客車車身骨架高剛度與輕量化靈敏度分析方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種客車車身骨架高剛度與輕量化靈敏度分析方法，屬于客車車身設(shè)計(jì)領(lǐng)域。包括客車骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)化組件建模、靜動(dòng)態(tài)剛度定義、靜動(dòng)態(tài)剛度對(duì)整車質(zhì)量的靈敏度分析。本發(fā)明的方法區(qū)別于其他車身結(jié)構(gòu)剛度靈敏度分析方法：該方法的靜動(dòng)態(tài)剛度靈敏度是對(duì)整車質(zhì)量的導(dǎo)數(shù)，提高剛度的同時(shí)，可減輕車身質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)；傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是將靜動(dòng)態(tài)剛度對(duì)斷面尺寸參數(shù)求導(dǎo)數(shù)，其只能提高車身剛度而不能減輕車身質(zhì)量。此外，本發(fā)明采用了伴隨變量靈敏度分析方法，極大地減少了計(jì)算量，從而可以設(shè)計(jì)大型的客車骨架結(jié)構(gòu)，將會(huì)對(duì)客車車身設(shè)計(jì)技術(shù)有重要指導(dǎo)作用。
【專利說(shuō)明】客車車身骨架高剛度與輕量化靈敏度分析方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及客車車身設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別涉及一種客車車身骨架高剛度與輕量化靈敏度分析方法，主要用于確定客車箱型梁斷面的幾何尺寸，從而實(shí)現(xiàn)客車車身骨架結(jié)構(gòu)輕量化、高剛度的目標(biāo)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)總量的持續(xù)增加，國(guó)家對(duì)公共交通領(lǐng)域大量投資，改善民生。與此同時(shí)，汽車尾氣的排放對(duì)大氣環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。因此，客車行業(yè)的節(jié)能減排任務(wù)相當(dāng)艱巨，這有待于客車設(shè)計(jì)技術(shù)的革新。客車車身輕量化技術(shù)是可行的解決方案之一:即在保證車身骨架剛度的前提下，減輕客車車身自重，提高車速、降低油耗、減少?gòu)U氣排放量。但是如何對(duì)客車骨架減重，這依賴于對(duì)車身骨架進(jìn)行剛度對(duì)整車質(zhì)量的靈敏度分析。通過(guò)分析結(jié)果，對(duì)客車骨架箱型梁斷面的幾何參數(shù)修改，實(shí)現(xiàn)輕量化、高剛度的目標(biāo)。傳統(tǒng)的客車骨架參數(shù)化建模都是每個(gè)梁結(jié)構(gòu)都匹配一組獨(dú)立的斷面幾何參數(shù)，設(shè)計(jì)方法是將靜動(dòng)態(tài)剛度對(duì)斷面尺寸參數(shù)求導(dǎo)數(shù)，其只能提高車身剛度而不能減輕車身質(zhì)量。傳統(tǒng)的客車的剛度靈敏度分析方法基本上采用差分法，差分步長(zhǎng)會(huì)引起計(jì)算誤差，更為嚴(yán)重的是，計(jì)算量極大，影響車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)周期。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種客車車身骨架高剛度與輕量化靈敏度分析方法，解決了上述客車骨架結(jié)構(gòu)輕量化的難題，而提供一種客車靜動(dòng)態(tài)剛度對(duì)整車質(zhì)量的靈敏度分析新方法。
[0004]本發(fā)明的上述目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0005]客車車身骨架高剛度與輕量化靈敏度分析方法，步驟如下:
[0006]首先，由箱型斷面梁建立客車骨架組件參數(shù)化有限元模型，并對(duì)骨架配置上懸架結(jié)構(gòu)，以便施加彎扭工況；客車骨架組件參數(shù)化有限元建模是靈敏度分析的基礎(chǔ)，將多個(gè)梁結(jié)構(gòu)共用一組截面參數(shù)，并將這些梁結(jié)構(gòu)置于一個(gè)組件中，使客車骨架組件參數(shù)化有限元建模更加貼近工程實(shí)際；
[0007]其次，定義客車靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度、靜態(tài)彎曲剛度、動(dòng)態(tài)頻率剛度，這三個(gè)指標(biāo)都是各組件箱梁斷面幾何尺寸參數(shù)的隱式非線性函數(shù)；
[0008]然后，將以上三個(gè)指標(biāo)分別對(duì)整車質(zhì)量求導(dǎo)數(shù)得到靜動(dòng)態(tài)剛度靈敏度分析公式，在靜態(tài)剛度靈敏度分析中，將有限元靜態(tài)平衡方程對(duì)設(shè)計(jì)變量求導(dǎo)數(shù)；由于客車骨架參數(shù)化模型的特點(diǎn)是，設(shè)計(jì)變量數(shù)目龐大，剛度響應(yīng)指標(biāo)較少，所以，此時(shí)采用伴隨變量靈敏度分析方法，以減少計(jì)算量；在動(dòng)態(tài)頻率靈敏度分析中，需將有限元模態(tài)特征值方法對(duì)設(shè)計(jì)變量求導(dǎo)數(shù)，得到頻率剛度的靈敏度；
[0009]靜動(dòng)態(tài)剛度相對(duì)于整車質(zhì)量的靈敏度分析方法在提高客車骨架剛度的同時(shí)，可減輕車身質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)。[0010]最后，綜合靈敏度分析結(jié)果，對(duì)靈敏度高的組件，增大其箱梁斷面尺寸，從而大幅提高車身靜動(dòng)態(tài)剛度，小幅增加車身質(zhì)量；對(duì)靈敏度低的組件，減小其箱梁斷面尺寸，從而小幅降低車身靜動(dòng)態(tài)剛度，大幅減輕車身質(zhì)量；最后得到高剛度、輕量化的車身結(jié)構(gòu)。
[0011]本發(fā)明采用的伴隨變量解析靈敏度分析，尤其適合設(shè)計(jì)變量數(shù)目龐大的客車結(jié)構(gòu)，該方法極大地減少了靈敏度分析的計(jì)算量，從而可以設(shè)計(jì)大型客車骨架結(jié)構(gòu)。
[0012]本發(fā)明的有益效果在于:通過(guò)靈敏度分析方法將客車骨架斷面幾何參數(shù)理性地確定，避免客車設(shè)計(jì)人員過(guò)分依賴感性的工程經(jīng)驗(yàn)，解決了困擾客車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的難題。本發(fā)明的方法區(qū)別于其他車身結(jié)構(gòu)剛度靈敏度分析方法:該方法的靜動(dòng)態(tài)剛度靈敏度是對(duì)整車質(zhì)量的導(dǎo)數(shù)，提高剛度的同時(shí)，可減輕車身質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)；傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是將靜動(dòng)態(tài)剛度對(duì)斷面尺寸參數(shù)求導(dǎo)數(shù)，其只能提高車身剛度而不能減輕車身質(zhì)量。此外，本方法采用了伴隨變量靈敏度分析方法，極大地減少了計(jì)算量，從而可以設(shè)計(jì)大型的客車骨架結(jié)構(gòu)，將會(huì)對(duì)客車車身設(shè)計(jì)技術(shù)有重要指導(dǎo)作用。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。
[0014]圖1是本發(fā)明構(gòu)成車身骨架的箱梁有限元單元及其優(yōu)化參數(shù)b，h，t。
[0015]圖2是本發(fā)明客車車身骨架參數(shù)化模型(顏色相同的屬于同一個(gè)組件)。
[0016]圖3是本發(fā)明客車懸架建模方法。
[0017]圖4是本發(fā)明客車扭轉(zhuǎn)工況示意圖。
[0018]圖5是本發(fā)明彎曲工況示意圖。
[0019]圖6是本發(fā)明每個(gè)組件的扭轉(zhuǎn)剛`度對(duì)整車質(zhì)量的靈敏度。
[0020]圖7是本發(fā)明每個(gè)組件的彎曲剛度對(duì)整車質(zhì)量的靈敏度。
[0021]圖8是本發(fā)明每個(gè)組件的一階頻率動(dòng)剛度對(duì)整車質(zhì)量的靈敏度。
【具體實(shí)施方式】
[0022]( I)建立客車骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)化有限元模型
[0023]圖1為箱型斷面管材，其斷面的基本尺寸參數(shù)為高度h、寬度b、厚度t。采用圖1所示的歐拉-貝努力有限元梁?jiǎn)卧D2所示的客車車身骨架有限元參數(shù)化模型。模型對(duì)大客車車身進(jìn)行了簡(jiǎn)化，略去蒙皮結(jié)構(gòu)，模型分為前圍、后圍、側(cè)圍、頂蓋和底架五大總成，共劃分為12個(gè)組件。每個(gè)組件中的所有梁?jiǎn)卧獢嗝娉叽缫恢?，因此該車身是組件參數(shù)化模型。
[0024]為了更準(zhǔn)確的模擬出客車的實(shí)際工況，建立圖3所示的懸架模型，將其裝配于圖2所示的整車模型中。用柔性梁結(jié)構(gòu)來(lái)模擬鋼板彈簧，梁的寬度b取為彈簧的實(shí)際寬度，高度h由下式給出
[0025]h = --κ?} 7 4Eb(I)
[0026]式中K為鋼板彈簧剛度，L為前后懸架吊耳之間的距離，E為等效剛性梁和柔性梁的彈性模量。
[0027](2)客車骨架靜動(dòng)態(tài)剛度定義[0028]靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度定義:客車在扭轉(zhuǎn)工況下單輪懸空，承受彎扭組合變形，施加載荷時(shí)通過(guò)在客車車身右前支撐處作用垂直向上的集中力來(lái)模擬，讓整車產(chǎn)生純扭轉(zhuǎn)變形，集中力F=5000N，扭轉(zhuǎn)工況示意圖如圖4所示。以右前支撐處的剛度作為整車的扭轉(zhuǎn)剛度Kt，取為載荷力矩與車身扭轉(zhuǎn)角的比值，其計(jì)算方法為
【權(quán)利要求】
1.一種客車車身骨架高剛度與輕量化靈敏度分析方法，其特征在于: 首先，由箱型斷面梁建立客車骨架組件參數(shù)化有限元模型，并對(duì)骨架配置上懸架結(jié)構(gòu)，以便施加彎扭工況；客車骨架組件參數(shù)化有限元建模是靈敏度分析的基礎(chǔ)，是將多個(gè)梁結(jié)構(gòu)共用一組截面參數(shù)，并將這些梁結(jié)構(gòu)置于一個(gè)組件中，使客車骨架組件參數(shù)化有限元建模更加貼近工程實(shí)際； 其次，定義客車靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度、靜態(tài)彎曲剛度、動(dòng)態(tài)頻率剛度，這三個(gè)指標(biāo)都是各組件箱梁斷面幾何尺寸參數(shù)的隱式非線性函數(shù)； 然后，將以上三個(gè)指標(biāo)分別對(duì)整車質(zhì)量求導(dǎo)數(shù)得到靜動(dòng)態(tài)剛度靈敏度分析公式，在靜態(tài)剛度靈敏度分析中，將有限元靜態(tài)平衡方程對(duì)設(shè)計(jì)變量求導(dǎo)數(shù)；由于客車骨架參數(shù)化模型的特點(diǎn)是，設(shè)計(jì)變量數(shù)目龐大，剛度響應(yīng)指標(biāo)較少，所以，此時(shí)采用伴隨變量靈敏度分析方法，以減少計(jì)算量；在動(dòng)態(tài)頻率靈敏度分析中，需將有限元模態(tài)特征值方法對(duì)設(shè)計(jì)變量求導(dǎo)數(shù)，得到頻率剛度的靈敏度； 最后，綜合靈敏度分析結(jié)果，對(duì)靈敏度高的組件，增大其箱梁斷面尺寸，從而大幅提高車身靜動(dòng)態(tài)剛度，小幅增加車身質(zhì)量；對(duì)靈敏度低的組件，減小其箱梁斷面尺寸，從而小幅降低車身靜動(dòng)態(tài)剛度，大幅減輕車身質(zhì)量；最后得到高剛度、輕量化的車身結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103823944SQ201410091229
【公開日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年3月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月12日
【發(fā)明者】左文杰, 白建濤 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)