郝守海，徐茂林，胡蓉

（東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心，武漢 430056）

全鋁客車連接接頭優(yōu)化設(shè)計(jì)

郝守海，徐茂林，胡蓉

（東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心，武漢 430056）

在鋁合金客車車身骨架分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)十字形骨架連接接頭進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，開發(fā)出兩種接頭方案，再利用HyperWorks對(duì)原有骨架連接結(jié)構(gòu)和兩種新型連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，基于保證性能的前提下對(duì)方案二連接接頭進(jìn)行尺寸優(yōu)化分析，開發(fā)出質(zhì)量更輕的鋁合金連接接頭。

客車；鋁合金；HyperWorks；優(yōu)化設(shè)計(jì)；接頭

郝守海

畢業(yè)于上海理工大學(xué)，現(xiàn)任東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心高級(jí)工程師，研究方向：客車車身設(shè)計(jì)，發(fā)表論文十余篇。

1　前言

當(dāng)今社會(huì)能源短缺，油價(jià)飛漲，而汽車燃油消耗又是能源消耗的重要組成部分［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車每減輕其總質(zhì)量的10%，燃油消耗量可降低6%一8%［2］。因此，各大汽車設(shè)計(jì)和制造商都在從設(shè)計(jì)的角度考慮減輕汽車的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)輕量化。

隨著輕量化技術(shù)在客車上應(yīng)用的推廣，鋁合金客車車身骨架技術(shù)也在不斷提升。目前，鋁合金客車車身骨架連接主要有焊接和鉚接兩種。鋁合金焊接相較于鋼結(jié)構(gòu)的焊接而言，難度要大，需要操作人員掌握熟練的焊接技術(shù)，而且鋁合金本身的性能導(dǎo)致骨架容易變形，不易實(shí)際操作。鉚接相對(duì)焊接而言，工藝簡單，設(shè)備、工裝夾具成本低，且車身在裝配時(shí)不易發(fā)生變形［3］，因此鋁合金鉚接技術(shù)更利于實(shí)際操作。國內(nèi)鋁合金客車車身骨架技術(shù)剛剛起步，鋁合金鉚接水平還有待提升，特別是骨架梁之間的連接接頭還需要不斷的創(chuàng)新，挖掘出質(zhì)量更輕，連接更可靠的鉚接接頭。以十字形骨架連接接頭為例進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，開發(fā)出兩種接頭方案，再利用HyperWorks對(duì)原有骨架連接結(jié)構(gòu)和兩種新型連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。

2　原有結(jié)構(gòu)

原有的連接結(jié)構(gòu)如圖1所示，是采用六個(gè)角接頭對(duì)支撐梁、橫梁和縱梁進(jìn)行組合連接，角接頭連接在骨架梁的外側(cè)，每個(gè)角接頭通過6個(gè)鉚釘連接著兩根骨架梁，整體組合成十字形鋁合金骨架支撐連接結(jié)構(gòu)。

由于原有連接結(jié)構(gòu)采用六個(gè)角接頭對(duì)四根骨架梁進(jìn)行組合鉚接固定，接頭之間互相孤立，沒有統(tǒng)一成一體，接頭部位的結(jié)構(gòu)剛性相對(duì)較弱，易產(chǎn)生變形。

3　新型結(jié)構(gòu)

一般而言，鋁合金連接接頭的制作主要采用鑄造工藝或者擠壓工藝。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件需要采用鑄造工藝進(jìn)行制作，但鑄造成本高，效率低，強(qiáng)度低。而擠壓工藝具有操作簡便，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，適合于較大批量零件的生產(chǎn)［4］。 考慮到這方面的原因，新型接頭也需要采用擠壓工藝制作。

本文根據(jù)十字形骨架梁支撐結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)建立了兩種方案模型。方案一的連接結(jié)構(gòu)如圖2所示，其采用單個(gè)連接接頭整體固定四根成十字形的鋁合金骨架梁和一根支撐梁。方案一接頭（見圖3）包括一個(gè)套管和四個(gè)插入端，套管位于接頭中間，為方管結(jié)構(gòu)，其四個(gè)外表面的上端垂直分布著四個(gè)插入端，結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜，但其仍然可以采用鋁合金擠壓型材經(jīng)過切割加工制成。使用時(shí)，接頭中間套管套住支撐梁的上端，在接觸的四個(gè)面上各采用2個(gè)鉚釘進(jìn)行固定連接；而接頭四個(gè)方向上的插入端分別插入到四根骨架梁內(nèi)部，在骨架梁的側(cè)面進(jìn)行鉚接固定，每面2個(gè)鉚釘。

方案二的連接結(jié)構(gòu)如圖4所示，也是采用單個(gè)連接接頭整體固定四根成十字形的鋁合金骨架梁和一根豎向支撐梁。接頭（見圖5）包括一個(gè)套管和四對(duì)夾持板，套管位于接頭中間，為方管結(jié)構(gòu)，其四個(gè)外表面的上端垂直分布著四對(duì)夾持板。在使用時(shí)，接頭中間套管套住支撐梁的上端，在接觸的四個(gè)面上各采用2個(gè)鉚釘進(jìn)行固定連接；接頭四個(gè)方向上的夾持板分別將四根骨架梁卡在中間，并在其側(cè)面采用鉚釘進(jìn)行鉚接固定。方案二的連接接頭采用“井”字形鋁合金擠壓型材經(jīng)過切割加工制成。

方案一與方案二連接結(jié)構(gòu)的相同點(diǎn)在于都是采用接頭中間的套管套住支撐梁的上端，并在支撐梁的側(cè)面進(jìn)行鉚接固定，不同點(diǎn)在于方案一采用插入端插入到上方骨架梁的內(nèi)腔中，而方案二采用兩個(gè)夾持板卡在上方骨架梁的側(cè)邊，兩者與骨架梁的位置關(guān)系是一個(gè)在內(nèi)，而另一個(gè)在外。

鋁合金連接接頭材料特征如下表1所示：

表1　連接接頭的材料特征［5］

4　靜態(tài)對(duì)比分析

在靜態(tài)應(yīng)力分析時(shí)使用前處理工具HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，車身骨架的大部分都是薄壁件，于是采用殼單元進(jìn)行建模，以四邊形為主，三角形為輔。劃分網(wǎng)格前先抽取薄壁零件的中面，再在中面上劃分網(wǎng)格。考慮到連接接頭的實(shí)際尺寸，有限元模型的精確度［6］，單元尺寸取2mm。

4.1邊界條件的確定

根據(jù)十字形鋁合金骨架支撐連接結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力分析時(shí)，對(duì)支撐梁的下端和三根水平骨架梁的外端進(jìn)行位移約束，對(duì)右前方水平骨架梁的外端施加載荷，具體工況參見圖6介紹如下：

工況一：在支撐梁的下端施加三個(gè)方向的位移約束，在左前（X負(fù)向）和右后（X正向）方水平骨架梁的外端施加X向位移約束，在左后（Y正向）方水平骨架梁的外端施加Y向位移約束，在右前（Y負(fù)向）水平骨架梁的外端施加1000N（設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值）的集中力，集中力方向豎直向下；

工況二：在支撐梁的下端施加三個(gè)方向的位移約束，在左前和右后方水平骨架梁的外端施加X向位移約束，在左后方水平骨架梁的外端施加Y向位移約束，在右前水平骨架梁的外端施加1000N的集中力，集中力方向與X軸相同；

工況三：在支撐骨架梁的下端施加三個(gè)方向的位移約束，在左前和右后方水平骨架梁的外端施加X向位移約束，在右前水平骨架梁的外端施加1000N的集中力，集中力方向與Y軸相同；

工況四：在支撐骨架梁的下端施加三個(gè)方向的位移約束，在左前和右后方水平骨架梁的外端施加X向位移約束，在左后方水平骨架梁的外端施加Y向位移約束，在右前水平骨架梁的外端施加一個(gè)方向（Y向）指向連接接頭的力矩，大小為40000Nmm（設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值）。

4.2分析結(jié)果對(duì)比

通過HyperWorks軟件完成對(duì)三種結(jié)構(gòu)的靜態(tài)應(yīng)力分析，分析結(jié)果介紹如下：

工況一的分析結(jié)果顯示：

1、原結(jié)構(gòu)的最大變形量為7.22mm（見圖7），位于右前水平骨架梁的外端上邊沿中間節(jié)點(diǎn)上，方案一的最大變形量為4.63mm，方案二的最大變形量為1.74mm，三個(gè)結(jié)構(gòu)的最大變形所處位置相同；

2、原結(jié)構(gòu)骨架梁的最大應(yīng)力為422Mpa（見圖8），最大應(yīng)力位于水平骨架梁的鉚釘孔處，方案一骨架梁的最大應(yīng)力為177Mpa，最大應(yīng)力位于支撐骨架梁側(cè)面的鉚釘孔處，方案二骨架梁的最大應(yīng)力值為164Mpa，最大應(yīng)力點(diǎn)與方案一的位置相同；

3、原方案連接接頭的最大應(yīng)力值為368Mpa，方案一連接接頭的最大應(yīng)力值為385Mpa，方案二連接接頭的最大應(yīng)力值為137Mpa。

其它工況下的分析結(jié)果不再詳述，相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示：

表2　分析結(jié)果對(duì)比數(shù)據(jù)表：

由以上對(duì)比分析結(jié)果可以看出：

（1）方案一在各工況下的最大變形量與原方案相比有高有低，優(yōu)勢(shì)不明顯；方案二在前三個(gè)工況下的最大變形量都低于原方案的最大變形量，方案二在第四個(gè)工況下的最大變形量略微高于原方案的最大變形量，但其數(shù)值遠(yuǎn)低于其他三個(gè)工況下的數(shù)值，由此可見方案二的抗變形優(yōu)勢(shì)很明顯。

（2）方案一和方案二的骨架梁在前三個(gè)工況下的最大應(yīng)力值均低于原方案骨架梁的最大應(yīng)力值，在第四個(gè)工況下的最大應(yīng)力值略高于原方案骨架梁的最大應(yīng)力值，但相差不大，可見方案一和方案二在此方面優(yōu)勢(shì)相當(dāng)。

（3）方案一的連接接頭在第三個(gè)工況下的最大應(yīng)力值遠(yuǎn)低于原方案連接接頭的最大應(yīng)力值，但其他三個(gè)工況下的數(shù)據(jù)均高于原方案的數(shù)據(jù)；方案二的連接接頭在四個(gè)工況下的最大應(yīng)力值均低于原方案連接接頭的最大應(yīng)力值；由此可見方案二的優(yōu)勢(shì)凸顯。

綜合來看，方案二的結(jié)構(gòu)形式更優(yōu)，而方案一的效果不明顯，因此可以參照原結(jié)構(gòu)方案的分析結(jié)果對(duì)方案二的連接接頭進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過減薄壁厚度來達(dá)到減重目的。

4.3尺寸優(yōu)化分析

在用有限元計(jì)算結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力時(shí)，尺寸優(yōu)化過程不需要網(wǎng)格重新劃分，直接利用靈敏度分析和合適的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法就能完成尺寸優(yōu)化。對(duì)于具有連續(xù)性結(jié)構(gòu)的板或殼，也只是把各單元厚度作為設(shè)計(jì)變量，優(yōu)化結(jié)果是階梯形分布的板厚度或殼厚度。在這類優(yōu)化過程中，設(shè)計(jì)變量與剛度矩陣一般為簡單的線性關(guān)系［7］。

參照原方案的分析結(jié)果對(duì)方案二連接接頭進(jìn)行尺寸優(yōu)化，優(yōu)化網(wǎng)格劃分為2個(gè)集合（見圖9），且考慮到該零件為鋁合金擠壓型材通過切割加工而成，需要保證在同一豎面內(nèi)的網(wǎng)格料厚相同。

尺寸優(yōu)化時(shí)要求2個(gè)集合的網(wǎng)格初始料厚為6mm，上限為6mm，下限為2mm。

尺寸優(yōu)化的設(shè)計(jì)約束要求對(duì)方案二結(jié)構(gòu)在四個(gè)工況下的最大變形量進(jìn)行約束，參照原結(jié)構(gòu)的靜態(tài)分析結(jié)果設(shè)定如下：

工況一：右前骨架梁外端上邊沿中間點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)的最大變形量約束為不大于7.22mm；

工況二：右前骨架梁外端右邊沿中間點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)的最大變形量約束為不大于3.91mm；

工況三：右前骨架梁外端上邊沿右端點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)的最大變形量約束為不大于3.24mm；

工況四：右前骨架梁外端下邊沿左端點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)的最大變形量約束為不大于0.27mm。

目標(biāo)函數(shù)：設(shè)計(jì)目標(biāo)為優(yōu)化模型的總體質(zhì)量，使其達(dá)到最小。

通過HyperWorks尺寸優(yōu)化，經(jīng)過多次迭代計(jì)算，函數(shù)達(dá)到收斂，優(yōu)化計(jì)算結(jié)束［8］。新型連接接頭的網(wǎng)格厚度云圖見圖10，由分析結(jié)果可以看出，方案二連接接頭的優(yōu)化壁厚為2.8mm和2.89mm。

根據(jù)尺寸優(yōu)化結(jié)果確定方案二連接接頭的壁厚：X1集合網(wǎng)格壁厚為3.0mm，X2集合網(wǎng)格壁厚亦為3.0mm。將材料壁厚重新導(dǎo)入CAE模型進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表3所示：

表3　方案二尺寸優(yōu)化后與原結(jié)構(gòu)分析結(jié)果對(duì)比

方案二連接接頭優(yōu)化后在前三個(gè)工況下的最大變形量和最大應(yīng)力值均小于原結(jié)構(gòu)的數(shù)值，第四個(gè)工況下的最大變形量和最大應(yīng)力值高于原方案的數(shù)值，但相對(duì)于其他三個(gè)工況而言仍然偏小，可認(rèn)為結(jié)果滿足使用要求。

原結(jié)構(gòu)連接接頭的質(zhì)量與方案二優(yōu)化后的接頭質(zhì)量對(duì)比如表4所示：

表4　質(zhì)量對(duì)比表

由此可見：方案二優(yōu)化后的接頭在性能與原接頭相當(dāng)?shù)那闆r下，減重率可以達(dá)到37.9%，輕量化效果明顯。

5　結(jié)語

原有連接結(jié)構(gòu)通過六個(gè)彼此分開的角接頭與骨架梁進(jìn)行相互鉚接連成一體，接頭之間相互獨(dú)立，在骨架梁側(cè)面進(jìn)行連接。方案一的連接結(jié)構(gòu)是用一個(gè)連接接頭的一個(gè)套管和四個(gè)插入端與骨架梁進(jìn)行連接，套管與插入端之間組合成一個(gè)整體。方案二的連接結(jié)構(gòu)是用一個(gè)連接接頭的一個(gè)套管和8個(gè)夾持板與骨架梁進(jìn)行連接，套管與夾持板之間組合成一個(gè)整體。

由CAE分析結(jié)果可知，方案一的連接結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)在性能和質(zhì)量上相差不大，其連接接頭盡管為一個(gè)獨(dú)立的整體，但優(yōu)勢(shì)不明顯，不具有推廣價(jià)值。方案二的連接結(jié)構(gòu)在性能上有一定的提升，同時(shí)方案二的連接接頭質(zhì)量也遠(yuǎn)低于原方案的組合接頭，其優(yōu)勢(shì)非常明顯，具有推廣應(yīng)用的價(jià)值。

［1］楊小見，楊勝，寧忠翼，郝守海.基于HyperMesh的客車轉(zhuǎn)向機(jī)支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］. 客車技術(shù)與研究，2012（1）：14-16.

［2］Benedyk J．Light Metals in Automotive A p p l i c a t i o n s［J］．L i g h t M e t a l Age。2000，58（10）：34—35.

［3］劉成虎，李飛鵬，余慶杰，尚厚延. 形變鋁合金在客車車身上的應(yīng)用［J］.汽車工藝與材，2012（10）：39-41.

［4］王明哲，王麟平，張寶紅，張治民. 鋁合金錐殼體成形工藝分析［J］.熱加工工藝，2013，42（5）：24-26.

［5］潘復(fù)生，張丁非等．鋁合金及應(yīng)用［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版杜，2007．

［6］王松，嚴(yán)運(yùn)兵，張勝蘭. 客車車架有限元分析及尺寸優(yōu)化［J］.汽車科技，2012（4）：35-39.

［7］盧建志，楊世文，李鵬，任子清. 基于拓?fù)浜统叽缃M合優(yōu)化的ATV車身輕量化研究［J］.中北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，33（2）：141-144.

［8］葉盛，辛勇. 基于靈敏度及尺寸優(yōu)化的汽車車門輕量化［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2013，29（6）：112-115，121.

專家推薦

田哲文：

文章以較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?duì)比分析模式來說明新結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)所在，切入點(diǎn)的選擇很合適，分析也較為科學(xué)，在企業(yè)間具有實(shí)用性。

Optimization design of Aluminum bus connectors

HAO Shou-hai， XU Mao-lin， HU Rong
（ Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center of DFCV， Wuhan， 430056， China ）

On the basis of aluminum bus frame analysis， a new design for the Cross-shaped aluminum frame connectors， developed two connector programs， using HyperWorks to comparative analysis between the original skeleton connection structure and two new connection structure， finally validation of the performance using size optimization analysis of scheme 2 to develop a lighter aluminum connector.

Bus； aluminum alloy； HyperWorks； Optimization design； connector

U463.83+1

A

1005-2550（2015）04-0065-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.04.014

2015-03-06