焊接式全鋁客車車身設(shè)計開發(fā)

王華武，郝守海，徐茂林，劉小明，胡蓉（東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心，武漢 430056）

焊接式全鋁客車車身設(shè)計開發(fā)

王華武，郝守海，徐茂林，劉小明，胡蓉
（東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心，武漢 430056）

為提高客車整車性能，大幅減輕車身重量，對于某鋼結(jié)構(gòu)客車車身進(jìn)行輕量化開發(fā)，采用CAE分析技術(shù)，在保證車身模態(tài)、車身強(qiáng)度和車身剛度達(dá)到開發(fā)性能指標(biāo)的條件下，經(jīng)過多輪次車身結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化，實現(xiàn)焊接式全鋁客車白車身的設(shè)計開發(fā)。

客車車身；鋁合金；HyperWorks；優(yōu)化設(shè)計

王華武

畢業(yè)于清華大學(xué)現(xiàn)代應(yīng)用物理系，2005年獲得華中科技大學(xué)工程碩士學(xué)位。現(xiàn)任東風(fēng)商用車技術(shù)中心客車開發(fā)部部長，研究員級高工，主要從事客車及底盤、新能源商用車等方面的研發(fā)工作，先后在《汽車科技》、《中國客車論文集》上發(fā)表了論文。

1　引言

近年來，隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，世界性能源問題、環(huán)境保護(hù)問題變得越來越突出。于是，減輕汽車自重、降低油耗和廢氣排放量就成為各大汽車生產(chǎn)廠商提高競爭能力的關(guān)鍵［1］。

汽車行業(yè)多年來一直在促進(jìn)汽車的輕量化，而車身作為汽車上三大部件之一， 已越來越受到重視。采用鋁合金材料制造汽車車身，在保證其具有與鋼材同樣強(qiáng)度和剛度的前提下，可以有效減輕車身質(zhì)量，從而達(dá)到減少燃料消耗、降低環(huán)境污染的目的。相對于一般鋼材，鋁合金材料具有較高的比強(qiáng)度，雖然彈性模量低，但有很好的擠壓性，能得到復(fù)雜截面的構(gòu)件，從結(jié)構(gòu)上補償部件的剛度，因而可在滿足剛性及強(qiáng)度等多方面力學(xué)性能下，大大降低材料的消耗及構(gòu)件的質(zhì)量［2］。所以汽車車身的鋁合金化對減輕汽車自重具有重要意義，也是近幾年來國際汽車領(lǐng)域的一個研究熱點。

2　鋼結(jié)構(gòu)客車車身

本文所述鋼結(jié)構(gòu)公交客車車身采用半承載式車身，車身骨架分為前圍總成、后圍總成、左/右側(cè)圍總成、頂蓋總成、地板總成和中隔墻總成七部分。各骨架總成采用矩形鋼管焊接而成，然后在底盤上拼焊成整個車身骨架，車身骨架與底盤牛腿之間進(jìn)行焊接連接。動力電池布置在發(fā)動機(jī)艙上方，采用中隔墻將其與乘客區(qū)進(jìn)行隔離。

3　鋁合金材料確定

與鋼結(jié)構(gòu)客車相比，鋁合金客車仍然采用半承載式車身結(jié)構(gòu)，車架為高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)，車身為骨架加蒙皮的結(jié)構(gòu)形式。不同之處在于，車身骨架采用鋁合金擠壓型材焊接而成，而蒙皮采用鋁合金板材鉚接在骨架上，整個車身與車架之間采用鉚接固定。

鋁合金擠壓型材被廣泛應(yīng)用于建筑、交通運輸、電子、航天航空等領(lǐng)域，尤其是6系鋁合金由于其優(yōu)秀的可擠壓性、良好的耐腐蝕性和表面處理性，應(yīng)用更為廣泛，占鋁合金擠壓制品的80%以上［3］。

6系某牌號鋁合金是應(yīng)用最廣，綜合性能最好的擠壓材料，有一定強(qiáng)度，可焊性和抗蝕性高，因此優(yōu)選其作為鋁合金客車的車身骨架材料。其在T6狀態(tài)的屈服強(qiáng)度為255Mpa［3］，抗拉強(qiáng)度為290Mpa［3］。但由于該公交客車為焊接式車身結(jié)構(gòu)，根據(jù)鋁合金焊接試驗分析結(jié)果得知焊接部位的強(qiáng)度降為原材料強(qiáng)度的70%左右，因此在CAE分析時應(yīng)考慮焊接對材料應(yīng)力極限的影響，以178.5Mpa和203Mpa作為屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的評價標(biāo)準(zhǔn)。

鋁合金板材作為車身外覆蓋件，在國外主要為 6 系合金，主要牌號為 6111、6016 及6022，但此類材料目前在國內(nèi)尚處于研發(fā)階段，成本偏高，無法推廣應(yīng)用。相比較而言，5系合金具有成本低，同時具有良好的成形加工性能、抗蝕性、可焊性、疲勞強(qiáng)度和中等的靜態(tài)強(qiáng)度，適合應(yīng)用于表面較平整，無復(fù)雜曲面的客車車身蒙皮上［4］。綜合考慮，采用5系鋁合金板材作為客車蒙皮材料。

4　鋼結(jié)構(gòu)客車CAE分析

在設(shè)計鋁合金車身前，先進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)車身的CAE分析，了解并掌握該車身的性能情況，為鋁合金車身的性能指標(biāo)設(shè)定提供依據(jù)。對鋼結(jié)構(gòu)車身進(jìn)行了10個工況分析，以及模態(tài)和剛度計算。

4.1有限元建模

在靜態(tài)應(yīng)力分析時使用前處理工具HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示，CAE網(wǎng)格主要包括骨架、蒙皮和其它部件三部分。車身骨架的大部分都是薄壁件，于是采用殼單元進(jìn)行建模，以四邊形為主，三角形為輔。劃分網(wǎng)格前先抽取薄壁零件的中面，再在中面上劃分網(wǎng)格［5］。

考慮到客車車身的實際尺寸，有限元模型的精確度，網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)如下要求：

（1）網(wǎng)格尺寸20mm，最小尺寸5mm，最大尺寸40mm；骨架每個方向上至少有2～3排單元；

（2）翹曲度（warpage）＜10°；

（3）長寬比（aspect）＜ 4，特殊情況以及焊縫單元除外；

（4）最小角（min angle）＞30°；

（5）三角形比例（tri3 ratio）＜0.5%；盡量避免使用三角形單元。

鋼結(jié)構(gòu)客車通過有限元建模共計生成753320個節(jié)點和122.9萬個網(wǎng)格，可見CAE數(shù)據(jù)非常大。

CAE建模所需材料的性能參數(shù)如表1所示：

考慮到該車的使用環(huán)境，根據(jù)其設(shè)計參數(shù)和實驗數(shù)據(jù)設(shè)定10個有限元強(qiáng)度分析工況：

表1　CAE模型材料參數(shù)

工況一描述：前向制動，模擬客車額載在水平路面急停時的情況，要承受向前0.8G的慣性力；

工況二描述：后向制動，模擬客車額載在水平路面急停時的情況，要承受向后0.5G的慣性力；

工況三描述：加速，模擬客車額載在水平路面加速行駛時的情況，要承受1.0G的加速慣性力；

工況四描述：右轉(zhuǎn)向，模擬客車額載在水平路面右轉(zhuǎn)向行駛時的情況，要承受側(cè)向0.5G的慣性力；

工況五描述：左轉(zhuǎn)向，模擬客車額載在水平路面左轉(zhuǎn)向行駛時的情況，要承受側(cè)向0.5G的慣性力；

工況六描述：1G垂向載荷，模擬客車額載在水平路面靜止或者勻速直線行駛時的情況，要承受1.0倍車重的垂向載荷；

工況七描述：2G垂向載荷，模擬客車額載在水平路面直線行駛時遇到類似減速帶之類的突起，將承受2.0倍車重的垂向載荷；

工況八描述：2G前扭轉(zhuǎn)，模擬客車額載行駛在凹凸不平路面上左右車輪上下錯動，前后車橋軸線不平行，形成對車身和車架的扭轉(zhuǎn)載荷；

工況九描述：2G后扭轉(zhuǎn)，模擬客車額載行駛在凹凸不平路面上左右車輪上下錯動，前后車橋軸線不平行，形成對車身和車架的扭轉(zhuǎn)載荷；

工況十描述：乘客滿載，模擬客車滿載在水平路面直線行駛時，將承受1.0倍車重的垂向載荷和滿載站立乘客的載荷。

4.2有限元分析

利用HyperWorks軟件完成鋼結(jié)構(gòu)客車的模態(tài)分析、剛度分析和10個工況下的強(qiáng)度分析。

鋼結(jié)構(gòu)白車身的自由模態(tài)分析如表2所示，其一階整體扭轉(zhuǎn)頻率是10.91Hz，一階整體彎曲頻率是14.55 Hz，兩者相差3.6Hz。

客車剛度分析包括彎曲剛度分析和扭轉(zhuǎn)剛度分析。彎曲剛度分析用以考察客車在彎曲載荷下的剛度，而扭轉(zhuǎn)剛度分析用以考察車架在扭轉(zhuǎn)載荷下的剛度。彎曲剛度分析約束位置（見圖3）為前橋和后橋，加載位置在前后橋中間截面對應(yīng)的底盤縱梁上。扭轉(zhuǎn)剛度分析約束位置（見圖4）亦為前橋和后橋，加載位置在前橋的左端。通過分析得知彎曲剛度為42598895.2 N/m，而扭轉(zhuǎn)剛度為26771538.96 Nm2/rad。

鋼結(jié)構(gòu)客車的強(qiáng)度分析結(jié)果均滿足鋼材料的性能要求，因其與鋁合金客車在強(qiáng)度方面不具有直接對比性，在此不再贅述。

5　鋁合金客車CAE優(yōu)化分析

利用前述鋼結(jié)構(gòu)車身CAE分析的基礎(chǔ)，首先確定了車身主要基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式以及關(guān)鍵部位的初步結(jié)構(gòu)，通過4輪CAE分析及優(yōu)化，達(dá)到了車身設(shè)定指標(biāo)，最終完成全鋁車身結(jié)構(gòu)設(shè)計。

5.1第一輪鋁合金車身分析

第一輪鋁合金車身CAE模型是在鋼結(jié)構(gòu)車身的基礎(chǔ)上完成的，車身部分結(jié)構(gòu)不變，材料更換為鋁合金，底盤部分仍為鋼結(jié)構(gòu)，鋁合金車身骨架采用焊接進(jìn)行連接。通過對第一輪鋁合金車身和鋼結(jié)構(gòu)車身進(jìn)行對比分析，判定鋁合金車身的優(yōu)化方向，為后續(xù)的性能提升提供基礎(chǔ)平臺。白車身模態(tài)分析結(jié)果見表2，彎曲剛度結(jié)果見表3，扭轉(zhuǎn)剛度結(jié)果見表4，強(qiáng)度分析結(jié)果見表5。

由CAE分析結(jié)果可知，第一輪鋁合金車身與鋼結(jié)構(gòu)車身相比：白車身模態(tài)振型一致，但鋁合金車身的模態(tài)頻率偏低，相差在2Hz左右；剛度相差較大，整體彎曲剛度下降32.64%，整體扭轉(zhuǎn)剛度下降50.08%。強(qiáng)度分析結(jié)果顯示，第一輪鋁合金車身在各工況下的最大應(yīng)力值均偏高，多數(shù)結(jié)果超出了材料的許用應(yīng)力值。

5.2第二輪鋁合金車身分析

表2　白車身自由模態(tài)分析結(jié)果對比

表3　彎曲剛度分析結(jié)果對比

表4　扭轉(zhuǎn)剛度分析結(jié)果對比

根據(jù)第一輪的CAE分析優(yōu)化結(jié)果，對局部有問題的車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化結(jié)果改進(jìn)包括：1）蒙皮料厚增加50%；2）車身立柱的厚度改為2.0mm；3）頂蓋縱梁規(guī)格改成40×50×2mm；4）側(cè)圍立柱、牛腿與地板搭接處利用斜撐加強(qiáng)；5）側(cè)圍立柱采用上下貫通的結(jié)構(gòu)形式。

由CAE分析結(jié)果可知，第二輪鋁合金車身與鋼結(jié)構(gòu)車身相比：白車身模態(tài)（見表2）振型一致，頻率相差不大； 剛度差距有所減小，整體彎曲剛度（見表3）下降25.14%，整體扭轉(zhuǎn)剛度（見表4）下降29.81%。強(qiáng)度分析結(jié)果如表5所示，各工況下的最大應(yīng)力值比第一輪鋁車身有所降低，但仍有5個工況下的最大應(yīng)力值超過了材料的許用應(yīng)力，還有待于進(jìn)一步改善。

5.3第三輪鋁合金車身分析

根據(jù)第二輪的CAE分析優(yōu)化結(jié)果，對局部有問題的車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化結(jié)果改進(jìn)包括：1）頂蓋骨架與側(cè)圍骨架之間的連接采用前后貫通式弧形鋁型材進(jìn)行過渡連接，其型材斷面尺寸通過HyperWorks拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化獲得；2）所有窗立柱規(guī)格改為60×40，且立柱截面四壁的厚度不同；3）全部框架梁壁厚參與尺寸優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果調(diào)整各梁壁厚，保證近似結(jié)構(gòu)的厚度一致；4）保留第二輪改進(jìn)方案的框架形式，去除窗角和牛腿的加強(qiáng)斜撐。

由CAE分析結(jié)果可知，第三輪鋁合金車身與鋼結(jié)構(gòu)車身相比： 部分白車身模態(tài)頻率（見表2）有所提高，提高幅度在1Hz左右； 剛度差距進(jìn)一步減小，整體彎曲剛度（見表3）下降18.59%，整體扭轉(zhuǎn)剛度（見表4）下降21.43%。強(qiáng)度分析結(jié)果如表5所示，各工況下的最大應(yīng)力值比第二輪鋁車身有所降低，仍有5個工況下的最大應(yīng)力值超過了材料的許用應(yīng)力。

5.4第四輪鋁合金車身分析

第四輪鋁合金車身是在第三輪鋁合金車身的基礎(chǔ)上對車身骨架進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計，并根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對鋁車身強(qiáng)度偏弱的部位進(jìn)行型材料厚調(diào)整，主要調(diào)整部位包括側(cè)圍立柱、側(cè)圍縱梁、后地板臺階以及前后輪罩附近，部分型材的料厚超過4mm。

表5　工況下的最大應(yīng)力值

由CAE分析結(jié)果可知，第四輪鋁合金車身與鋼結(jié)構(gòu)車身相比： 白車身模態(tài)頻率（見表2）有了較大提高，部分模態(tài)頻率相差2Hz，而且消除了20Hz以內(nèi)的局部模態(tài)，其中一階整體扭轉(zhuǎn)（振型見圖5）頻率達(dá)到12.58Hz，一階整體彎曲（振型見圖6）頻率達(dá)到15.46Hz，兩者相差接近3Hz； 剛度差距進(jìn)一步縮小，整體彎曲剛度（見表3）下降5.06%，整體扭轉(zhuǎn)剛度（見表4）提高0.62%，基本達(dá)到了鋼結(jié)構(gòu)車身的剛度水平。

強(qiáng)度分析結(jié)果如表5所示，各工況下的最大應(yīng)力值比第三輪鋁車身有了進(jìn)一步的降低，各工況下的最大應(yīng)力值均滿足了材料的許用應(yīng)力，其中2.0G后扭轉(zhuǎn)工況下的最大應(yīng)力值超過200Mpa，接近材料的許用應(yīng)力，但考慮到該公交車主要用于城市較好路況上運行，遇到該種工況的可能性非常小，不會對鋁合金客車產(chǎn)生危害。

經(jīng)過四輪優(yōu)化設(shè)計，鋁合金車身的模態(tài)分析結(jié)果相對于鋼結(jié)構(gòu)車身有所提高，而整車彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度也基本上達(dá)到了鋼結(jié)構(gòu)車身的水平，在10個工況下的最大應(yīng)力值均滿足鋁合金材料的許用應(yīng)力。結(jié)果表明，鋁合金車身比鋼結(jié)構(gòu)車身重量減輕31.4%，輕量化效果比較明顯。

6　焊接式鋁合金客車車身

如圖7所示，鋁合金車身骨架主要由鋁合金擠壓型材拼接而成，采用焊接方式進(jìn)行連接固定，骨架型材截面可以根據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行設(shè)計，種類遠(yuǎn)多于鋼骨架。

全鋁客車車身骨架主要有5種截面形狀（見圖8），包括矩形、U形、“日”字形、b形和圓弧形。其中矩形鋁型材主要用于制作骨架梁，包括直梁和彎梁；U形鋁型材用于部分強(qiáng)度需求不強(qiáng)的部位；b形鋁型材用于側(cè)圍側(cè)窗下橫梁； “日”字形鋁型材用于側(cè)圍門立柱和側(cè)窗立柱，外形為彎曲梁；圓弧形鋁型材用于頂蓋骨架和側(cè)圍骨架之間的過渡連接，縱向貫通布置，單根長度達(dá)到11米。

通過質(zhì)量統(tǒng)計，焊接式鋁合金客車車身比鋼結(jié)構(gòu)客車車身輕580Kg，白車身輕量化效果達(dá)到31.4%。

7　結(jié)語

基于CAE分析技術(shù)開發(fā)的焊接式全鋁合金客車車身，通過多輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，在剛度方面達(dá)到與鋼結(jié)構(gòu)車身相當(dāng)?shù)乃剑⑻嵘税总嚿砟B(tài)，車身強(qiáng)度在10個工況條件下也完全滿足要求，實現(xiàn)白車身減重31.4%，輕量化效果比較明顯，在客車環(huán)保節(jié)能性能方面具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價值。

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