許彥池

【摘 要】針對目前我司之前為滿足上部結(jié)構(gòu)強度法規(guī)的要求，主要采用加大骨架材料規(guī)格的做法，并由此造成整車重量嚴(yán)重超重的現(xiàn)狀，本項目通過研究高強度鋼材料在車身骨架上的有效應(yīng)用，以車身輕量化為優(yōu)化目標(biāo)，對某客車的車身骨架結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計。采用有限元分析的方法對優(yōu)化的骨架模型進行側(cè)翻碰撞的仿真模擬，并通過側(cè)翻安全要求。對優(yōu)化后的骨架進行的側(cè)翻試驗，結(jié)果表明，客車車體在滿足ECE R66法規(guī)對生存空間要求的情況下，通過高強度鋼材料的應(yīng)用，在側(cè)圍立柱和頂橫梁優(yōu)化材料規(guī)格后的結(jié)構(gòu)比原結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕了13.7%，實現(xiàn)了車身結(jié)構(gòu)輕量化。

【Abstract】Abstract： In the past， in order to meet the requirements of the superstructure strength regulation， we mainly adopt the method of increasing the specification of framework material， which has caused a serious overloading of the whole vehicle. In view of this status， through studying the effective application of the high strength steel material on the body framework， and taking body lightweight as the optimization object， the project optimizes the body frame structure of bus. The method of finite element analysis is used to simulate the rollover collision of the optimized framework mode， and the rollover test of the optimized framework is carried out according to the safety requirements of the rollover. The results show that under the condition that the bus body meets the requirements of living space in ECE R66 regulations， through the application of high strength steel materials， the weight of the structure of the side pillar and the top cross beam after the optimization of material specifications is reduced by 13.7% compared with the original structure. It shows that the light weight of body structure is realized.

【關(guān)鍵詞】骨架；側(cè)翻；輕量化；高強鋼

【Keywords】framework； rollover；lightweight；high strength steel

【中圖分類號】U466 【文獻標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）06-0170-03

1 引言

安全節(jié)能和環(huán)保是當(dāng)今汽車發(fā)展的主題，車輛安全性與輕量化設(shè)計是各車企生產(chǎn)商重點研究的對象[1-2]。尤其對于客車生產(chǎn)廠商，由于歷史原因，大部分客車車身骨架設(shè)計得都非常保守，造成車身骨架超重特別嚴(yán)重，這給我們留下了非常大的減重空間；但是由于客車本身的特點，比較高，承載人數(shù)比較多，容易在路況或車況不好的情況下發(fā)生側(cè)翻，而一旦發(fā)生側(cè)翻都是造成群死、群傷，造成嚴(yán)重的社會影響。

所以現(xiàn)在相關(guān)部門對客車的安全性能，特別是側(cè)翻安全性能要求非常嚴(yán)格，并引入歐盟ECE R66 上部結(jié)構(gòu)強度的強制標(biāo)準(zhǔn)。目前，為提高整車的側(cè)翻安全性能，大都采用加大材料規(guī)格的方法，但是這會極大增加整車重量，一方面增加成本，另一方面重量增加也不利于側(cè)翻安全。

本項目主要是通過研究高強度鋼材料在對側(cè)翻安全影響較大的地方（如側(cè)圍立柱、頂蓋橫梁等位置）的有效使用，減小材料規(guī)格，對骨架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，并對優(yōu)化后的骨架模型進行有限元模擬，達到側(cè)翻安全要求之后，再通過試驗對優(yōu)化的骨架進行試驗驗證。得到一種在保證側(cè)翻安全性的同時，實現(xiàn)整車骨架的輕量化的方法。

2 前期準(zhǔn)備

2.1 中段骨架模型的建立

客車側(cè)翻主要是參考客車上部結(jié)構(gòu)以及側(cè)圍的強度，因此截斷模型可以直接在整車模型中直接截取。本項目是在我司6129Y8側(cè)圍處，選擇具有客車結(jié)構(gòu)代表性的部位（如圖1所示）。

2.2 乘員生存空間要求

ECE R66法規(guī)修訂于2006年2月底于載客多于22人的客車 該法規(guī)規(guī)定的客車側(cè)翻碰撞安全性試驗要求客車停放在一個水平的翻轉(zhuǎn)平臺上 翻轉(zhuǎn)起始水平面與下方的撞擊面高度相差800mm，客車在沒有搖晃和不受其他外力影響的情況下側(cè)傾直至翻倒 側(cè)傾角速度不應(yīng)超過5°/s（0.087rad/s），如圖2所示，圖中CG、CG′、CG″為客車不同位置時的重心位置，B為旋轉(zhuǎn)軸到客車縱向垂直中心平面的距離，t為客車重心到縱向垂直中心平面的距離，h0為客車在翻轉(zhuǎn)平臺上的重心初始高度，h1為客車臨界側(cè)翻時重心高度[3]。

ECE R66法規(guī)要求，客車側(cè)翻碰撞試驗時須確保側(cè)翻變形后車身結(jié)構(gòu)不得侵入生存空間內(nèi)的任何部件也不得侵入生存空間之外，乘員生存空間尺寸的定義如圖3所示：[4]

3 中段骨架有限元模型的建立及分析

有限元建模的中心任務(wù)是結(jié)構(gòu)離散，即劃分網(wǎng)格。但是還是要處理許多與之相關(guān)的工作：如結(jié)構(gòu)形式處理、集合模型建立、單位特性定義、單元質(zhì)量檢查、編號順序以及模型邊界條件的定義等[5-6]。

3.1 材料及單元屬性

本項目研究車型的骨架結(jié)構(gòu)方鋼采用20#鋼、車架骨架采用Q345B。模型中絕大部分網(wǎng)格采用殼單元，長度選擇15mm，有些局部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的選擇10mm。

3.2 焊點處理

本研究均采用節(jié)點重合和剛性連接（RBE2單元）模擬焊點。其恰好可以顯示出焊縫處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但這樣處理的結(jié)果可能會使剛度降低。

3.3 網(wǎng)格質(zhì)量檢查

主要通過檢查warpage（均大于5.0）、aspect（均大于4.0）、jacobian（均小于0.6）確定其合理性。

3.4 施加載荷及約束根據(jù)法規(guī)要求翻轉(zhuǎn)

原始中段骨架有限元模擬側(cè)翻碰撞結(jié)果如圖5所示，是不合格的。

4 采用高強鋼優(yōu)化模型建立及計算分析

4.1 材料的選擇

隨著全球環(huán)境和能源危機的日益加劇，節(jié)能、減排已成為客車制造業(yè)面臨的重大問題?？蛙囕p量化技術(shù)已成為汽車行業(yè)的發(fā)展潮流，得到廣泛關(guān)注。高強度鋼在客車減重、提高安全性等方面效果顯著，在車身制造中應(yīng)用越來越多。本項目在客車側(cè)翻中的高強度鋼應(yīng)用（兩種高強度鋼分別為1180#和980#），其材料參數(shù)來自于國內(nèi)某鋼鐵公司所提供的。[7-10]

4.2 骨架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

依據(jù)輕量化設(shè)計指導(dǎo)思想，該車的輕量化設(shè)計方案如下：①側(cè)圍的縱梁方鋼由Q345B的Q345B的60mm*40mm*3mm改為980#的50mm*40mm*2.5mm的高強鋼，所有側(cè)圍的斜撐由Q345B的50mm*35mm*2mm改為980#的35mm*35mm*

2mm。②側(cè)圍行李艙下立柱由Q345B的40mm*40mm*2mm改為980#的40mm*40mm*1.5mm。③側(cè)圍立柱由Q345B的40mm*30mm*2mm和30mm*30mm*2mm桿梁相應(yīng)改為980#的40mm*30mm*1.5mm和30mm*30mm*1.5mm；斜撐由Q345B的60mm*30mm*3mm改為980#的60mm*30mm*2mm。④頂蓋橫梁中由Q345B的50mm*40mm*2mm改為980#的50mm*30mm*2mm或50mm*

35mm*2mm。

上述方案是對現(xiàn)有車型改動量最小時的輕量化設(shè)計方案，依據(jù)此方案可減輕250kg，相對于原始中段骨架減輕13.7%。

4.3 模擬分析側(cè)翻碰撞結(jié)果

同2.2所用的方法對優(yōu)化后的骨架模型進行側(cè)翻碰撞模擬，結(jié)果如圖7所示，可以滿足側(cè)翻安全要求。

5 中段側(cè)翻試驗

5.1 試驗骨架配載過程

目標(biāo)值：總重3.2t，重心離地高度為1440 mm，x方向位于中段中點位置，y為偏右31.3mm（與原型車基本相同），估計骨架及托架重量為1.15t，預(yù)計配重2.05t。

稱重后骨架重1087kg ，需配載鐵塊2113kg，加載后實際總重3201kg

5.2 試驗結(jié)果

骨架最大側(cè)翻穩(wěn)定角為38.0度，骨架側(cè)翻后，輕度變形，泡沫標(biāo)記的安全區(qū)域沒有被侵占。后端泡沫木筷觸及車身，木筷外露長度由Q345B的100mm變?yōu)?2～70mm，后端泡沫木筷有三根長度變?yōu)?5mm，其余未觸及車身骨架，如圖8-10所示。

故判定此骨架側(cè)翻結(jié)果為：合格。

6 結(jié)語

采用增大客車側(cè)圍骨架壁厚及其材料規(guī)格的方法都可有效提高客車的側(cè)翻安全性，然而僅僅通過增大材料規(guī)格的方法來提高客車的側(cè)翻安全性，往往會導(dǎo)致客車車身骨架的質(zhì)量增大，不利于整車的輕量化要求。本文提出了在車身骨架關(guān)鍵立柱和橫梁上合理的利用高強度鋼材料，并對材料規(guī)格進行優(yōu)化，來提高客車的側(cè)翻安全性和滿足輕量化要求的方法。研究結(jié)果表明，優(yōu)化后的車體強度和剛度滿足ECE R66法規(guī)對乘員生存空間的要求，客車側(cè)翻碰撞安全性得到了改善，同時，側(cè)圍立柱和頂橫梁的質(zhì)量比優(yōu)化前共減小了13.7%，實現(xiàn)了車身結(jié)構(gòu)輕量化。

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