基于变密度法的城市客车车架拓扑优化设计

赵东伟，王正超，尹怀仙

(1．青岛大学机电工程学院，山东青岛 266071;2．青岛财经职业学院计算机系，山东青岛 266100)

本文首先分析某混合动力城市客车车架在多种工况下的强度，验证原车架模型的合理性，然后借助HyperWorks软件中的0ptistruct模块，采用变密度法拓扑优化理论，以柔度最小为前提，以显示阈值为约束，在典型工况下对底盘车架进行拓扑优化设计，最终找出车架各部件最合理的布置，不仅提高了车架的强度，也实现了轻量化设计。

1 原车架有限元分析

1.1 原车架有限元模型

城市客车车架材料采用Q345钢，屈服极限为345 MPa，弹性模量为210 GPa，密度为7 850 kg/m3，泊松比为0.3［1－3］。根据城市客车骨架的二维图纸，利用CATIA软件构建含原车架的整车骨架几何模型，并以IGES文件储存，导入到ANSYS有限元分析软件中，选择四面体网格单元，单元尺寸为10 mm，网格单元为257 903，节点数目为329 532，如图1所示。将客车所受载荷施加在相应的支撑点上，并在5种典型满载工况下设置相应的边界条件以及不同的动载系数:弯曲工况、加速工况、制动工况、转弯工况和扭转工况的动载系数分别为 2、1.5、1.5、1.3、1.3［4－7］。

图1 含车架的整车骨架有限元模型

1.2 车架有限元分析结果

对城市客车骨架进行以上5种典型工况的有限元分析，其最大应力情况如下:

1)弯曲工况下最大应力为112 MPa，位于后轮架右端中心位置，安全系数为3.08。

2)加速工况最大应力为116 MPa，位于前轮架与中段天然气罐支架连接处，安全系数为2.97。

3)制动工况下最大应力为105 MPa，位于前悬架横梁与纵梁连接处，安全系数为3.28。……