【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力較大。 緊急轉彎工況急轉彎工況計算主要考慮當客車以最大轉向加速度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、右轉彎應力云圖及變形云圖。 左轉彎工況下的應力分布圖 The body stress distribution of left turn 右轉彎工況下的應力分布圖 The body stress distribution of right turn 計算結果如圖顯示，轉彎對后懸橋附近的應力比較大。 本章小結本章主要運用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生的彎曲應力普遍較前段大。、制動與轉彎工況，車身骨架的最大應力值變化不大，且最大應力值產生的大體部位不變，均在后橋附近。在彎扭工況時，由于受扭轉力矩的作用，后橋附近骨架最大應力明顯增強，并超過車身骨架材料Q235的許用應力值180MPa，可針對性進行結構優(yōu)化，例如，建議把后輪拱下的斜撐過渡平滑一些，可減小集中應力。實際上，由車架、前圍、后圍、頂蓋骨架以及左、右側圍6部分組成的半承載式骨架結構是一個高次超靜定的結構，形成一個近似于空間六面體的剛架，局部結構的加強往往會造成應力值的轉移，并不能提高結構的整體強度。只有通過合理的結構設計和相應的質量分布，充分利用結構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，在結構的大部分部位應力普遍較低，應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，可以對車身骨架進行優(yōu)化設計，使其充分發(fā)揮材料輕度的使用率，從而減小車身骨架質量，實現(xiàn)輕量化目標。第四章 城市客車車身骨架輕量化優(yōu)化設計有研究表明，對于在傳統(tǒng)車身上改裝的電動車，電子設備的增加會使整車質量比同類燃油汽車重10%20%。同時電動汽車每增加IKg質量，,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，車身骨架的質量所占質量百分數(shù)最大，故車身質量的減少可以使現(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瓶頸。另外，由于車身質量減少，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行優(yōu)化設計，減輕車身質量。所謂優(yōu)化設計，就是在保證產品達到某些性能目標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計變量，使產品的指標或性能達到最期望的目標[35]。而客車車身設計的優(yōu)化分析方法是車身結構分析指導車身結構設計的一種方法，其內容可以是車身結構的任意性能參數(shù)，如一階扭轉頻率、總質量，或任意設計參數(shù)，如板厚、梁的截面屬性等[23]。 本文結構優(yōu)化方法說明優(yōu)化問題就是在保證產品達到某些性能目標并滿足一定約束條件的前提下，通過改變某些設計變量，使產品的性能達到最期望的目標，以滿足產品某種功能和外形的需要。例如，在結構滿足剛度、強度要求的前提下，通過改變部分設計變量，使結構的重量最輕。這不但節(jié)省了材料，也方便加工和安裝。正如上面所說，這些性能指標之間有時候是相互矛盾的，因此最優(yōu)設計方案并不是所有的性能指標都是最優(yōu)的，通常在設計中總是存在一個或者幾個主要目標，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，或者經濟性最好，或者重量最輕等目標。優(yōu)化設計有三個要素，即設計變量、目標函數(shù)和約束條件。設計變量是在優(yōu)化過程中發(fā)生改變從而提高性能的一組參數(shù)；目標函數(shù)就是要求的最優(yōu)設計性能，是關于設計變量的函數(shù)；約束條件是對設計的限制，就是對設計變量和其它性能的要求[36]。優(yōu)化設計的數(shù)學模型可以表述為：最小化： （）約束條件： （）式（）和（）中，是設計變量，是目標函數(shù)；是不等式約束函數(shù)，是等式約束函數(shù)；上角標L是下限，上角標U是上限。目標函數(shù)、約束函數(shù)與是從有限元分析中獲得的結構響應；設計變量是一個矢量，它的選擇依賴于優(yōu)化類型，如在拓撲優(yōu)化中設計變量為單元的密度，在尺寸優(yōu)化中設計變量為結構單元的屬性，在形貌優(yōu)化和形狀優(yōu)化中設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；求解就是對參數(shù)化模型進行加載并求解處理，將狀態(tài)變量和目標函數(shù)提取出來進行優(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)（設計變量、狀態(tài)變量和目標函數(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)目標函數(shù)是否達到了最優(yōu)化目標，如果達到了目標，則完成迭代，退出循環(huán)，否則再進行下一次循環(huán)。本文選用的優(yōu)化求解器OptiStruct可以提供6種優(yōu)化方法，各種方法的應用如表51所示?，F(xiàn)在較為成熟的是拓撲優(yōu)化方法，它能在給定的設計空間內尋求最佳的材料分布，由此獲得了汽車行業(yè)內“設計與技術”大獎。其基本思想是將尋求的結構最優(yōu)問題轉化為在給定的設計區(qū)域內尋求最優(yōu)材料分布問題。拓撲優(yōu)化最大的優(yōu)點就是能夠在不知道結構拓撲形狀的前提下，根據(jù)已知邊界條件和載荷條件確定較為合理的結構形式。但是，它一般只能用于結構的概念設計階段，可以為設計人員提供全新的設計和最優(yōu)的材料分布方案[37]，不能涉及具體的結構尺寸設計。對于本課題的研究，如果只使用此方法，就不能達到尺寸設計的目的，不能滿足工廠的要求。，它在優(yōu)化設計過程中將結構的尺寸參數(shù)（如桁架的截面尺寸、板的厚度等）作為設計變量[38]，以尋求最佳的尺寸參數(shù)。但是，這種方法很難對原結構進行較大改進，它不能改變原結構的形狀和拓撲結構，不能保證這種方法得到的設計是最優(yōu)的，若想得到新的結構形式就更不可能了。 OptiStruct中各種優(yōu)化方法的應用 Optimization method applications by OptiStruct優(yōu)化方法應用拓撲優(yōu)化（Topology Optimization）在給定的設計空間內尋找最優(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）找出板殼結構上每個區(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)域的最佳結構形狀。由于本課題所設計的車型為改進型，車身骨架的結構已經得知，可以據(jù)此得到拓撲優(yōu)化的設計空間。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合使用，互相彌補缺陷，就可以達到優(yōu)化設計的目的。因此，本課題將首先對車身骨架進行拓撲優(yōu)化，按照拓撲優(yōu)化的分析結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)，這樣可以建立更準確的尺寸優(yōu)化設計變量，達到優(yōu)化的最終目的。 OptiStruct中的優(yōu)化方法簡介 OptiStruct結構優(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物理問題；(2) 收斂判斷；(3) 設計靈敏度分析；(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計變量變化很小的情況，得到的結果為局部最小值。設計變量的最大變化一般發(fā)生在最初的迭代步中。OptiStruct中用到兩種收斂準則：規(guī)則收斂和軟收斂，滿足一種即可。當相鄰兩次迭代結果滿足收斂準則時即為達到規(guī)則收斂，意味著相鄰兩次迭代目標函數(shù)值的變化小于目標容差，并且約束條件違反率小于1%。當相鄰兩次迭代的設計變量變化很小或沒有變化時，達到軟收斂，這時沒有必要對最后一次迭代的目標函數(shù)值或約束函數(shù)進行估值，因為模型相對于上次迭代沒有變化。 OptiStruct中的拓撲優(yōu)化在利用OptiStruct進行拓撲優(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。尋求一個最佳的拓撲結構形式有兩種基本的原理：退化原理和進化原理。退化原理的基本思想就是在優(yōu)化前將結構所有材料都加上，然后構造出適當?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構元素，直到最終得到一個最優(yōu)化的拓撲結構形式。進化原理的基本思想是把適者生存的生物進化論思想引入到結構拓撲優(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)的拓撲優(yōu)化結果。目前在OptiStruct中用于拓撲優(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，密度法是所有拓撲優(yōu)化問題默認的方法（通過MATFRAC參數(shù)定義的各向同性材料的應變能最小化問題除外）。相對于均勻化方法，密度法是連續(xù)體結構拓撲優(yōu)化設計中使用的更先進的方法，其基本思想是引入一種假象的密度可變的材料，連續(xù)結構體離散為有限元模型后，將其結構中的每個單元的密度設置為完全相同，以每個單元的密度為設計變量，因此結構的拓撲優(yōu)化問題就變成了結構內部材料的最優(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?；谶@種方法，材料的剛度被假想成與密度成線性關系，對材料的表示與通常對材料的理解一致。在OptiStruct中進行拓撲優(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，在進行拓撲優(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，拓撲優(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建表達出來。然后需要對幾何模型進行有限元網格劃分。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)化設計提供殼單元和塊單元。單元的大小同樣對分析結果有著不小的影響。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）建立拓撲優(yōu)化建立了有限元模型后，現(xiàn)在需要對模型進行拓撲優(yōu)化。本課題的優(yōu)化目標是對車身骨架進行拓撲優(yōu)化，在保證強度和剛度的前提下達到輕量化的目的。建立優(yōu)化就是要建立拓撲優(yōu)化設計的三要素：設計變量、目標函數(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行優(yōu)化計算。使用OptiStruct進行計算求解時，OptiStruct求解器會將模型直接載入進行求解，并彈出一個DOS窗口，顯示分析的具體進程。（4）查看結果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，與拓撲優(yōu)化相比，它是一種細節(jié)優(yōu)化設計方法。它需要設計人員對模型有了一定的形狀設計思路之后，通過改變結構單元的某些屬性，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量單元的質量等，來達到一定的設計要求。用于尺寸優(yōu)化的目標或約束函數(shù)的響應可以是質量、體積、重心、靜態(tài)應力、應變以及固有頻率等等。但是，在尺寸優(yōu)化中，結構單元的屬性，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量單元的質量等，不可以直接設置成設計變量，但是它們可以定義為設計變量的函數(shù)。例如，在優(yōu)化設計中，可以首先定義一個設計變量，然后通過卡片將設計變量與需要優(yōu)化的結構單元屬性相關聯(lián)，以此來達到優(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撲優(yōu)化的有限元模型不同，它需要有一個完整的結構有限元模型。它可以按照優(yōu)化設計變量，將結構按照單元屬性分成不同的組別，并進行網格劃分，分別設置網格單元類型、材料屬性以及實參數(shù)等。（2）建立尺寸優(yōu)化有了結構有限元模型后就可以建立尺寸優(yōu)化。本課題尺寸優(yōu)化的目標是通過改變殼單元的厚度來改變車身骨架的重量，以達到輕量化的目的。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計變量，并定義目標函數(shù)和約束條件。（3）優(yōu)化計算使用OptiStruct進行計算求解。（4）查看結果查看結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。 車身骨架的拓撲優(yōu)化 拓撲優(yōu)化有限元模型的建立拓撲優(yōu)化的幾何模型與靜力分析的幾何模型不同，它不需要將每個構件都表達出來。相反，拓撲優(yōu)化的幾何模型只要將車身骨架輪廓的空間尺寸表達出來即可。在拓撲優(yōu)化模型相應的位置留出駕駛室擋風玻璃、車窗、天窗、前后車門、后擋風玻璃以及輪罩的位置。建立了幾何模型后進行網格劃分。使用三維塊單元對幾何模型進行劃分，共得到了692920個塊單元。然后將模型分成前圍、后圍、左側圍、右側圍、頂蓋以及地