专利名称：：顶置气瓶大客车双层顶盖确定方法
技术领域：
：本发明属于机械设计领域，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。
背景技术：
：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。
发明内容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，本发明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。本发明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。本发明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。本发明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。图1是本发明方法的流程示意图。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发明作进一步的说明。图1是本发明方法的流程示意图，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。本发明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，缩短开发周期提高产品的竞争力。拓扑优化设计根据拓扑优化设计理论，并参考样车的基本模型建立拓扑优化基本有限元模型。有限元模型采用板、梁组合单元，对于参与拓扑优化的顶盖釆用精度相对较高以四边形为主的板单元，采用刚性梁单元将顶盖与侧围、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10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。图2和图3是显示密度值为0.28时拓扑优化所得的顶盖上层结构和下层结构图。图中有保留材料的部分是结构改进时需要布置杆件的地方，而变成空洞的部分是优化后可以不布置材料或者少布置材料的部分。车顶拓扑优化结果有几根明显的横梁，但横梁数目比原车身顶盖骨架横梁的数目少，车顶拓扑优化结果没有明显的纵梁，而原车身骨架顶盖有几根纵梁。车顶拓扑优化结果构成了许多三角形，而原车身顶盖骨架上都是矩形。经过分析可以发现，车身顶盖拓扑优化的结果和原车身顶盖骨架有较大的差别。从拓扑优化结果图中可以看出顶盖与各窗立柱相对应的位置都出现了材料分布，说明窗立柱对应位置需要设置顶盖横梁以形成车身闭环结构，这样有利于力的传递，有利于骨架整体的协调，不容易出现应力集中现象。根据上述的拓扑结果，参考原样车顶盖结构并考虑工艺可实现性，设计如图4所示的双层顶盖骨架结构，图5~8为顶盖局部结构设计方案。方案的可行性还要经过进一步的有限元分析来检验。截面优化考虑车身轻量化目标，目标函数选为车身质量最小。该客车车身骨架共338个梁单元组，40个板单元组。考虑部分梁单元组为左右对称分布，6优化中将对称件合并为同一单元组作为设计变量。还有一些为支架类结构件，如电池支架、燃料电池发动机支架等，这些部件尺寸较小，在优化中易导致不合理的截面尺寸减小，故这些结构件的截面尺寸不作为设计变量。还有一些结构件，如底架纵梁、顶盖纵梁，这些结构件尺寸较大，如进行修改会带来工艺实现和成本问题，因此这些结构件也不作为设计变量。考虑以上因素，该优化分析中共取了210根梁的截面为设计变量。强度优化中约束梁结构的组合拉应力不超过210MPa,组合压应力不超过-210MPa。位移约束为顶盖左/右纵梁前端挠度小于7mm,顶盖左/右纵梁后端挠度小于20mm，顶盖空调前/中横梁中点挠度小于8mm，顶盖空调后横梁中点挠度小于10mm;扭转工况中位移约束前刚性加载梁两端节点位移小于4.2mm。根据骨架整体优化分析的台架试验扭转刚度、弯曲、前轮悬空弯扭组合以及后轮悬空弯扭组合四种工况下优化结果，并且通过模态灵敏度分析，对该车身骨架各部件的截面尺寸综合如附表所示。尺寸综合主要遵循以下原则-(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。(3)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。图9-10是优化综合后截面尺寸加粗和减小的构件。可见，地板四个小腿、前地板横梁、地板横梁、窗立柱等部件加粗较多，前门立柱和中门立柱也得到了加强。截面尺寸减小的部件主要有底架纵梁，顶盖边梁等承载部件，说明这些部件的强度刚度设计值较富裕，可以对其修改从而使结构更合理。表3.2-1是优化前后大客车车身骨架的基本性能对比。由表可见，优化后车身骨架质量由优化前3.612t降到优化后的3.367t,当量减重0.245t,实际减重0.131t,降重比例高达6.78%。而且，优化后的强度全部满足要求，各工况下的应力均小于普通低碳钢的弹性极限210MPa;扭转刚度由优化前的60486Nm/deg提高到优化后的78369Nm/deg，该值比半承载式骨架结构的客车轴间相对扭转刚度范围(6240076300Nm/deg)略大，但考虑有限元分析采用的将连续体离散为有限个单元的方法本身就会使分析对象的刚度增加，所以本计算所得刚度略大，但是仍然在合理范围内。优化后相应的低阶模态特性也得到了提高。表3.2-2是优化后顶盖的基本性能参数。可见，优化后顶盖骨架总成的质量得到显著降低，而且强度、刚度及低阶模态性能均得到提高，且满足半承载式大客车的性能要求。以上这些说明了本专利申请中所提出的顶置气瓶大客车的顶盖设计方法具有非常优异的效果，在保证必需的刚度、强度、模态等性能的同时还能使设计出的车身骨架质量最小，且所用方法方便、实用、高效。该方法在汽车设计中的推广将会极大提高汽车设计质量和縮短汽车研发周期。表3.2-1优化前后车身骨架性能对比<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>左前轮一轮悬空207/-253141/-182右前轮一轮悬空242/-264-161/-179左后轮一轮悬空249/-336210/-214右后轮一轮悬空2窗墨343206/-221扭转Nm/deg6048678369低阶模态一阶扭转9.67Hz,一阶弯曲15.78Hz一阶扭转12.01Hz，一阶弯曲17.95Hz质量优化前3.612t,优化后3.367t，当量减重0.245t，实际减重0.131t，降重6.78%表3.2-2优化前后顶盖骨架总成性能对比优化前优化后应力(MPa)挠度(mm)应力(MPa)挠度(mm)弯曲144/-155-11.1117/-120-6.7右前轮一轮悬空134/-13677.3/-94.2左后轮一轮悬空106/-10979.2/-90.4右后轮一轮悬空98.1/-98.674.4/-88.1顶盖骨架质量508.6Kg293.9Kg考虑气瓶泄漏的侧翻分析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，如图3.3-2所示。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，如图3.3-3所示。侧翻碰撞是在整车整备载荷状况下进行仿真分析的。侧翻碰撞仿真分析中除考虑车身自8身质量外，同时还要考虑车身动力系统、空调、散热器等质量载荷。对氢瓶、氢瓶支架、空调、散热器、燃料电池发动机、锂电池组、蓄电池、电机控制器及电机、减速器、DC/DC变换器等车身质量载荷，用质量单元进行模拟；根据ECER66的要求，同时要考虑驾驶员及驾驶员座椅的质量载荷，该质量载荷也是用质量单元进行模拟。为了定量分析车身变形，同时又方便乘客生存空间侵入系数的计算，取与生存空间框架上极限点具有相同水平高度的左侧围立柱上的点作为测点，从侧翻碰撞仿真分析结果中得到这些测点到对应生存空间上极限点的距离变化-时间图(由于生存空间框架在整个侧翻碰撞分析中没有变形，测点到对应生存空间上极限点的距离变化也就是测点的变形量)。各测点变形量见表3.3-1。表3.3-1侧翻碰撞过程中左侧围立柱测点变形量<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>根据车身变形与生存空间位置关系时序图，可以直观地看出在整个侧翻过程中，定义生存空间的梯形框架保持完好，既无外物侵入，也没凸出到车身以外，可见该车满足GB/T17578-1998客车上部结构强度的规定要求。为了进一步定量了解左侧围各立柱变形情况，引入立柱侵入系数作为衡量指标。通过分别度量生存空间上下极限点与左侧围间距的变化率，以确定立柱变形对生存空间的潜在威胁，进而可以评价各立柱的防撞能力。定义f/为立柱侵入系数《'式中《,/变形前生存空间极限点与左侧围的原始间距，《《变形后生存空间极限点与左侧围的间距。由该车侧翻碰撞仿真分析整个变形时序过程可以看出，侧翻过程中气瓶罩没有侵入防侵入空间中。现根据计算分析结果，分别用上下极限点与气瓶罩的间隙定量描述侧翻过程中氢气管路的安全性。与传统大客车相比，顶置气瓶双层顶盖大客车重量增加，且重心高度增大，因而该类大客车更容易发生侧翻，且侧翻危险性更大。有必要对顶置气瓶双层顶盖大客车进行侧翻仿真分析，且该分析有助于对大客车进行改进设计。文中引入的立柱侵入系数可直观具体的定量评价大客车侧翻碰撞中乘客生存空间的安全裕度；顶盖气瓶管路防侵入区域与气瓶罩的间隙可定量评价气瓶管路及气瓶的安全性。根据ECER66对该大客车进行侧翻碰撞模拟，模拟结果表明该客车在侧翻碰撞过程中生存空间未被侵入，侧翻不会引起气瓶管路泄漏。总之，该车侧翻性能满足要求。疲劳分析疲劳分析有限元模型选用板单元。车身上乘客以每人65kg计算，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、空调等部件质量按集中质量单元的方式加到车身上的相应位置，在车辆运行过程中，车身上承载的任何集中质量都会对整体结构的动态响应产生重要的影响。集中质量越大影响越显著。因此，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。由于车身的疲劳破坏主要由路面不平度通过悬架传给车身的垂直激励引起的，所以将车身与悬架连接的位置简化为6个悬挂激励点，车身满载质量15.255t。大量的试验测量表明，路面不平度是具有零均值、各态历经的平稳Gauss随机过程。在工程实际中，通常用功率谱密度来描述路面的统计特性，并且路面不平度的功率谱密度可用下式拟合:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>,式中，n为空间频率，它是波长的倒数，表示每米长度中包含波的周期数，且nX):no为参考空间频率，=0.1m—1()为参考空间频率下的路面功率谱密度，称为路面不平度系数，数据取决于公路的路面等级，单位m々m—';w为频率指数,为双对数坐标上斜线的频率，它决定路面功率谱密度的频率结构，取^2。汽车平顺性随机输入行驶试验方法GB/T4970-1996规定试验条件为沥青路，其路面等级应符合GB7031规定的B级路面；而城市公路一般都是沥青路面，汽车的疲劳是由汽车受到路面随机激励引起的，所以分析中选择B级路面。其路面不平度系数《(no)的几何平均值为64/(10-6m3)，城市客车常用车速为5080千米/小时，分析中选择车速为60千米/小时,利用matlab编程计算得B级路面的位移时间历程如图3.4-1(单位mm)所示(图中只截取了前20s时间的位移时间示意图)。为了充分反映出B级路面的特性，选取的采样时间为2000s,采样频率为167Hz，此采样的路面样本足够反映出B级路面的特性。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，建模中采用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，由于车身的疲劳破坏主要由路面不平度通过悬架传给车身的垂直激励引起的，所以我们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尺，由于车身的疲劳破坏主要由路面不平度通过悬架传给车身的垂直激励引起的，所以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，延迟时间Vf=//v，/为车轴距，v为车速。将生成的B级路面激励作用于轮胎模型，再结合悬架，车身组成的刚柔性多体模型(车身采用刚体模拟)进行路面行驶仿真，通过仿真结果提取弹簧和减振器作用在车身上的垂直方向的力的时间历程，并将其加和作为作用在车身悬置点上的激励信号。由于前悬架左右的空气弹簧是相通的，所以其空气弹簧输出到车身上的力一样；同样后悬架的前后空气弹簧是相通的，所以其空气弹簧输出到车身上的力一样。但由于悬架中还有阻尼器，其阻尼力的作用导致输入到车身上的悬置点的力不相同。从图3.4-9和图3.4-14的后悬架左侧前后悬置点的力的PSD图的不同，可以明显分析出其不同是由于阻尼器的作用。该顶置气瓶大客车车身骨架疲劳计算结果，危险部位的最大循环次数为7.43E7次，折合成行使路程为123.86万公里。其疲劳危险单元主要出现顶盖横梁与纵梁交接处，顶盖横梁拐角处。为了对该顶置气瓶大客车的疲劳寿命进行评价，对单层顶盖的参考样车的疲劳寿命也进行了分析，如图3.4-9所示，危险部位的最大循环次数为4.34E6次，折合成行使路程为83.2万公里。其疲劳危险单元主要出现在顶盖横梁拐角处。表3.4-1列出了这两种车型的疲劳寿命对比。从表中数据可见，按照本申请所提出的设计方法设计出的双层顶盖大客车具有更优越的疲劳耐久性。表3.4-1双层顶盖大客车疲劳寿命评价<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>按照本申请所提出的设计方法设计出的双层顶盖大客车的危险部位的最大循环次数为7.43E7次,..折合成行fej^fe为123.86万公里。而单层顶盖的参考样车的危险部位的最大循环次数为4.34E6次，折合成行使路程为83,2万公里。说明按照本申请所提出的设计方法设计出的^层顶盖大客车具有更优越的疲劳耐久性。本发明所提供的基于拓扑优化、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，通过有限元分析及对成熟车型的比较分析表明，按本发明设计方法设计的顶置气瓶双层顶盖大客车主体骨架结构不仅满足静态刚强度、低阶模态特性、侧翻稳定性和的疲劳耐久性要求，而且比传统方法设计的单层顶盖客车具有质量最轻、更优越的侧翻稳定性和的'疲劳耐久性。这种方法在类似顶置气瓶大客车顶盖的设计方法中的推广将会极大提高设计质量和縮短设计周期。权利要求1.一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。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于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、向左和右的侧翻工况共10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。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于截面优化步骤中，考虑车身轻量化目标，目标函数选为车身质量最小。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于截面优化步骤中，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；(3)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。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于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。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于疲劳分析步骤中，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，建模中采用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。全文摘要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。文档编号G06F17/50GK101667221SQ20091019675公开日2010年3月10日申请日期2009年9月29日优先权日2009年9月29日发明者余海燕,芳孙,高云凯申请人:同济大学