的受力分散性,虽然结构排列较复杂,但可以同时降低理论受力与工艺制造不良的风险。

新型动力电池布置方案

图4 新型动力电池布置方案

    (3)采用新型后围内钣金结构方案。借助OptiStruct强大的形貌优化和拓扑优化能力,为后围内钣金件设计提供正向思路。如图6所示设计的后围内钣金件折弯形状,可以和后围最后的立柱位置贴合,并可以很容易地用焊接或胶接的方式固定。

后围内钣金的拓扑优化

图5 后围内钣金的拓扑优化

新型后围内钣金结构方案

图6 新型后围内钣金结构方案

    (4)新型中段地板设计方案。形貌优化技术在中段地板加强筋的设计中得以充分利用,中段浅蓝色地板厚度为1.2mm,下方有向上开口的槽型冲压件加强。在横向与纵向型材所分割出来的区域,是以形貌优化的结果指导而成的加强筋布置策略。

形貌优化技术指导中段地板加强筋设计

图7 形貌优化技术指导中段地板加强筋设计

    2.3 减重成果

    最终定型的减重版结构方案如图8所示,与原始方案相比减重近200kg,轻量化指标达到了国内同行业同类车型领先水平。

    利用多体动力学模型计算准静态工况下的受力情况,这些强度工况代表了实际状况下所遇到之各种不同的载荷工况,用于评估客车结构强度性能。整车结构经过强度分析,结果显示强度指标能够满足使用要求。

减重版结构方案

图8 减重版结构方案

整车结构强度分析

图9 整车结构强度分析

3 总结

    对于6米左右长度段的客车,一方面传统客车生产商大多采用骨架结构法,而另一方面乘用车厂转型涉猎小中巴市场时多采用全车钣金车身和大梁式结构。本车采用全承载车架和“骨架+钣金”混搭式的车身,在国内行业中是第一次施行,这种方案为后续小型客车轻量化提供了新的思路。

    传统客车普遍采用的方钢结构法,由于材料性能以及骨架弧杆件加工制造和焊接装配工艺精度限制,使得车身一直难以真正实现模块化生产与装配,而车身局部采用钣金冲压件,无论在生产还是装配上都能够比较容易实现模块化生产,从而为客车行业进行中的模块化推动,探索了一个新的可能性。

责任编辑:程玥
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