技术 | 全承载客车结构优化设计

来源：有限元科技

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摘 要: 结构轻量化为近年来车辆设计之主要目标，减重最重要之目的为节省燃油与提高材料使用效率，车辆耐久强度与安全性也同时列入设计条件。本文将全新的客车开发流程导入客车厂， 利用 HyperWorks 软件对一 12米城市客车进行结构优化设计，最终得到一全新设计之全承载结 构。设计变更后结构重量比原始车型减少超过 20%。最后，依照欧盟 ECER66 之客车上层结构 侧翻法规，利用 RADIOSS 计算车身结构之侧翻强度，由结果显示减重后之车身结构强度符合法规之要求。

1、前言

随着环保法规的日益严峻与能源的缩减，客车作为主要的大众交通工具之一，为提升燃油效率与安全性，客车设计的技术必须不断追求进步。全承载车身设计为各客车制造厂研发重点之一。

本公司依照多年的车辆开发经验，针对客车建立了一套先进的开发流程(图1)。本文以一款12米成熟量产型客车为基础车型，利用先进的优化技术，包括拓扑，尺寸与形貌优化等，得到一个全新概念设计。在保证整车耐久强度充分满足国内主要城市工况行驶需要的要求下，最大可能地去降低结构重量。其中客车优化设计流程图如图2所示。

图1 澳汰尔客车开发流程

经过重新设计为全承载车型。半承载是介于大梁式与全承载之间的车身结构，具有明显的个别车架，以底架为基础再与车身焊接结合，与车身的结合因限制于底架大梁型式，故此种车身结构只能承受部分载荷。全承载(monocoque)结构具备单体化构造之车身(图3)。车身五大片与底架焊接结合之改良设计，受力时能将力快速传递，并分解到全车结构各部位，兼顾结构之强度与其耐久性能，因此其结构有较佳之刚性，在整个行驶过程中，其有较佳之舒适性与较低的噪声。

本文利用HyperWorks 之 MotionSolve 进行车辆入力之计算，以 OptiStruct 进行准静态结构分析与优化设计。基于实车耐久特性考虑，使用惯性释放的方法，个别进行多个行驶工况分析，并优化结构进行减重。最后再以 RADIOSS进行非线性显式动力分析，计算车身结构侧翻强度。

图2 客车优化设计流程图

图3 全承载客车结构示意图

2、有限元模型之建立

本文利用有限元前处理软件 HyperMesh 建立客车之有限元模型，分析之设定则利用边界条件与材料系数以及求解所需之参数控制卡片等，再依需求汇出至不同求解器进行求解。

2.1 单位

本文所使用之单位为：mm/ton/sec/N。

2.2 模型之建立

首先将三维模型转文件汇入 HyperMesh中，将骨架结构之管件抽取中面，再进行几何清理，其中几何清理对于网格质量相当重要。对于每一支骨架的每个方向至少要有 2~3排单元，三角形单元避免选用，同时应低于整体单元数量之1%，以免高估结构的强度。在保证壳单元基本不变形的条件下，采用节点重合方法模拟焊接，主要应用在“T”形接头。焊道之连接全部采用壳单元模拟焊接，螺栓和铆钉采用刚性连接RBE2 模拟。

2.3 单元之质量

为掌握计算稳定性与效率，单元依骨架大小划分为 20 mm 之单元，主要为二阶四边形板壳 单元。几何形状变化较大的区域单元边长不小于20mm，长宽比不大于 10，jacobian 不小于 0.6， 三角形单元数量不超过整体板壳元素总数 1%。

2.4 材料性质

一般国内客车结构普遍使用的材料为 20#钢、Q235A 与 Q345B，材料性质如表 1 所示。

表1 材料性质

3、有限元之仿真分析

针对客车之仿真分析，依序结合多体入力分析、准静态结构强度分析、底架优化分析、动态非线性之侧翻分析，在研发初期能有效的节省开发时间，缩短产品的开发周期、降低制造成本，并预估结构设计之差异与优化后之设计方向，以 12米客车为例，客车仿真程序如下：

3.1 基础车性能分析

以MotionSolve 多体动力软件计算模型入力。首先执行前悬架与后悬架入力（施力于轮胎） 之计算；再利用该结果代入OptiStruct 进行综合工况之结构强度分析。

3.2 目标设定

包含减重目标值、强度目标值 、设计变更后应力值不超过基础车型，同时满足强度目标值。

3.3 全承载结构优化

以新型式之底架搭配车身设计空间，于综合工况下利用拓朴优化，设计出新一轮的结构；并考虑厂家制造工艺限制、材料选择成本等。之后绘制三维模型并计算优化后结构之强度。

3.4 侧翻分析

依照欧盟 ECER66-01 之客车上层结构侧翻法规，法规上之规定建立残留空间，给予翻覆平 台转轴每秒 5 度之角速度以举升平台。利用 RADIOSS计算整车侧翻行为，检查变形后的车身骨架有无侵入乘客之残留空间。

4、分析结果

以MotionView建立多体动力学模型，并且计算不同典型工况下之载荷，前悬架与后悬架之多体计算模型如图4~5所示:

将计算后之入力汇入基础车之车身结构有限元模型，设定材料系数、边界条件与载荷；利用OptiStruct进行综合工况之结构强度分析，分析之结果如图6所示:

图6 半承载之基础车分析结果示意图

全承载结构之优化可分别针对底架(包含传统之车架与地板)与车身五大片（包含前围、后围、顶盖与左右侧围)建立设计空间，以车身搭配底架设计空间进行优化如图7 所示。考虑综合工况 下，利用拓朴(topology)进行底架优化，结果如图 8 所示。

再以新设计之底架搭配车身设计空间如图 9 所示，考虑综合工况下，进行拓朴优化分析后， 其结果如图 10 所示。

利用拓朴优化之设计概念减重后，建立新的车身结构三维，并建立有限元模型，前处理设定与基础车相同，利用OptiStruct再度进行综合工况之结构强度分析，而分析之结果显示新设计的车身在各个工况的应力均比基础车型来得低，因此强度方面均比基础车型来得优良。

将全新设计之12米全承载客车，依据欧盟ECE R66-01之大客车上层结构侧翻法规(Strength ofsuperstructure)，利用RADIOSS计算车身结构翻覆之强度，其翻覆计算之历时如图11所示，整车骨架并未侵入乘客之残留空间(图12)，图13为翻覆之能量历时图。结果显示优化后的车身骨架结构强度符合欧规 ECE R66 之要求。

图11 客车侧翻计算历时图

图12 客车侧翻后之示意图

图13 翻覆之能量历时图

5、结论

(1)本文以一 12米城市客车为例，说明如何将高阶之优化流程导入客车设计，最终得到一全新概念之全承载式客车结构，整车结构的重量比基础车型减少>20%。

(2)利用 MotionView 建立多体动力学模型，提交 MotionSolve计算后，可得出不同典型工况下悬架的受力。此种方式所计算出之结果，远较传统预估的方法合理。

(3)高质量之单元及合理的外力和边界条件，将使结构应力分布更加接近真实的状况，也提高有限元计算的信赖度。

(4)各种工况计算、优化过程、整车结构设计及耐久性能评估，需要有相当的客车设计经验才能完成整个工作流程，同时也需要考虑到各车厂的工艺性。

(5)新设计之全承载结构不只考虑了耐久性，同时也利用 RADIOSS 计算并改善，符合侧翻 ECE R66规范，大大提升了产品未来的适用性。

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