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摘要：伴随着能源、环境、汽车产业与可持续发展的问题日益突出,电动客车出现在人们的视野。为了增加电动客车续航里程,需要对其进行轻量化设计。本文对电动客车进行了轻量化研究,把车架总柔度最小设作目标函数,约束为其设计区域的体积分数,设计区域的相对密度为设计变量,对车顶骨架及车底盘进行了拓扑优化,获得相应的拓扑车身结构。然后采取相对灵敏度的方法找出了对车重影响大但是对性能影响小的设计变量。
关键字：电动客车; 车身轻量化; 车身骨架;
引言
随着汽车工业的迅猛发展，汽车保有量快速增加，对节能减排的要求愈来愈迫切，汽车轻量化这一课题应运而生。从国家层面来看，发展汽车轻量化技术关系到国家的能源安全、环境保护的问题；从专业技术方面来看，发展汽车轻量化技术已经成为汽车企业提高核心竞争力的重要手段。
1 电动客车车身骨架结构分析与简化
电动客车车身骨架是～个复杂的空间桁架结构，考虑到有限分析时模型过于庞大而导致计算量大、时间长、成本高等问题，因此，在建模时，采取以下简化措施，忽略一些次要因素：
(1)略去非承载结构件。在电动客车上有些构件是满足安装或使用上的要求而设置的，或者根据局部强度和刚度的要求而设置，如前保险杠、车厢内部扶手、装饰件以及小加强筋等等，这些结构件的变形和内力分布对车身整体应力和应变的影响很小，因此，在建模分析过程中时可以忽略处理。
(2)对部分构件的截面形状作适当简化。由于客车上的一些构件的设计不仅考虑到简单的受力，而且还需要兼顾其他部件的安装和使用要求，如前围立柱需要考虑到与车身左、右侧围以及顶盖骨架的安装等，因此，对其P形截面形状可适当的简化为矩形构件。
(3)曲梁简化为直梁。在有限元分析时可用有限的直梁单元近似的模拟曲梁，如顶盖骨架的横梁，前、后围的横梁等。
(4)在车身骨架的建模过程当中，不考虑蒙皮的对车身骨架的影响。理论分析和实践经验都表明，这样简化后的模型计算应力比考虑蒙皮时的应力要大，因此这样简化后的模型是比较安全合理的。
(5)略去对结构中的一些对有限元分析影响不大的微小特征。例如小圆弧，小孔或倒角。
2 客车轻量化的主要途径
客车车身骨架结构是整车的主要承载部件，骨架质量在客车整备质量中的比重占30％～40％，因此一直以来提到客车轻量化就是指车身结构的轻量化。对电动客车来说，减轻车身结构的质量显得更为重要。因为动力电池组的质量过大而得客车整车质量过大，这将直接导致电客汽车的动力性和续驶里程不敌传统客车，故在动力电池技术轻量化获得重大突破之前，车身结构轻量化依然是客车轻量化的重要途径。一般主要通过三种方式来实现车身结构轻量化，分别为轻质材料的应用、采用轻量化设计方法以及轻量化制造工艺。
(1)轻质材料的应用。目前常见的轻质材料有高强度钢、镁铝合金、钛合金、塑料、纤维、复合材料等，通过合理搭配使用材料，可以显著减轻自重。
(2)应用轻量化设计方法。常用轻量化方法有尺寸优化、拓扑优化、形貌优化、形状优化以及多目标优化、多学科优化等。
(3)采用轻量化成型制造工艺。主要包括直接快速成型技术、树脂转移成型等冲压工艺；胶粘接和铆接工艺代替传统焊接工艺等。
3 底盘骨架的轻量化
底盘骨架受力都比较均匀，材料富裕，且各部件形状、厚度不一，故分析中选取底骨架的主要部分作为设计变量进行灵敏度分析及轻量化研究 ［10］ ． 车身底骨架各部件有 1． 0，1． 2，1． 5，2． 0，3． 0，4． 0，4． 5，5． 0，6． 0，8． 0 mm 10 种厚度，为了化繁为简进一步提高优化的效率，在对原模型清理后忽略一些无关紧要的零部件，可以将底骨架分为前部、中部和后部3 个部分．
3.1底骨架前部
前部主要由承载下端转向机及其附件的 2 个主=横梁、纵梁、横梁以及支架等构成，考虑前端某些梁承载较小，在分组时可忽略不计，共分为 9 组(F1 －F9)，部件分组情况如图1所示。
3.2 底骨架中部
中部主要是承载乘客站立，主要由一种厚度的横纵梁以及斜梁组成，忽略其他的承载较小部件，共分为 7 组(M1 － M7)，部件分组情况如图 2 所示。
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图1 车身底盘骨架前部分组
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图2 车身底盘骨架中部分组
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图3 车身底盘骨架后部分组
表4 直接灵敏度分析结果
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3.3 底骨架后部
尾部主要是承载轮罩电池以及尾部电池，考虑到尾部结构的对称性，可以在分组时将左右相同的部件分为 1 组，忽略一些承载较小的部位，共分为 7组(Ｒ1 － Ｒ7)，具体分组如图 3 所示。
4 变量灵敏度分析
对优化对象的几百个零件进行分组处理后，利用灵敏度分析的方法对变量做进一步处理。通过灵敏度分析得到目标响应对设计变量的敏感程度，即哪些变量对响应影响较大或较小，然后对设计变量进行筛选。从而有针对性的对结构进行优化，提高优化效率，缩短设计的周期。
4.1 相对灵敏度分析理论
客车车身骨架是复杂的空间框架结构，本文对客车顶盖、侧围、车架及地板骨架结构进行优化，设计变量为骨架部件的截面厚度，相应的厚度变量众多。杆件的截面厚度变化对客车各项性能影响都较大，为了提高优化效率，对车身骨架进行灵敏度分析以筛选优化设计变量。灵敏度分析包括直接灵敏度分析和相对灵敏度分析[51]。直接灵敏度分析中，对质量灵敏度较小的部件，即使大幅减小其厚度，车身结构质量也难有大的下降。相反质量灵敏度较大的部件，对这些部件进行减重虽然会使车身结构的各项性能下降较大，但是下降的幅度在可接受的范围内，利用直接灵敏度分析的方法会忽略这些部件，得不到理想的轻量化效果。为避免这一问题，本文采用相对灵敏度分析的方法。以车身结构质量最小作为优化目标，取一阶扭转频率、一阶弯曲频率、扭转刚度、弯曲刚度作为约束条件，扭转刚度计算时以左前轮减震器支架中
4.2 相对灵敏度结果分析
在Optistruct软件中进行灵敏度分析，设置sensitivity卡片，经过11次迭代，获得变量的灵敏度结果，限于篇幅列出部分直接灵敏度结果如表5．1所示，相对灵敏度分析结果如表4所示。
5 结论
从汽车设计角度来讲，车辆的经济性与安全性都与车身的结构性能密不可分． 所以在模态与结构性能合理的条件下，通过适当的对车身骨架一些部位进行尺寸优化可以增加车辆经济性． 从这个角度考虑，基于响应面法对某电动客车进行了实例分析．结果表明:在满足模态与结构性能要求的情况下，车身骨架总质量减轻，约占其总质量的 5． 36%;优化前后位移最大响应处均在车身顶盖，这是因为顶盖空调的集中载荷导致的，在设计中需要注意并且加强． 在今后的工作中，除了进一步研究优化车身结构参数外，拓扑优化也将被考虑，其他更为有效的优化方法也将被采用。
参考文献
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[3]马小英．试论我国城市公共交通与可持续发展[J】．山两建筑．2011．3(9)15•16
[4]徐宏兵，葛如海，王怀． 大客车车身骨架轻量化改进设计［J］． 江苏大学学报(自然科学版)，2003，24(6):42 －45．