【正文】 s distribution under braking condition，本車在此工況下剛度滿足要求，圖中顯示緊急制動對前橋附近骨架及頂骨架的應(yīng)力較大。 緊急轉(zhuǎn)彎工況急轉(zhuǎn)彎工況計算主要考慮當(dāng)客車以最大轉(zhuǎn)向加速度a =，慣性力對車身的影響。與緊急制動工況類似，橫向力須通過拉桿傳遞到車架上，此時，拉桿及拉桿座將承受較大的拉壓載荷，必須具有足夠的強度[31]。載荷處理：類似于緊急制動工況，不同之處在于去除縱向方向的制動減速度，消除縱向慣性力的影響。即變?yōu)闄M向慣性力的影響。約束處理：約束前后懸架與車架相連的位置處，總體上約束6個方向的自由度。通過有限元分析得到左、右轉(zhuǎn)彎應(yīng)力云圖及變形云圖。 左轉(zhuǎn)彎工況下的應(yīng)力分布圖 The body stress distribution of left turn 右轉(zhuǎn)彎工況下的應(yīng)力分布圖 The body stress distribution of right turn 計算結(jié)果如圖顯示，轉(zhuǎn)彎對后懸橋附近的應(yīng)力比較大。 本章小結(jié)本章主要運用NASTRAN分析軟件對6126EV客車車身骨架有限元模型進(jìn)行分析計算，由于該車型車架后懸較長，為3250mm，比前懸長度2210mm增長了 47%，且后懸承受的電器載荷要比前懸大得多。故而車身骨架尾部產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力普遍較前段大。、制動與轉(zhuǎn)彎工況，車身骨架的最大應(yīng)力值變化不大，且最大應(yīng)力值產(chǎn)生的大體部位不變，均在后橋附近。在彎扭工況時，由于受扭轉(zhuǎn)力矩的作用，后橋附近骨架最大應(yīng)力明顯增強，并超過車身骨架材料Q235的許用應(yīng)力值180MPa，可針對性進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，例如，建議把后輪拱下的斜撐過渡平滑一些，可減小集中應(yīng)力。實際上，由車架、前圍、后圍、頂蓋骨架以及左、右側(cè)圍6部分組成的半承載式骨架結(jié)構(gòu)是一個高次超靜定的結(jié)構(gòu)，形成一個近似于空間六面體的剛架，局部結(jié)構(gòu)的加強往往會造成應(yīng)力值的轉(zhuǎn)移，并不能提高結(jié)構(gòu)的整體強度。只有通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和相應(yīng)的質(zhì)量分布，充分利用結(jié)構(gòu)各個部分的材料強度儲備，才能提高整體的強度[32]。由以上分析可見材料的強度儲備較為寬裕，在結(jié)構(gòu)的大部分部位應(yīng)力普遍較低，應(yīng)力主要集中在承載較重的尾段部分，因此材料的強度沒有得到充分的利用?？梢娷嚿砉羌艿妮p量化空間較大。因此，再繼續(xù)保證其剛度和強度要求下，可以對車身骨架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使其充分發(fā)揮材料輕度的使用率，從而減小車身骨架質(zhì)量，實現(xiàn)輕量化目標(biāo)。第四章 城市客車車身骨架輕量化優(yōu)化設(shè)計有研究表明，對于在傳統(tǒng)車身上改裝的電動車，電子設(shè)備的增加會使整車質(zhì)量比同類燃油汽車重10%20%。同時電動汽車每增加IKg質(zhì)量，,而且，[33]。因此，對新能源汽車而言，實現(xiàn)車身輕量化能有效的降低能量消耗。對電動客車而言，車身骨架的質(zhì)量所占質(zhì)量百分?jǐn)?shù)最大，故車身質(zhì)量的減少可以使現(xiàn)用的電池行駛更長的里程，或保持現(xiàn)有的行駛里程的前提下，可以少裝配電池，增加載客量。有助于突破電動客車目前遇到的行駛里程短的技術(shù)瓶頸。另外，由于車身質(zhì)量減少，不僅可以提高客車的加速性能，還可以減少車輛行駛時的慣性，改善制動性能，在車輛發(fā)生碰撞時還可以減少侵入量[34]。因此有需要對車身骨架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，減輕車身質(zhì)量。所謂優(yōu)化設(shè)計，就是在保證產(chǎn)品達(dá)到某些性能目標(biāo)并滿足一定約束條件的前提下，通過改變某些允許改變的設(shè)計變量，使產(chǎn)品的指標(biāo)或性能達(dá)到最期望的目標(biāo)[35]。而客車車身設(shè)計的優(yōu)化分析方法是車身結(jié)構(gòu)分析指導(dǎo)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計的一種方法，其內(nèi)容可以是車身結(jié)構(gòu)的任意性能參數(shù)，如一階扭轉(zhuǎn)頻率、總質(zhì)量，或任意設(shè)計參數(shù)，如板厚、梁的截面屬性等[23]。 本文結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法說明優(yōu)化問題就是在保證產(chǎn)品達(dá)到某些性能目標(biāo)并滿足一定約束條件的前提下，通過改變某些設(shè)計變量，使產(chǎn)品的性能達(dá)到最期望的目標(biāo)，以滿足產(chǎn)品某種功能和外形的需要。例如，在結(jié)構(gòu)滿足剛度、強度要求的前提下，通過改變部分設(shè)計變量，使結(jié)構(gòu)的重量最輕。這不但節(jié)省了材料，也方便加工和安裝。正如上面所說，這些性能指標(biāo)之間有時候是相互矛盾的，因此最優(yōu)設(shè)計方案并不是所有的性能指標(biāo)都是最優(yōu)的，通常在設(shè)計中總是存在一個或者幾個主要目標(biāo)，而其它性能只要符合要求就可以了。比如在滿足一定的約束條件下追求體積最小，或者經(jīng)濟性最好，或者重量最輕等目標(biāo)。優(yōu)化設(shè)計有三個要素，即設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件。設(shè)計變量是在優(yōu)化過程中發(fā)生改變從而提高性能的一組參數(shù)；目標(biāo)函數(shù)就是要求的最優(yōu)設(shè)計性能，是關(guān)于設(shè)計變量的函數(shù)；約束條件是對設(shè)計的限制，就是對設(shè)計變量和其它性能的要求[36]。優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型可以表述為：最小化： （）約束條件： （）式（）和（）中，是設(shè)計變量，是目標(biāo)函數(shù)；是不等式約束函數(shù)，是等式約束函數(shù)；上角標(biāo)L是下限，上角標(biāo)U是上限。目標(biāo)函數(shù)、約束函數(shù)與是從有限元分析中獲得的結(jié)構(gòu)響應(yīng)；設(shè)計變量是一個矢量，它的選擇依賴于優(yōu)化類型，如在拓?fù)鋬?yōu)化中設(shè)計變量為單元的密度，在尺寸優(yōu)化中設(shè)計變量為結(jié)構(gòu)單元的屬性，在形貌優(yōu)化和形狀優(yōu)化中設(shè)計變量為形狀擾動的線性組合因子。一個優(yōu)化過程通常需要3個基本步驟：參數(shù)化建模、求解和優(yōu)化參數(shù)評價。參數(shù)化建模就是利用現(xiàn)代CAE軟件的參數(shù)化建模功能把將要參與優(yōu)化的數(shù)據(jù)定義為模型參數(shù)，作為優(yōu)化的基礎(chǔ)；求解就是對參數(shù)化模型進(jìn)行加載并求解處理，將狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)提取出來進(jìn)行優(yōu)化計算；優(yōu)化參數(shù)評價實際上就是一個迭代求解的過程，即優(yōu)化處理器根據(jù)本次循環(huán)提供的優(yōu)化參數(shù)（設(shè)計變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)）與上次循環(huán)提供的優(yōu)化參數(shù)作比較之后確定本次循環(huán)目標(biāo)函數(shù)是否達(dá)到了最優(yōu)化目標(biāo)，如果達(dá)到了目標(biāo)，則完成迭代，退出循環(huán)，否則再進(jìn)行下一次循環(huán)。本文選用的優(yōu)化求解器OptiStruct可以提供6種優(yōu)化方法，各種方法的應(yīng)用如表51所示?，F(xiàn)在較為成熟的是拓?fù)鋬?yōu)化方法，它能在給定的設(shè)計空間內(nèi)尋求最佳的材料分布，由此獲得了汽車行業(yè)內(nèi)“設(shè)計與技術(shù)”大獎。其基本思想是將尋求的結(jié)構(gòu)最優(yōu)問題轉(zhuǎn)化為在給定的設(shè)計區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)材料分布問題。拓?fù)鋬?yōu)化最大的優(yōu)點就是能夠在不知道結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤畹那疤嵯拢鶕?jù)已知邊界條件和載荷條件確定較為合理的結(jié)構(gòu)形式。但是，它一般只能用于結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計階段，可以為設(shè)計人員提供全新的設(shè)計和最優(yōu)的材料分布方案[37]，不能涉及具體的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計。對于本課題的研究，如果只使用此方法，就不能達(dá)到尺寸設(shè)計的目的，不能滿足工廠的要求。，它在優(yōu)化設(shè)計過程中將結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)（如桁架的截面尺寸、板的厚度等）作為設(shè)計變量[38]，以尋求最佳的尺寸參數(shù)。但是，這種方法很難對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大改進(jìn)，它不能改變原結(jié)構(gòu)的形狀和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不能保證這種方法得到的設(shè)計是最優(yōu)的，若想得到新的結(jié)構(gòu)形式就更不可能了。 OptiStruct中各種優(yōu)化方法的應(yīng)用 Optimization method applications by OptiStruct優(yōu)化方法應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化（Topology Optimization）在給定的設(shè)計空間內(nèi)尋找最優(yōu)的材料分布。形貌優(yōu)化（Topography Optimization）在鈑金件上尋找最佳的加強筋位置和形狀。尺寸優(yōu)化（Size Optimization）優(yōu)化梁的界面尺寸等。自由尺寸優(yōu)化（Free Sizing Optimization）找出板殼結(jié)構(gòu)上每個區(qū)域或者單元的最佳厚度。形狀優(yōu)化（Shape Optimization）優(yōu)化產(chǎn)品的位置和幾何形狀。自由形狀優(yōu)化（Free Shape Optimization）自動確定選定區(qū)域的最佳結(jié)構(gòu)形狀。由于本課題所設(shè)計的車型為改進(jìn)型，車身骨架的結(jié)構(gòu)已經(jīng)得知，可以據(jù)此得到拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計空間。分析上述的兩種優(yōu)化方法的特點不難發(fā)現(xiàn)，如果將上述兩種方法結(jié)合使用，互相彌補缺陷，就可以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計的目的。因此，本課題將首先對車身骨架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，按照拓?fù)鋬?yōu)化的分析結(jié)果可以得到車身骨架的材料分布密度，根據(jù)材料分布密度為尺寸優(yōu)化提供分組依據(jù)，這樣可以建立更準(zhǔn)確的尺寸優(yōu)化設(shè)計變量，達(dá)到優(yōu)化的最終目的。 OptiStruct中的優(yōu)化方法簡介 OptiStruct結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法簡介OptiStruct采用局部逼近的方法來求解優(yōu)化問題。其一般步驟如下：(1) 采用有限元法分析相應(yīng)物理問題；(2) 收斂判斷；(3) 設(shè)計靈敏度分析；(4) 利用靈敏度信息得到近似模型，求解近似優(yōu)化問題；(5) 返回第一步。這種方法用于每迭代步設(shè)計變量變化很小的情況，得到的結(jié)果為局部最小值。設(shè)計變量的最大變化一般發(fā)生在最初的迭代步中。OptiStruct中用到兩種收斂準(zhǔn)則：規(guī)則收斂和軟收斂，滿足一種即可。當(dāng)相鄰兩次迭代結(jié)果滿足收斂準(zhǔn)則時即為達(dá)到規(guī)則收斂，意味著相鄰兩次迭代目標(biāo)函數(shù)值的變化小于目標(biāo)容差，并且約束條件違反率小于1%。當(dāng)相鄰兩次迭代的設(shè)計變量變化很小或沒有變化時，達(dá)到軟收斂，這時沒有必要對最后一次迭代的目標(biāo)函數(shù)值或約束函數(shù)進(jìn)行估值，因為模型相對于上次迭代沒有變化。 OptiStruct中的拓?fù)鋬?yōu)化在利用OptiStruct進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化的過程中，每個單元的密度值取為0或者1，單元分別定義為空體或者實體。尋求一個最佳的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式有兩種基本的原理：退化原理和進(jìn)化原理。退化原理的基本思想就是在優(yōu)化前將結(jié)構(gòu)所有材料都加上，然后構(gòu)造出適當(dāng)?shù)膬?yōu)化模型，通過一定的優(yōu)化方法逐步刪減那些不必要的結(jié)構(gòu)元素，直到最終得到一個最優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式。進(jìn)化原理的基本思想是把適者生存的生物進(jìn)化論思想引入到結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化中，通過模擬適者生存、優(yōu)勝劣汰等自然機理來獲得最優(yōu)的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。目前在OptiStruct中用于拓?fù)鋬?yōu)化的退化法有均勻化方法和密度法，用這兩種方法來定義材料的流動性。均勻化法僅用于均一的各向同性的材料。密度法既可以用于各向同性的材料，也可以用于各向異性材料。由于其有效性和普片適用性，密度法是所有拓?fù)鋬?yōu)化問題默認(rèn)的方法（通過MATFRAC參數(shù)定義的各向同性材料的應(yīng)變能最小化問題除外）。相對于均勻化方法，密度法是連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計中使用的更先進(jìn)的方法，其基本思想是引入一種假象的密度可變的材料，連續(xù)結(jié)構(gòu)體離散為有限元模型后，將其結(jié)構(gòu)中的每個單元的密度設(shè)置為完全相同，以每個單元的密度為設(shè)計變量，因此結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化問題就變成了結(jié)構(gòu)內(nèi)部材料的最優(yōu)分布問題。對于密度法，每個單元的材料密度直接被作為設(shè)計變量，在0~1之間連續(xù)變化。0表示“空”，1表示“實”，中間值表示假想的材料密度值。基于這種方法，材料的剛度被假想成與密度成線性關(guān)系，對材料的表示與通常對材料的理解一致。在OptiStruct中進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化主要包括以下4個步驟：（1）建立有限元模型同靜力分析一樣，在進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化之前需要建立有限元模型。首先需要建立用于分析的幾何模型。與靜力分析不同的是，拓?fù)鋬?yōu)化時建立的車身骨架幾何模型只需要表征出車身骨架的空間尺寸，不需要將車身骨架每個構(gòu)建表達(dá)出來。然后需要對幾何模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。這里需要明確劃分單元的類型以及劃分單元的大小。OptiStruct為優(yōu)化設(shè)計提供殼單元和塊單元。單元的大小同樣對分析結(jié)果有著不小的影響。其次需要建立單元屬性、材料屬性以及對模型施加約束和力邊界條件，最后需要建立載荷工況。（2）建立拓?fù)鋬?yōu)化建立了有限元模型后，現(xiàn)在需要對模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。本課題的優(yōu)化目標(biāo)是對車身骨架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，在保證強度和剛度的前提下達(dá)到輕量化的目的。建立優(yōu)化就是要建立拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計的三要素：設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件。（3）優(yōu)化計算建立優(yōu)化后就可以對模型進(jìn)行優(yōu)化計算。使用OptiStruct進(jìn)行計算求解時，OptiStruct求解器會將模型直接載入進(jìn)行求解，并彈出一個DOS窗口，顯示分析的具體進(jìn)程。（4）查看結(jié)果OptiStruct為所有的迭代提供密度信息，并且可以直接使用HyperView軟件進(jìn)行后處理。 OptiStruct中的尺寸優(yōu)化尺寸優(yōu)化是OptiStruct中提供的另一種優(yōu)化方法，與拓?fù)鋬?yōu)化相比，它是一種細(xì)節(jié)優(yōu)化設(shè)計方法。它需要設(shè)計人員對模型有了一定的形狀設(shè)計思路之后，通過改變結(jié)構(gòu)單元的某些屬性，如殼單元的厚度、梁單元的橫截面屬性、彈簧單元的剛度和質(zhì)量單元的質(zhì)量等，來達(dá)到一定的設(shè)計要求。用于尺寸優(yōu)化的目標(biāo)或約束函數(shù)的響應(yīng)可以是質(zhì)量、體積、重心、靜態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變以及固有頻率等等。但是，在尺寸優(yōu)化中，結(jié)構(gòu)單元的屬性，如殼單元的厚度、梁單元的橫截面屬性、彈簧單元的剛度和質(zhì)量單元的質(zhì)量等，不可以直接設(shè)置成設(shè)計變量，但是它們可以定義為設(shè)計變量的函數(shù)。例如，在優(yōu)化設(shè)計中，可以首先定義一個設(shè)計變量，然后通過卡片將設(shè)計變量與需要優(yōu)化的結(jié)構(gòu)單元屬性相關(guān)聯(lián)，以此來達(dá)到優(yōu)化的目的。在OptiStruct中尺寸優(yōu)化同樣包括以下幾個步驟：（1）建立有限元模型尺寸優(yōu)化的有限元模型與拓?fù)鋬?yōu)化的有限元模型不同，它需要有一個完整的結(jié)構(gòu)有限元模型。它可以按照優(yōu)化設(shè)計變量，將結(jié)構(gòu)按照單元屬性分成不同的組別，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分別設(shè)置網(wǎng)格單元類型、材料屬性以及實參數(shù)等。（2）建立尺寸優(yōu)化有了結(jié)構(gòu)有限元模型后就可以建立尺寸優(yōu)化。本課題尺寸優(yōu)化的目標(biāo)是通過改變殼單元的厚度來改變車身骨架的重量，以達(dá)到輕量化的目的。針對本課題需要對不同組別的殼單元厚度屬性建立離散的設(shè)計變量，并定義目標(biāo)函數(shù)和約束條件。（3）優(yōu)化計算使用OptiStruct進(jìn)行計算求解。（4）查看結(jié)果查看結(jié)果時可以通過文本編輯器打開*.out文件查看每一步迭代的體積、約束和尺寸等信息；通過文本編輯器打開*.prop文件查看優(yōu)化后的屬性，得到優(yōu)化后的新厚度信息等。 車身骨架的拓?fù)鋬?yōu)化 拓?fù)鋬?yōu)化有限元模型的建立拓?fù)鋬?yōu)化的幾何模型與靜力分析的幾何模型不同，它不需要將每個構(gòu)件都表達(dá)出來。相反，拓?fù)鋬?yōu)化的幾何模型只要將車身骨架輪廓的空間尺寸表達(dá)出來即可。在拓?fù)鋬?yōu)化模型相應(yīng)的位置留出駕駛室擋風(fēng)玻璃、車窗、天窗、前后車門、后擋風(fēng)玻璃以及輪罩的位置。建立了幾何模型后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。使用三維塊單元對幾何模型進(jìn)行劃分，共得到了692920個塊單元。然后將模型分成前圍、后圍、左側(cè)圍、右側(cè)圍、頂蓋以及地