重型商用车驾驶室轻量化优化设计

重型商用车驾驶室轻量化优化设计

目前,商用车数量虽然相较于乘用车少,但是商用车的百公里油耗偏高,年行驶里程较长,故总油耗占比高。伴随着油耗法规愈加严格,采用先进的商用车节能技术显得尤为重要与紧迫。

轻量化技术作为关键节能技术,对重型商用车实现节能减排,达到油耗限值法规要求具有重要意义。商用车驾驶室是非承载式车身结构,重量约占商用车整车整备质量的10%,其轻量化成本和风险要小于其他部件。

所以驾驶室的减重对于整车的减重意义明显。本文基于产学研合作项目“基于被动安全性的商用车驾驶室结构轻量化优化设计”,在保证驾驶室强度、刚度和被动安全性要求的条件下,对某款重型商用车驾驶室进行轻量化优化设计,主要研究内容和结论如下:首先对驾驶室各部分结构进行几何清理,网格划分,添加材料属性,并用焊点连接和螺栓连接将各部分结构连接形成驾驶室白车身有限元模型。

其次对驾驶室性能进行了分析和评价。对驾驶室进行模态分析,得到驾驶室主要低阶模态频率,并以一阶扭转固有频率,作为驾驶室的动态性能评价指标;进行驾驶室弯曲刚度和扭转刚度分析,并确定其弯曲刚度和扭转刚度;建立车架、悬置、内饰和假人的有限元模型并与驾驶室白车身模型进行组装,形成用于被动安全性分析的驾驶室有限元模型,依据基于ECE R29-02标准规定的试验方法,对驾驶室进行正面摆锤撞击、顶盖强度和后围强度仿真分析,并将仿真结果和试验进行对比以验证驾驶室有限元模型的精度;依据ECE R29-03标准规定的试验方法对驾驶室进行正面摆锤撞击仿真分析,正面A柱撞击仿真分析和顶盖强度仿真分析,选择能够表征不同工况下驾驶员生存空间的参数作为被动安全性的评价指标。

然后进行了驾驶室弯曲刚度,扭转刚度和一阶扭转固有频率的相对灵敏度分析。针对驾驶室被动安全性指标,进一步对其进行了结构贡献度分析。

根据相对灵敏度分析和贡献度分析的结果筛选出18个厚度变量和4个材料变量作为多目标优化的设计变量。最后对驾驶室进行多目标轻量化优化设计。

在进行多目标优化之前,考虑到驾驶室正面A柱撞击结果不满足要求,结合被动安全性分析以及贡献度分析结果,对A柱进行结构改进。在此基础上,进行试验设计并建立近似模型,对近似模型精度进行验证,最后进行基于近似模型的多目标优化。

得到Pareto前沿,从Pareto前沿中选取被动安全性满足要求且质量较小的解作为多目标优化的最优解。优化后的驾驶室在满足各项性能的前提下,质量减少了29.35kg,减重率达7.67%,轻量化优化设计效果明显,论文研究结果对商用车驾驶室结构的轻量化优化设计有一定工程应用价值。