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原文传递客车车身骨架轻量化设计研究

论文题名：	客车车身骨架轻量化设计研究
关键词：	客车车身骨架;轻量化设计;有限元法;拓扑优化;应力分布
摘要：	客车车身骨架是大客车的主要承载结构，在满足结构强度和刚度要求的前提下减轻车身骨架的重量对客车整车性能的改善意义重大。客车车身轻量化是客车车身设计领域的前沿和热点课题。本文在充分了解国内外客车车身结构轻量化研究现状的基础上，立足工程实际，提出了拓扑优化和尺寸优化相结合的轻量化设计方法。　　本文针对某款客车车身存在质量偏大的问题，首先在时域和频域内对客车车身的固有特性进行了分析。对客车运行过程中遇到的弯曲、扭转、急刹车和急转弯四种最典型工况进行了应力应变分析，确定应力冗余部件分布位置。在频域内对客车车身进行了约束模态分析和频率响应分析，得到了客车车身固有频率的分布，对后续车身的改进，避开激励频率有很好的指导作用。　　研究采取分块拓扑优化的方法，以柔度最小为优化目标，以结构体积分数、许用应力和制造工艺参数为约束，建立了基于变密度法的大客车车身骨架结构拓扑优化数学模型。利用HyperWorks软件对大客车车身进行了拓扑优化设计，并得到了非常理想的拓扑优化结果。根据客车车身桁架制造工艺和客车实际情况对优化结果进行解读，得到比较合理的杆件位置分布方案。　　在拓扑优化方案的基础上，选择车身“六面体”结构各杆件作为对象，进行车身各杆件灵敏度分析，找到刚度灵敏度比较小的部件。选择该部件的厚度作为后续尺寸优化的设计变量，设置好约束条件后，以质量最小为优化目标，得到优化后各个杆件的厚度尺寸。根据优化结果对车身桁架的尺寸进行取整改进，得到最终优化后的模型。　　随后建立了新客车车身骨架的全板壳单元有限元模型，并且对其进行了两种典型工况的有限元分析，得到了车身骨架的整体应力分布和变形情况。并且对新客车有限元模型进行了模态分析。结果显示，新方案各工况最大应力相对于原车身有了较大的降低，低阶模态也能够很好地避开激励频率。新大客车车身骨架质量相对于原车身降低约26.46％，得到了很好的轻量化效果。　　本文所做的工作不仅可以应用到客车的初始设计阶段，而且对已设计完成客车的优化和改进起到很好的指导作用。文章将拓扑优化和尺寸优化结合在一起并且应用到客车车身轻量化设计当中，具有很好的经济价值，同时也可为其他产品的轻量化设计提供很好的参考。
作者：	战申
专业：	机械工程
导师：	宋晓琳
授予学位：	硕士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文