邱歡

某大型公路客車(chē)側(cè)圍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

邱歡

（長(zhǎng)安大學(xué) 汽車(chē)學(xué)院，陜西 西安 710064）

文章主要介紹了某大型公路客車(chē)側(cè)圍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并簡(jiǎn)要說(shuō)明側(cè)圍結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則、受力情況、材料選擇、總成配合要求、結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)、焊接方法，并使用HyperMesh工具對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，最后對(duì)大客車(chē)側(cè)圍結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

大客車(chē)；側(cè)圍結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)分析

前言

隨著我國(guó)城市規(guī)模擴(kuò)大，長(zhǎng)途出行的要求更高，交通運(yùn)輸日益繁忙，交通安全現(xiàn)狀堪憂(yōu)。因而，安全系數(shù)高的客車(chē)是我國(guó)長(zhǎng)途客運(yùn)的急迫需求。客車(chē)側(cè)圍結(jié)構(gòu)是車(chē)身的關(guān)鍵部分，其設(shè)計(jì)好壞直接影響到客車(chē)安全性。本文介紹了如何構(gòu)建一種安全性較高的客車(chē)側(cè)圍結(jié)構(gòu)，并對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析。

1 設(shè)計(jì)原則與受力分析

1.1 設(shè)計(jì)原則

在滿(mǎn)足總布置要求的前提下要遵循以下幾個(gè)原則[1]：

1）必須協(xié)調(diào)解決側(cè)圍強(qiáng)度和總布置要求之間的矛盾；

2）通過(guò)最優(yōu)化方法減少車(chē)身側(cè)圍的質(zhì)量；

3）保證良好的加工工藝性以減少加工難度；

4）提高側(cè)圍結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、規(guī)范化程度。

1.2 受力分析

大客車(chē)側(cè)圍在整車(chē)上起著“承上啟下”的作用。一方面，客車(chē)左右側(cè)圍與車(chē)架連接，當(dāng)路面不平順時(shí)，側(cè)圍要承受來(lái)自車(chē)架的沖擊載荷，會(huì)受力變形。與此同時(shí)，側(cè)圍與頂蓋剛性連接，側(cè)圍上接受的動(dòng)載荷會(huì)傳遞到頂蓋。另一方面，在客車(chē)行駛方向上，當(dāng)客車(chē)加速行駛或緊急制動(dòng)或正常勻速行駛時(shí)，由于空氣阻力的作用，側(cè)圍會(huì)在縱向壓縮變形。在實(shí)際行駛過(guò)程中，左右側(cè)路面高度不一致會(huì)使側(cè)圍產(chǎn)生縱向扭轉(zhuǎn)載荷。在客車(chē)轉(zhuǎn)彎的工況下，又會(huì)在側(cè)圍上產(chǎn)生橫向扭轉(zhuǎn)載荷。所以，側(cè)圍結(jié)構(gòu)的受力情況是彎曲扭轉(zhuǎn)復(fù)合狀態(tài)[2]。

2 材料選擇與總成配合

2.1 材料選擇

與20碳素鋼、16Mn合金鋼、WL510大梁鋼相比，Q235 碳素鋼是側(cè)圍質(zhì)料首選，其具有機(jī)械性能好、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，屈服極限為235兆帕。薄壁鋼管橫斷面形狀可分為閉口和開(kāi)口，其橫斷面特征有較大差別。在材料面積和厚度一定時(shí)，閉口斷面抗彎性能次于開(kāi)口斷面，而閉口斷面扭轉(zhuǎn)慣性矩比開(kāi)口斷面大。為提高桿件和車(chē)身整體扭轉(zhuǎn)剛度，最好采用閉口斷面[3]。考慮到組成截面的其他因素，如搭配關(guān)系、布局功效和工藝，實(shí)際側(cè)圍構(gòu)件的零件圖不如想象中簡(jiǎn)單。

2.2 總成配合

客車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整車(chē)設(shè)計(jì)時(shí)需要仔細(xì)斟酌的，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣將直接影響到平順性、操縱穩(wěn)定性、輕量化。為保證連續(xù)地傳遞力，要采用封閉設(shè)計(jì)，盡可能做成局部與整體封閉。

提高側(cè)圍側(cè)傾穩(wěn)定性方法[4]：

1）加大側(cè)窗立柱管材規(guī)格，籬笆型結(jié)構(gòu)從上至下延伸至腰梁。

2）若側(cè)立柱延伸到腰梁后不與同側(cè)立柱正對(duì)，需在此節(jié)點(diǎn)增加斜梁。

3）提高側(cè)窗下邊梁的高度

4）側(cè)圍斜梁有助于提高抗彎曲變形能力，其高度比不能小于0.6。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與焊接方法

3.1 右側(cè)圍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

右前立柱由于承受較大載荷，所以選用截面尺寸較大的鋼材，下側(cè)梁以上部分采用80*40*1.5mm規(guī)格，下側(cè)梁以下部分采用80*50*2.0mm規(guī)格，下裙立柱與其并肩布置，采用50*50*2.0mm規(guī)格。本設(shè)計(jì)開(kāi)設(shè)一個(gè)乘客門(mén)，由于門(mén)柱遭受的應(yīng)力比較大，要選用規(guī)格為40*40*2.0mm的方形鋼。根據(jù)總布置要求右側(cè)門(mén)框?qū)挾葹?00mm，側(cè)窗寬度分別是1416 mm、1567mm、767mm、650mm、1567mm、1635mm，高度都為1088mm。支撐主體結(jié)構(gòu)的側(cè)窗立柱采用60*40*3.0mm規(guī)格。腰梁是側(cè)圍布局的主要元件，考慮統(tǒng)一化設(shè)計(jì)制造，其截面尺寸采用50*50*2.0mm規(guī)格。

在腰梁與下側(cè)梁之間設(shè)立立柱和斜梁，其之間的高度為537mm，斜梁選用40*40*2.0mm規(guī)格。第二與第三窗立柱之間和第六與第七窗立柱之間各布置一根采用50*40*1.5mm規(guī)格的橫梁，其與腰梁之間高度為629mm。第七與第八窗立柱之間布置一根20*40*1.5mm規(guī)格的橫梁，緊靠后止口位置布置一根40*30*2.0mm規(guī)格的縱彎梁和一張1.5mm厚的加強(qiáng)鋼板。

乘客門(mén)兩側(cè)，距離下沿梁186mm高度上各布置一根座椅固定角鋼，截面尺寸為30*35*2.0mm，長(zhǎng)度分別為2950 mm、3770mm。右側(cè)圍下沿梁乘客門(mén)框處斷開(kāi)，兩半長(zhǎng)度分別為3930mm、4062mm。乘客門(mén)上橫梁距離下沿梁的高度是996mm。

3.2 左側(cè)圍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

左側(cè)不設(shè)置乘客門(mén)，而設(shè)置安全門(mén)。左前立柱承受較大載荷，選用截面尺寸較大的鋼材。下側(cè)梁以上部分采用120*40*1.5mm規(guī)格，下側(cè)梁以下部分采用80*50*2.0mm規(guī)格，下裙立柱與其并肩布置，采用50*50*2.0mm規(guī)格。

左側(cè)圍開(kāi)設(shè)5塊側(cè)窗，寬度分別為1376mm、1567mm、1567mm、1599mm、1223mm，高度為1088mm，窗立柱采用60*40*3.0mm規(guī)格。安全門(mén)立柱采用強(qiáng)度較大的70*50* 2.0mm規(guī)格鋼材，安全門(mén)框?qū)挾葹?000mm，其上橫梁與下側(cè)梁距離為1461mm。腰梁是左側(cè)結(jié)構(gòu)主要承載單元，采用50*50*2.0mm規(guī)格。

腰梁與下側(cè)梁之間設(shè)置立柱和斜梁，斜梁采用40*40* 2.0mm規(guī)格。安全門(mén)之前的立柱采用 40*40*2.0mm規(guī)格，安全門(mén)之后的立柱采用50*40*2.0mm規(guī)格。腰梁與下側(cè)梁之間的距離為537mm。第二與第三窗立柱之間和第三與第四窗立柱之間各布置一根橫梁，采用 50*40*1.5mm規(guī)格，與腰梁之間高度為629mm。第六與第七窗立柱之間布置一根20* 40*1.5mm規(guī)格的橫梁，緊靠后止口的位置布置一根40*30* 2.0mm規(guī)格的縱彎梁和一張1.5mm厚的加強(qiáng)鋼板。安全門(mén)兩側(cè)，距離下側(cè)梁186mm高度上各布置一根座椅固定角鋼，斷面尺寸為30*35*2.0mm，長(zhǎng)度分別為365mm、6169mm。左側(cè)圍下沿梁長(zhǎng)度為6169mm。

3.3 焊接方法

二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊在焊接效率、焊接形變、油銹敏感性、焊縫含氫量、弧光可見(jiàn)性和耗能量等方面比焊條電弧焊、埋弧焊更有優(yōu)勢(shì)[5]。采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊對(duì)側(cè)圍結(jié)構(gòu)件進(jìn)行焊接。

4 有限元分析

Q235型材的密度7.85g/cm3、彈性模量（E/Gpa）：200-210、泊松比（v）：0.25-0.33、屈服強(qiáng)度：235Mpa。三種桿件的壁厚分別是1.5mm、2.0mm、3.0mm。使用CATIA慣量測(cè)量工具[6]計(jì)算出左側(cè)圍結(jié)構(gòu)質(zhì)量為191kg、右側(cè)圍結(jié)構(gòu)質(zhì)量為194kg。

4.1 網(wǎng)格劃分與材料屬性

打開(kāi)HyperMesh軟件，選擇“Optistruct”，將建立好的CATIA側(cè)圍模型以幾何表面形式導(dǎo)入，刪除內(nèi)表面，保留外表面。刪除重復(fù)線條和表面，使各個(gè)梁的接頭相交，為劃分網(wǎng)格做準(zhǔn)備。使用“automesh”中的“智能優(yōu)化”，“單元尺寸”設(shè)置為20、“劃分類(lèi)型”設(shè)置為“混合型”。返回面板，單擊“mesh”，得到初步的網(wǎng)格模型。選擇“工具”面板中的子面板“檢查單元”選項(xiàng)，檢查“長(zhǎng)寬比”、“最大尺寸”、“最小尺寸”、“雅可比”和“翹曲度”中不滿(mǎn)足設(shè)定值的單元，對(duì)其重新進(jìn)行劃分，保證所有單元滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)值。

在材料選項(xiàng)卡中創(chuàng)建Q235鋼材材料，將以上準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)輸入對(duì)應(yīng)對(duì)話(huà)框中。然后為鋼材創(chuàng)建屬性，將“type”設(shè)置為2D、并將每個(gè)梁的壁厚分別賦值。最后點(diǎn)擊“assign”按鈕進(jìn)行賦值。

4.2 載荷與約束

客車(chē)在極限工況下會(huì)使側(cè)圍產(chǎn)生極限動(dòng)載荷，假設(shè)最大制動(dòng)減速度為3G，垂向最大加速度為3G，橫向最大加速度為1G。三個(gè)方向極限載荷同時(shí)作用在側(cè)圍質(zhì)心。根據(jù)側(cè)圍的質(zhì)量換算為三維力值，在“forces”子面板中，將上述三維力值分別沿x、y、z方向加載到側(cè)圍質(zhì)心。進(jìn)入“constraints”子面板，勾選dof1、dof2、dof3，施加好線性靜態(tài)約束。

4.3 計(jì)算與結(jié)果

通過(guò)“Analysis”中的“OptiStruct”按鈕進(jìn)行有限元計(jì)算。在后處理部分得到的結(jié)果是：左側(cè)圍結(jié)構(gòu)的峰值應(yīng)力是99.9Mpa，右側(cè)圍結(jié)構(gòu)的峰值應(yīng)力是77.7Mpa。

5 結(jié)論

本文建立的某大型公路客車(chē)側(cè)圍結(jié)構(gòu)在極限載荷下產(chǎn)生的峰值應(yīng)力值低于所用鋼材的強(qiáng)度極限。因此，可以判斷在極限工況下，所設(shè)計(jì)的側(cè)圍結(jié)構(gòu)有足夠強(qiáng)度抵抗外力作用，能夠保證車(chē)身結(jié)構(gòu)的安全性。

[1] 黃天澤.黃金陵.汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1997.

[2] 黃天澤.大客車(chē)車(chē)身[M].湖南:湖南大學(xué)出版社,1988.

[3] 劉素梅. CATIA V5 基礎(chǔ)教程及應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2015.

[4] 王望予.汽車(chē)設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[5] 尹冠生.理論力學(xué)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2000.

[6] 陳家瑞.汽車(chē)構(gòu)造[M].北京:人民交通出版社,2004.

Design and Analysis of the Side Wall Structure of a Large Highway Bus

Qiu Huan

( School of Automobile, Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064 )

This article mainly introduces the designing method of the side wall structure of a large highway bus, and briefly explains the design principles, force condition,material selection, assembly matching requirements, structural form design, welding methods of the side wall structure, and use HyperMesh tool to analyze its strength by finite element.Finally,evaluate the safety of the side wall structure of the bus.

Bus; Side wall structure; Design analysis

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.06.020

U469.1

A

1671-7988(2021)06-65-03

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1671-7988(2021)06-65-03

邱歡，碩士，就讀于長(zhǎng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，研究方向：車(chē)輛安全。