福田欧辉 102200
摘要：随着社会经济飞速发展，城镇化速度的加快，人口流动越来越频繁，再加上近年来旅游业的繁荣，使得我国对于客车的需求量逐步加大，对客车制造业也提出了更高的要求。在现代这个能源紧缺的时代，生产低排放，低油耗的客车更成为社会发展的客观需要。而发展客车车身轻量化技术则是解决这一问题的最有效手段之一。
关键词：客车；车身轻量化；技术
引言
客车车身轻量化是指通过优化结构设计和使用新型轻量化材料，在确保客车综合性能的前提下，尽可能的降低客车的自身重量。这绝不是将客车简单化、小型化，而是应保持客车应有的性能不受影响，有目的的减轻自身重量，保证客车行驶的舒适性、安全性，并适当降低生产成本。实现客车轻量化的途径主要有优化客车结构设计和采用新型轻量化材料两类。
一、客车轻量化设计技术及现状
客车轻量化设计是采用新的车身结构和大量采用新型轻质复合零部件而进行的优化设计。客车轻量化绝非是简单地将其小型化。首先应保证客车的基本性能不受影响，既要有目标地减轻客车车身的质量，又要保证客车行驶的动力性、乘坐舒适性及安全性和可靠性。同时在保证客车价格不变的前提下，尽量降低广大客户使用车辆的成本。客车轻量化技术不断发展，主要表现在：
1）轻质材料的使用量不断上升，铝合金、镁合金、高强度钢、塑料、复合材料等的应用越来越多。
2）结构优化和零部件的模块化设计水平不断提高，如采用前轮驱动、用高强度钢悬架结构等来达到轻量化的目标；客车车身骨架部件冲压成型，计算机辅助集成技术和结构分析等技术也有所发展。
3）客车轻量化设计技术促使客车制造业在成型方法和连接技术上不断创新。
目前，国内汽车轻量化材料正在迅速发展，如宇通客车与美国铝业公司已正式宣布建立合作伙伴关系，双方将应用世界领先的客车结构设计、材料及制造技术，共同开发新一代的节能环保城市客车。据悉，双方合作的第一步是共同开发一款全新的、可显著降低温室气体排放并提高燃油经济性的全铝车身的客车。这是美铝公司根据世界客车对轻量化的要求而提出的技术创新方案，主要采用了美铝全铝框架设计和硬合金技术，兼含美铝新合金车身铝制覆盖件及独有的全铝锻造轮毂，使客车自重降低了15％以上。上海大众桑塔纳轿车变速器壳体也采用了镁合金。
传统客车车身是钢结构，现今也越来越多地采用高强度钢、不锈钢、铝合金及夹层钢等，其制造工艺有柔性化钣材辊轧、剪拼焊接、薄壁制造等。不锈钢与强度较高的碳钢相比，有延展性更好、强度更高、更适合形状复杂的覆盖件成型的优点。
车身的轻量化不仅包括车身钢结构的轻量化，还包括车身内装饰及内部设备的轻量化。塑料和复合材料一般可减重35%左右，强度方面达到甚至超过了铝材，整车成本会更低。塑料是由非金属为主的有机物组成的，具有密度小、成型性好、耐腐蚀、防振、隔音、隔热等性能，大都使用在汽车的内外饰件上，如仪表板、车门内板、顶棚、副仪表板、座椅及各类护板、扶手、车窗等，而后逐渐向结构件和功能件扩展，例如发电机及其相关系统、冷却系统等。
二、客车车身结构优化方法
一般客车车身骨架采用的主要材料有：锻巧冷批板、冷靴锅轿静钢板等。不同的钢板材料由于巧强度和刚度的不巧被用在客车上不巧的部位，低破钢一般被用在前后围、地板等对刚度、强度耍求较低的部件；抗变形能为强、屈服极限化大的商强度钢一般被用在底架等对刚度、强度耍求较高的部件对各构件提取中面后，还需耍对构件的一些微小细节，如倒角、微型孔等进行清理。这些在有限元网格划分时会产生许多小单元，从而导致计算时问的增加。因此，在保证构件完整形貌的前提下，对巧细微的倒巧和一些直径小于２０ｍｍ化非螺栓孔的结构进行几何处理。同时，对于而与面之间的问隙和一些自由边等次耍细节也进行了几何清理，保证网格划分的质量。在客车车身骨架结构有限元模型建立的过程中，尤其是在网格划分的过程中，一定要经常、及时的进行网格质量的检査，Ｗ便使得所划分的网格达到耍求。检查网格的各项参数，找出不符合耍求的网格，并对其经行修改。具体的检查内容：
1.连续性检査：为保证网格连续Ｗ实现各节点问力的传递，对于重复的节点进行合井或删除。
2.单元法向的检查和调整：调整单元的法向量，使所有单元的法向量一致。
3.网格形状检查，包括单元长宽比、雅克比、单元翅曲巧、单元歪斜巧、单兀最大最小内巧等。
4.Ｈ巧形网格单元所占比例检查：Ｉｔｌ于相邻两个Ｈ巧形单元之问很容易产生应力、应变突变，所Ｗ在模型中尽量不耍出现过多的Ｈ巧形单元，一般耍求Ｈ巧形网格单元有网格单元数量的比例在３％Ｗ下。
5.交叉穿透检査：整车模型中和邻部件可能出现相互穿透，需进行检查和调整，消除穿透现象。
以有限元为基础的结构优化中，拓扑优化、形貌优化和尺寸优化是最为常见的优化方法，被广泛应用于产品开发的各个阶段。在产品的初始概念设计阶段，可以采用拓扑（Topology）优化、形貌（Topography）优化和自由尺寸（FreeSizing）优化技术得到初始结构的基本形状。拓扑（Topology）优化是一种数学方法，能在给定的空间结构中生成优化的形状及材料的分布。通过将区域离散成有限元网格，OptiStruct为每个单元计算材料特性，在给定的约束条件下，改变材料的分布，优化用户给定的设计目标。拓扑优化基本思想是将寻求结构最优拓扑问题转化为求解设计区域内最佳材料分布的问题。其最大优点是能在不知道结构拓扑形状的基础上，根据已知载荷条件和边界条件确定较合理的结构形式。拓扑优化不涉及具体结构的尺寸设计，但可以提供满足条件的最优材料分布方案。
密度法把每个设计区域单元的材料密度定义为设计变量，在0-1之间连续变化。0和1分别代表空和实。密度法假象材料的刚度与密度成线性关系，既可用于各向同性的材料，也可用于各向异性的材料。密度法具有很好的有效性和普遍适用性，因此密度法是所有拓扑优化默认的方法。
均匀化法，结构材料被表示为具有周期性的微观结构的多空连续体或不同密度的分层复合物。其基本思想是材料中引入单胞微结构，优化过程中以单胞尺寸为拓扑设计变量，建立材料密度与特性之间的关系。
三、客车车身新型轻量化材料运用
客车不同于家用轿车，它的重量既包括车身骨架、发动机的重量还有各种悬架、扶杆、座椅等。其中车身内外的各种覆盖件的重量又居首位。降低客车车身重量对降低发动机的功耗和减少客车自重具有双重作用，这就要在车身制造材料方面寻找突破口。此外，数据显示，车身轻量化系数的优化就是减轻车身质量和提高扭转刚度。减轻车身质量，可以从结构设计、材料选用和制造工艺3环节的优化考虑，其中有效控制零件数量是控制车身质量的重要途径；提高车身扭转刚度，则可以通过车身加强件的增加或板材加厚、高强度板应用比例的提高、结构的断面优化和车身接头设计优化等方法实现。
轻量化的替代材料很多，各有各的优势和缺点，铝是目前最受欢迎的材料之一，它的密度只有钢铁的1/4，但其机械加工性能却比铁高四点五倍，而且耐腐蚀性、导热性极好。并且铝合金还具有易回收、强度高等特点。客车制造业运用最多的是铸造铝合金和形变铝合金。发动机罩、行李箱罩、车门、翼子板等车身面板，保险杠、轮毂和汽车结构零件等都可运用铝合金材料，这一技术已经比较成熟。但是要考虑成本问题，目前铝价还比较高，铝合金的运用要充分考虑成本的控制问题。镁合金具有与铝合金相似的性能，但是镁的质量更轻，它们的质量比为1.8∶3，是现在为止重量最轻、最理想的金属材料，是客车车身轻量化改造的首选材料。我国的镁资源居世界首位，国内用得很少，尤其汽车行业用量极少，而那些工业发达的国家对铝、镁合金材料的开发与应用，已达到了产业化阶段，因此我国这一技术的开发前景非常广阔。
关于客车车身轻量化这一问题已经逐步受到重视，塑料及纤维复合材料在车身制造的应用上也日益增加。塑料零件、纤维复合材料在客车中应用范围更为广泛。而现在强度更高、冲击性更好的结构件、功能件也在不断出现。我国客车行业应用较多的复合材料是以手糊或者喷射工艺为主的玻璃钢以及模压的天然纤维增强塑料。环保的要求越来越高，汽车行业开始采用可降解可回收再利用的热塑性塑料，以及对环境污染小的模压成型热固性塑料，这些材料质量轻、稳定性好，发展前景非常高。
此外，新型钢板也是汽车车身轻量化设计的一个发展方向，目前，很多企业企业都开始致力于减轻汽车用钢铁材料重量，汽车用钢开始朝着高强度的方向发展，研究显示，在钢板厚度减少0.05、0.10、0.15mm的情况下，车身自重可以减少6%、12%与18%。应用高强度钢可以有效提升汽车的安全性，减小振动与噪音，提升燃油效率，降低了整车质量，不会增加成本，但是可以显著提升汽车的驾驶性能与加速性。
结语
对客车骨架的局部结构进行了优化讨论，在提升客车骨架应力分布合理性的同时，可以通过科学的设计方法提升车身的刚度和强度，并且有效地减少车身建设所使用的材料。客车的轻量化设计能够有效促进国内汽车工业的深入发展，提高应用燃油能源的经济性和安全性，有效降低了客车的使用成本，对国内能源节约和环境保护的目标有着一定的推动作用。
参考文献：
[1]李敏，朱恒伟.新能源客车车身结构设计及强度分析[J].河北农机，2016（12）：64-65.
[2]彭湖.全承载全铝客车车身轻量化研究[D].湖南大学，2012.
[3]左向南.大型客车车身骨架结构分析与轻量化研究[D].哈尔滨工业大学，2011.