英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
|
基于CAE的铝合金挤压客车车身多层次优化 |
2012-01-0535 2012年4月16日发布 |
|
Wook JIn Na HMC |
|
版权所有copy;2012 SAE International doi：10.4271/2012-01-0535
摘要
在多层次的结构体系优化方面提出了一种新型的低层城市客车车身结构。 在多级优化的框架下，将车身系统看作是顶层，侧面结构和前/后车身模块等子系统的集成体，每个子系统被视为一个组件集合体。 一旦系统分解到较低级别的子系统中，设计目标就会级联到较低级别。 也就是说，车身系统的设计目标被级联到子系统的设计目标中，并且目标级联程序最终给出了部件级别的设计目标。 通过基于计算机辅助工程（CAE）的计算来提供每个级别的目标值的分析评估和预测，以便通过多次迭代可以获得优化的设计。 由于满足巴士车身设计要求的机械性能高度依赖于巧妙的接头和小心设计的挤压型材，所以提出的具有新概念的客车车身设计过程着重于创建非焊接接头的机械结构和剖面的截面形状。 特别是，在总线侧翻的极端载荷情况下，对于给定的几何约束，进行形状优化以获得客车上侧梁部分的最大强度容量，并且应用六西格玛设计工具（DFSS）来确定设计非焊接接头的变量，以便在部件级别达到目标刚度。
介绍
环保汽车成为汽车行业中最热门的话题，因为全球变暖对环境的关注日益增加，而且需要在高涨的高压下进行经济型汽车维护
油价。 开发轻型车辆似乎是实现更好的燃油消耗率的先决条件。 通过采用轻质材料来构建轻型车辆已经有了各种各样的尝试，其中铝是最常用的轻金属之一。 铝合金由于其多功能特性而被广泛用于挤压型材的形式，从而使具有复杂几何形状的部件具有优异的耐腐蚀性。 铝型材广泛用于铁路车辆等大宗运输车身部件的建造。 最近，铝挤压应用于大规模生产的巴士，以利用回收材料1)2).
然而，在车身上使用铝挤压件需要智能计划的设计优化技术来同时实现重量减轻和所需的机械性能。 尽管已知铝合金具有与高强度钢相当的强度重量比和刚度重量比，但是如果传统设计与钢的结构相结合，铝结构可能不会导致重量减轻。 假定新的车身结构以确保机械性能如强度和耐久性以及重量减轻。 在一般意义上说，铝结构在设计时具有相当的强度以取代传统的钢铁竞争对手时，可以提供最轻的设计解决方案，尽管铝结构的刚度可能会在一定程度上被牺牲。3\另外，管理车身耐久寿命的主要因素之一是成员连接的方式。 鉴于连接钢构件的最常见方法是焊接，众所周知焊接接头易疲劳载荷。 因此，不可避免地需要非焊接接头来避免由于焊接热影响导致的疲劳强度的恶化并相对克服这些缺陷
铝与钢相比不利的材料刚度。 使用铝型材实现重量减轻的另一个重要方面是获得型材截面的配置以满足设计要求。 通过结合考虑挤出性的拓扑分析获得型材截面的优化设计。
所有工程过程都是通过对每个系统级别进行一系列优化来协调的。 在多级优化的框架中，总线主体系统被看作是顶层，侧面结构和前/后体模块等子系统的集成，而每个子系统又被看作是一个总成的组件。 一旦系统分解到较低级别的子系统中，设计目标就会与子系统一起级联以用于较低级别的设计。 也就是说，车身系统的设计目标被级联到子系统的设计目标中，并且目标级联程序最终给出了部件级别的设计目标。 通过基于计算机辅助工程（CAE）的计算来提供每个级别的目标值的分析评估和预测。 由于满足巴士车身设计要求的机械性能高度依赖于巧妙的接头和小心设计的挤压型材，因此具有新概念的客车车身工艺主要集中在创建非焊接接头的机械结构和截面型材的形状。
发展
巴士车身的新概念
诸如城市公共汽车或大客车之类的大型公共汽车的车身通常由彼此焊接的骨架梁和板构架构成。 然而，铝挤压型材的新概念被设想为实现相当大的重量节省并同时提供高结构性能。
事实上，一些制造商已经利用铝挤压车身结构。 然而，他们一直受限于利用铝合金挤压方面的优势，通过遵循类似的传统钢体组合。 预计合并的挤压型材不仅可以取代骨架板结构，而且还可以大大缩短组装车身所需的时间。 固结挤出部件的另一个优点是，通过减少易受疲劳负载影响的固定或焊接区域，它们有望提供更可靠的耐用性。
考虑到大型客车在长时间使用寿命中承受重负荷的特点，智能接头是确保使用铝型材的轻型客车车身具有长久耐用性的典范。 接头设计用于连接子系统，
装配系统如顶层，侧面结构，前体和后体模块，以最大限度地减少焊接。 巧妙的关节基于机械紧固件和化学粘合剂的混合方法。图1示出了由铝挤压件制成的子组件系统组成的母线上层结构。
图1. 巴士车身构成
- 材料
选择铝合金6005A-T6和6082-T6作为母体结构的主要挤压型材。 合金编号末尾的T6表示固溶淬火的热处理，随后进行人工老化。 6005A合金由于其优异的挤出特性和强度而被广泛用于铁路车体。 6082合金提供了6000系列合金中最高的强度。 合金6082和合金6005A的组合被用于在车身结构中的主要结构构件和外部构造。
-
- 基本材料属性
即使合金的材料特性是众所周知的，但在开发过程开始时已经进行了实验测量以获得它们的机械和物理特性。
由于它们的特性取决于合金的制造，因此需要确保提供商的合金质量。 特别是，焊接线处的强度和抗疲劳性是至关重要的信息，因为新的客车车身应该在子装配系统内的零件之间有很长的焊接线。 根据ASTM标准对样本进行延伸和疲劳测试。 结果与合金6005A和6082的一般已知数据非常吻合。合金6005A的应力 - 应变曲线显示在图2（a） 和6082英寸图2（b）。 6082显示出比一般材料性能规格中发现的6005A更高的产率和抗拉强度。
图2. 应力 - 应变曲线
机械性能的总结列于表中表格1.
表格1. 机械性能
6005A致力于身体的大部分挤压型材部件，6082被指定用于加强构件，包括B柱和中门柱。
疲劳性能
测量2种样品的疲劳性能Figure3。 图中显示了基材的样本图3（a）图中显示了将从子组装系统中应用的典型焊接接头提取的样品图3（b）。 由于铝挤压部件之间的MIG焊接接头设计成具有典型几何形状的凹槽，可以堆积并捕获焊缝金属，因此值得比较基体材料与实际接头在应用中的差异。
图3. 试样进行疲劳试验
Figure4。 SN曲线
正如前面部分基础材料的测试结果所预期的那样，6082显示出较高的疲劳强度，可以注意到图4（a）。 根据SN曲线图4（a），6082的疲劳强度确定为136.7MPa，比6005A的疲劳强度提高约22％。
对于特定的焊接接头，可以得到一个缺口系数Figure3
(b) 使用结果 图4（b） 用相同的焊接模型对结构进行疲劳分析。
多级优化
结构级联
巴士车身可以分解成子系统并最终分解成部件4\。 组件和子组件系统之间的关系在 Figure5。 由于本研究考虑的设计目标主要是与结构强度和耐久性相关的刚度，因此控制因素是支配车身整体行为的刚度和质量。
Figure5. 结构级联
-
- 敏感性分析
为了确定在设计巴士车身时需要关注的主要结构部件，进行了灵敏度分析。 研究了有代表性的扭力载荷的车体内的所有组件。 在扭矩下最敏感的组件列在中Figure6。 不轨铁路和顶层弓的成员是
Figure6. 敏感性分析
图7. 客车侧梁概念设计的方案设计
对巴士车身的刚度最敏感，其次是窗户支柱和腰梁。 结果表明，应特别注意设计客车上侧梁，窗户立柱和腰梁。
客车的侧梁
正如灵敏度分析所发现的那样，客车上侧梁是控制车身整体刚度的关键成员。 连接侧窗的公共汽车顶层的纵向构件在公共汽车制造商中通常被称为“客车上侧梁”。 考虑到挤出性和组装容易性，设计了客车上侧梁的许多横截面形状。 在十个最有可能的方案中说明Figure7 剔除了一些不切实际的结构。 所有的方案都可以在与相邻部分（如窗柱和顶层面板）的连接方面进行操作。
总线上层结构的虚拟横截面使用有限元模型进行测试，以评估三种载荷情况下的刚度，这三种载荷情况是顶层碰撞，侧向弯曲和拐角碰撞。 单位负荷适用于每个荷载工况和
刚度等级标记为显示表2。 基于从三个负载情况中获得的综合结果，总排名列于该表的第4日列中。 如表中所示，D型被选为刚度意义上表现最好的客车上侧梁。 它也被证明具有最简单的几何形状，在十个方案设计中最轻。
似乎值得注意的是，由于假设侧梁的整体设计概念已经被假定，所以需要确定细节几何参数，例如横截面肋的布置和客车上侧梁部件的厚度。 如图所示，拓扑分析可以是一个选项，以便为客车上侧梁几何结构的详细设计提供具体形式Figure8.
拓扑优化的目标函数是在负载情况下3in内吸收尽可能多的内部能量表2即公交车结构受到翻车情况的拐角撞击情况。 从技术上讲，关于公交翻车安全的国际规定没有
表2.客车上侧梁概念设计的排名
8所示. 客车上侧梁的优化
适用于城市公交车，但在韩国也有相应的安全规定。 因此，选择翻车冲击载荷作为要施加的最严重载荷情况并且对载荷情况进行拓扑优化。
虽然客车上侧梁横截面的初始设计看起来与显示的拓扑分析的优化图相似图8（a），两种设计所吸收的内部能量的差异相当大图8.（b）。 由于一侧的客车上侧梁放置在相反的一侧，而另一侧撞到地面，所以两个翻车冲击载荷施加在公交车厢的内侧和外侧方向上
灵活的连接
非焊接接头是公共汽车新设计的关键概念之一，因为铝需要通过避免通常发生应力集中的接头处的基材材料的劣化来克服具有较低杨氏模量和强度的缺陷。 为了固定两个
连接构件，即支柱和梁，机械紧固件 - 螺栓与支架和螺栓承载滑块一起使用。 非焊接接头的结构如图所示Figure9.
Figure9. 非焊接接头
一个优化设计是由六西格玛设计工具（DFSS）推导出来的。 已经尝试将关节组成部分的设计变量组合起来，以在适用范围内尽可能地确定关节，如图所示Figure10。 在横向和横向的弯曲载荷下测量接头系统的响应。 随着位移增加，力 - 位移曲线显示非线性响应，如图所示Figure10。 非线性响应应该线性化以获得有意义的信噪比以及beta;5).
Figure10。 非焊接接头的优化
对于非焊接接头的每个设计变量的优化值可以从DFSS结果的分析中获得，并且总结在下面表3。 优化的接头具有比初始设计高两倍的刚度表3，其中beta;对应于关节的刚度，因为它表示曲线的斜率Figure10.
表3.关节的设计变量
如所见表3通过DFSS的优化被发现为非焊接接头提供了更稳健的设计和更好的性能。
车辆强度
车辆模型使用有限元素构建。 车辆的上层结构由铝合金挤压件和非焊接接头组成。 它包括顶层上的CNG气罐，底盘框架作为地板结构以及集中的发动机和传动系统。 新总线模型的设备显示在Figure11.
Figure11。 新的巴士模型
Figure12 展示了新设计的铝合金车身模型的性能，与之前的钢质车身相比，在施加扭转载荷的情况下。 巴士的强度以强度指数来衡量，其定义如下，
(1)
其中许用应力作为材料屈服应力的一半给出。
典型的公共汽车车身的侧视图
（b）中。 强度指数图12. 实力表现
应力集中发生的“热点”被标记为图12（a） 并绘制强度指数值图12（b）。 由于铝主体在主要应力集中区域没有焊接，所以铝体的强度看起来几乎与钢体的强度相当，并且预计具有更好的耐用寿命。
结论
主要结构优化是针对从敏感性分析中确定的主要组件进行的。 由于公共汽车车身被认为是诸如车顶，侧面，前部和后部车身结构等子系统的集成，所以连接接头被确定为重点关注的主要部件。 为了在早期设计阶段获得刚
全文共5649字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[11646]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
