蘇 亮，黃登峰，吳長(zhǎng)風(fēng)

（1.華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門 361021；2.廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建 廈門 361023）

伴隨著全球資源的日趨緊張和環(huán)保壓力的逐漸加大，客車輕量化技術(shù)作為節(jié)能環(huán)保行之有效的手段之一，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外各大客車企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)中引起了高度重視[1-2]?？蛙嚬羌茌p量化應(yīng)同時(shí)兼顧減重和安全性，通過(guò)基于有限元分析的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，不僅可使客車的骨架重量減少，降低制造和運(yùn)營(yíng)成本，而且能保證結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性[3-5]。

本文基于HYPERWORKS有限元分析軟件，針對(duì)某大型公路客車進(jìn)行輕量化研究，建立起整車的有限元模型，并進(jìn)行典型工況下的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化改進(jìn)，使結(jié)構(gòu)受力更加合理，在滿足可靠性和側(cè)翻安全性要求的前提下，實(shí)現(xiàn)整車骨架減重500 kg。

1 有限元模型

在大型公路客車的有限元建模階段，首先根據(jù)二維工程圖和實(shí)際結(jié)構(gòu)形狀建立UG三維幾何模型。在盡可能如實(shí)地反映客車結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的前提下，在幾何模型的建立過(guò)程中要通過(guò)幾何處理，以盡量簡(jiǎn)化整車骨架結(jié)構(gòu)[6-8]。

1.1 材料屬性及典型工況

客車的骨架結(jié)構(gòu)方鋼包括20#、Q235及Q345鋼（單位選：t-s-mm-MPa）。表1為所用方鋼的材料特性。

表1 方鋼材料屬性

1.2 單元數(shù)量與網(wǎng)格質(zhì)量

客車模型中絕大部分網(wǎng)格采用殼單元，從模型計(jì)算的準(zhǔn)確性以及提高計(jì)算效率兩方面均衡考慮，網(wǎng)格大小選擇15～20 mm。按照一定的規(guī)則劃分網(wǎng)格，所得到模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)為473 772，單元數(shù)為486 309，其中四邊形單元數(shù)為479 742，三角形單元數(shù)為6 567。三角形單元只占總數(shù)的1.35%左右，小于5%，因此，劃分的網(wǎng)格符合質(zhì)量要求。

1.3 施加載荷

在進(jìn)行有限元分析時(shí)，需要對(duì)客車施加載荷，包括車身自重，安放于車身或底架上的汽車總成、大型設(shè)備的載荷以及座椅及乘客、行李的載荷。本文根據(jù)車輛實(shí)際情況，對(duì)不同的加載對(duì)象分別采用節(jié)點(diǎn)直接加載法和空間質(zhì)點(diǎn)創(chuàng)建法進(jìn)行載荷施加。

建立的大型公路客車的有限元網(wǎng)格模型見(jiàn)圖1。

1.4 典型工況

本文采用多體動(dòng)力學(xué)的方法計(jì)算各典型工況下模型中懸架系統(tǒng)承受的載荷入力情況，然后利用慣性釋放的方法計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力。典型工況有：

1）彎曲工況。評(píng)估滿載狀態(tài)下低速行駛于平路時(shí)所承受的載荷，取極限載荷下動(dòng)載系數(shù)為3，是為了考慮路面粗糙不平及車輛提速后結(jié)構(gòu)可能受到路面沖擊所預(yù)留的安全系數(shù)。該工況主要是計(jì)算垂向的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

2）制動(dòng)工況。評(píng)估低速移動(dòng)中的車輛制動(dòng)至停止時(shí)所承受的載荷，取最大制動(dòng)加速度為0.7 g。該工況主要是計(jì)算結(jié)構(gòu)承受縱向制動(dòng)力及縱向彎曲時(shí)，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)的應(yīng)力水平是否在允許范圍內(nèi)。

3）扭轉(zhuǎn)工況。評(píng)估車輛通過(guò)左右高低不平的路面時(shí)所承受的載荷?？紤]到路面存在高低差時(shí)會(huì)對(duì)車輛造成扭轉(zhuǎn)的效應(yīng)，使得結(jié)構(gòu)負(fù)載變得更為嚴(yán)苛。該工況主要是計(jì)算車輛有受到扭轉(zhuǎn)力矩作用后所體現(xiàn)的應(yīng)力水平是否會(huì)導(dǎo)致材料屈服，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞斷裂。

2 有限元分析及輕量化設(shè)計(jì)

對(duì)上述整車骨架有限元模型解算前5階非剛體自由模態(tài)，得到其固有頻率和振動(dòng)形態(tài)。通過(guò)模態(tài)有限元方法分析出模態(tài)參數(shù)，并根據(jù)分析結(jié)果，可對(duì)該車身的動(dòng)態(tài)特性作出客觀評(píng)價(jià)，也可以為車身結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算、結(jié)構(gòu)修改提供依據(jù)[9]。

分析結(jié)果表明，原車型的一階扭轉(zhuǎn)頻率為8.397 Hz，一階彎曲頻率為9.954 Hz。兩者均避開(kāi)了懸架共振頻率（2 Hz～4 Hz）、發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率（20 Hz～30 Hz）以及人體不舒適頻率（垂直振動(dòng)4 Hz～8 Hz，水平振動(dòng)1 Hz～2 Hz），不會(huì)發(fā)生共振，滿足要求。

在多體動(dòng)力學(xué)軟件中，分別模擬上述三種典型工況，得到空氣彈簧支座、減振器支座及推力桿支座等處的受力情況，將其輸入到HYPERMESH有限元模型中，利用OPTISTRUCT有限元分析軟件，就可以計(jì)算出整車在以上典型工況下的應(yīng)力分布及結(jié)構(gòu)變形情況。分析結(jié)果表明，原車型骨架在后懸架后空氣彈簧支座上方及中門門框等處的應(yīng)力較大，超過(guò)200 MPa，但仍未達(dá)到材料的屈服極限345 MPa，滿足強(qiáng)度要求；其余位置處的應(yīng)力水平大多在100 MPa以下，具有較大的減重空間。

結(jié)合以上分析結(jié)果，并考慮側(cè)翻安全性，提出客車骨架的輕量化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如圖2和圖3所示。

采用的方法主要有兩種：將原先應(yīng)力較小區(qū)域的方鋼減少截面面積或厚度，甚至取消；對(duì)原先結(jié)構(gòu)較薄弱區(qū)域通過(guò)增加厚度或調(diào)整局部方鋼結(jié)構(gòu)和搭接形式進(jìn)行加強(qiáng)。主要的優(yōu)化改進(jìn)點(diǎn)：

1）將底盤前后橋處較厚的加強(qiáng)板改成方鋼。

2）將底盤較厚的槽鋼改成并管方鋼。

3）改進(jìn)前后橋過(guò)渡處的方鋼結(jié)構(gòu)和連接形式。

4）將上下腰梁間立柱與側(cè)圍立柱對(duì)齊，以形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，使受力均勻傳遞，且提高側(cè)翻安全性[10]。

5）將前后圍處非主要結(jié)構(gòu)的短柱方鋼厚度減薄。

3 輕量化效果及側(cè)翻安全性

3.1 最大應(yīng)力對(duì)比

輕量化前后三種典型工況下的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力如表2所示。

表2 輕量化前后整車結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力對(duì)比 MPa

從表2可以看出，典型工況下，整車輕量化后的最大應(yīng)力低于原車型，且在輕量化前后均低于材料的屈服極限345 MPa，滿足強(qiáng)度要求，說(shuō)明整車的可靠性未受到整車重量減輕的影響。

3.2 模態(tài)對(duì)比

輕量化前后整車前5階非剛體模態(tài)的對(duì)比情況見(jiàn)表3。

表3 輕量化前后整車結(jié)構(gòu)自由模態(tài)對(duì)比 Hz

從表3可以看出，輕量化后整車結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)頻率略有降低，但考慮到整車重量的減輕，其剛度的損失十分有限，在可接受的范圍內(nèi)。另外，輕量化后的各階模態(tài)頻率也成功地避開(kāi)了懸架共振頻率、發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率及人體不舒適頻率，不會(huì)發(fā)生共振，滿足要求。

3.3 側(cè)翻安全性分析與優(yōu)化

在前述輕量化整車結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，要同時(shí)考慮到客車上部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求。按照GB/T 17578-1998《客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的規(guī)定》[11]，采用LS-DYNA軟件進(jìn)行仿真分析表明，此結(jié)構(gòu)的生存空間在側(cè)翻過(guò)程中會(huì)受到侵入，因此，需對(duì)它進(jìn)行強(qiáng)化。因?yàn)閭?cè)翻上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度主要是由客車車身骨架閉環(huán)決定的，所以采用下列措施進(jìn)行側(cè)翻安全強(qiáng)化：將側(cè)圍立柱的材料變?yōu)镼345，并適當(dāng)增加厚度；在側(cè)圍立柱和地板之間增加斜撐；將頂蓋弧桿的材料變?yōu)镼345。強(qiáng)化后的輕量化結(jié)構(gòu)的側(cè)翻安全性分析結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，在側(cè)翻最大變形時(shí)刻，車身骨架未侵入生存空間，側(cè)圍立柱與生存空間約有62 mm的距離，因此，判定此輕量化的車身結(jié)構(gòu)符合法規(guī)要求。

4 結(jié)論

本文論述了某大型公路客車的輕量化研究及應(yīng)用。通過(guò)有限元建模并進(jìn)行典型工況下的強(qiáng)度和模態(tài)分析，得出了整車結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布及高應(yīng)力區(qū)域，據(jù)此提出輕量化改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，達(dá)到了使整車骨架減重500 kg的效果。仿真結(jié)果對(duì)比分析及側(cè)翻安全性分析表明，所進(jìn)行的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是有效和可行的。

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