珠海广通汽车有限公司 519090
摘要：随着车辆设计技术的不断发展,客车的被动安全性要求越来越高。 车身骨架作为客车的重要组件,其受力复杂。 利用经典力学方法对其进行结构分析很难得到准确结果,所以应用有限元软件合理地设计和分析车身骨架显得尤为重要。
关键字：全承载式；骨架结构
1、电动客车载荷分布情况
1.1 整车配重
纯电动客车承受的载荷主要由如下几部分组成：车身骨架的自重、各大总成部件的载荷以及座椅、乘客载荷。该车型载荷主要分布情况如表 2-4 所示：
（1）车身骨架自重客车骨架自重的模拟可以通过软件自定义车身材料的密度和重力加速度，自动施加重力载荷。
（2）各大总成部件的载荷纯电动客车质量较大的部件有：驱动电机、锂电池、冷却水箱、冷凝器以及空压机等等，这些部件具有较大刚度，其对局部结构性能起到加强作用。这些部件可采用等效质量点来模拟，根据其质心位置以及与车身骨架之间的连接关系，通过建立刚性连接分摊到相应的节点。
（3） 座椅及乘客载荷驾驶员质量为 75kg，乘员质量按平均 68kg 计算，乘员人数为 21 人。按照实际的座椅布置图，选取螺栓安装孔位，用 rigid-link 模拟司机座椅、单人座椅、双人座椅以及后排座椅。以等效质量点模拟乘客及座椅质量，赋予到相应的节点上。
表 1 客车载荷分布情况
.png)
.png)
2、车身骨架整体方案确定
2.1 车身结构优化设计方案
全承载式车身结构是由小断面矩形钢管焊接而成，车身结构非常复杂，利用简化的力学计算方法不能准确评估车身结构性能。因此，本文结合结构优化设计方法和有限元法对车身开展优化设计。全承载式车身结构优化设计分为三个阶段：车身结构拓扑优化、车身结构尺寸优化和典型工况静力学分析，分别对应产品设计流程中的概念设计、详细设计和分析验证。
（1）对车身进行拓扑优化以此确定车身最佳传力路径，然后对拓扑优化计算结果分析解读，从而确定车身结构基本布局形式，最终完成概念设计任务；
（2）在概念设计完成的基础上，对组成车身的型钢进行分类处理，并对型钢截面尺寸参数进行尺寸优化设计，最终确定型钢截面尺寸数据，完成详细设计任务；
（3）对优化设计后的车身进行有限元分析，在典型工况下验证新的车身结构是否满足相应的评价指标要求，车身结构总体优化方案流程图如图2所示。
.png)
图2 总体优化方案流程图
3、车身骨架强度分析
3.1车身骨架强度要求
车身骨架作为整车的主要承载结构，承受载荷较为复杂，包括道路以及整车各系统总成和乘客的载荷，尤其是道路载荷具有随机性。这些载荷会引起车身骨架结构的局部应力，在车辆的长期运行过程中会引起结构的疲劳损坏。因此，在车身骨架结构的设计过程中，必须考虑到在车辆所承受的最大载荷下，车身骨架结构不会因为弯曲变形或者扭转变形出现失效的现象。同时，还要考虑到，在长期路面不平度引起的随机载荷下，车身骨架结构在寿命周期内不会产生疲劳失效。因此，为保证车辆在其寿命周期内的正常运行，必须要求车身骨架结构具有足够的静态强度和疲劳强度。
3.2 钢板板簧的模拟
钢板弹簧在整个悬架系统中，除了作为弹性元件外，还具有导向作用。该车型采用纵置式钢板弹簧，可以传递各种力和力矩，并且结构简单。在本文中，主要采用柔性梁来模拟钢板弹簧，柔性梁的弯曲刚度模拟钢板弹簧的垂直刚度。柔性梁截面形状可以采用为长方形或者正方形，采用长方形截面形状截面尺寸比较难确定。因此，本文采用正方形截面形状，正方形的截面尺寸根据式（3-1）计算得出：
表3 截面梁截面尺寸计算表
.png)
从表 3 中可知，前钢板弹簧的模拟截面尺寸为 44 44mm；后钢板弹簧的模拟截面尺寸为 53.5 53.5mm。
4 车身骨架有限元分析
4.1模型
根据以上的车身设计,按照 1∶ 1 比例在 CAT-IA 软件中建立车身骨架的 CAD 模型。 设置 AN-SYS 与 CATIA 接口, 将 CAD 模型导入 ANSYSWorkbench 中,结果如图 4 所示。
.png)
图4 CAD 模型导入 Workbench 结果
4.2网格划分
对网格进行独立性检验,最终确定最佳网格节点数为 252 906 个,单元数134 293 个,网格划分结果如图5 所示。
.png)
图5 网格划分结果
4.3水平弯曲工况的分析
水平弯曲工况主要是指客车满载状态下,模拟客车在静态或良好路面下匀速直线行驶时的应力分布和变形情况。 在水平弯曲工况下对结构进行应力分析和位移分析,其结果如图 6 所示。
.png)
图6 水平弯曲工况分析结果
由图6 (a)可以看到,车身骨架各部件受力十分均匀,平均应力在 20MPa 左右。 车身应力较大的部位主要在发动机、前后悬架位置和侧窗玻璃处,最大应力在 50MPa。 取安全系数 n 为1. 5,则车身骨架的许用应力 [σ] 为：
.png)
式中： [σ s ] 为屈服强度值。
计算得出的许用应力大于应力分析中的最大应力,故在水平弯曲工况下车身骨架受力安全。 由图 6 (b)可以看到,车身骨架的变形量控制在 5mm附近,满足行业要求。
4.4紧急制动工况的分析
汽车在加速或制动时,在惯性力的作用下将会发生纵向变形。 紧急制动工况考虑客车以最大制动加速度 7m/ s 2 制动时,地面制动力对客车的影响。 此时应对车身骨架的前悬挂和后悬挂设置固定约束。 紧急制动工况分析结果如图6 所示。由图 6 (a)可以看出,紧急制动工况下,由于车身惯性作用,此时极限应力值较小,车身受载比较均匀。 由图 6 (b)可以看出,骨架上部的位移明显大于车底架,车身前后围的变形最大,这说明顶围在载荷传递过程中起到了保护作用。
.png)
图7 紧急制动工况分析结果
5、结束语
本文设计的全承载式客车车身骨架结构布置合理,符合刚度和强度要求,说明设计可靠,可为今后的车身骨架设计提供参考。
参考文献
[1]马文双.客车市场 2015 年回顾及 2016 年展望[J].商用汽车, 2016,2(3)：112 -117.
[2]姜忠.高铁动车组发展对道路超长途运输的影响分析[J].交通企业管理,2010,08:16-17.
[3]2015年中国油气产业发展分析与展望报告蓝皮书[J].中国石油企业，2015，4：31～32.
[4]鲍恩涛.汽车排气系统动态特性研究[D]，[硕士学位论文].合肥：合肥工业大学，2012.6.