焊接式全鋁客車車身設計開發(fā)

王華武，郝守海，徐茂林，劉小明，胡蓉（東風商用車有限公司技術中心，武漢 430056）

焊接式全鋁客車車身設計開發(fā)

王華武，郝守海，徐茂林，劉小明，胡蓉
（東風商用車有限公司技術中心，武漢 430056）

為提高客車整車性能，大幅減輕車身重量，對于某鋼結構客車車身進行輕量化開發(fā)，采用CAE分析技術，在保證車身模態(tài)、車身強度和車身剛度達到開發(fā)性能指標的條件下，經過多輪次車身結構分析及優(yōu)化，實現焊接式全鋁客車白車身的設計開發(fā)。

客車車身；鋁合金；HyperWorks；優(yōu)化設計

王華武

畢業(yè)于清華大學現代應用物理系，2005年獲得華中科技大學工程碩士學位。現任東風商用車技術中心客車開發(fā)部部長，研究員級高工，主要從事客車及底盤、新能源商用車等方面的研發(fā)工作，先后在《汽車科技》、《中國客車論文集》上發(fā)表了論文。

1　引言

近年來，隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，世界性能源問題、環(huán)境保護問題變得越來越突出。于是，減輕汽車自重、降低油耗和廢氣排放量就成為各大汽車生產廠商提高競爭能力的關鍵［1］。

汽車行業(yè)多年來一直在促進汽車的輕量化，而車身作為汽車上三大部件之一， 已越來越受到重視。采用鋁合金材料制造汽車車身，在保證其具有與鋼材同樣強度和剛度的前提下，可以有效減輕車身質量，從而達到減少燃料消耗、降低環(huán)境污染的目的。相對于一般鋼材，鋁合金材料具有較高的比強度，雖然彈性模量低，但有很好的擠壓性，能得到復雜截面的構件，從結構上補償部件的剛度，因而可在滿足剛性及強度等多方面力學性能下，大大降低材料的消耗及構件的質量［2］。所以汽車車身的鋁合金化對減輕汽車自重具有重要意義，也是近幾年來國際汽車領域的一個研究熱點。

2　鋼結構客車車身

本文所述鋼結構公交客車車身采用半承載式車身，車身骨架分為前圍總成、后圍總成、左/右側圍總成、頂蓋總成、地板總成和中隔墻總成七部分。各骨架總成采用矩形鋼管焊接而成，然后在底盤上拼焊成整個車身骨架，車身骨架與底盤牛腿之間進行焊接連接。動力電池布置在發(fā)動機艙上方，采用中隔墻將其與乘客區(qū)進行隔離。

3　鋁合金材料確定

與鋼結構客車相比，鋁合金客車仍然采用半承載式車身結構，車架為高強度鋼結構，車身為骨架加蒙皮的結構形式。不同之處在于，車身骨架采用鋁合金擠壓型材焊接而成，而蒙皮采用鋁合金板材鉚接在骨架上，整個車身與車架之間采用鉚接固定。

鋁合金擠壓型材被廣泛應用于建筑、交通運輸、電子、航天航空等領域，尤其是6系鋁合金由于其優(yōu)秀的可擠壓性、良好的耐腐蝕性和表面處理性，應用更為廣泛，占鋁合金擠壓制品的80%以上［3］。

6系某牌號鋁合金是應用最廣，綜合性能最好的擠壓材料，有一定強度，可焊性和抗蝕性高，因此優(yōu)選其作為鋁合金客車的車身骨架材料。其在T6狀態(tài)的屈服強度為255Mpa［3］，抗拉強度為290Mpa［3］。但由于該公交客車為焊接式車身結構，根據鋁合金焊接試驗分析結果得知焊接部位的強度降為原材料強度的70%左右，因此在CAE分析時應考慮焊接對材料應力極限的影響，以178.5Mpa和203Mpa作為屈服強度和抗拉強度的評價標準。

鋁合金板材作為車身外覆蓋件，在國外主要為 6 系合金，主要牌號為 6111、6016 及6022，但此類材料目前在國內尚處于研發(fā)階段，成本偏高，無法推廣應用。相比較而言，5系合金具有成本低，同時具有良好的成形加工性能、抗蝕性、可焊性、疲勞強度和中等的靜態(tài)強度，適合應用于表面較平整，無復雜曲面的客車車身蒙皮上［4］。綜合考慮，采用5系鋁合金板材作為客車蒙皮材料。

4　鋼結構客車CAE分析

在設計鋁合金車身前，先進行鋼結構車身的CAE分析，了解并掌握該車身的性能情況，為鋁合金車身的性能指標設定提供依據。對鋼結構車身進行了10個工況分析，以及模態(tài)和剛度計算。

4.1有限元建模

在靜態(tài)應力分析時使用前處理工具HyperMesh進行網格劃分，如圖2所示，CAE網格主要包括骨架、蒙皮和其它部件三部分。車身骨架的大部分都是薄壁件，于是采用殼單元進行建模，以四邊形為主，三角形為輔。劃分網格前先抽取薄壁零件的中面，再在中面上劃分網格［5］。

考慮到客車車身的實際尺寸，有限元模型的精確度，網格劃分標準如下要求：

（1）網格尺寸20mm，最小尺寸5mm，最大尺寸40mm；骨架每個方向上至少有2～3排單元；

（2）翹曲度（warpage）＜10°；

（3）長寬比（aspect）＜ 4，特殊情況以及焊縫單元除外；

（4）最小角（min angle）＞30°；

（5）三角形比例（tri3 ratio）＜0.5%；盡量避免使用三角形單元。

鋼結構客車通過有限元建模共計生成753320個節(jié)點和122.9萬個網格，可見CAE數據非常大。

CAE建模所需材料的性能參數如表1所示：

考慮到該車的使用環(huán)境，根據其設計參數和實驗數據設定10個有限元強度分析工況：

表1　CAE模型材料參數

工況一描述：前向制動，模擬客車額載在水平路面急停時的情況，要承受向前0.8G的慣性力；

工況二描述：后向制動，模擬客車額載在水平路面急停時的情況，要承受向后0.5G的慣性力；

工況三描述：加速，模擬客車額載在水平路面加速行駛時的情況，要承受1.0G的加速慣性力；

工況四描述：右轉向，模擬客車額載在水平路面右轉向行駛時的情況，要承受側向0.5G的慣性力；

工況五描述：左轉向，模擬客車額載在水平路面左轉向行駛時的情況，要承受側向0.5G的慣性力；

工況六描述：1G垂向載荷，模擬客車額載在水平路面靜止或者勻速直線行駛時的情況，要承受1.0倍車重的垂向載荷；

工況七描述：2G垂向載荷，模擬客車額載在水平路面直線行駛時遇到類似減速帶之類的突起，將承受2.0倍車重的垂向載荷；

工況八描述：2G前扭轉，模擬客車額載行駛在凹凸不平路面上左右車輪上下錯動，前后車橋軸線不平行，形成對車身和車架的扭轉載荷；

工況九描述：2G后扭轉，模擬客車額載行駛在凹凸不平路面上左右車輪上下錯動，前后車橋軸線不平行，形成對車身和車架的扭轉載荷；

工況十描述：乘客滿載，模擬客車滿載在水平路面直線行駛時，將承受1.0倍車重的垂向載荷和滿載站立乘客的載荷。

4.2有限元分析

利用HyperWorks軟件完成鋼結構客車的模態(tài)分析、剛度分析和10個工況下的強度分析。

鋼結構白車身的自由模態(tài)分析如表2所示，其一階整體扭轉頻率是10.91Hz，一階整體彎曲頻率是14.55 Hz，兩者相差3.6Hz。

客車剛度分析包括彎曲剛度分析和扭轉剛度分析。彎曲剛度分析用以考察客車在彎曲載荷下的剛度，而扭轉剛度分析用以考察車架在扭轉載荷下的剛度。彎曲剛度分析約束位置（見圖3）為前橋和后橋，加載位置在前后橋中間截面對應的底盤縱梁上。扭轉剛度分析約束位置（見圖4）亦為前橋和后橋，加載位置在前橋的左端。通過分析得知彎曲剛度為42598895.2 N/m，而扭轉剛度為26771538.96 Nm2/rad。

鋼結構客車的強度分析結果均滿足鋼材料的性能要求，因其與鋁合金客車在強度方面不具有直接對比性，在此不再贅述。

5　鋁合金客車CAE優(yōu)化分析

利用前述鋼結構車身CAE分析的基礎，首先確定了車身主要基礎結構型式以及關鍵部位的初步結構，通過4輪CAE分析及優(yōu)化，達到了車身設定指標，最終完成全鋁車身結構設計。

5.1第一輪鋁合金車身分析

第一輪鋁合金車身CAE模型是在鋼結構車身的基礎上完成的，車身部分結構不變，材料更換為鋁合金，底盤部分仍為鋼結構，鋁合金車身骨架采用焊接進行連接。通過對第一輪鋁合金車身和鋼結構車身進行對比分析，判定鋁合金車身的優(yōu)化方向，為后續(xù)的性能提升提供基礎平臺。白車身模態(tài)分析結果見表2，彎曲剛度結果見表3，扭轉剛度結果見表4，強度分析結果見表5。

由CAE分析結果可知，第一輪鋁合金車身與鋼結構車身相比：白車身模態(tài)振型一致，但鋁合金車身的模態(tài)頻率偏低，相差在2Hz左右；剛度相差較大，整體彎曲剛度下降32.64%，整體扭轉剛度下降50.08%。強度分析結果顯示，第一輪鋁合金車身在各工況下的最大應力值均偏高，多數結果超出了材料的許用應力值。

5.2第二輪鋁合金車身分析

表2　白車身自由模態(tài)分析結果對比

表3　彎曲剛度分析結果對比

表4　扭轉剛度分析結果對比

根據第一輪的CAE分析優(yōu)化結果，對局部有問題的車身結構進行了優(yōu)化設計，優(yōu)化結果改進包括：1）蒙皮料厚增加50%；2）車身立柱的厚度改為2.0mm；3）頂蓋縱梁規(guī)格改成40×50×2mm；4）側圍立柱、牛腿與地板搭接處利用斜撐加強；5）側圍立柱采用上下貫通的結構形式。

由CAE分析結果可知，第二輪鋁合金車身與鋼結構車身相比：白車身模態(tài)（見表2）振型一致，頻率相差不大； 剛度差距有所減小，整體彎曲剛度（見表3）下降25.14%，整體扭轉剛度（見表4）下降29.81%。強度分析結果如表5所示，各工況下的最大應力值比第一輪鋁車身有所降低，但仍有5個工況下的最大應力值超過了材料的許用應力，還有待于進一步改善。

5.3第三輪鋁合金車身分析

根據第二輪的CAE分析優(yōu)化結果，對局部有問題的車身結構進行了優(yōu)化設計，優(yōu)化結果改進包括：1）頂蓋骨架與側圍骨架之間的連接采用前后貫通式弧形鋁型材進行過渡連接，其型材斷面尺寸通過HyperWorks拓撲優(yōu)化和尺寸優(yōu)化獲得；2）所有窗立柱規(guī)格改為60×40，且立柱截面四壁的厚度不同；3）全部框架梁壁厚參與尺寸優(yōu)化，根據優(yōu)化結果調整各梁壁厚，保證近似結構的厚度一致；4）保留第二輪改進方案的框架形式，去除窗角和牛腿的加強斜撐。

由CAE分析結果可知，第三輪鋁合金車身與鋼結構車身相比： 部分白車身模態(tài)頻率（見表2）有所提高，提高幅度在1Hz左右； 剛度差距進一步減小，整體彎曲剛度（見表3）下降18.59%，整體扭轉剛度（見表4）下降21.43%。強度分析結果如表5所示，各工況下的最大應力值比第二輪鋁車身有所降低，仍有5個工況下的最大應力值超過了材料的許用應力。

5.4第四輪鋁合金車身分析

第四輪鋁合金車身是在第三輪鋁合金車身的基礎上對車身骨架進行尺寸優(yōu)化設計，并根據優(yōu)化結果對鋁車身強度偏弱的部位進行型材料厚調整，主要調整部位包括側圍立柱、側圍縱梁、后地板臺階以及前后輪罩附近，部分型材的料厚超過4mm。

表5　工況下的最大應力值

由CAE分析結果可知，第四輪鋁合金車身與鋼結構車身相比： 白車身模態(tài)頻率（見表2）有了較大提高，部分模態(tài)頻率相差2Hz，而且消除了20Hz以內的局部模態(tài)，其中一階整體扭轉（振型見圖5）頻率達到12.58Hz，一階整體彎曲（振型見圖6）頻率達到15.46Hz，兩者相差接近3Hz； 剛度差距進一步縮小，整體彎曲剛度（見表3）下降5.06%，整體扭轉剛度（見表4）提高0.62%，基本達到了鋼結構車身的剛度水平。

強度分析結果如表5所示，各工況下的最大應力值比第三輪鋁車身有了進一步的降低，各工況下的最大應力值均滿足了材料的許用應力，其中2.0G后扭轉工況下的最大應力值超過200Mpa，接近材料的許用應力，但考慮到該公交車主要用于城市較好路況上運行，遇到該種工況的可能性非常小，不會對鋁合金客車產生危害。

經過四輪優(yōu)化設計，鋁合金車身的模態(tài)分析結果相對于鋼結構車身有所提高，而整車彎曲剛度和扭轉剛度也基本上達到了鋼結構車身的水平，在10個工況下的最大應力值均滿足鋁合金材料的許用應力。結果表明，鋁合金車身比鋼結構車身重量減輕31.4%，輕量化效果比較明顯。

6　焊接式鋁合金客車車身

如圖7所示，鋁合金車身骨架主要由鋁合金擠壓型材拼接而成，采用焊接方式進行連接固定，骨架型材截面可以根據結構優(yōu)化結果進行設計，種類遠多于鋼骨架。

全鋁客車車身骨架主要有5種截面形狀（見圖8），包括矩形、U形、“日”字形、b形和圓弧形。其中矩形鋁型材主要用于制作骨架梁，包括直梁和彎梁；U形鋁型材用于部分強度需求不強的部位；b形鋁型材用于側圍側窗下橫梁； “日”字形鋁型材用于側圍門立柱和側窗立柱，外形為彎曲梁；圓弧形鋁型材用于頂蓋骨架和側圍骨架之間的過渡連接，縱向貫通布置，單根長度達到11米。

通過質量統計，焊接式鋁合金客車車身比鋼結構客車車身輕580Kg，白車身輕量化效果達到31.4%。

7　結語

基于CAE分析技術開發(fā)的焊接式全鋁合金客車車身，通過多輪結構優(yōu)化設計，在剛度方面達到與鋼結構車身相當的水平，并提升了白車身模態(tài)，車身強度在10個工況條件下也完全滿足要求，實現白車身減重31.4%，輕量化效果比較明顯，在客車環(huán)保節(jié)能性能方面具有較強的推廣應用價值。

［1］路洪洲，王文軍，王智文，郭愛民，路貴民. 基于輕量化的車身用鋼及鋁合金的競爭分析［J］.中國汽車工程學會論文集，2013.

［2］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.

［3］潘復生，張丁非等.鋁合金及應用［M］.北京：化學工業(yè)出版杜，2007.

［4］關紹康，姚波，王迎新. 汽車鋁合金車身板材的研究現狀及發(fā)展趨勢［J］.機械工程材料.2001年05期.

［5］王松，嚴運兵，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.

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對客車車身輕量化具有一定的指導意義，且具有一定的實用性。

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