基于拓扑优化与灵敏度分析的公交车车身骨架轻量化

摘要

公交车是人们出行的重要交通工具，其轻量化能有效提高载客量，实现节能减排。车身骨架是客车的主要承载结构，对其进行轻量化研究具有重要意义。
　　依据有限元思想，运用现代优化理论，采用优化设计方法，借助有限元软件，对某客车公司的公交车车身骨架进行了轻量化研究。以构建的公交车三维数字模型为基础，模拟了公交车悬架系统以及车身骨架有限元模型，进行了典型四种工况即水平弯曲、极限扭转、紧急制动、急速转弯工况的模拟，分析了骨架静态特性。通过车身骨架自由模态的低阶振动情况分析了骨架动态特性，得到了骨架的强度、刚度以及低阶振动频率的参数。以骨架的一阶弯曲频率、一阶扭转频率、弯曲柔度以及扭转柔度为约束条件，以体积最小为目标函数，对骨架进行了拓扑优化。以拓扑优化结果为依据，选取371组杆件为设计变量，对骨架进行了灵敏度分析。
　　根据拓扑优化和灵敏度分析的结果，结合企业对定型产品的规定要求以及钢结构材料的国家标准，提出了车身骨架的轻量化方案，使骨架质量减轻了240kg。与原骨架相比，新骨架保持了原有的扭转刚度和模态振动性能，弯曲刚度得到提高，强度性能明显改善，实现了客车车身骨架轻量化目标。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究意义

1．2 汽车轻量化的主要方法

1．3 结构优化国内外研究现状

1．4 本课题来源及主要研究内容

第2章 公交车车身骨架有限元模型的建立

2．1 有限元概述

2．1．1 有限单元法理论

2．1．2 有限元分析的基本流程

2．2 公交车车身骨架有限元模型的建立

2．2．1 车身骨架三维数字模型

2．2．2 骨架有限元模型单元种类

2．2．3 车身骨架的属性

2．2．4 骨架网格划分

2．2．5 悬架系统的模拟

2．2．6 载荷的模拟

第3章 公交车车身骨架结构性能分析

3．1 公交车车身骨架结构性能分析概述

3．2 典型工况下公交车车身骨架强度分析

3．2．1 水平弯曲工况

3．2．2 极限扭转工况

3．2．3 紧急制动工况

3．2．4 急速转弯工况

3．3 公交车车身骨架刚度分析

3．3．1 车身骨架刚度分析概述

3．3．2 骨架弯曲刚度分析

3．3．3 骨架扭转刚度分析

3．4 模态分析

3．4．1 模态分析概述

3．4．2 车身骨架自由模态分析

第4章 公交车车身骨架拓扑优化设计

4．1 拓扑优化理论基础

4．1．1 拓扑优化简介

4．1．2 拓扑优化方法

4．2 骨架拓扑优化模型建立

4．2．1 拓扑优化数学模型

4．2．2 骨架拓扑优化模型

4．2．3 拓扑优化结果以及分析

第5章 公交车车身骨架灵敏度分析

5．1 灵敏度分析概述

5．2 公交车车身骨架灵敏度分析模型建立

5．2．1 灵敏度分析数学模型

5．2．2 骨架灵敏度分析模型

5．2．3 灵敏度分析结果以及新车身骨架

5．3 公交车新车身骨架性能对比分析

5．3．1 新车身骨架有限元模型

5．3．2 新车身骨架水平弯曲工况对比分析

5．3．3 新骨架极限扭转工况对比分析

5．3．4 新骨架紧急制动工况对比分析

5．3．5 新骨架急速转弯工况对比分析

5．3．6 新车身骨架模态分析

第6章 总结与展望

6．1 研究成果

6．2 不足与展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的论文