屈 丹 趙 昕 那景新 王秋林 高劍峰

吉林大學(xué)汽車動(dòng)態(tài)模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春,130022

客車車身側(cè)圍溢流孔開(kāi)口位置對(duì)比研究

屈 丹 趙 昕 那景新 王秋林 高劍峰

吉林大學(xué)汽車動(dòng)態(tài)模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春,130022

根據(jù)承載式客車車身結(jié)構(gòu)的實(shí)際生產(chǎn)工藝和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出一種研究客車車身骨架接頭溢流孔不同開(kāi)口位置對(duì)接頭局部應(yīng)力影響規(guī)律的方法。在此基礎(chǔ)上選取了某客車側(cè)圍的一組接頭,在整車滿載彎曲、單輪懸空工況下,對(duì)不同溢流孔孔位的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了對(duì)比分析,總結(jié)了溢流孔開(kāi)口位置對(duì)接頭局部強(qiáng)度的影響規(guī)律,為車身電泳工藝中溢流孔的設(shè)計(jì)提供參考。

承載式客車車身;溢流孔;接頭局部強(qiáng)度;電泳

0 引言

全承載式客車車身具有良好的強(qiáng)度、剛度特性,目前已成為車身骨架的主流。對(duì)全承載式客車車身而言,車身骨架承受全部載荷以及路面?zhèn)鬟f的各種沖擊載荷,這就對(duì)車身骨架的強(qiáng)度提出了更高的要求。車身骨架接頭[1]處結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,是整個(gè)車身承受載荷的薄弱環(huán)節(jié),很容易產(chǎn)生局部應(yīng)力集中等問(wèn)題[2]。如在接頭處再開(kāi)設(shè)溢流孔,將很有可能加劇全承載式客車車身骨架接頭處的應(yīng)力集中,從而對(duì)車身強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響。

目前,國(guó)內(nèi)外針對(duì)車身接頭模型的研究絕大多數(shù)是對(duì)接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)及計(jì)算分析。Yasuaki等[2]研究了概念設(shè)計(jì)階段接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化問(wèn)題;Kuo等[3]考慮車門夾板運(yùn)動(dòng),研究了車身接頭設(shè)計(jì)問(wèn)題;Nikolaidis等[4]描述了接頭的變形形式,并研究了如何估算由彈簧組成的簡(jiǎn)化模型參數(shù)的問(wèn)題;耿作恒等[5]研究了汽車車架支座及焊接接頭的有限元分析方法;姚乾華等[6]研究了某汽車車身結(jié)構(gòu)中B柱上部接頭剛度及其靈敏度分析的方法;黃金陵等[1]在轎車車身結(jié)構(gòu)概念模型中提出了“接頭單元”的概念,并以車身某一立柱上部接頭為例,研究了接頭柔度的計(jì)算方法。

綜上所述,國(guó)內(nèi)外對(duì)汽車車身接頭進(jìn)行了不少研究,但針對(duì)接頭處溢流孔的設(shè)計(jì)與優(yōu)化的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。

從1963年電泳漆首次在福特轎車車身上試驗(yàn)成功至今,電泳技術(shù)已廣泛運(yùn)用于汽車車身,且由于它形成的涂膜均勻,附著性好,防腐性高,許多客車車身中也逐步采用了電泳工藝。然而,由于客車車身骨架桿件基本上是腔式結(jié)構(gòu),采用傳統(tǒng)工藝無(wú)法使內(nèi)腔噴漆到位,所以在采用電泳工藝時(shí),必須在矩形鋼管上設(shè)置一定數(shù)量的溢流孔,這樣既可保證在電泳過(guò)程中電泳液不串槽[7],也能確保內(nèi)腔泳上漆膜,同時(shí)也保證了在電泳結(jié)束后電泳液能順利快速地流出。

現(xiàn)有的全承載式客車車身大量采用矩形鋼管,每根鋼管共有4個(gè)面,對(duì)于一般接頭結(jié)構(gòu)形式,各個(gè)鋼管的開(kāi)孔位置面如何組合對(duì)接頭處的應(yīng)力集中影響最小是本文研究的重點(diǎn)。

1 研究方法及有限元模型

由于全承載式客車車身側(cè)圍是主要承載結(jié)構(gòu),因此,本文在整車模型分析的基礎(chǔ)上,選取了車身側(cè)圍上腰梁局部的4個(gè)同類型的接頭進(jìn)行研究。選取的接頭結(jié)構(gòu)在車身側(cè)圍中的具體位置如圖1所示。為了提高計(jì)算效率,本文選擇梁—?dú)せ旌蟍8]分析模型進(jìn)行分析。同時(shí),為了可以細(xì)致考察接頭處局部應(yīng)力集中特性,將提取出的接頭結(jié)構(gòu)附近區(qū)域分離出來(lái),用殼單元進(jìn)行離散,同時(shí)采用多點(diǎn)約束技術(shù)[9]進(jìn)行約束,取其截面形心與桿系結(jié)構(gòu)的主體梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)傂赃B接,如圖2所示。

圖1 接頭模型的提取

圖2 客車骨架接頭梁—?dú)せ旌夏Ｐ?/p>

圖3顯示了接頭具體的結(jié)構(gòu)形式,前后斜撐以及立柱的桿件截面尺寸按整車實(shí)際尺寸提取,均為40mm×40mm×2mm,從而保證研究結(jié)果的有效性。

圖3 簡(jiǎn)化接頭模型

接頭模型所劃分的殼單元邊長(zhǎng)為2mm,梁?jiǎn)卧呴L(zhǎng)為100mm。該結(jié)構(gòu)材料與車身相同,參數(shù)如表1所示。

表1 Q235材料參數(shù)

將提取出的簡(jiǎn)化模型導(dǎo)入整車線框模型中,如圖4所示。

客車在行駛過(guò)程中的工況雖然比較復(fù)雜,但在整車實(shí)際分析中發(fā)現(xiàn),比較常見(jiàn)的是滿載彎曲、左彎扭和右彎扭工況,本文著重在這三個(gè)工況下對(duì)目標(biāo)車型進(jìn)行分析計(jì)算。

圖4 整車有限元模型

2 溢流孔開(kāi)口位置對(duì)比分析

選取的四個(gè)接頭分別編號(hào)為 L1、L2、R1、R2,由于溢流孔可在矩形鋼管4個(gè)面上開(kāi)設(shè),為便于描述,對(duì)各接頭各模型按照溢流孔的開(kāi)口位置面來(lái)進(jìn)行編號(hào),即按“立柱編號(hào)-前斜撐編號(hào)-后斜撐編號(hào)”來(lái)進(jìn)行編號(hào)。編號(hào)1表示各矩形鋼管法線垂直向外的面,編號(hào)2表示各矩形鋼管法線指向左側(cè)的面,編號(hào)3表示各矩形鋼管法線垂直向內(nèi)的面,編號(hào)4表示各矩形鋼管法線指向右側(cè)的面。因此,對(duì)于單個(gè)接頭,需要分析的模型共有4×4×4=64種,但考慮到接頭結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性以及一般設(shè)計(jì)習(xí)慣,排除重復(fù)結(jié)構(gòu)和非對(duì)稱結(jié)構(gòu),最終總結(jié)出6種具有代表性的開(kāi)口位置組合進(jìn)行研究。綜上所述,需要研究的開(kāi)孔類型的編號(hào)分別是1-1-1,1-4-2,1-2-4,2-1-1,2-4-2,2-2-4。

結(jié)合各種工藝設(shè)計(jì)要求,將溢流孔設(shè)置為直徑10mm的半圓形。如編號(hào)為1-1-1的模型的具體開(kāi)孔位置如圖5所示。

圖5 模型1-1-1的開(kāi)孔位置

將所有接頭模型在整車中分別進(jìn)行3種工況下的有限元分析,最終分別得到未開(kāi)設(shè)溢流孔與6組開(kāi)設(shè)溢流孔接頭模型的應(yīng)力分布,其中,L2接頭無(wú)溢流孔模型的局部應(yīng)力云圖見(jiàn)圖6。

圖6 滿載彎曲工況下無(wú)溢流孔的L2接頭局部彎曲應(yīng)力分布圖

各個(gè)接頭所有不同開(kāi)孔位置模型的最大應(yīng)力如表2所示。

與未開(kāi)設(shè)溢流孔的模型相比,開(kāi)設(shè)溢流孔的接頭局部最大應(yīng)力發(fā)生了較大變化,特別是在滿載彎曲工況下,L1、L2、R1、R2接頭最大應(yīng)力分別是未開(kāi)設(shè)溢流孔時(shí)的 2.18倍、2.29倍、2.07倍、2.05倍。

表2 各接頭模型在不同溢流孔位置下的最大應(yīng)力MPa

在滿載彎曲工況下,模型1-1-1與模型2-1-1接頭處所承受的局部最大應(yīng)力相對(duì)模型1-4-2、1-2-4、2-4-2、2-2-4 要大,L1接頭最大應(yīng)力最大值為82.1M Pa,是最小值66.6MPa的1.23倍;L2接頭最大應(yīng)力最大值為74.9MPa,是最小值68.1MPa的1.10倍;R1接頭最大應(yīng)力最大值為173M Pa,是最小值159MPa的1.09倍;R2接頭最大應(yīng)力最大值為125MPa,是最小值118MPa的1.06倍。

在左彎扭工況下,模型 1-1-1、1-2-4、2-1-1、2-2-4接頭處所承受的局部最大應(yīng)力相對(duì)模型1-4-2、2-4-2要大,L1接頭最大應(yīng)力最大值為352MPa,是最小值349MPa的1.01倍;L2接頭最大應(yīng)力最大值為188M Pa,是最小值176MPa的1.07倍;R1接頭最大應(yīng)力最大值為255MPa,是最小值234MPa的1.09倍;R2接頭最大應(yīng)力最大值為346MPa,是最小值315M Pa的1.10倍。

在右彎扭工況下,模型1-1-1與模型2-1-1接頭處所承受的局部最大應(yīng)力相對(duì)模型1-4-2 、1-2-4、2-4-2、2-2-4 要大,L1 最大應(yīng)力最大值為 221MPa,是最小值 219MPa的1.01倍;L 2最大應(yīng)力最大值為218M Pa,是最小值190MPa的1.15倍;R1最大應(yīng)力最大值為321MPa,是最小值288MPa的1.11倍;R2最大應(yīng)力最大值為 333MPa,是最小值 263M Pa的1.27倍。

針對(duì)某客車車身側(cè)圍上腰梁接頭結(jié)構(gòu)不同溢流孔的開(kāi)口位置對(duì)其局部強(qiáng)度的影響研究表明,在滿載彎曲、左彎扭、右彎扭三種常見(jiàn)工況下,斜撐的溢流孔開(kāi)口位置面的選擇對(duì)接頭局部最大應(yīng)力影響較大,當(dāng)溢流孔設(shè)置在前斜撐4位置面、后斜撐2位置面時(shí),其接頭處局部最大應(yīng)力最小。同時(shí)本文也分析了開(kāi)設(shè)溢流孔后整車低階模態(tài)頻率和剛度,如表3、表4所示。

表3 整車低階模態(tài)對(duì)比

表4 整車扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度對(duì)比

由此可見(jiàn),溢流孔的開(kāi)設(shè)對(duì)整車低階模態(tài)和剛度影響不大。

3 結(jié)束語(yǔ)

由以上對(duì)比結(jié)果可知,不同溢流孔開(kāi)設(shè)位置的局部應(yīng)力最大差別可達(dá)27%,合理選擇各個(gè)接頭開(kāi)口位置面,將有效減小接頭處的局部最大應(yīng)力。因此,在客車電泳工藝設(shè)計(jì)中,應(yīng)充分重視溢流孔開(kāi)設(shè)位置的影響。

由于客車結(jié)構(gòu)的接頭數(shù)量多、類型復(fù)雜,本文僅就一種形式的接頭進(jìn)行了研究,并得出了初步的規(guī)律,但其他接頭均可采用本文方法對(duì)溢流孔的開(kāi)設(shè)位置進(jìn)行優(yōu)化。

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Comparative Research ofOver flow-hole Positions on Coach Sidewall

Qu Dan Zhao Xin Na Jingxin Wang Qiulin Gao Jian feng
State Key Laboratory of A utom otive Dynamic Simu lation,Jilin University,Changchun,130022

According to integral bus body structure characteristics and production process,a method was proposed to discuss the local strength effection of overflow-hole positions on joints of a coach.Several jointson the sidew alls were selected to analyze the stress of different overflow-hole positions at casesof full-load bending,left crankling and right crank ling.Then the stress influence law was found out by comp rasion,which can be as a reference for further design o f overflow-holes in the p rogress of electrophoresis.

integralbus body;overflow-hole;local strength of joint;electrophoresis

U462

1004—132X(2011)06—0744—04

2010—10—25

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2006A A110104)

(編輯 蘇衛(wèi)國(guó))

屈 丹,女,1986年生。吉林大學(xué)汽車動(dòng)態(tài)模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士研究生。主要研究方向?yàn)槠囓嚿斫Y(jié)構(gòu)及零部件CAE分析、優(yōu)化與實(shí)驗(yàn)。趙 昕,男,1986年生。吉林大學(xué)汽車動(dòng)態(tài)模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士研究生。那景新,男,1957年生。吉林大學(xué)汽車動(dòng)態(tài)模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授、博士研究生導(dǎo)師。王秋林,男,1985年生。吉林大學(xué)汽車動(dòng)態(tài)模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士研究生。高劍峰,男,1986年生。吉林大學(xué)汽車動(dòng)態(tài)模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士研究生。