李江

（南京金龍客車制造有限公司，江蘇 南京 210000）

1 大客車車身骨架結(jié)構(gòu)有限元分析

1.1 有限元建模

一些大型客車在整體結(jié)構(gòu)布置上屬于全承載式車身結(jié)構(gòu)，總體來說具，有一定的合理性，但在運(yùn)行過程中逐漸發(fā)現(xiàn)，車身存在變形梯度和應(yīng)力分布的不均勻性。為了提升客車運(yùn)行過程中的安全性和穩(wěn)定性，會(huì)對汽車車身采用局部加強(qiáng)的方法，以確保整車質(zhì)量達(dá)到預(yù)期要求。在大型客車車身骨架輕量化設(shè)計(jì)時(shí)，運(yùn)用有限元模型技術(shù)對車身骨架的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析，將客車整體細(xì)化分為組件和部件，單獨(dú)命名汽車的各個(gè)總成集合單元，按照前圍、側(cè)圍、底架、后尾、前后懸架、頂蓋和各個(gè)截面進(jìn)行分類，合理設(shè)置每個(gè)梁柱的截面參數(shù)。而在這些部件和組件中，會(huì)將汽車車身骨架的關(guān)鍵點(diǎn)和單元等進(jìn)行表現(xiàn)，從而使設(shè)計(jì)人員更好地對各個(gè)總成的受力進(jìn)行分析，優(yōu)化總成截面設(shè)計(jì)并對方案進(jìn)行評價(jià)。對大客車車身骨架結(jié)構(gòu)的有限元分析，符合汽車生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)計(jì)和工藝流程。針對汽車車身骨架前后懸架結(jié)構(gòu)的不同形式，可以建立等效的有限元模型，使車身骨架和等效懸架系統(tǒng)更加完整。圖1 所示為車身骨架各總成部件和組件層次之間的關(guān)系。

圖1 車身骨架各總成部件和組件層次之間的關(guān)系

1.2 載荷和邊界條件

在進(jìn)行客車車身骨架輕量化設(shè)計(jì)的過程中，對邊界和載荷條件進(jìn)行計(jì)算尤為關(guān)鍵，在計(jì)算荷載過程中，可以根據(jù)車身具體結(jié)構(gòu)，將其劃分為骨架、設(shè)備質(zhì)量、乘員、非結(jié)構(gòu)和行李等內(nèi)容，其中，非結(jié)構(gòu)質(zhì)量涉及內(nèi)飾地板和玻璃等，此時(shí)，可以根據(jù)非結(jié)構(gòu)因子乘以結(jié)構(gòu)質(zhì)量的方式對其進(jìn)行計(jì)算。對客車車身骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析主要目的在于對設(shè)計(jì)結(jié)果面臨最大承載和情況下的變形和應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)對材料剛度和強(qiáng)度的檢驗(yàn)。一般來說，與車身骨架強(qiáng)度密切相關(guān)的因素有彎曲和扭轉(zhuǎn)，此時(shí)，可以根據(jù)緊急制動(dòng)工況驗(yàn)算骨架輕量化后的載荷。

1.3 強(qiáng)度和應(yīng)力分析

在選擇客車車身骨架構(gòu)件截面尺寸時(shí)，需要從剛度和強(qiáng)度進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，但最主要的因素還是由強(qiáng)度進(jìn)行控制。客車運(yùn)行過程中的安全性能需求對車身的骨架結(jié)構(gòu)和受力提出了嚴(yán)格的要求，在對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，要對截面的各部分尺寸給予科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)，并反復(fù)驗(yàn)算所選截面的剛度和強(qiáng)度。在計(jì)算有限元應(yīng)力過程中，如果選擇某一截面尺寸，將會(huì)導(dǎo)致整體尺寸設(shè)計(jì)存在盲目性，要對其進(jìn)行多次反復(fù)的模擬和計(jì)算。因此，在這里選擇其他的設(shè)計(jì)思路，首先，將客車原車型構(gòu)件尺寸作為初始的截面參數(shù)，并對各個(gè)梁柱的截面尺寸進(jìn)行確認(rèn)。之后，根據(jù)新的截面尺寸修改和優(yōu)化不同單元集合的屬性，然后，借助有限元對其新的內(nèi)力值進(jìn)行計(jì)算。最后，再對確定的截面尺寸進(jìn)行彎曲扭轉(zhuǎn)等工況的強(qiáng)度剛度驗(yàn)算。為了提升客車車身骨架輕量化設(shè)計(jì)的可靠性，要做好輕量化效果的總體評價(jià)工作。

1.4 車身骨架剛度和變形分析

在客車運(yùn)行過程中，受外界應(yīng)力影響，會(huì)對客車骨架造成一定的扭曲，車身骨架變形通常包括彎曲變形、開口變形和扭轉(zhuǎn)變形，其與車身骨架的剛度質(zhì)量有著非常密切的關(guān)系。因此，在進(jìn)行客車車身骨架輕量化設(shè)計(jì)的過程中，需要對車身骨架的剛度和變形進(jìn)行分析。對客車車身骨架結(jié)構(gòu)有限元分析將計(jì)算過程和理論公式進(jìn)行結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)計(jì)進(jìn)程的量化控制，能夠更好地提升車身骨架輕量化設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性，提升車輛運(yùn)輸過程中的安全性。在進(jìn)行車身骨架優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，對局部的改進(jìn)方案實(shí)施起來比較容易，但由于各方面因素的影響也存在一定的局限性，同時(shí)，由于型材規(guī)格和裝配工藝方面可能具備一定的局限，進(jìn)而導(dǎo)致一些設(shè)計(jì)不能很好地進(jìn)行實(shí)施和應(yīng)用，無法達(dá)到預(yù)期的效果。

2 車身骨架輕量化設(shè)計(jì)方法分析

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)科技的迅猛發(fā)展，客運(yùn)成為人們短途出行的重要選擇，汽車運(yùn)輸也是物流的主要途徑之一，因此，對客車整體質(zhì)量進(jìn)行控制能夠有效地促進(jìn)國內(nèi)生態(tài)文明的建設(shè)。一般來說，客車車身的輕量化發(fā)展主要從三個(gè)途徑入手，第一是使用新材料技術(shù)，第二是使用先進(jìn)的加工制造技術(shù)，第三是對客車的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。綜合來看，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法能夠有效減少客車生產(chǎn)使用的資源，這些資源包括材料造價(jià)以及設(shè)計(jì)工藝等，而通過科學(xué)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅能夠減少資源的浪費(fèi)，還能有效提升客車車身的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，以及運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性和安全性。將結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法運(yùn)用到客車車身輕量化發(fā)展中，能夠有效地縮短設(shè)計(jì)的周期，提升客車整體設(shè)計(jì)質(zhì)量，并且改善傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中存在的一些問題。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種以數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)模型，通過計(jì)算機(jī)處理，可以將實(shí)際的物理模型轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)人員可以對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析和討論，從而應(yīng)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)。當(dāng)前，在進(jìn)行客車車身骨架輕量化改進(jìn)設(shè)計(jì)的過程立足于多目標(biāo)優(yōu)化的基礎(chǔ)，有限元方法和最優(yōu)化技術(shù)所結(jié)合產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)逐漸成熟，并應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也取得了很好的運(yùn)行效果?？蛙囓嚿磔p量化的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)內(nèi)容，分別為目標(biāo)函數(shù)、約束條件和設(shè)計(jì)變量。簡單來說，目標(biāo)函數(shù)就是進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)所追求的最終目標(biāo)，比如，客車車身骨架質(zhì)量最輕或體積最小等。而約束條件指的是在滿足必要性能條件的基礎(chǔ)下實(shí)現(xiàn)所設(shè)定的最優(yōu)化目標(biāo)，比如，應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力、位移小于設(shè)定值等。而設(shè)計(jì)變量指的是在優(yōu)化過程中對原有設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)的參數(shù)。

3 典型結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

當(dāng)前國內(nèi)常見的客車車身骨架材料主要由專用的汽車制造鋼板構(gòu)建，不同的鋼板材料在強(qiáng)度和剛度上存在區(qū)別，因此，在進(jìn)行客車車身骨架設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)根據(jù)汽車強(qiáng)度性能需求在不同的部位選擇不同類型的鋼材。比如，在前后圍和地板等對剛度強(qiáng)度要求較低的部件上主要采用低破鋼，對強(qiáng)度和精度要求較高的部分，如低價(jià)的會(huì)采用抗變形能力強(qiáng)屈服極限化大的強(qiáng)度鋼。在客車車身骨架整體結(jié)構(gòu)中，還需要對構(gòu)建的細(xì)小細(xì)節(jié)進(jìn)行處理，包括倒角和微型孔等。

4 結(jié)語

本文通過對客車骨架進(jìn)行的靜力學(xué)分析，對客車骨架的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化討論，在提升客車骨架應(yīng)力分布合理性的同時(shí)，可以通過科學(xué)的設(shè)計(jì)方法提升車身的剛度和強(qiáng)度，并且有效地減少車身建設(shè)所使用的材料?？蛙嚨妮p量化設(shè)計(jì)能夠有效促進(jìn)國內(nèi)汽車工業(yè)的深入發(fā)展，提高應(yīng)用燃油能源的經(jīng)濟(jì)性和安全性，有效降低了客車的使用成本，對國內(nèi)能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)的目標(biāo)有著一定的推動(dòng)作用。