某型海外城郊客車的結(jié)構(gòu)輕量化及耐撞性研究

劉頔+朱成

摘 要：采用CAE技術模擬某型海外城郊客車結(jié)構(gòu)在典型運行工況下的受力情況，并進行相關計算分析。通過改進結(jié)構(gòu)的局部拓撲形式和高強度材料的引進方法，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及其輕量化，在耐久性不降低的前提下，使結(jié)構(gòu)骨架減重700 kg以上。經(jīng)過側(cè)翻試驗認證和可靠性驗證，能夠保證結(jié)構(gòu)方案的可實施性。

關鍵詞：海外城郊客車；總體結(jié)構(gòu)設計；輕量化；耐撞性

中圖分類號：U463.83 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.11.018

文章編號：2095-6835（2016）11-0018-03

在國外傳統(tǒng)的“衛(wèi)星城—中心城/INTER CITY”交通模式下，歐洲市場很重視城間/城郊多功能客車（MULTI BUS/INTER CITY/INTER URBANS），其市場非常成熟。這種多功能客車有別于市內(nèi)公交車輛，市內(nèi)公交車的輪罩凸起會影響座椅的布置，甚至有些座椅不得不往后安排，所以，減少了行李倉和行李架。此外，它的售價比較高，保修困難，通過性不好，車輛內(nèi)高和大側(cè)窗的優(yōu)勢在長途出行方面也發(fā)揮不了作用。因此，近年來，高地板帶行李倉、行李架的城郊客車越來越多。

對于歐洲市場上的城郊車輛，它既要兼顧公交車的大容量，考慮短途站客的需要，又要具備旅游車輛的行李倉，照顧到乘客的舒適性。因此，要開發(fā)具有公交車和旅游車優(yōu)勢的混合結(jié)構(gòu)。同時，還要考慮到歐洲法規(guī)認證對側(cè)翻安全性的要求，滿足輕量化的需求，所以，在車身和車架的骨架結(jié)構(gòu)設計方面提出的要求其比傳統(tǒng)車輛高。

1 主要技術參數(shù)

1.1 外形尺寸

該車長×寬×高為11 950 mm×2 550 mm×3 300 mm，軸距為6 000 mm，前懸/后懸為2 550 mm/3 400 mm，前/后輪距為2 050 mm/1 860 mm。

1.2 質(zhì)量

整備質(zhì)量為12 300 kg，整車允許前/后軸最大載荷為6 500 kg /11 500 kg，整車允許最大總質(zhì)量為18 000 kg。

1.3 基本性能參數(shù)

接近角/離去角為10.6°/9.3°，最高車速為100 km/h，爬坡度為20%，限定條件下平均油耗小于23 L/100 km。

2 輕量化設計的總體思路

2.1 輕量化原則

選取原結(jié)構(gòu)車輛為性能標桿，在保持其結(jié)構(gòu)基本剛強度和側(cè)翻安全性的基礎上，改進結(jié)構(gòu)的輕量化設計。

2.2 輕量化思想

輕量化思想包括2點：①化整為零，各個總成部分分別減重1個百分比。這樣做，可以積少成多，實現(xiàn)整車減重。②所有工作有理有據(jù)。以CAE分析為依據(jù)，將結(jié)構(gòu)的合理排布作為主體減重思想，并采取相應的驗證試驗。

頂蓋、側(cè)圍、前后圍、地板的減重主要考慮側(cè)翻強度及其耐久性。地板以下底盤結(jié)構(gòu)的減重主要考慮耐久剛度。因此，可采取以下2方面的措施：①使用小規(guī)格的材料，部分結(jié)構(gòu)采用高強度鋼材來補強。這主要在上部結(jié)構(gòu)的側(cè)翻安全性中應用得比較多。側(cè)圍立柱和頂蓋弧桿使用50×50×3.0的無縫鋼管Q345B材料替代原來的80×50×3.0規(guī)格的20#鍍鋅管。②優(yōu)化結(jié)構(gòu)拓撲形式。綜合CAE分析得到的應力分布情況判斷結(jié)構(gòu)中受力不大的管材，去除無效結(jié)構(gòu)，通過細梁搭接實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的合理排布，分散局部應力集中區(qū)域，提高結(jié)構(gòu)的整體性能。此外，還可以將這2種方法相結(jié)合，比如縱梁的規(guī)格由原來的160×60×4.0變?yōu)?20×60×4.0.當結(jié)構(gòu)剛度降低時，合理排布側(cè)圍腰梁結(jié)構(gòu)就能補強整車剛度。

3 結(jié)構(gòu)耐久性分析

3.1 強度分析

考慮各種典型操作工況下原始版本和輕量化版本設計的受力模式，即先執(zhí)行機構(gòu)運算，懸架系統(tǒng)零部件的K值和C值由底盤部門提供。利用機構(gòu)仿真軟件計算可以得到各工況入力，然后應用慣性釋放的方法靜態(tài)分析整車的骨架結(jié)構(gòu)。

比較、計算各種典型工況下骨架的受力情況和結(jié)構(gòu)的應力分布趨勢，擬定出應力水平不高且斷面、厚度都比較大的部位作為骨架的更換料件，以減輕骨架質(zhì)量。圖1為過10 cm坎工況下結(jié)構(gòu)輕量化前后的應力對比情況。

從應力分析的結(jié)果來看，變更設計后最大應力明顯降低，但是，相對高應力區(qū)的范圍則增大了許多。這表明，應力產(chǎn)生了合理分散的效果。

3.2 模態(tài)剛度分析

對底盤進行自由模態(tài)分析，圖2為底盤的第一階振型。

輕量化前后，底盤前五階固有頻率的比較如表1所示。

改變固有頻率可以得到底盤結(jié)構(gòu)剛度變化的另一種信息。從底盤結(jié)構(gòu)減重約400 kg的情況看，其剛度損失是有限的。

4 耐撞性研究

目前，安全法規(guī)越來越嚴格，特別是結(jié)構(gòu)的被動安全，即客車的側(cè)翻安全性。因此，要保證結(jié)構(gòu)在側(cè)翻碰撞中乘客的生存空間不會被侵犯，要努力做到車毀而人不亡。現(xiàn)階段，出口到歐洲的車輛都要求進行ECER66最新版本的側(cè)翻法規(guī)認證。該法規(guī)是國際上要求最嚴格的法規(guī)，它不僅會通過結(jié)構(gòu)力學原理分析結(jié)構(gòu)，并進行優(yōu)化設計，還會研究和引入新材料、高強度材料，將它們用于局部區(qū)域，以提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)翻能力。

當輕量化耐久仿真的計算結(jié)果沒有問題時，可按照法規(guī)ECE R66的要求考慮側(cè)翻強度。

在優(yōu)化設計車體抗側(cè)翻碰撞時，要將計算機仿真整車側(cè)翻強度作為研究重點。其中心思想在于，當車體側(cè)向側(cè)翻時，其撞擊能量必須能迅速、有效地分散到整個車體結(jié)構(gòu)中，避免局部結(jié)構(gòu)塑性過早失效。

4.1 輸入數(shù)據(jù)

輸入數(shù)據(jù)的單位為mm/ton/sec/N。

4.1.1 有限元網(wǎng)格大小與質(zhì)量

為了保證計算的穩(wěn)定性和效率，網(wǎng)格依骨架大小切割為約20 mm的網(wǎng)格，主要為二階四邊形板殼單元。幾何形狀變化較大的區(qū)域網(wǎng)格邊長不小于5 mm，長寬比不大于5，Jacobian不小于0.6，三角形單元數(shù)量不超過整體板殼單元總數(shù)的1%.

4.1.2 單元與節(jié)點數(shù)量

在此，共有499 711個單元，219 174個節(jié)點。各類型單元有限元數(shù)據(jù)如表2所示。

4.1.3 焊點連接方式說明

為了保證計算結(jié)果的合理性，相鄰橫梁或縱梁的焊接位置必須妥善相連。因此，可采用下列2種處理方式：①如果骨架與骨架之間為滿焊，則有限元模型為共點相連；②如果骨架與骨架之間為分段焊接，則在焊點時，使用*constrained_nodal_ rigid_body作對應連接。

4.1.4 材料定義

考慮到大客車骨架變形行為屬于動態(tài)塑性變形，所以，使用LS-DYNA材料Type 24 *MAT_PIECEWISE_LINEAR_ PLASTICITY設定骨架材料參數(shù)，并修正動態(tài)屈服應力。Cowper和Symonds提出的組成方程式為：

車體結(jié)構(gòu)計算模型中所引用的材料有以下3種，即20#（車身結(jié)構(gòu)）、Q345B（車身結(jié)構(gòu)）和剛性材料（type 20，*mat_rigid）。20#和Q345B材料曲線如圖3所示。其中，彈塑性材料特性參數(shù)如表3所示。生存空間的材料設定為空材料（type 9，*mat?_null），用于觀察側(cè)翻過程中車體骨架變形后是否侵入生存空間。

4.2 設定接觸面

在設定接觸面時，要做到以下3點：①在側(cè)翻過程中，考慮到輪胎與側(cè)翻平臺的接觸面，所以，在分析軟件中，使用*automatic_surface_to_surface處理輪胎與平臺的接觸問題。摩擦系數(shù)FS和FD設定為0.3.②使用Rigidwall_Planar在側(cè)翻平臺下方800 mm處設定接觸地面，同時，設定其摩擦系數(shù)為0.3，并觀察計算過程中動能與內(nèi)能的歷程變化。③用*automatic _surface_to_surface觀察生存空間與車頂或側(cè)圍是否接觸，同時，設定其摩擦系數(shù)FS和FD為0.3.

4.3 總能量和各組成能量

在側(cè)翻過程中，總能量和各組成能量的變化曲線如圖4所示。

內(nèi)能（Internal energy）為結(jié)構(gòu)變形所產(chǎn)生的應變能，它可以反映出骨架結(jié)構(gòu)的吸能狀況。由圖4可知，沙漏能（hourglass energy）與總能量（total energy）之比約為0.05%，滑移能（sliding interface energy）與總能量（total energy）之比約為1.0%，這兩個比值均小于總能量（total energy）5%，符合法規(guī)規(guī)定。

4.4 仿真分析結(jié)果和試驗驗證

根據(jù)模型建立的生存空間判斷大客車側(cè)翻時，骨架能否侵入乘客的生存空間是關鍵。利用后處理軟件觀察分析結(jié)果可知，改進后的車身結(jié)構(gòu)未侵入生存空間，因此，判車輛合格。側(cè)翻分析中段結(jié)構(gòu)最大變形情況如圖5所示。

分段側(cè)翻試驗結(jié)果顯示，在側(cè)翻過程中，該結(jié)構(gòu)的生存空間未被侵入，符合ECER66法規(guī)的要求。事實證明，在產(chǎn)品設計初期，采用有經(jīng)驗的仿真技術能為車輛設計提供準確的方向。側(cè)翻試驗認證的現(xiàn)場情況如圖6所示。

5 結(jié)論

本研究兼顧整車的耐久剛度和抗側(cè)翻強度，在計算機仿真計算方法的基礎上，提出了優(yōu)化減重思路。車身受力是來自路面的，通過懸架系統(tǒng)、車架最后傳到車身。因此，優(yōu)化減重思路是先計算各典型工況下車架的載荷，進而優(yōu)化車架與車身結(jié)構(gòu)，最后根據(jù)側(cè)翻強度的需求調(diào)整車身結(jié)構(gòu)。輕量化的成果是整車減重約700 kg，并且還通過了側(cè)翻試驗和整車可靠性試驗。結(jié)果表明，減重后的車身結(jié)構(gòu)能夠滿足側(cè)翻法規(guī)和整車耐久性的要求。

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作者簡介：劉頔（1981—），女，吉林長春人，工程師，工學學士，主要從事車身結(jié)構(gòu)、新能源汽車方面的研究。

〔編輯：白潔〕