拓扑优化设计在客车白车身刚度提升中的应用

庄首吉

(厦门金龙旅行车有限公司， 福建 厦门 361022)

拓扑优化技术是指在给定的设计空间内找到最佳的材料分布或者传力路径，从而在满足各种性能的条件下得到重量最轻的设计[1]。白车身刚度是评价车辆设计可靠性和整车舒适性的重要指标之一，白车身刚度分析是整车开发中必不可少的环节[2]。本文以某客车白车身(BIW)为研究对象，建立其有限元模型，分析其弯曲刚度和扭转刚度；同时利用拓扑优化技术，以白车身骨架刚度为优化目标，对白车身骨架结构进行拓扑优化，从而有效提高白车身刚度性能。

1 白车身刚度计算

1.1 有限元模型的建立

本文对某12 m客车进行分析，其骨架为全承载式结构，悬架为前2后4气囊空气悬架，整车整备质量13 t，轴距6 m。利用Hypermesh对白车身骨架进行网格划分，骨架中的型材构件用四边形CQUAD4和三角形CTRIA3壳单元。白车身有限元模型如图1所示。

图1 白车身有限元模型

样车前后围骨架使用Q345材料，其余骨架使用Q700材料。

1.2 约束条件及载荷施加

白车身的静刚度一般包括弯曲刚度和扭转刚度，弯曲刚度可由车身的最大垂直挠度来衡量，扭转刚度由车身轴间相对扭转角来衡量。

1)弯曲刚度分析。将前悬气囊在骨架上的安装位置及后悬气囊在骨架上的安装位置的中点(通过刚性单元与后悬前后气囊盖板连接，起到同步约束气囊安装点的作用)作为约束点，均约束X、Y、Z三个方向的平动自由度。选取上部地板骨架梁上X方向距离原点1/2轴距的一个节点，在这个节点上施加竖直向下10 000 N的力，如图2所示。……