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客车车身结构轻量化设计

作　者: 周伟
导　师: 宋学伟
学　校: 吉林大学
专　业: 车辆工程
关键词: 客车车身模态分析轻量化拓扑优化灵敏度分析
分类号: U463.82
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

客车轻量化是客车发展的趋势之一,客车轻量化不仅可以降低客车能源消耗、减少环境污染、降低尾气排放,还能提高客车的动力性、操作稳定性、乘坐舒适性和行驶安全性。客车车身骨架是客车重要的承载件,其质量占客车总质量的20﹪～40﹪,车身骨架的轻量化对减轻整车的质量有着非常重要的意义。文中首先论述了车辆轻量化研究的重要性,实现轻量化的方法和国内外研究现状,分析国内在车辆轻量化研究方面所做的工作、不足之处以及与国外的差距。用有限元方法对大客车车身骨架进行静力分析、模态分析和结构轻量化设计,并阐述有限元方法的基本理论、基本概念和有限元分析的一般步骤。建立了大客车车身骨架全板壳单元的有限元计算模型,对该车身骨架结构进行弯曲工况、扭转工况和自由模态的有限元分析,从而求得了该车身骨架弯曲刚度、扭转刚度和前10阶的自由振动频率和振型,对原车身结构基本性能有一定的了解,为后续的轻量化设计提供依据。本文基于拓扑优化和灵敏度分析实现客车车身骨架的轻量化设计。首先建立客车车身拓扑优化区间,然后以车身骨架质量最小为优化目标函数,分别以弯曲刚度和扭转刚度为约束函数,建立大客车车身骨架的拓扑优化模型,并进行拓扑优化计算。根据拓扑优化的结果,设计出新的车身骨架结构,并对新旧车身骨架进行性能对比分析,以验证新设计的车身骨架是否满足要求,若不满足要求,则重新对拓扑优化结果进行构造甚至要重新进行拓扑优化设计,直到新车身性能满足要求为止,对符合要求的车身进行灵敏度分析。对拓扑优化后的车身骨架先建立尺寸优化模型,设计变量为204个车身骨架构件的厚度,以车身骨架的质量最小为目标,以刚度为约束条件,同时要求输出设计变量对目标函数和约束函数的灵敏度值,找到对车身质量和车身刚度比较敏感的构件,根据计算结果和现有客车车身骨架构件的产品系列,从新调整车身骨架构件的厚度,得到新的客车车身骨架结构。最后对经过灵敏度分析得到的客车车身骨架进行弯曲工况、扭转工况和自由模态的有限元分析,得到新车身骨架的弯曲刚度、扭转刚度和前10阶振型特征,并与原车身骨架的性能进行对比分析,结果发现新车身骨架结构弯曲刚度和自由振动频率明显优于原车身结构,新车身骨架的扭转刚度虽然有所下降,但仍在合理的范围内,与原车身结构相比,新车身骨架质量减少14.64%,取得了较好的轻量化效果。

客车车身结构轻量化设计

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