客车车架减重17%且不降低客车性能和安全性

项目介绍

当前随着全球燃油成本的提高促使车辆制造商需要生产更高效的节能产品来满足客户的需求。客车制造商生产的车辆要为多年运营车辆的交通局和私营公司使用者尽可能减小运营成本。

在交通运输行业越来越受欢迎的提高燃油效率的解决方案之一就是减小车辆部件和结构的重量。重量越轻，车辆前行需要的能量就越少，同时采用更轻、更小、更环保的发动机使车辆能够保持理想性能。

NEPTECH(New Product Technology Center)是越南科学技术部下的一个自治机构。它的任务是为当地工业进行科学研究和技术交流活动。作为其研究活动的一部分，NEPTECH参与了当地一个大型公共交通运输车辆制造商的研发计划。客户需要开拓新的车辆减重方法来提高燃油效率和实现成本目标。

看到Altair自主客车平台Altair BUSolutions LCO-140H的研发和优化成绩后，NEPTECH选择Altair ProductDesign团队来辅助项目的进行。

挑战

公共交通运输行业的减重问题可以通过两种主要方法来实现。第一，可选择更轻的客车材料，例如将传统的钢材换成铝、塑料甚至是复合材料。第二，车辆本身可重新设计或优化，去除一些不必要的重量或尽可能减少使用材料但同时仍能满足刚度和安全标准。

项目的目标是在不影响乘客安全性的前提下降低客车重量。客车结构的最后设计必须满足“ECE R66”标准。该标准规定客车的上部结构在客车倾覆时有足够的强度来避免大的变形。如果失败，变形的车架会侵入车厢造成乘客受伤。

解决方案

在定义一个大致的车辆结构外形之后，Altair ProductDesign团队构建了车架的有限元模型用于后续的优化。

经过初步研究发现最有效的减重方法是调整钢架的厚度，安全去除一些不必要的材料。为了确定车架何处的厚度可以变化，Altair采用了尺寸优化的方法来实现。

倾覆时的安全性分析

客车架扭转刚度频率

在定义一个大致的车辆结构外形之后，Altair ProductDesign团队构建了车架的有限元模型用于后续的优化。

经过初步研究发现最有效的减重方法是调整钢架的厚度，安全去除一些不必要的材料。为了确定车架何处的厚度可以变化，Altair采用了尺寸优化的方法来实现。

该过程的第一步是基于客车预期性能的目标设置。这些目标包括：

·扭转刚度评估
·当车轮遭遇凸块或坑洼及在转弯时平稳
·抗弯刚度评估
·支撑乘客、座椅和其它配件的负载
·自然频率提取
·振动水平可引起舒适性和噪声问题

目标设定好后，Altair ProductDesign车辆研发专家就进行优化设计，对车辆不同的使用工况施加一系列预定力和载荷。另外还确定了很多设计约束，一些车架的非设计空间，即不能改变的部分如门的位置、底盘安装板、地板支撑、座架和箱形架。

Altair团队采用HyperWorks系列产品下的设计优化工具OptiStruct进行尺寸优化设计。

一旦工程师团队确定并审核了优化设计方案，就可以采用惯性释放分析来验证新的设计。对基准设计和优化设计施加标准G载荷来提取作用在轮胎上的力。

带有所有增加的重量和安装物的有限元模型用于设计的验证。惯性释放的工况包括刹车、转弯和加速。

ECE R66安全标准剩余空间的有限元模型

结论

尺寸优化的方法成功地对基准设计进行了重量优化。在保持车辆设计和运营性能的同时，车架总重减小了17%。扭转刚度稍稍减小但仍在客车车架最低要求之上。相比基准设计，频率特性有一定的提高。对于倾覆分析，按照ECE R66标准，基准设计和优化设计在30°时均为“稳定”的。另外考虑到优化模型整个客车的尺寸来说，侵入数值大小成功地维持在较低的水平。

通过对车架采用尺寸优化成功地减轻重量，NEPTECH客车制造商有信心新的设计可以降低燃油消耗和二氧化碳排放。