顶置气瓶大客车双层顶盖确定方法技术

一种顶置气瓶大客车双层顶盖确定方法，包括：拓扑优化、初始结构设计、截面优化、侧翻稳定性分析和疲劳分析，根据设计要求，在包括承载能力、外形、动力布置等条件的基础上采用拓扑优化设计，得到顶盖的初步空间结构，然后对此初步空间结构进行截面优化并进行结构改进设计，使改进后的结构满足低阶振动性能和静态刚强度性能；再对改进结构进行侧翻分析和疲劳分析，确保顶置气瓶大客车在侧翻工况下不会发生气瓶破坏而导致的气体泄漏问题以及整车的结构疲劳耐久性；保证所设计的顶置气瓶大客车顶盖满足低阶振动性能、静态刚强度性能、侧翻工况下的安全性以及耐久性。该方法不仅简化了工作量，而且提高了产品开发成功率，缩短了开发周期。

Method for determining double deck cover of overhead gas bottle bus

A top mounted cylinder bus method, determine the double cap includes: topology optimization, initial structure design, section optimization, rollover stability analysis and fatigue analysis, according to the design requirements, including the foundation of the bearing capacity, shape, layout and other conditions on the dynamic topology optimization design, the initial space structure of the top cover, then this preliminary spatial structure of section optimization and improve the structure design, the improved structure meets the low order vibration performance and static stiffness and strength properties; then analyze the structure improvement of the rollover analysis and fatigue, ensure the overhead gas bus does not occur in the cylinder damage in rollover condition caused by gas leakage problem and the structure of the vehicle fatigue durability; ensure that the design of overhead gas bus roof meet the low order vibration performance, static stiffness and strength properties, rollover Safety and durability under condition. This method not only simplifies the workload, but also improves the success rate of product development and shortens the development cycle.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机械设计领域，涉及大客车设计方法，尤其是在确保大客车相应技术指标的 前提下设计出最轻的顶盖结构。
技术介绍
目前国外顶置气瓶大客车的设计方法是根据参考样车做结构初步设计—有限元方法作 CAE分析并作改进设计4样车设计—性能测试—结构改进，国内顶置气瓶大客车的设计方法 是根据参考样车做结构初歩设计—样车设计4性能测试—结构改进。这两种方法的初始结 构设计方法很大程度上依赖于参考样车和设计人员的经验，外形、结构布置及性能匹配都是 比照参考样车，且具有主观性和经验性。这种方法设计出的顶置气瓶顶盖经常出现结构过强， 不符合车身的轻量化要求，或者就是安全性不够，如顶置气瓶安装结构在因侧翻而被侵入导 致的泄露安全性问题。另一方面，与传统客车相比，顶置气瓶类大客车由于气瓶顶置而使其 自身的重心偏高，因此该类客车比传统客车更容易侧翻，且侧翻危害更大。因此，顶置气瓶 大客车的设计需要考虑的因素更多，要使设计出的客车及顶盖结构满足众多技术要求，而且要使开发周期最短，需要研究新的设计方法。
技术实现思路
为了避免目前国内外采用的顶置气瓶大客车设计方法所带来的结构设计反复较多、气瓶 泄漏等安全性问题，本专利技术提供一种基于拓扑优化、截面优化、侧翻稳定性分析和疲劳分析 的顶置气瓶大客车结构设计方法。本专利技术的基本流程为根据设计目标做结构拓扑优化分析—结构初步设计—截面优化分 析并结构改进—侧翻分析并结构改进—疲劳分析—样车设计~>性能测试4结构改进。本专利技术解决上述问题而提出的针对顶置气瓶大客车设计方法是根据设计要求，在包括 承载能力、外形、动力布置等条件的基础上采用拓扑优化设计，得到顶盖的初步空间结构， 然后对此初步空间结构进行截面优化并进行结构改进设计，使改进后的结构满足低阶振动性 能和静态刚强度性能；再对改进结构进行侧翻分析和疲劳分析，确保顶置气瓶大客车在侧翻 工况下不会发生气瓶破坏而导致的气体泄漏问题以及整车的结构疲劳耐久性；保证所设计的 顶置气瓶大客车顶盖满足低阶振动性能、静态刚强度性能、侧翻工况下的安全性以及耐久性。进一步，拓扑优化设计步骤中，有限元模型采用板、梁组合单元，对于参与拓扑优化的 顶盖采用精度相对较高以四边形为主的板单元，采用刚性单元将顶盖与侧围、前围、后围结 构相连；为了使拓扑分析结果能比较全面地满足车身骨架在各工况下强度和刚度的要求，该拓扑 分析分别进行了考虑弯曲工况、四种悬空扭转工况、左、右转弯工况、制动工况、向左和向 右的侧翻工况共IO种工况；弯曲工况、四种悬空扭转工况、左、右转弯工况和制动工况，将客车车身承受的所有载 荷及约束映射到基本结构的相应节点处，以集中载荷的方式施加在对应的节点上；车身载荷 包括车身自重、乘客质量、动力总成质量、座椅质量。截面优化步骤中，考虑车身轻量化目标，目标函数选为车身质量最小。截面优化步骤中，尺寸综合遵循以下原则(1) 首先以台架试验扭转刚度优化、弯曲强度优化和一轮悬空强度优化五种工况下优化结 果为基础；(2) 对照初始值，按(1)算得的平均尺寸与初始值相差在10%以内的部件恢复为初始值-, G)根据模态灵敏度分析结果，将对车身骨架模态较灵敏部件的截面尺寸进行加强；(4) 根据台架试验扭转刚度优化和强度优化结果，关注其中尺寸增加较多的部件，这些部 件的截面尺寸的减小需慎重；(5) 对截面尺寸修改后模型的模态、刚度、强度进行反复校核，直至满足各项指标。 在侧翻碰撞仿真分析中对车身各总成均采用板单元建模，前桥、后桥和轮胎也采用板单元建模，只有生存空间梯形框架和顶盖氢气管路防侵入空间框架采用梁单元建模；用梁单元建立梯形框架代替变形规，用以模拟乘客生存空间；为保证侧翻过程中变形规相对于地板面无相对运动，将梯形框架的四个节点与底架横梁刚性连接；为考察顶盖气瓶管路及气瓶在侧翻碰撞中的安全性，根据实测气瓶输入管路的几何数据，建立顶盖气瓶管路防侵入空间，.将防侵入空间框架的上下极限点与相对应的顶盖纵梁刚性连接.侧翻碰撞是在整车整备载荷状况下进行仿真分析的。疲劳分析步骤中，疲劳分析有限元模型选用板单元；将人和座椅的质量、气瓶、燃料电 池发动机及动力系统相关设备、空调等部件质量按质量单元的方式加到车身上的相应位置； 在进行车身结构瞬态动力学响应中，必须慎重考虑由集中质量所引起的动态效应；为了更好 的模拟真实的载荷情况，其中一些质量单元通过多点约束单元rbe3作用到实际安装位置所对 应的节点上；将车身与悬架连接的位置简化为6个悬挂激励点；以路面激励作为外界输入，对轮胎，悬架，车身组成的刚柔性多体系统进行动态仿真， 采用ADAMS中的SFORCE力元素建立轮胎模型，建模中釆用IMPACT冲击力函数模拟轮胎与 地面之间的作用力；对包含有轮胎、悬架和车身骨架组成的刚柔性多体模型进行路面行驶仿 真，通过仿真结果提取车身与悬架连接点处力的时间历程；分析时对悬架作用到车身的力进 行了简化，只提取弹簧和减震器作用在车身上的z向力的时间历程，并将其加和用作作用在车 身悬置点上的激励信号；对整车车辆模型来说，路面输入应该考虑到左右车辆的相干性和前后车辆的时间延迟， 分析中只考虑垂向载荷的作用，不考虑侧向的影响，左右车轮的路面激励认为是相同的，后 轮所受到的路面激励可以认为是前轮所受激励的时间延迟。本专利技术的有益效果是可以使设计出的顶盖结构在结构布置、杆件截面类型和尺寸达到 最优匹配，且能保证在侧翻工况下气瓶的安全性。该方法不仅简化了工作量，而且提高了产 品开发成功率，缩短开发周期。附图说明图1是本专利技术方法的流程示意图。图2是密度檻值为0.28时顶盖上层拓扑优化结果图。图3是密度槛值为0.28时的顶盖下层拓扑结果图。图4是顶盖上下两层梁杆件布置总图。图5是根据拓扑结果顶盖下层梁结构布局方案图。图6是根据拓扑结果顶盖前部梁结构布局方案图。图7是根据拓扑结果顶盖后部梁结构布局方案图。图8是根据拓扑结果得到的顶盖上层梁结构布局方案图。图9是优化综合后车身骨架各构件截面尺寸变化图(综合后截面变粗的构件)。 图10是优化综合后车身骨架各构件截面尺寸变化图(综合后截面变细的构件)。图11是顶置气瓶双层顶盖大客车側翻分析整车有限元模型图。图12是乘客生存空间模型图。图13是气瓶管路防侵入空间模型图。具体实施例方式以下结合附图所示实施例对本专利技术作进一步的说明。图1是本专利技术方法的流程示意图，主要包括根据设计目标做结构拓扑优化分析—结构 初步设计~>截面优化分析并结构改进—侧翻分析并结构改进—疲劳分析4样车设计"V性能 测试—结构改进。本专利技术提出的针对顶置气瓶大客车顶盖设计方法是根据设计要求，在包括承载能力、 外形、动力布置等条件的基础上采用拓扑优化设计，得到顶盖的初步空间结构，然后对此初 步空间结构进行截面类型和尺寸的优化并进行结构详细设计，使设计出的结构满足低阶振动 性能和静态刚强度性能。然后对结构进行优化，优化后进行侧翻分析和疲劳分析，确保顶置 气瓶大客车在侧翻工况下不会发生气瓶破坏而导致的气体泄漏问题以及整车的结构疲劳耐久 性。这样，整个设计方法保证所设计的顶置气瓶大客车顶盖满足低阶振动性能、静态刚强度 性能和侧翻工况下的安全性以及耐久性，而且具备质量最轻。从而确保设计质量的同时，缩 短开发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于顶置气瓶大客车双层顶盖的确定方法，包括：拓扑优化、初始结构设计、截面优化、侧翻稳定性分析和疲劳分析，其特征在于：根据设计要求，在包括承载能力、外形、动力布置等条件的基础上采用拓扑优化设计，得到顶盖的初步空间结构，然后对此初步空间结构进行截面优化并进行结构改进设计，使改进后的结构满足低阶振动性能和静态刚强度性能；再对改进结构进行侧翻分析和疲劳分析，确保顶置气瓶大客车在侧翻工况下不会发生气瓶破坏而导致的气体泄漏问题以及整车的结构疲劳耐久性；保证所设计的顶置气瓶大客车顶盖满足低阶振动性能、静态刚强度性能、侧翻工况下的安全性以及耐久性。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高云凯，余海燕，孙芳，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]