近年來我國物流運輸市場的持續發展，專用廂式運輸車在我國的應用越來越廣泛。隨著物流運輸市場對廂式車產品要求的不斷提高，現階段我國廂式車制造企業的開發設計水平不斷加強，并且在輕量化、平臺化和高效化方面不斷吸收國外廂式車制造企業先進的設計開發理念。

汽車的輕量化，就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。實驗證明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%~8%；汽車整備質量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.3~0.6升；汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%。當前，由于環保和節能的需要，汽車的輕量化已經成為世界汽車發展的潮流。

廂體結構如圖1所示，其中廂體骨架由型鋼焊接而成，材料為普通碳鋼。借助于CAE仿真技術，分析廂體在靜載、動載工況下的結構強度，并對其進行輕量化設計，以減少開發成本，提高設計效率。

圖1 廂體結構示意圖

建立仿真模型

利用HyperMesh軟件對廂體骨架進行網格劃分，利用Abaqus進行求解骨架剛度、強度，并進行后處理，有限元網格模型如圖2所示。

圖2 模型網格示意圖

邊界條件及工況

以實際負載工況和連接為基礎，梁單元模擬焊接，確定仿真分析施加載荷與邊界條件后，模型如下圖3所示，綠色顯示為載荷施加位置，紅色顯示為約束鏈接位置。

圖3 邊界工況示意圖

結果分析

在靜載工況下，廂體結構應力如圖4所示，廂體整體結構有極少量單元達到屈服強度，出現在部件焊接處，考慮應力集中因素，可以忽略。

圖4 廂體整體應力云圖

廂體的最大變形出現在頂部框架位置，如圖5所示。在靜載工況下，副車架變形在彈性階段，如圖6所示。

圖5 廂體整體分析結果（變形）

圖6 副車架分析結果（變形）

總體而言，該廂體結構強度滿足設計要求，其最大應力遠小于材料屈服強度，存在很大的有優化空間。

結構優化

從輕量化設計角度出發，設計兩種優化方案，如下表1所示。圖7是優化方案1結構模型圖，圖8是優化方案2結構模型圖。

圖7 方案1（結構優化）結構模型圖

圖8 方案2（材料替換）結構模型圖

為驗證所提出的優化方案在強度剛度方面是否滿足設計需求，將兩個優化方案按照原分析思路進行靜載分析，其分析結果表明：兩種優化方案都滿足設計需求，應力及變形都在設計要求范圍之內，對比結果見表2.。

動載工況分析

優化方案2減重最多，并且減重后其結構性能滿足靜載工況設計需求。為進一步驗證優化方案結構強度、剛度是否合理，將優化方案2在動載工況下進行碰撞分析。

碰撞分析

模擬車輛行駛中遇到急剎車狀況為實例，進行廂體結構的動力學分析，校核優化后廂體結構強度與剛度。分析結果如圖9，其廂體結構的最大應力未超過材料的屈服強度，滿足設計需求，證明了優化方案2符合設計要求。

圖9 廂體結構應力云圖

拓撲優化

拓撲優化是指在給定的設計空間內找到最佳的材料分布，或最佳傳力路徑，從而在滿足各種性能的條件下得到重量最輕的設計方法。拓撲優化中最常用的材料插值模型方法為密度法（SIMP），即將有限元模型設計空間的每個單元的“單元密度（Density）”作為設計變量。該“單元密度”同結構的材料參數有關（單元密度與材料彈性模量E之間具有某種函數關系)，0-1之間連續取值，優化求解后單元密度為1(或靠近1)表示該單元位置處的材料很重要，需要保留；單元密度為0（或靠近0）表示該單元處的材料不重要，可以去除，從而達到材料的高效率利用，實現輕量化設計。

在輕量化設計過程中，拓撲優化技術備受大家青睞，本文將一個具體案例介紹拓撲優化技術在輕量化設計中的應用。

副車架在裝配時與底盤大梁連接，是主要的受力部件，設計者一般將其強度設計的比較高，相應的其重量占比也很高。本實例單獨選取副車架做拓撲優化，在副車架強度足夠情況下，對其進行輕量化設計，工況為滿載，如圖10所示，其中藍色區域為設計區域，其他區域為非設計區域。

圖10 拓撲優化前處理圖

定義優化三要素（變量、約束、目標）：
變量：材料分布密度
約束：最大等效應力<180Mpa（安全系數1.3）
目標：體積最小化

圖11 拓撲優化結果圖

優化結果如圖11所示，藍色區域為優化結果建議去除的部分，結合制造工藝要求，對模型結構進行修改，對結構部分區域進行鏤空設計，新結構如下圖12所示：

圖12 新結構示意圖

為驗證新結構的強度剛度是否合理，對新結構重新進行了靜力學分析，工況為滿載，其結果表明：最大等效應力111Mpa<180Mpa(材料Q235，安全系數1.3)，未超過材料安全系數范圍內的屈服應力，符合設計要求。分析結果如下圖13所示：

圖13 新結構應力云圖

副車架結構在拓撲優化后，質量減輕13kg，占比8.6%，性能也能滿足設計要求，優化前后具體變化如下表3所示。

總結

應用CAE仿真技術分析了一款廂式車廂體結構的強度，根據分析結果提出兩種優化方案，通過靜力學、動力學分析，驗證了優化方案強度、剛度滿足設計需求。利用拓撲優化技術對廂體副車架進行優化，在保證副車架強度和剛度前提下，對其進行減重設計，達到輕量化設計目的。

來源：專用汽車雜志