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[摘 要]本文从纯电动客车车身骨架的多目标轻量化设计出发，首先分析了客车车身骨架轻量化设计中的技术难点，随后文章提出了促进纯电动客车骨架轻量化设计的具体研究方法，包括优化车身骨架尺寸、改进车身骨架形状、创新骨架形貌、车身骨架的拓扑优化等措施，希望能给相关人士提供一些参考。
[关键词]纯电动客车；车身骨架；轻量化设计
中图分类号：TP3-4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）46-0381-01
引言：
随着我国经济的发展，现代汽车工业水平的提高，客车已经融入我们的全部生产、生活。我国的人口比较多，因此公共交通也是我国运输发展的主流。客车在运输过程中具有迅速及时的优点，可以实现对点直线的运输，具有较强的机动灵活性。车身骨架的轻量化设计有利于提高客车的性能，在保证车辆安全性能和车身强度的同时，提高客车的操控性和动力性。因此我们要加强客车车身骨架轻量化设计的研究，提高客車质量。
一、客车车身骨架轻量化设计中的技术难点
由于客车车身骨架的轻量化设计刚刚处于起步发展的阶段，因此缺乏相关的技术经验，在车身骨架的轻量化设计中还存在一些没有突破的技术难点。首先是在客车车身结构的开发过程中，还是过度依赖于对先进车身结构的解剖和以往的经验的学习，并以此为参考进行相关的设计，在设计过程中过多地将精力放在解决试验中的设计问题上，没有做到分析和设计并行。在车身结构刚度和强度的分析方面比较常用的是有限元分析法，在模拟分析噪声、振动和碰撞等方面还缺乏相关的经验，对于分析优化车身部件或结构的各种指标性能还在初步的探索阶段。在我国近几年的汽车工业领域，车身结构的拓扑优化相关理论得到了一定的发展，但由于具有较大的使用难度，因此在实际设计中使用的还比较少。我国目前的车身骨架优化方式只停留在单目标设计优化模式上，而这种模式的使用难以兼顾和取舍多个总体性能指标。目前对于车身骨架结构优化的设计主要放在整体结构尺寸的设计上，通过对尺寸进行调整来实现优化的目标。对于某些具有较大设计难度的复杂结构在进行拓扑优化设计时，在确定其结构构型的基础上实行尺寸优化，这种将尺寸优化技术融入到高层次结构拓扑优化技术当中的方法，在车身骨架的优化设计中还没有发展成熟。
二、纯电动客车车身骨架多目标轻量化研究方法
（一）优化车身骨架尺寸
纯电动客车车身骨架的轻量化设计是通过设计方法的优化，在保证车身安全性能的基础上，促进材料的循环利用，减少多余的材料，从而实现车身骨架结构的轻量化。随着计算机技术、并行工程等现代技术工程的飞速发展，以及这些技术在客车车身设计中的使用，纯电动客车的车身骨架轻量化设计发展具有以下几个特点，一是性能分析和结构设计并行，二是优化思想被广泛应用于车身设计中的各个阶段，三是虚拟仿真技术的使用，部分用来替代实物物理实验。四是车身的概念设计逐渐引起来人们的注意，最后是有限元法在车身设计中的广泛使用。优化车身的骨架尺寸就是指在确定车身几何外形、布局、材料和结构类型的基础上，对车身骨架中的每个组成构件进行截面尺寸的优化，实现结构的最经济和最轻化目标。比如对于节点位置中已经确定的结构，计算求取出各梁中最好的截面尺寸，对于已经确定几何形状的平面结构计算求取出其中每个部位的最优厚度等[1]。
（二）改进骨架形状
改进纯电工客车的骨架形状就是指在明确车身结构的布局、材料、类型的基础上优化设计结构自身的几何形状。比如优化设计已经确定布局的构架节点位置，优化设计连续体结构的边界形状，以及优化车身结构内部的形状、开口尺寸等方面[2]。车身骨架尺寸和形状的优化在全部四种优化技术当中是发展最早的，同时也是最容易实现的，目前来看发展的较为成熟。大部分商业的有限元软件中都拥有上述模块，使用起来较为方便，可以实现动力学和静力学的优化。在改进车身骨架形状前首先要掌握骨架的组成，如此才能促进骨架形状改进的顺利进行，具体的客车车身骨架形状如图1所示：
（三）创新骨架形貌
创新骨架形貌是形状优化的一种最佳方法，就是寻找板形结构最佳的加强筋分布的设计方法，具体是在薄壁结构强化压痕设计中使用，不但能减轻骨架的结构质量，还能满足客车频率和强度等方面的要求。骨架形貌的优化不需要将相关的材料进行删除，只需要以节点的扰动为基础，在可设计区域中生成加强筋即可。行转优化最高级的形式就是形貌优化，使用的变量是形状变量。在形貌设计优化区域，它首先被分割成大量的独立变量，随后在实施相应的迭代优化，并对这些变量使结构产生怎样的影响进行具体的计算。根据板壳指定单元节点在向法中的移动量来对有限元网模型的形状和结构进行相应的调整，直到得出能够满足最佳移动区域节点设计目标的最佳组合，它和在钣金面上设计加强筋布置的过程具有相似之处，创新骨架形貌中的目标函数可以选择车身构件的强度、刚度频率等内容，优化设计中的节点移动向量也是由设计变量决定的，冲压方向和加强筋方向一般情况下要保持一致性，除此之外还需要对加强筋的角度、起筋的最小宽度以及起筋最大高度进行定义，同时也可以将设计变量的区间选择作为约束的条件来进行处理。
（四）车身骨架的拓扑优化
由于车身骨架的形貌优化、形状优化和尺寸优化都是在确定结构布局的基础上进行相关工作的，在优化设计中的效果也被限制在前面明确的设计布局之中，无法使车身骨架的拓扑形式发生改变。因此在最开始设计车身结构概念的阶段可以将拓扑优化的方法引入进来，从而促进客车车身骨架轻量化的目标。车身骨架的拓扑优化就是通过一个确定的区域空间，根据已有的支撑和外载等约束条件来寻找能够承受多载荷物体和单载荷物体的结构材料最佳分配方案，从而使骨架结构达到最大的刚度值，或是使应力和输出位移等都达到要求规定的结构设计，这也是数学优化方法和有限元分析方法有机结合的一种设计方法。
结语：
综上所述，客车作为公路运输中一种主要的客运形式，和铁路、航空之间相辅相成，每年都承担着重要的城乡之间的载客任务。此外，客车的环保节能对我国的环境和能源也具有直接的影响，而客车的车身质量占据全部汽车装备质量的百分之二十到三十，因此，车身骨架的轻量化设计有助于降低客车的污染物排放和油耗，促进我国更好地建设生态文明，实现可持续发展。
参考文献：
[1]刘显春. 纯电动客车车身骨架多目标轻量化设计[D].合肥工业大学，2017.
[2]龚玉婷，李楚琳.纯电动客车车身骨架的拓扑优化设计[J].湖北汽车工业学院学报，2016，30（04）：14-17+23.
[关键词]纯电动客车；车身骨架；轻量化设计
中图分类号：TP3-4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）46-0381-01
引言：
随着我国经济的发展，现代汽车工业水平的提高，客车已经融入我们的全部生产、生活。我国的人口比较多，因此公共交通也是我国运输发展的主流。客车在运输过程中具有迅速及时的优点，可以实现对点直线的运输，具有较强的机动灵活性。车身骨架的轻量化设计有利于提高客车的性能，在保证车辆安全性能和车身强度的同时，提高客车的操控性和动力性。因此我们要加强客车车身骨架轻量化设计的研究，提高客車质量。
一、客车车身骨架轻量化设计中的技术难点
由于客车车身骨架的轻量化设计刚刚处于起步发展的阶段，因此缺乏相关的技术经验，在车身骨架的轻量化设计中还存在一些没有突破的技术难点。首先是在客车车身结构的开发过程中，还是过度依赖于对先进车身结构的解剖和以往的经验的学习，并以此为参考进行相关的设计，在设计过程中过多地将精力放在解决试验中的设计问题上，没有做到分析和设计并行。在车身结构刚度和强度的分析方面比较常用的是有限元分析法，在模拟分析噪声、振动和碰撞等方面还缺乏相关的经验，对于分析优化车身部件或结构的各种指标性能还在初步的探索阶段。在我国近几年的汽车工业领域，车身结构的拓扑优化相关理论得到了一定的发展，但由于具有较大的使用难度，因此在实际设计中使用的还比较少。我国目前的车身骨架优化方式只停留在单目标设计优化模式上，而这种模式的使用难以兼顾和取舍多个总体性能指标。目前对于车身骨架结构优化的设计主要放在整体结构尺寸的设计上，通过对尺寸进行调整来实现优化的目标。对于某些具有较大设计难度的复杂结构在进行拓扑优化设计时，在确定其结构构型的基础上实行尺寸优化，这种将尺寸优化技术融入到高层次结构拓扑优化技术当中的方法，在车身骨架的优化设计中还没有发展成熟。
二、纯电动客车车身骨架多目标轻量化研究方法
（一）优化车身骨架尺寸
纯电动客车车身骨架的轻量化设计是通过设计方法的优化，在保证车身安全性能的基础上，促进材料的循环利用，减少多余的材料，从而实现车身骨架结构的轻量化。随着计算机技术、并行工程等现代技术工程的飞速发展，以及这些技术在客车车身设计中的使用，纯电动客车的车身骨架轻量化设计发展具有以下几个特点，一是性能分析和结构设计并行，二是优化思想被广泛应用于车身设计中的各个阶段，三是虚拟仿真技术的使用，部分用来替代实物物理实验。四是车身的概念设计逐渐引起来人们的注意，最后是有限元法在车身设计中的广泛使用。优化车身的骨架尺寸就是指在确定车身几何外形、布局、材料和结构类型的基础上，对车身骨架中的每个组成构件进行截面尺寸的优化，实现结构的最经济和最轻化目标。比如对于节点位置中已经确定的结构，计算求取出各梁中最好的截面尺寸，对于已经确定几何形状的平面结构计算求取出其中每个部位的最优厚度等[1]。
（二）改进骨架形状
改进纯电工客车的骨架形状就是指在明确车身结构的布局、材料、类型的基础上优化设计结构自身的几何形状。比如优化设计已经确定布局的构架节点位置，优化设计连续体结构的边界形状，以及优化车身结构内部的形状、开口尺寸等方面[2]。车身骨架尺寸和形状的优化在全部四种优化技术当中是发展最早的，同时也是最容易实现的，目前来看发展的较为成熟。大部分商业的有限元软件中都拥有上述模块，使用起来较为方便，可以实现动力学和静力学的优化。在改进车身骨架形状前首先要掌握骨架的组成，如此才能促进骨架形状改进的顺利进行，具体的客车车身骨架形状如图1所示：
（三）创新骨架形貌
创新骨架形貌是形状优化的一种最佳方法，就是寻找板形结构最佳的加强筋分布的设计方法，具体是在薄壁结构强化压痕设计中使用，不但能减轻骨架的结构质量，还能满足客车频率和强度等方面的要求。骨架形貌的优化不需要将相关的材料进行删除，只需要以节点的扰动为基础，在可设计区域中生成加强筋即可。行转优化最高级的形式就是形貌优化，使用的变量是形状变量。在形貌设计优化区域，它首先被分割成大量的独立变量，随后在实施相应的迭代优化，并对这些变量使结构产生怎样的影响进行具体的计算。根据板壳指定单元节点在向法中的移动量来对有限元网模型的形状和结构进行相应的调整，直到得出能够满足最佳移动区域节点设计目标的最佳组合，它和在钣金面上设计加强筋布置的过程具有相似之处，创新骨架形貌中的目标函数可以选择车身构件的强度、刚度频率等内容，优化设计中的节点移动向量也是由设计变量决定的，冲压方向和加强筋方向一般情况下要保持一致性，除此之外还需要对加强筋的角度、起筋的最小宽度以及起筋最大高度进行定义，同时也可以将设计变量的区间选择作为约束的条件来进行处理。
（四）车身骨架的拓扑优化
由于车身骨架的形貌优化、形状优化和尺寸优化都是在确定结构布局的基础上进行相关工作的，在优化设计中的效果也被限制在前面明确的设计布局之中，无法使车身骨架的拓扑形式发生改变。因此在最开始设计车身结构概念的阶段可以将拓扑优化的方法引入进来，从而促进客车车身骨架轻量化的目标。车身骨架的拓扑优化就是通过一个确定的区域空间，根据已有的支撑和外载等约束条件来寻找能够承受多载荷物体和单载荷物体的结构材料最佳分配方案，从而使骨架结构达到最大的刚度值，或是使应力和输出位移等都达到要求规定的结构设计，这也是数学优化方法和有限元分析方法有机结合的一种设计方法。
结语：
综上所述，客车作为公路运输中一种主要的客运形式，和铁路、航空之间相辅相成，每年都承担着重要的城乡之间的载客任务。此外，客车的环保节能对我国的环境和能源也具有直接的影响，而客车的车身质量占据全部汽车装备质量的百分之二十到三十，因此，车身骨架的轻量化设计有助于降低客车的污染物排放和油耗，促进我国更好地建设生态文明，实现可持续发展。
参考文献：
[1]刘显春. 纯电动客车车身骨架多目标轻量化设计[D].合肥工业大学，2017.
[2]龚玉婷，李楚琳.纯电动客车车身骨架的拓扑优化设计[J].湖北汽车工业学院学报，2016，30（04）：14-17+23.