輕量化客車車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

白云鵬，劉瑞萍，譚 琳，孔 雪，張書豪，祝 哮

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003）

輕量化客車車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

白云鵬，劉瑞萍，譚 琳，孔 雪，張書豪，祝 哮

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003）

利用CAE分析技術(shù)建立了某鋼鋁混合客車車身骨架有限元模型，對(duì)該客車實(shí)際路試中的2種典型工況（水平彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況）進(jìn)行了分析，得到了車身骨架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移分布情況。仿真結(jié)果表明：該客車車身骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)需求，特別是五大片鋁制結(jié)構(gòu)的需求強(qiáng)度均小于對(duì)應(yīng)鋁合金型材的屈服強(qiáng)度，具有較高的安全系數(shù)。

鋼鋁混合車身； 輕量化；剛強(qiáng)度分析；有限元分析

0 前言

客車車身骨架作為客車所有總成的載體，受力復(fù)雜，幾乎承受客車所有的動(dòng)靜態(tài)載荷，骨架質(zhì)量和結(jié)構(gòu)形式直接影響車身的壽命和整車的性能[1]。對(duì)客車車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛強(qiáng)度模擬分析，可獲得車身承載特性等基本性能指標(biāo)，為車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)和后期生產(chǎn)性能評(píng)價(jià)提供指導(dǎo)，具有重要的意義。

客車車身骨架質(zhì)量占整車質(zhì)量的30% ～ 40%，車身骨架輕量化對(duì)汽車節(jié)能減排起重要作用?？蛙囓嚿砉羌茌p量化的途徑一般有兩條[2]：一是采用輕質(zhì)材料，二是改變車身骨架的設(shè)計(jì)。張大千等[3]通過Ansys優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊對(duì)某客車車身進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。烏秀春等[4]利用APDL參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言對(duì)某車身骨架進(jìn)行優(yōu)化分析設(shè)計(jì)，其總質(zhì)量減輕3.48%。目前在客車骨架輕量化研究中，材料減重，特別是大范圍材料減重的研究顯見報(bào)道。鋁合金具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域，作為輕量化材料，有廣泛的應(yīng)用前景[5、6]。本文以某鋼鋁混合客車車身骨架為對(duì)象，研究了鋁替代鋼在客車車身骨架應(yīng)用的可行性，分析了該客車在彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力及變形，獲得五大片鋁制結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度性能指標(biāo)，為客車車身骨架材料減重提供參考。

1 有限元模型的建立

將車身結(jié)構(gòu)分為前后圍、左右側(cè)圍、頂圍和底架六大總成。頂圍、左右側(cè)圍圍、前后圍五大片以鋁制結(jié)構(gòu)為主，底架采用Q345鋼材，建立的整車骨架幾何模型見圖1。

圖1 整車骨架幾何模型

有限元模型建立中，對(duì)幾何模型進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，忽略一些非承載部件（如儀表盤、扶手等），去除了對(duì)整車強(qiáng)度影響較小的小尺寸結(jié)構(gòu)，不考慮焊接、螺接和鉚接結(jié)構(gòu)的失效問題。

2 載荷工況計(jì)算

2.1 載荷處理

載荷分為內(nèi)部載荷和外部載荷，內(nèi)部載荷是客車車身骨架自重，外部載荷是作用在骨架結(jié)構(gòu)上的載荷。內(nèi)部載荷與車身骨架材料有關(guān)，車身骨架材料屬性如表1所示。外部載荷通過分布耦合和均布質(zhì)量點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)，載荷質(zhì)量和加載方式見表2。

表1 客車車身骨架材料屬性

表2 載荷質(zhì)量及加載方式

2.2 工況計(jì)算

2.2.1 水平彎曲工況計(jì)算

水平彎曲工況模擬客車滿載下靜止或在良好路面上勻速直線行駛時(shí)的應(yīng)力分布和變形情況，考慮車輛在行駛過程中由于路面的不平整可能會(huì)引起不同程度的顛簸，取彎曲工況下動(dòng)載系數(shù)為1.5。約束左前輪UZ方向的自由度 ，右前輪UY、UZ方向自由度 ，左后輪UX、UZ方向自由度以及右后輪UX、UY、UZ方向自由度。

圖2（a）為水平彎曲工況下的應(yīng)力云圖。在水平彎曲工況下，客車最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在底架焊接區(qū)域，為236.8MPa，遠(yuǎn)小于Q345的屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求，并具有較大的強(qiáng)度富余。對(duì)于五大片鋁制結(jié)構(gòu)而言，等效應(yīng)力在190MPa以下，均小于對(duì)應(yīng)鋁制型材的屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度需求。

圖2（b）為水平彎曲工況下對(duì)應(yīng)的位移云圖。水平彎曲工況下，客車后圍變形較大，最大變形位置在底架發(fā)動(dòng)機(jī)安裝梁上，位移為14.55mm。這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)后置，整車設(shè)計(jì)重心也偏后。

圖2 水平彎曲工況下的應(yīng)力和變形模擬

2.2.2 扭轉(zhuǎn)工況計(jì)算

扭轉(zhuǎn)工況模擬客車滿載在凹凸不平路面行駛時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)車輪懸空的情況。在扭轉(zhuǎn)工況下的動(dòng)載荷變化非常緩慢，近似的看做靜態(tài)。下面分析以左前輪懸空為例，其載荷處理與水平彎曲工況相同，釋放左前輪Z方向的自由度。

圖3（a）為扭轉(zhuǎn)工況下左前輪懸空的應(yīng)力云圖。扭轉(zhuǎn)工況下，整車的應(yīng)力分布在158～255MPa，均低于材料的屈服強(qiáng)度，滿足剛強(qiáng)度要求。對(duì)于車身五大片鋁制結(jié)構(gòu)，應(yīng)力水平均在158.55MPa以下，滿足客車強(qiáng)度使用需求，且具有較大的安全系數(shù)。

圖3（b）為扭轉(zhuǎn)工況下左前輪懸空的位移云圖。由圖可見，左前輪懸空扭轉(zhuǎn)工況下對(duì)應(yīng)的最大位移為18.7mm，變形較大。對(duì)整體而言，車體的位移基本上在9.2mm以內(nèi)，滿足變形要求。

圖3 扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力和變形模擬

3 結(jié)論

（1）水平彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下，底架Q345鋼結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的最大等效應(yīng)力分別為236.8MPa和255.7MPa，均小于Q345鋼的屈服強(qiáng)度。

（2）水平彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下，車身五大片鋁制結(jié)構(gòu)的應(yīng)力在190MPa以下，均小于對(duì)應(yīng)鋁型材的屈服強(qiáng)度274MPa，滿足客車強(qiáng)度需求，具有較高的安全系數(shù)。

（3）總體剛度分析結(jié)果表明，水平彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下的最大位移分別為14.55mm和18.7mm。整體而言，車體的位移在9.2mm以下，該剛度結(jié)果滿足客車使用的剛度需求。

[1] 沈永峰，鄭松林，馮金芝. 公路客車車架與車身骨架強(qiáng)度及模態(tài)分[J]. 現(xiàn)代制造工程，2013，7∶ 90-95

[2] 孫立君，譚繼錦，蔣成武，等. 多工況下客車車身骨架輕量化研究[J]. 汽車科技，2010，3∶ 20-24

[3] 張大千，張?zhí)靷b， 張國(guó)勝，等. 基于靈敏度分析的客車車身骨架輕量化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械強(qiáng)度，2011，33(6)∶ 913-920

[4] 烏秀春，鄭文強(qiáng)，趙雪雙. 基于ANSYS的客車車身骨架有限元分析與優(yōu)化[J]. 上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，18(3)∶ 146-151

[5] 劉靜安，盛春磊，劉志國(guó)，等. 鋁材在汽車上的開發(fā)應(yīng)用及重點(diǎn)新材料產(chǎn)品研發(fā)方向[J]. 鋁加工，2012，208∶3-16

[6] 陳 志，王志學(xué)，張 磊. 一種新型輕量化高級(jí)轎車鋁合金輪轂生產(chǎn)工藝[J]. 鋁加工，2011，203∶46-48

Analysis on Strength of Lightweight Passenger Car Structure

BAI Yun-peng, LIU Rui-ping, TAN Lin, KONG Xue, ZHANG Shu-hao, ZHU Xiao
(Liaoning Zhongwang Group Co.Ltd., Liaoyang111003, China)

Finite element model is established for a certain steel aluminum bus frame using computer aided engineering(CAE) analysis technology. Two typical working conditions are analyzed, including level bending and limiting torsion. The stress and displacement distribution of the bus frame structure are obtained. The simulation results show that the strength of the body skeleton of the bus satisfies the design requirements. The demand strength for the five parts of aluminum structure is less than the yield strength of corresponding aluminum alloy profile, with a higher safety factor.

steel aluminum body; light-weighting; stiffness strength analysis; finite element analysis

TG146.21

A

1005-4898（2017）01-0031-04

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.01.06

白云鵬（1984-），男，遼寧遼陽(yáng)人，工程師。

2016-11-15