A strategy for lightweight designing of a railway vehicle car body including composite material and dynamic structural optimization

Rolling stock manufacturers are finding structural solutions to reduce power required by the vehicles,and the lightweight design of the car body represents a possible solution.Optimization processes and innovative materials can be combined in order to achieve this goal.In this framework,we propose the redesign and optimization process of the car body roof for a light rail vehicle,introducing a sandwich structure.Bonded joint was used as a fastening system.The project was carried out on a single car of a modern tram platform.This preliminary numerical work was developed in two main steps:redesign of the car body structure and optimization of the innovated system.Objective of the process was the mass reduction of the whole metallic structure,while the constraint condition was imposed on the first frequency of vibration of the system.The effect of introducing a sandwich panel within the roof assembly was evaluated,focusing on the mechanical and dynamic performances of the whole car body.A mass saving of 63%on the optimized components was achieved,corresponding to a 7.6%if compared to the complete car body shell.In addition,a positive increasing of 17.7%on the first frequency of vibration was observed.Encouraging results have been achieved in terms of weight reduction and mechanical behaviour of the innovated car body.

碳纤维复合材料的FSAE赛车车架轻量化仿真分析

为提高FSAE赛车在比赛时的速度并达到减少污染尾气排放和节约能源的目的,设计者一直试图使用新材料完成赛车车架结构的轻量化设计。为此,使用碳纤维树脂基复合材料HTA/6376C,依据复合材料层合板设计原则进行铺层设计,开展FSAE赛车车架的轻量化设计。首先建立了车架的有限元模型;然后根据赛车实际运用时的典型工况施加载荷,利用有限元分析软件求解并确定了危险点;最后基于最大应力准则对危险点进行了强度校核。研究结果表明:在满足强度要求的基础上,车架结构减重近11%,达到了较好的轻量化效果;研究结果为FSAE赛车车架轻量化设计的新材料选取提供了基础数据。

某地铁铝合金车体底架断面拓扑优化设计

对某地铁铝合金车体进行了几种重要工况下的有限元分析,结果表明,该车体的静强度和刚度均符合规定的要求,而且具有一定的减重空间;随后对该车体底架铝合金型材断面进行了拓扑优化,根据拓扑优化的结果和工程实际重新设计底架的筋板,并通过有限元分析对其静强度和刚度进行验证,结果表明结构优化后的车体符合规定的静强度和刚度要求。优化后底架减重268 kg,减重率为8.8%,减重效果较为可观,本次拓扑优化分析结果可为今后铝合金地铁车体底架的筋板设计和轻量化研究提供一定的参考依据和思路。

基于车身轻量化的玄武岩纤维汽车顶盖设计与分析

汽车轻量化不仅有利于降低环境污染,而且还能够提升汽车的安全环保性能,为研究新型复合材料玄武岩纤维应用于汽车零部件可以优化性能、减轻质量,该文以玄武岩纤维复合材料来设计汽车部件之一的车顶,并运用ABAQUS对其进行仿真分析,对比其性能相较于其他轻量化材料和金属材料的优劣。该分析可为新型复合材料应用于汽车零部件设计提供参考。

铸铝一体化车门的多目标可靠性优化设计

为提升车门的轻量化水平与性能,采用“材料—结构—性能”一体化集成方法设计铸铝一体化车门。基于构建的铸铝一体化车门有限元模型,以车门的厚度为设计变量,采用径向基函数(radial basis function,RBF)神经网络近似模型和二阶响应面近似模型并分别结合二代非支配排序遗传算法(non-dominated sorting genetic algorithm-Ⅱ,NSGA-Ⅱ)、多目标粒子群优化(multi-objective particle swarm optimization,MOPSO)算法以及多岛遗传算法(multi-island genetic algorithm,MIGA)对车门的下沉刚度工况位移、上扭转刚度工况位移、下扭转刚度工况位移、一阶弯曲模态频率、一阶扭转模态频率和质量进行确定性优化设计。在此基础上,考虑材料及加工制造等不确定性因素,对确定性优化解的质量水平进行6Sigma可靠性分析与优化。结果表明,二阶响应面近似模型与MOPSO算法的优化组合方案实现了车门的最佳轻量化,RBF神经网络近似模型与MOPSO算法的优化组合方案实现了车门下沉刚度工况位移的最小化。上述2种组合分别实现了车门轻量化与安全化的设计目标。研究结果可为车身零部件的优化设计提供参考。

复合材料拉挤成型技术及其运用分析

复合材料拉挤成型是一种先进的成型技术,可实现大型复杂结构件的快速制造。首先概述了该技术的基本原理、工艺过程和设备;其次重点分析了模具设计、挤出温度、挤出速度以及配方设计等关键工艺参数及其影响因素;最后着重探讨了拉挤成型技术在汽车车身零部件、内饰件和结构件制造中的具体应用实例,证明该技术可以实现高性能汽车部件的轻量化生产。研究表明,复合材料拉挤成型技术在推动汽车轻量化和功能一体化方面具有重要应用前景和潜力。

车门的高维多目标优化

为改善某MPV车门力学性能,降低车门总成质量,针对传统优化算法在高维多目标优化时易出现解收敛性差的问题,采用基于非支配排序及参考点的NSGA-Ⅲ算法,结合试验设计及响应面模型等方法对车门进行多目标优化。研究结果表明:初始车门模型各目标的仿真分析结果与实验值误差均小于5%,一致性好;构建的响应面精度高;基于NSGA-Ⅲ算法优化获得的Pareto解分布均匀、收敛性好;优化后的车门内板模态频率及门框刚度未有明显提高,但仍满足企业要求,车门质量降低13.63%,轻量化效果较为明显。说明应用NSGA-Ⅲ算法能有效地解决传统优化高维目标收敛性差的问题,获得较为理想的结果。

乘用车车身压铸铝结构件应用现状及连接技术开发应对

一体化压铸铝合金结构件因其具有高集成、轻量化、刚性好等优点,在乘用车车身上的应用逐渐增多,并且正在向大型化发展。压铸结构件大型化的发展对连接技术提出了更大的挑战。阐述了当前乘用车车身压铸铝合金典型应用部位,分析了大型压铸结构件应用面临的难点、困境以及大型化后连接技术方面的应对策略,展望了未来压铸铝结构件的发展趋势以及对连接技术的新要求。

微发泡工艺在乘用车上的应用与前景展望

为了充分挖掘微发泡工艺在乘用车零部件中的轻量化潜力,基于文献分析总结微发泡工艺原理、应用情况,并对微发泡工艺应用前景进行展望。目前,仪表板骨架、门板护板、发动机装饰罩等乘用车部分内外饰零部件利用该工艺成型,可实现乘用车质量减轻5%~20%,具有良好的尺寸稳定性,无需对模具进行反复修改。

汽车天然纤维复合材料轻量化技术

天然纤维-聚丙烯复合材料具有轻量化的特点,同时能减少石油基塑料在汽车领域的应用比例,满足汽车轻量化及可持续开发的要求。竹纤维-聚丙烯复合材料具有较好的力学性能、热稳定性及生物降解性,并且,质量较轻,在汽车领域具有较好的应用前景。通过综合分析竹纤维增强塑料及麻纤维的力学性能、高温老化/温度交变/湿热老化后性能、气味及防霉性能,对比了两者的增强塑料性能。结果表明,竹纤维增强塑料及麻纤维增强塑料的力学性能接近,可达到汽车内饰常用PP+EPDM-TD20材料的强度及模量,预期质量能减轻15%~40%。与麻纤维增强塑料相比,竹纤维增强塑料的老化性能、气味、防霉性能均较好,竹纤维增强塑料可用于生产汽车内饰零件。

缆型钢丝圈在半钢轿车子午线轮胎中的应用

以245/45R18100W轮胎为例,研究缆型钢丝圈替代六角形钢丝圈在半钢轿车子午线轮胎中的应用。结果表明,采用缆型钢丝圈生产工艺性能良好,可有效减小轮胎质量,降低滚动阻力,提高抗撞击性能,显著增强轮胎在使用过程中的抗风险能力。

铁路货车铸件疲劳设计研究与应用

文章主要从降低铁路货车车辆碳排放、提升铁路货车车辆运行能源效率的轻量化技术出发,具体以铁路货车铸件的疲劳设计为研究对象,分析传统铁路货车铸件疲劳设计方法的现状,提出基于FKM规范的铸件S-N曲线计算方法,并进行了转向架侧架抗疲劳设计的对比分析和样件试验验证。研究结果表明:在铁路货车铸件疲劳设计过程中,基于FKM规范计算得到的S-N曲线并采用累积损伤法进行疲劳评估,可以避免复杂的计算过程,同时可较传统疲劳评估方法得到更小的累积损伤,使得铸件结构具有更多的轻量化空间,可有效地降低铁路货车的结构重量。

镁合金在商用车仪表板管梁上的应用

随着新能源在卡车领域的迅速发展,商用车车身轻量化以及外观品质也越来越受到重视。镁合金具有密度低、压铸性能优良等众多优点,在乘用车仪表板管梁等结构件已规模应用,但是在重卡领域仍是空白。文章通过采用压铸一体成型镁合金配合使用铝合金冲压件的方式,设计开发了一款重卡镁合金仪表板管梁取代原钢制管梁。结果表明,与钢制材料相比,镁合金仪表板管梁重量减少了53%,在制动、转弯及垂向冲击工况下仪表板强度安全系数分别提高了10%、30%、50%,刚度提升了30%。

Application of Hot Forming High Strength Steel Parts on Car Body in Side Impact

Lightweight structure is an important method to increase vehicle fuel efficiency. High strength steel is applied for replacing mild steel in automotive structures to decrease thickness of parts for lightweight. However, the lightweight structures must show the improved capability for structural rigidity and crash energy absorption. Advanced high strength steels are attractive materials to achieve higher strength for energy absorption and reduce weight of vehicles. Currently, many research works focus on component level axial crash testing and simulation of high strength steels. However, the effects of high strength steel parts to the impact of auto body are not considered. The goal of this research is to study the application of hot forming high strength steel（HFHSS） in order to evaluate the potential using in vehicle design for lightweight and passive safety. The performance of HFHSS is investigated by using both experimental and analytical techniques. In particular, the focus is on HFHSS which may have potential to enhance the passive safety for lightweight auto body. Automotive components made of HFHSS and general high strength steel（GHSS） are considered in this study. The material characterization of HFHSS is carried out through material experiments. The finite element method, in conjunction with the validated model is used to simulate the side impact of a car with GHSS and HFHSS parts according to China New Car Assessment Programme（C-NCAP） crash test. The deformation and acceleration characteristics of car body are analyzed and the injuries of an occupant are calculated. The results from the simulation analyses of HFHSS are compared with those of GHSS. The comparison indicates that the HFHSS parts on car body enhance the passive safety for the lightweight car body in side impact. Parts of HFHSS reduce weight of vehicle through thinner thickness offering higher strength of parts. Passive safety of lightweight car body is improved through reduction of crash deformation on car body by the application of HFHSS parts. The experiments and simulation are conducted to the HFHSS parts on auto body. The results demonstrate the feasibility of the application of HFHSS materials on automotive components for improved capability of passive safety and lightweight.

船舶滚装通道结构设计标准与轻量化设计分析

为更好地指导船舶滚装通道的结构轻量化设计,对当前滚装船滚装通道结构设计标准进行梳理。在国际标准方面,聚焦国际海事组织(International Maritime Organization,IMO)和国际船级社协会(International Association of Classification Societies,IACS)的相关技术要求;在行业技术标准方面,重点关注各国船级社的相关技术要求。对滚装通道结构设计中的关键技术进行分项阐述,并以中国船级社(China Classification Society,CCS)滚装通道结构设计的技术要求为例,解析其结构分析及衡准要点。研究成果可为船舶滚装通道的结构轻量化设计提供一定参考。

基于改进YOLOv5m的轻量化车脸检测方法

为解决车检站车辆检测中需要对车辆前照灯快速准确定位,同时防止车辆代检的问题,建立了一个车脸检测数据集Car-Data。针对车检站场景中车辆检测问题,提出了一种基于YOLOv5m的轻量化车脸检测方法。首先,将原网络的卷积块替换为改进型跨阶段深度可分离卷积块,以减少网络整体的参数量和计算量。其次,提出增强感受野的空间金字塔扩张卷积模块代替YOLOv5m的主干提取网络中的空间金字塔池化模块,从而提升网络的目标检测精度。最后,在颈部特征增强网络中修改上采样方法,并提出上下层特征融合模块,以减少特征信息的损失。在Car-Data数据集上进行的实验结果表明,改进后的算法相较于原YOLOv5m模型大小减少了48%,每秒检测帧数提高了约10帧,且平均检测精度仍提升了2.02%。因此该改进算法可以满足车检站车辆检测场景中车脸检测的需求。

基于“互联网+”电梯轿厢模块化结构变异设计

【目的】为了满足用户对低能耗、轻量化电梯轿厢模块化结构的快速定制化需求,搭建了一种“互联网+”轿厢模块化结构变异设计框架。【方法】首先,在B/S架构下,采用Vue技术开发用户自定义设计数据采集前端,获取用户定制化设计需求,并通过Springboot技术开发模块化结构变异设计后端,搭建前后端分离的Web框架,实现前后端数据的双向绑定。其次,在后端引入一种考虑应力约束的高比刚度拓扑优化设计方法,以轿厢结构强度和体积分数为用户自定义约束条件,以轿厢模块化结构刚度最大化为优化目标,采用移动渐进线优化算法为求解器,驱动轻量化电梯轿厢模块化结构的快速定制化变异设计。然后,在优化方法中引入Heaviside函数,以保证设计结果具有清晰的几何边界。最后,以某型背包电梯轿厢架为例,在用户自定义界面设定轿厢结构的几何与力学边界参数,开展创新型轻量化轿厢架结构的变异设计,并对其进行有限元仿真分析。【结果】在给定设计需求的前提下,结构变异过程稳定、收敛性强,所设计的结构几何边界清晰;在相同的力学边界条件并满足材料的2倍最小安全系数条件下,所设计的轿厢架结构的质量比原有结构的下降了16.09%,其结构变形满足实际应用需求,其比刚度得到了显著提升,验证了所搭建结构变异设计框架的有效性。【结论】所搭建的设计框架能在保证结构强度的前提下提高结构的比刚度,可有效应用于轻量化电梯轿厢模块化结构的快速定制化设计,缩短了轿厢模块化结构的设计周期,丰富了轿厢模块化结构的设计手段。

考虑侧面碰撞分析电动车身B柱轻量化设计

B柱是车身发生侧面碰撞时,起到保护乘员的重要作用,在满足侧碰安全性的前提下,开展轻量化设计具有重要意义。根据侧碰安全性要求和人车相对位置情况,建立侧面碰撞仿真分析模型,选取B柱侧面5个重要位置点的侵入量和侵入速度,并对侧围局部总成的侵入量进行分析;在分析的基础上,采用等强度公式对材料进行优化设计,采用激光拼焊进行工艺优化设计;依托于成形性分析,对焊缝位置进行优化设计;对比侧碰工况下,优化前后B柱的安全性,以检验设计的可靠性;应用实车对设计方案进行验证。结果可知:车身侧围局部总成在侧碰发生过程中,最大变形的位置为B柱的D2位置,即人体的腰部位置,材料优化和结构设计时需要重点予以关注;采用激光拼焊设计,材料组合为上部DP780+下部DP590,上部的厚度为1.5mm,焊缝距底部380mm,满足安全性的前提下,实现轻量化减重24.4%;在侧面碰撞中,侧围局部总成侵入量由243.6mm减小至221.3mm,减小了10.1%,侵入量和侵入速度均有减小,碰撞安全性较原设计得到提升;实车测试结果显示设计方案是可靠的,侵入量和侵入速度最大值误差控制在5%以内;分析方法和结果为此类设计提供参考。

基于多目标拓扑优化发动机罩系统设计

以某车型为研究对象,在兼顾行人头部保护性能的基础上,对汽车发动机罩系统进行轻量化设计。首先建立头部碰撞有限元模型,并通过试验验证了模型的准确性;再利用OptiStruct对发动机罩内板进行多目标拓扑优化。优化后的发动机罩系统符合静态性能设计要求,提高了行人头部保护性能,质量减轻了7.21%。

钛-铝异种合金自冲铆接接头力学性能与微观组织分析

自冲铆接作为一种绿色、新型和高效的机械连接技术,可实现同种、异种薄板板材的连接,在汽车领域有极大的应用前景。选用钛合金TA1薄板和铝合金5A06薄板作为基板,采用自冲铆接技术进行连接;对接头成型性、力学性能、失效形式和机理进行了系统的研究。研究表明:当钛合金TA1基板为上板时,接头的内锁值更大,但其钉头高度偏高;当铝合金5A06基板作为上板时,接头的钉头与上板基本平齐,但其内锁值偏小。两种接头的静载强度、失效位移和抗振吸收能力均相当。接头的主要失效形式为基板断裂,且失效均发生在强度较弱的铝合金5A06基板上。接头静载失效属于塑性断裂。