于國飛，黃　飛，王海兵，王中武

（廈門理工學院機械與汽車工程學院，福建廈門　361024）

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客車車身骨架剛度有限元分析及改進設計

于國飛，黃飛，王海兵，王中武

（廈門理工學院機械與汽車工程學院，福建廈門361024）

摘要：以某城市客車為研究對象，利用HyperWorks軟件建立該城市客車承載式車身的有限元模型。分析多種工況下車身的結構強度，計算車身骨架的靜態(tài)剛度以及開口變形。針對結構設計中的不足，提出改進方案，通過結構改進前后的車身主要性能參數(shù)對比，驗證改進方案的可行性。

關鍵詞：城市客車;車身結構;剛度;有限元分析

承載式客車車身骨架通常是由薄壁型材構成的復雜空間高次超靜定結構[1]，行駛過程中整車構件的受力情況很復雜，很難通過試驗對其整體做出準確的結構分析。總結國內(nèi)客車車身骨架結構設計方法，大多數(shù)工程師通過對幾種可行的結構方案進行對比計算，采用基于強度、剛度和穩(wěn)定性等設計理念。根據(jù)結果，對原始結構方案進行優(yōu)化完善，得到應力、變形分布合理的車身骨架設計方案。

客車車身結構失效的主要表現(xiàn)除強度不足引起結構開裂為永久塑性變形外，還有車身結構剛度不足導致彈性變形過大影響諸多使用功能。所以，客車的結構設計除了受強度限制外，在很大程度上還受到車身剛度要求的制約。車身剛度指標直接影響到車身強度、疲勞壽命、被動安全性、NVH性能等[2]。因此，在設計客車車身骨架過程中，必須滿足客車車身結構的剛度指標要求，再對客車的其他性能進行評價，以確保設計出安全可靠的客車車身骨架結構。

1　車身有限元模型建立及強度分析

1.1模型的建立

1）在不影響計算精度的前提下，建立客車車身骨架的有限元模型時，根據(jù)實際情況對其作適當?shù)暮喕幚韀3-4]：省去非承載件；忽略車身蒙皮和玻璃對車身結構剛度的加強影響；合并相鄰節(jié)點以減少方程階數(shù)，提高求解過程穩(wěn)定性。

2）為了保證模型準確性，根據(jù)客車實際載荷分布情況，對有限元模型進行加載[5]，載荷包括：客車車身結構自重、客車上各大總成質(zhì)量、座椅和乘客及隨身行李質(zhì)量等。

3）城市客車車身骨架材料主要采用16Mn鋼，其力學性能參數(shù)如表1所示。

表1　城市客車車身骨架材料參數(shù)

1.2車身骨架強度分析

對于城市客車，行駛道路情況良好，因此，選取彎曲、扭轉、緊急制動和轉彎四種典型工況對車身結構進行有限元分析[6]。匯總得出車身骨架綜合應力和綜合變形最大值及相應的位置，如表2所示。

表2　四種工況強剛度對比

2　車身骨架剛度分析

2.1整車彎曲剛度

為敘述方便，假定車身整體可用一根圖1所示具有均勻彎曲剛度的簡支梁來模擬。

圖1　偏置加載簡支梁模型

將有限元模型中算得的車身底架最大垂直撓度代入簡支梁彎曲剛度計算表達式（1）中，可求得整車彎曲剛度EI，表達式[7]為式中：F為彎曲工況的集中載荷力；x為支點到測量點的距離；L為軸距；a為支點到加載點的距離；y為撓度。計算剛度所用基本參數(shù)有：F=1.0×104N，L=6 m，a=3.5 m，b=2.5 m。經(jīng)計算，可得車身的彎曲剛度為EI=2.76× 107N·m2。

我國國內(nèi)同類客車車型的彎曲剛度范圍在2.2× 106～4.25×107N·m2，故此彎曲剛度滿足要求。

2.2整車扭轉剛度

計算扭轉剛度時，在后懸架支承點約束全部自由度，前懸左支承點向上位移δ1=20 mm[8]，前懸右支承點向下位移δ2=-20 mm，計算得到前懸左右支承點約束反力分別為21 810 N和-21 590 N。前軸上扭矩：式中：F1為前懸左支承點集中力；F2為前懸右支承點集中力；L為前橋左右板簧與橋連接處距離，L'=1.31 m。

前軸扭轉角為

由于車身后軸設為固定約束，扭轉角約為0°，故整車的扭轉角

整車的扭轉剛度為

扭轉剛度的評定標準因不同國家和不同的車身承載形式而異，我國TB 1335-78標準中制定了有關車體強度、剛度的若干規(guī)定，其中的評定值偏高[9]。只是推薦值，并不作為產(chǎn)品驗收的標準，過高的剛度評定值會嚴重制約車身輕量化的設計。日本電動客車鋼制車體的相當彎曲剛度和扭轉剛度有80%低于我國標準的評定值。根據(jù)日本統(tǒng)計資料表明，汽車軸距與扭轉剛度的對應關系如圖2所示。與非承載式車身車型相比，全承載式客車車身的扭轉剛度較大。國內(nèi)同類客車扭轉剛度范圍在4.5×103～4.11×105N·m2/deg。對客車而言，車身覆蓋件使其扭轉剛度有所提高。類比常用承載式車身扭轉剛度，該客車的扭轉剛度能夠滿足車身性能要求。

圖2　軸距與扭轉剛度的關系曲線

2.3開口變形

開口變形是評價車身剛度的另一個重要指標。擋風玻璃、車門、車窗等部位所產(chǎn)生的開口變形如果過大，則會影響整車車身的密封，甚至造成客車車門卡死、車窗玻璃破碎、滲水、漏雨和內(nèi)飾掉落等問題。同時開口變形過大，會導致開口變形部位應力加大[10]。為了避免上述問題的出現(xiàn)，需校驗所有開口變形量的大小。開口變形的測量是計算在上述四種典型工況下車身開口位置處對角線前后變化量以及變形比的大小，原則上要求各開口的變形比不超過0.2%[11]。為節(jié)省篇幅，表3中僅列出上述四種工況下最大開口變形量。由表3可知，扭轉工況下的開口變形剛度不符合要求。

表3　四種工況最大開口變形量

3　車身結構改進及性能對比

3.1高應力區(qū)域車身結構改進

根據(jù)四種工況下整車應力云圖，可匯總大于300 MPa的桿件所在位置，將其分為A、B、C三段，分別對其進行結構改進設計如下：

1）A段結構改進如圖3所示：①增加斜撐，用于降低駕駛區(qū)縱梁在Z方向的撓度；②橫梁1規(guī)格由50× 40×4.0增大為60×50×4.0，增強Y方向的剛度，降低其在Z方向的撓度；③縱梁1規(guī)格由50×40×4.0增大為60×50×4.0，同樣可達到上述效果。

2）B段結構改進如圖4所示：①增加斜撐，加強前段與前橋段的搭接；②橫梁Z方向規(guī)格由50×40×4.0加大為60×50×4.0，以增強Y方向的剛度。

圖3　　fgdfgdfA段結構改進部位

圖4　　fgdfgdfB段結構改進部位

3）C段結構改進如圖5所示：①增加斜撐1-6，加強支撐、減少應力等作用；②橫梁1截面由40×40×4.0改為60×50×4.0，增強其在Y方向的剛度；③后橋上方主縱梁1規(guī)格由40×40×4.0改為50×50×3.0，增強其在X方向的剛度。

圖5　　fgdfgdfC段結構改進部位

3.2剛度及其它性能對比

用同樣辦法計算改進后結構的彎曲剛度EI=2.93× 107N·m2。根據(jù)2.2所述方法，可得到整車的扭轉剛度9.01×104N·m2/deg。

根據(jù)優(yōu)化后的骨架位移變形云圖，匯總出四種工況的最大開口變形量，如表4所示。經(jīng)計算，所有變形比均小于0.2%，因此，改進后的結構開口變形剛度符合要求。

表4　四種工況最大開口變形量（改進后）

匯總整車的彎曲剛度、扭轉剛度、骨架質(zhì)量、一階扭轉頻率性能參數(shù)對比如表5所示?？芍囆阅苡辛孙@著改善，彎曲剛度比原結構增加了6.15%，扭轉剛度雖然比原結構降低了7.59%，仍能夠滿足車身性能要求。一階扭轉頻率上升4.51%。同時也進行了改進結構的強度分析，驗證了結構應力分布滿足材料的許用應力。

表5　結構改進前后車身性能參數(shù)對比

4　結論

1）客車剛度分析。整車的剛度分析結果表明，在四種典型工況下，車身扭轉剛度與彎曲剛度符合現(xiàn)有車型的剛度范圍，且結構改進后車門車窗開口變形比最大值小于0.2%，證明所設計的客車剛度能夠較好地滿足要求。

2）高應力區(qū)域結構改進設計。四種工況下，高應力區(qū)域主要分布在前部車門地板骨架、中門臺階與靠近后橋懸架處。此位置為乘客站立區(qū)，載荷大，且車門造成了側圍骨架不連續(xù)，容易形成傳力中斷，對其進行分段的結構改進設計。

3）改進后性能變化。結構改進后的彎曲剛度、開口變形剛度及一階扭轉頻率都有不同程度的提高，整車質(zhì)量雖然增加了25.6 kg，但整車結構布局更加合理，為進一步尺寸優(yōu)化設計提供可靠的有限元模型。

參考文獻：

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修改稿日期：2015-09-21

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《客車技術與研究》編輯部

二○一六年二月

Finite Element Analysis and Improvement Design of a Bus Body Frame Stiffness

Yu Guofei , Huang Fei , Wang Haibing，Wang Zhongwu
（School of Mechanical and Automotive Engineering, Xiamen Universityof Technology, Xiamen 361024, China）

Abstract：Taking a city bus for example, the authors set up the finite element model for the bus monocoque body frame by HyperWorks software, analyze the body frame's structure strength under different working conditions and calculate the static stiffness and openingdeformation ofthe bodyframe. Accordingtothe lackingin the structure design, they put forward improvement scheme. Through the contrast of the main performance parameters of the bus bodyframe before and after the structure improvement, theyverifythe feasibilityofthe improvement scheme.

Key words:citybus; bodystructure; stiffness; finite element analysis

作者簡介：于國飛（1963-），女，博士；副教授；主要研究方向為車輛運動學、動力學分析和CAE等。

中圖分類號：U463.83+1

文獻標志碼：B

文章編號：1006-3331（2016）01-0029-04