王秋林, 程森鋒, 劉 偉, 梁 偉, 牛寅中, 毛愛華

(一汽解放汽車有限公司 商用車開發(fā)院， 長春 130011)

國內(nèi)客車骨架主要應(yīng)用Q345材料, 為保證客車側(cè)翻性能，常采用加大材料規(guī)格的方案，但該方案會造成整車重量增加，不利于客車節(jié)能減排[1]。為解決客車側(cè)翻安全和輕量化之間的矛盾，新材料應(yīng)用就顯得尤為重要[2]。本文將700L高強(qiáng)鋼材料應(yīng)用到公路客車封閉環(huán)結(jié)構(gòu)中，并通過CAE初步驗(yàn)證設(shè)計方案的可行性，然后通過整車實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計方案的有效性。

1 700L高強(qiáng)鋼材料及應(yīng)用

1.1 力學(xué)及工藝性能

圖1為Q345和700L材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，其力學(xué)性能關(guān)鍵指標(biāo)見表1[3]。由圖1和表1可知：除延伸率外，700L材料的力學(xué)性能都優(yōu)于Q345。

圖1 700L和Q345材料應(yīng)力應(yīng)變曲線對比

材料屈服極限/MPa斷裂極限/MPa延伸率/%Q345≥345≥470≥20700L≥700≥750≥12

由于700L材料的延伸率較低，在彎管過程易出險開裂現(xiàn)象，彎曲成型性能較差。彎曲角度受截面尺寸影響，需實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，目前僅限于二維彎曲。

700L碳當(dāng)量為0.426%，材料焊接性良好，焊接前不需要預(yù)熱，矩管焊縫的焊角、熔深及焊縫厚度尺寸均能滿足焊接要求。

1.2 在客車上的應(yīng)用現(xiàn)狀

結(jié)合輕量化效果和成本等因素，700L高強(qiáng)鋼材料主要應(yīng)用在客車骨架中矩管規(guī)格及曲率半徑較大的區(qū)域，即客車封閉環(huán)區(qū)域，具體位置如圖2中文字標(biāo)注，以及全承載底架區(qū)域。

2 客車側(cè)翻結(jié)構(gòu)設(shè)計及驗(yàn)證

通過分析多款客車的側(cè)翻仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)[4-6]：主要承受側(cè)翻沖擊載荷的是客車封閉環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。因此，本文將論證700L高強(qiáng)鋼材料在封閉環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用。

圖3 某客車仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

進(jìn)一步分析封閉環(huán)變形特點(diǎn)可知：圖3圓圈矩管相交處的變形最大，該處變形局部化，易引起塑性鉸，導(dǎo)致整體變形加劇[6]，因此，保證圖3圓圈矩管相交處的側(cè)向局部強(qiáng)度是客車側(cè)翻結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。

2.1 700L高強(qiáng)鋼封閉環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于側(cè)窗立柱底端結(jié)構(gòu)，本文將艙立柱布置于側(cè)窗立柱內(nèi)側(cè)，并焊連接，如圖4所示，該結(jié)構(gòu)避免兩者之間通過縱梁過渡連接，可有效控制側(cè)窗立柱底端結(jié)構(gòu)的局部變形[7]。

對于側(cè)窗立柱頂端結(jié)構(gòu)，受側(cè)窗和空調(diào)風(fēng)道安裝的影響，優(yōu)化空間有限。本文分析客車常用的兩種側(cè)圍立柱頂端結(jié)構(gòu)對側(cè)翻性能的影響，并從中選取最優(yōu)結(jié)構(gòu)。兩種結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中頂蓋橫梁兩端曲率半徑較小，常規(guī)工藝無法彎曲成形，為提升輕量化效果，可通過拼焊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)700L高強(qiáng)鋼材料的應(yīng)用。

對于高強(qiáng)鋼封閉環(huán)中的矩管規(guī)格，可通過式(1)和普通鋼車型的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)確定。式(1)為同一輪廓下，高強(qiáng)鋼替代普通鋼的壁厚t的計算公式[8]：

(1)

式中：σ為屈服極限。

2.2 700L高強(qiáng)鋼封閉環(huán)結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

通過CAE分析兩種封閉環(huán)結(jié)構(gòu)的側(cè)翻性能[9]，兩種封閉環(huán)結(jié)構(gòu)除側(cè)圍立柱頂端結(jié)構(gòu)不同外，其余相同。仿真結(jié)果如圖6所示，圖中數(shù)字為側(cè)窗立柱內(nèi)側(cè)與生存空間距離，單位為mm。對比可知：方案Ⅰ和方案Ⅱ均未侵入生存空間，但方案Ⅱ比方案Ⅰ側(cè)翻性能略好，同時其重量更輕，優(yōu)選方案Ⅱ。

2.3 側(cè)翻結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計

高強(qiáng)鋼材料的應(yīng)用能保證客車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但不一定能保證結(jié)構(gòu)剛度[10]。700L相比Q345材料的封閉環(huán)結(jié)構(gòu)，主要變化是矩管料厚的減薄，必然會帶來客車結(jié)構(gòu)剛度下降。為保證結(jié)構(gòu)剛度，本文從非高強(qiáng)鋼材料的應(yīng)用區(qū)域(即各封閉環(huán)之間的連接區(qū)域)著手優(yōu)化，主要是對位于車架上部的地板骨架處，如圖7矩形框所示區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化前后的矩管規(guī)格不變，均為30 mm×30 mm×1.5 mm。

(a)優(yōu)化前結(jié)構(gòu)

(b)優(yōu)化后結(jié)構(gòu)

根據(jù)以往開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，客車剛度評價主要以考察扭轉(zhuǎn)剛度為主。經(jīng)CAE計算，優(yōu)化后剛度為4.21×104Nm/(°)，相比優(yōu)化前增加10.5%，且大于參考剛度3.93×104Nm/(°)(已開發(fā)車型中的最小剛度)，滿足設(shè)計要求，但質(zhì)量增加12 kg。

2.4 輕量化效果

700L高強(qiáng)鋼材料的客車骨架結(jié)構(gòu)(不含車架)總質(zhì)量見表2，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量減少186 kg。

表2 Q345和700L材料結(jié)構(gòu)質(zhì)量對比

注：外形尺寸為8 995 mm×2 500 mm×3 470 mm。

2.5 整車側(cè)翻實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)時用泡沫模擬生存空間外形尺寸，并在生存空間與側(cè)窗立柱會發(fā)生接觸部位插入鋼針，實(shí)驗(yàn)后，測量鋼針剩余長度計算生存空間。整車封閉環(huán)結(jié)構(gòu)為700L高強(qiáng)鋼材料，其側(cè)圍立柱底端采用圖4中的本文結(jié)構(gòu)，側(cè)窗立柱頂端采用圖5中的方案Ⅱ，其余骨架結(jié)構(gòu)為Q235材料。整車側(cè)翻實(shí)驗(yàn)后，測量鋼針最短處85 mm，即側(cè)窗立柱距生存空間最小距離為85 mm，滿足ECER66法規(guī)要求[11]。

為縮短開發(fā)周期，在概念設(shè)計階段建立車身截段模型等效模擬整車側(cè)翻實(shí)驗(yàn)[12]，同時該仿真模型未建立內(nèi)外飾數(shù)據(jù)，而是以集中載荷形式施加，因此，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在差異。

3 結(jié)束語

高強(qiáng)鋼是客車結(jié)構(gòu)輕量化關(guān)鍵材料，對客車結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有至關(guān)重要的作用。本文分析了700L高強(qiáng)鋼材料特性以及客車側(cè)翻結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)，設(shè)計了700L高強(qiáng)鋼材料的客車封閉環(huán)結(jié)構(gòu)，其仿真分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 700L高強(qiáng)鋼材料可以兼顧客車結(jié)構(gòu)安全和輕量化性能，可為公路客車結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。