大客車車身骨架輕量化改進(jìn)設(shè)計分析

李湘蓮

（桂林大宇客車有限公司，廣西 桂林 541003）

關(guān)于客車車身進(jìn)行輕量化骨架設(shè)計，一般都是從車身零件工藝和結(jié)構(gòu)，以及輕量化材料方面進(jìn)行設(shè)計，這樣才能有效減少車身承載力[1-2]。本文將會從這兩個方面進(jìn)行分析，在保證車身的剛度、強(qiáng)度不變的情況下，最大程度的減少客車車身骨架質(zhì)量，從而達(dá)到車身輕量化的設(shè)計。

1 客車車身鋼鋁一體化骨架輕量化設(shè)計

對客車車身骨架靜態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)車身主要承載區(qū)是底架，其他部位的載荷比較小。這里針對鋼鋁零件的連接情況，對客車腰圍、車身頂蓋、尾架等方面使用鋁合金材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計[3-4]。

客車車身選擇6061型鋁合金擠壓型材，這種材料有很好的擠壓工藝，適合組委界面桿件材料，屬性見表1。

表1 6061鋁合金材料屬性

1.1 車身拓?fù)漤斏w優(yōu)化

根據(jù)靜態(tài)客車車身分析發(fā)現(xiàn)，稱身頂蓋骨架工況變形比較大，所以要對頂蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度性能優(yōu)化。本文根據(jù)均勻優(yōu)化方法和準(zhǔn)則，采取軟件ANSY中拓?fù)鋯鸦ㄟM(jìn)行頂蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

（1）優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型

車身頂蓋2根縱梁是整個承載重要部件，形式設(shè)置不需要改變，連接橫梁的車身就有固定作用，不進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)拓?fù)淠Ｐ蛢?yōu)化原則構(gòu)建如圖1。

圖1 車身定稿拓?fù)淠Ｐ蛢?yōu)化

在ANSYS軟件程序中，只有單元是1類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)才能進(jìn)行優(yōu)化，模型中1單元類型是藍(lán)色區(qū)域，2單元是紫色區(qū)域。本文針對 SHELL93單元進(jìn)行分析，將該單元?dú)ず穸葘嵆ＴO(shè)計為車身頂蓋梁方向?qū)挾戎怠?/p>

（2）優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)果和過程

拓?fù)鋬?yōu)化中頂桿變形能結(jié)構(gòu)是目標(biāo)函數(shù)，選擇VOLuME結(jié)構(gòu)總體積作為約束函數(shù)，選擇 OC優(yōu)化算法分析 ANSYS功能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在反復(fù)的優(yōu)化計算中，將結(jié)果計算進(jìn)行比較，將體積除去70%的量，收斂誤差迭代優(yōu)化設(shè)置是0.0001，次數(shù)迭代有數(shù)設(shè)定是30次。結(jié)束拓?fù)鋬?yōu)化運(yùn)輸之后，將結(jié)果云圖密度結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)云圖優(yōu)化，可以在車身頂蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計中建立斜梁交叉形式的拓?fù)鋬?yōu)化，見圖2。

圖2 車身骨架頂蓋結(jié)構(gòu)

1.2 客車腰圍設(shè)計

車身側(cè)圍需要保留原有的腰圍布置結(jié)構(gòu)形式，該部位具有很好的力學(xué)特性，這里將標(biāo)號鋼質(zhì)腰圍內(nèi)梁換成鋁合金型材料。另外，在車身側(cè)窗左右骨架中，也需要替換為鋁合金材料。

1.3 車身尾架設(shè)計

因為車尾的設(shè)計包括曲面、曲線等結(jié)構(gòu)設(shè)計，所以這里將不對車尾結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)分析，也是將主要部分材料換成鋁合金。

2 鋁合金型材界面尺寸

2.1 文件建立分析

整個結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)模型采取扭轉(zhuǎn)和彎曲結(jié)合的靜態(tài)和模態(tài)分析，使用POST1進(jìn)行處理，選擇*GET命令對優(yōu)化變量優(yōu)化提取，將優(yōu)化尺寸儲存到文件LGW中。

2.2 優(yōu)化量定義

（1）變量設(shè)計：界面鋁合金型材尺寸設(shè)計，根據(jù)車身骨架結(jié)構(gòu)，對分析部位進(jìn)行優(yōu)化計算。

（2）狀態(tài)變量：車身骨架進(jìn)行扭轉(zhuǎn)一階設(shè)定頻率，位移最大狀態(tài)變量，扭轉(zhuǎn)一階降幅頻率校園10%，增幅位移最大小于15%。使用OPVARSV命令對變量狀態(tài)進(jìn)行定義。

（3）優(yōu)化分析：體積是目標(biāo)函數(shù)，檢率界面鋁合金數(shù)學(xué)尺寸模型：

在軟件ANSYS尺寸優(yōu)化中，算法選擇梯度Frist-Orer算法，迭代次數(shù)是30。得到變量設(shè)計最優(yōu)解，見表2。

表2 變量取值設(shè)計

3 客車車身鋼鋁骨架連接設(shè)計

根據(jù)鋼鋁結(jié)合結(jié)構(gòu)界面桿件建筑思想，對車身腰圍橫梁底部的鋁合金型材設(shè)計，以及鋼型材結(jié)合模式，見圖3。

圖3 界面鋁合金桿件

4 前后性能優(yōu)化比較

4.1 車身輕量化骨架質(zhì)量比較

車身鋼鋁骨架結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計前后質(zhì)量，見表 3，車身骨架重減少7.3%，改善后效果顯著。

表3 骨架輕量化前后質(zhì)量比較（kg）

4.2 靜態(tài)性能輕量化前后比較

三種典型靜態(tài)分析中，工況最大應(yīng)力參數(shù)列表，見表4。最大應(yīng)力工況值比材料屈服極限明顯少。

表4 比較最大應(yīng)力工況（MPa）

4.3 模態(tài)分析

進(jìn)行前量化后的車身保持了原來的動態(tài)特征，詳細(xì)模態(tài)計算見表5。

表5 輕量化前后模態(tài)比較

5 結(jié)論

在客車車身骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，采取鋼鋁一體化方案，可以有效提高車身骨架強(qiáng)度，車身減重達(dá)到7.2%，而結(jié)構(gòu)變化后的應(yīng)力沒有下注變化，仍是平滑局部無振型，車身動態(tài)性能較好。