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原文传递基于多种截面设计的客车车底骨架轻量化多目标优化设计

论文题名：	基于多种截面设计的客车车底骨架轻量化多目标优化设计
关键词：	插电式客车;轻量化;车底骨架;多目标优化;拓扑优化
摘要：	伴随着客车行业的蓬勃发展，低碳出行概念在人们心中的份量日益增加，电动客车的结构设计轻量化对于客车提升里程数，节约能源，降低排放，保护环境，电池寿命保护等一系列的课题均有着重要的意义。因此，本课题“复合结构插电式客车车身轻量化技术研究”得益于国家重点研发计划项目“高性价比商用车混合动力系统开发于整车集成”的大力推动。本文根据国内某客车公司提供的客车骨架模型，对该客车的车底骨架进行轻量化结构优化设计，力求在保证整车性能的情况下实现客车车底骨架结构质量的降低，进而实现整车质量的轻量化设计。　　本文使用业内广泛使用的有限元软件hypermesh对企业提供的客车骨架3D模型进行有限元网格划分，并通过施加合适的外载荷与约束来模拟客车在行驶过程中容易遇到的典型工况即满载水平弯曲工况、紧急制动工况、极限扭转工况、紧急转向工况。通过求解客车在上述四个典型工况下客车整车骨架的强度、刚度以及自由振动模态频率。通过计算结果分析客车有限元模型建立的准确程度以及客车模型的力学性能，同时为后文的结构轻量化优化设计奠定了基础，也作为后文优化结果的对照组。　　对客车车底骨架划分设计空间于目标函数，综合考量四种工况，对客车车底骨架进行拓扑优化设计，并根据拓扑优化设计的结果对客车车底骨架中部结构重塑，修改了客车车底骨架中部区域梁的布局，并将新客车车底骨架于原客车四围骨架进行耦合，求解优化后的客车整车骨架有限元模型在典型工况下的力学性能，拓扑优化最终实现了减重的基础上提升客车整车的刚度与强度。　　在拓扑优化的基础上，针对客车车底骨架结构做了两步灵敏度分析来筛选出参与车底骨架多目标优化设计的梁结构，得到优化的尺寸变量。首先根据厚度将所有骨架梁结构分组并进行相对灵敏度分析完成第一次梁结构的筛选；其次根据对称性与功能性将筛选后的梁结构进行分组并完成第二次相对灵敏度分析确定最终的优化设计变量。采用正交实验设计对两次灵敏度分析筛选得到的梁结构进行截面形状的优化，对每个梁结构设计正方形截面梁、“帽”字型截面梁、“C”型截面梁三个水平，共7个因素。分析每个因素与每个水平的重要程度，抉择出对于客车车底骨架轻量化最有力的组合。将设计得到的客车车底骨架与原客车四围耦合，计算新客车结构在四大典型工况下的刚度、强度、自由振动模态频率，实现了在减重客车骨架质量的同时降低的刚度与强度在可控范围之内。　　用具体算例对比了高斯过程回归模型与传统的kriging模型的稳定性与精度。并对上文筛选出的7个梁组以厚度为变量，将设计目标拟定为客车整车骨架质量最低以及在扭转工况下的应变值最低，拟定约束条件为高斯过程回归模型所预测的置信度信息、一阶扭转模态频率、一阶弯曲模态频率。根据上述设计目标与约束，对客车车底骨架进行多目标优化设计，在搭建完毕代理模型之后，采用粒子群算法对建立的代理模型进行寻优最终得到pareto解集。　　将优化后的厚度值圆整后代入客车车底骨架模型，并与原客车整车骨架模型进行耦合，求解四种典型工况下客车的刚度与强度信息，并求解客车整车骨架在前六阶自由振动模态频率。最终结果显示客车车底骨架降低120Kg质量，减重率为9.3%，且刚度强度等性能损失在允许范围之内，整体取得了较好的轻量化效果。
作者：	胡金旭
专业：	车辆工程
导师：	陈静
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2023