新材料与工艺手册

[轻量化客车] 基于平均相对灵敏度评价法的商用车驾驶室轻量化设计

1
回复
89
查看
[复制链接]

微信扫一扫 分享朋友圈

发表于 2021-3-1 11:47:16 | 显示全部楼层 |阅读模式

注册后就可以查看哦!

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?立即注册

x
基于平均相对灵敏度评价法的商用车驾驶室轻量化设计

孙 然
(六安职业技术学院汽车与机电学院, 安徽 六安 237000)
摘要:为了优化设计效率,基于平均相对灵敏度评价法进行商用车驾驶室轻量化设计,采用轻量化系数评估驾驶室的轻量化优化效果。拟定3种轻量化设计方案,从中进行优选。结果显示:将相对灵敏度较大的部件增厚20%,同时将相对灵敏度较小的部件减厚20%,可以使驾驶室减重24.6 kg,从而实现了最优轻量化设计。
关键词:商用车; 驾驶室; 轻量化; 相对灵敏度

按照国家节能减排的总体要求,车辆尾气污染物的排放标准还应进一步提高。新能源技术和车辆的轻量化设计都是围绕着节能减排的目标而发展。新能源车辆是降低车辆尾气排放污染的重要发展方向,但在短期内推广仍有难度[1]。车辆的轻量化设计作为节能减排的另一种尝试,或许在当前更加有效。研究表明,当车辆减重10%时,其油耗可以降低8%左右。轻量化设计不仅可以提高整车的稳定性,而且可以加大车辆碰撞时的安全系数[2]。 驾驶室是整车结构中使用率较高的部分,也是为驾驶员提供的保护空间[3]。本次研究将讨论商用车驾驶室的轻量化设计问题,拟在保证驾驶室结构性能的前提下,减轻驾驶室的整体重量,提升车辆的环保性。

1 商用驾驶室的有限元计算及灵敏度分析

根据有限元分析法,可将结构对象离散为形状简单的有限单元,通过公共节点相连接。有限元分析法常用于解决复杂的工程结构问题[4],本次研究中将其用于驾驶室结构分析。

首先,选择合适的位移函数。对于多项式位移函数,其项数是由有限元所有节点独立位移的个数所决定,其阶次的求解则需要考虑解的收敛性。有限元内某点的位移矩阵u计算如式(1)所示:

u=Nδ

(1)

式中:N为形函数矩阵;δ为单元节点位移列阵。

有限元的特性分析通过直接刚度法来完成。对于结构内任意单元e,其有限元内应变(ε)、应力(σ)与节点位移(δe)的关系如式(2)(3)所示:

ε=Bδe

(2)

σ=DBδe

(3)

式中:D为与结构材料相关的弹性矩阵;B为单元节点位移与单元应变的变换矩阵。

有限元整体分析必须遵循的原则是:公共节点上的相邻单元具有相同位移;节点上的载荷与力保持平衡[5]。整体平衡方程如式(4)所示,其边界条件由驾驶室的力学性能参数所决定:

Kδ=f

(4)

式中:K为总体刚度矩阵;f为各单元节点力向量所集成的总力向量。

驾驶室结构的灵敏度,是指在改变驾驶室结构状态变量时,驾驶室设计变量的敏感程度[6]。将式(4)用于驾驶室结构的静力平衡分析,则结构的静力矢量F与位移矢量、总体刚度矩阵K相关。结构性能参数Pj对设计变量xi的灵敏度计算如式(5)所示:


(5)

在结构变形较小的情况下,认为ΔPjΔδ等于常量H。

采用式(3)对第i个设计变量xi求偏导,可得单元应力σ对设计变量的灵敏度计算式,如式(6)所示:


(6)

将单元应力的灵敏度公式推广到第j个应力分量计算上,可以得到第j个应力分量的灵敏度公式:


(7)

Ce=DeBe

(8)

式中:m为应力分量数;表示单元e的节点位移矩阵中第k个分量对设计变量xi的偏导;Ce,jk为矩阵Ce中第j列的元素。

运用梯度评估法计算驾驶室结构的灵敏度,如式(9)所示:


(9)

式中:S为灵敏度函数;P为结构性能参数;X为驾驶室结构内某点的尺寸参数矩阵。

2 商用驾驶室的轻量化设计

在灵敏度分析中,需要明确模型的目标函数和约束函数。在此,以商用车驾驶室的总质量为目标函数,以驾驶室的模态频率、扭转刚度、弯曲刚度为约束函数。在实现轻量化的同时,还应保证驾驶室的正常工作及安全性能。以驾驶室的结构板厚作为优化变量,优化方程如式(10)所示:

min G=G(x1,x2,…,xn)

(10)

a1≤x1≤b1,a2≤x2≤b2,…,an≤xn≤bn

式中:G为目标函数;f1,f2,…,fn为驾驶室优化的约束函数;F1,F2,…,Fn为结构的原性能参数;x1,x2,…,xn为优化设计的变量组合;an与bn为优化变量的取值范围。

根据驾驶室的优化方程,可以得到驾驶室约束条件对其他构件厚度的变化灵敏度。直接应用灵敏度数据将会大幅增加计算量,因此,根据相对灵敏度评价准则来选择优化变量[7]。当驾驶室某一部件加厚,并使车身重量增加1%时,这一变化对车身性能影响的百分比可以用相对灵敏度来表示。当每个部件均加厚1%时,这种变化对驾驶室性能的影响可以用平均相对灵敏度来表示。计算公式如(11)所示:


(11)

式中:Sr,i为第i个部件的相对灵敏度;Sa为驾驶室平均相对灵敏度;ti 为第i个部件的初始厚度;P0为驾驶室初始态的结构性能参数;Sm,i为第i个部件的质量灵敏度;Sp,i为第i个部件模态频率或刚度的灵敏度; M0为驾驶室优化部件的初始态质量和。

驾驶室弯曲刚度Kbend和扭曲刚度Ktor的计算如式(12)所示:


(12)

式中:Kbend为驾驶室弯曲刚度;Ktor为驾驶室扭曲刚度;W为施加的总载荷;d为载荷作用位置处的变量位移;M为结构承受的力矩;Dfl、Dfr为前悬置左、右变形位移的绝对值;Drl、Drr为后悬置左、右变形位移的绝对值;Yf、Yr为左右悬置前、后之间的横向距离。

根据相对灵敏度评价准则,对商用车驾驶室某一部件的影响力大小进行判断。当Sa,i≤Sa时,则此部件为不灵敏部件,其重量变化对驾驶室整体特性的影响较小;当Sa,i>Sa时,此部件为灵敏部件,其重量变化对驾驶室整体特性的影响较大[8]。根据这一准则,对商用车驾驶室的主要部件进行相对灵敏度分析。驾驶室优化部件名称及编号如表1所示[9]。

表1 驾驶室优化部件名称及编号

图1所示为驾驶室部件性能相对灵敏度分析图。其中,质量灵敏度显示,当改变部件重量后,部件的性能也会随之发生不同程度的变化。驾驶室各部件的扭曲刚度和弯曲刚度的相对灵敏度变化情况基本一致。经过相对灵敏度计算,驾驶室弯曲刚度、扭转刚度和一阶频率的平均相对灵敏度分别为1.81%、1.65%和0.42%。

图1 商用车驾驶室的部件灵敏度分析图

根据计算所得平均相对灵敏度值,对商用车驾驶室进行轻量化设计。将模态频率、扭曲刚度、弯曲刚度的相对灵敏度均低于平均相对灵敏度的部件作为优化对象1,其余部件作为优化对象2。同时,提出3种轻量化设计优化方案,分别是轻质量方案、高刚度方案、综合方案。以原模型的部件性能及厚度作为优化基准,各方案的部件板厚设计如图2所示。

图2 商用车驾驶室的轻量化设计方案

轻质量方案中对优化对象1作了优化设计,将其厚度减少20%。其目的是,在保证驾驶室特性的条件下,减小驾驶室的整体质量。

高刚度方案中对优化对象2作了优化设计,将其厚度增大20%。其目的是,在不增大驾驶室重量的情况下,提高驾驶室结构的静态性能。

综合方案中,则是融合了前两种方案的优化思想:将优化对象1的厚度减小20%,将优化对象2的厚度增大20%。

采用轻量化系数评估法对商用车驾驶室的轻量化优化效果进行评价。其中,用轻量化系数表征白车身在满足性能要求的条件下所需要的质量,定义如式(13)[10]:


(13)

式中:L 为轻量化系数;ML为白车身的总质量;A为投影面积,由轮距和轴距所决定;CT为白车身的静态力学参数,即轻量化优化的约束条件。

在轻量化评价中,轻量化系数越小,说明结构的优化效果越好。

3 商用车驾驶室轻量化优化测试3.1 优化方案对比

在设置驾驶室力学性能参数时,座椅安装处的地板纵梁Z向位移可用来反映驾驶室的弯曲刚度;同时,在前悬梁一侧加载作用力,用其变形位移来反映驾驶室的扭转刚度;用第一阶模态频率来反映驾驶室的模态性能。利用Hypermesh有限元软件构建驾驶室模型,并对各优化方案进行对比分析。图3所示为各方案的驾驶室应变云图及一阶模态。

根据有限元模型计算分析结果来评价各轻量化方案,计算数据如表2所示。

在轻质量方案中,驾驶室的质量减轻了10.3%左右。虽然模型的弯曲刚度略微增加了0.2%,但是模型的扭转刚度和一阶固有频率分别下降了4.1%和8.7%,因此驾驶室的结构性能有所降低。

在高刚度方案中,驾驶室的弯曲刚度、扭转刚度和一阶固有频率分别提升了14.7%、16.5%和3.7%。此方案虽然提升了驾驶室的整体性能,但是驾驶室同时增重2.9%,这不符合轻量化设计的初衷。

综合方案中,驾驶室减重24.6 kg,且轻量化系数最小。因此,综合方案的优化效果最佳,应优选此方案。

3.2 碰撞安全性能分析

验证综合方案的安全性能,进行驾驶室正面碰撞安全性能分析。在假人模型的四肢和躯干分别安装加速度传感器,模拟驾驶员在碰撞试验中的运动规律。用节点1 — 5分别代表假人模型的左脚、右脚、左手、右手、尾椎部位的连接点。图4为假人模型节点加速度曲线图。可以看出,假人模型各节点的运动规律大致相同。在0~0.07 s时间段,各节点的加速度为正值,且呈现出先增加、后减小的趋势;在0.07~0.10 s时间段,各节点的加速度为负值,且呈现出先减小、后加大的趋势。碰撞过程中各节点在惯性作用下继续向前运动,随着惯性力变小而速度减弱,并在极短的时间内速度减为0。其加速度曲线的变化显著。

图3 各方案的驾驶室应变云图及一阶模态

表2 不同方案的轻量化评价统计结果

在驾驶室正面碰撞时,仪表盘、方向盘等在减速时会向后侵入驾驶室,驾驶员在惯性作用下会向前继续运动。在这种情况下驾驶员可能会受到二次伤害,必须考虑驾驶室生存空间尺寸变化情况。用4个驾驶室特征反映碰撞过程生存空间(距离): 方向盘与胸部水平距离(A1);方向盘与座椅靠背的水平距离(A2);方向盘与座椅的垂直距离(A3);转向柱与座椅的水平距离(A4)。图5所示为驾驶室生存空间特征尺寸及其变化。

图4 假人模型节点加速度曲线

图5 驾驶室生存空间特征尺寸及其变化

在碰撞试验过程中:方向盘与胸部的水平距离(A1)减少了56.28%,其从309.47 mm缩小到135.31 mm,变化幅度最大;方向盘遭遇加速撞击时会向后运动,人体和座椅靠背在水平方向上保持惯性向前,因此方向盘与座椅靠背的水平距离(A2)最小达到了375.66 mm;方向盘的垂直运动轨迹是先向上抬升,再向下回落,方向盘与座椅的垂直距离(A3)最小为204.24 mm;转向柱与座椅的水平距离(A4)仅减少了9.6%,其值从375.34 mm变化至339.28 mm。碰撞试验中假人模型最大尺寸:纵向胸宽为230 mm(由于躯干置于人体前后中心位置,因而取胸宽的1 2进行比较);膝盖前后(指的是膝盖腿弯处前后之间)距离为106 mm;大腿高度为120 mm。结合假人模型最大尺寸可知,正面碰撞试验的最小特征尺寸均满足驾驶员的生存空间需要,因此这次研究所设计的优化方案有较好的适用性。

4 结 语

对于复杂结构的优化设计,采用传统的变量选择方法时计算工作量大,且计算过程复杂。实现轻量化设计是一种较好的思路。本次研究采用相对灵敏度评价准则进行商用车驾驶室的轻量化设计,并通过有限元模拟和轻量化评价优选最佳轻量化设计方案。研究结果显示,将相对灵敏度较大的部件增厚20%,同时将相对灵敏度较小的部件减厚20%,则可以实现商用车驾驶室减重24.6 kg。此方案的轻量化系数最小,优化效果最佳。驾驶室的正面碰撞试验结果显示,方向盘与胸部的水平距离最大减少了56.28%,距离的变化幅度最大,整体特征尺寸最小距离均满足驾驶员的生存空间需求。本次研究提出的驾驶室轻量化设计方案,在保证轻量化设计效果的同时,也能满足安全性能要求。



您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

关注汽车轻量化最新动态

官方微信

汽车材料网

全国服务热线:

0551-63857995

地址:安徽省合肥市庐阳区四里河鼎鑫中心

邮编:230001 Email:service@qichecailiao.com

Powered by 汽车轻量化在线  皖ICP备10204426号-2

小黑屋-手机版- 汽车轻量化在线