大客車車身骨架輕量化改進設計分析

李湘蓮

（桂林大宇客車有限公司，廣西 桂林 541003）

關于客車車身進行輕量化骨架設計，一般都是從車身零件工藝和結構，以及輕量化材料方面進行設計，這樣才能有效減少車身承載力[1-2]。本文將會從這兩個方面進行分析，在保證車身的剛度、強度不變的情況下，最大程度的減少客車車身骨架質量，從而達到車身輕量化的設計。

1 客車車身鋼鋁一體化骨架輕量化設計

對客車車身骨架靜態分析，發現車身主要承載區是底架，其他部位的載荷比較小。這里針對鋼鋁零件的連接情況，對客車腰圍、車身頂蓋、尾架等方面使用鋁合金材料進行優化設計[3-4]。

客車車身選擇6061型鋁合金擠壓型材，這種材料有很好的擠壓工藝，適合組委界面桿件材料，屬性見表1。

表1 6061鋁合金材料屬性

1.1 車身拓撲頂蓋優化

根據靜態客車車身分析發現，稱身頂蓋骨架工況變形比較大，所以要對頂蓋結構進行剛度性能優化。本文根據均勻優化方法和準則，采取軟件ANSY中拓撲喲花進行頂蓋結構的設計。

（1）優化拓撲結構模型

車身頂蓋2根縱梁是整個承載重要部件，形式設置不需要改變，連接橫梁的車身就有固定作用，不進行優化。根據拓撲模型優化原則構建如圖1。

圖1 車身定稿拓撲模型優化

在ANSYS軟件程序中，只有單元是1類型的拓撲結構才能進行優化，模型中1單元類型是藍色區域，2單元是紫色區域。本文針對 SHELL93單元進行分析，將該單元殼厚度實常設計為車身頂蓋梁方向寬度值。

（2）優化拓撲結果和過程

拓撲優化中頂桿變形能結構是目標函數，選擇VOLuME結構總體積作為約束函數，選擇 OC優化算法分析 ANSYS功能拓撲結構，在反復的優化計算中，將結果計算進行比較，將體積除去70%的量，收斂誤差迭代優化設置是0.0001，次數迭代有數設定是30次。結束拓撲優化運輸之后，將結果云圖密度結果進行優化。根據云圖優化，可以在車身頂蓋結構設計中建立斜梁交叉形式的拓撲優化，見圖2。

圖2 車身骨架頂蓋結構

1.2 客車腰圍設計

車身側圍需要保留原有的腰圍布置結構形式，該部位具有很好的力學特性，這里將標號鋼質腰圍內梁換成鋁合金型材料。另外，在車身側窗左右骨架中，也需要替換為鋁合金材料。

1.3 車身尾架設計

因為車尾的設計包括曲面、曲線等結構設計，所以這里將不對車尾結構設計進行詳細分析，也是將主要部分材料換成鋁合金。

2 鋁合金型材界面尺寸

2.1 文件建立分析

整個結構設計參數模型采取扭轉和彎曲結合的靜態和模態分析，使用POST1進行處理，選擇*GET命令對優化變量優化提取，將優化尺寸儲存到文件LGW中。

2.2 優化量定義

（1）變量設計：界面鋁合金型材尺寸設計，根據車身骨架結構，對分析部位進行優化計算。

（2）狀態變量：車身骨架進行扭轉一階設定頻率，位移最大狀態變量，扭轉一階降幅頻率校園10%，增幅位移最大小于15%。使用OPVARSV命令對變量狀態進行定義。

（3）優化分析：體積是目標函數，檢率界面鋁合金數學尺寸模型：

在軟件ANSYS尺寸優化中，算法選擇梯度Frist-Orer算法，迭代次數是30。得到變量設計最優解，見表2。

表2 變量取值設計

3 客車車身鋼鋁骨架連接設計

根據鋼鋁結合結構界面桿件建筑思想，對車身腰圍橫梁底部的鋁合金型材設計，以及鋼型材結合模式，見圖3。

圖3 界面鋁合金桿件

4 前后性能優化比較

4.1 車身輕量化骨架質量比較

車身鋼鋁骨架結構輕量化設計前后質量，見表 3，車身骨架重減少7.3%，改善后效果顯著。

表3 骨架輕量化前后質量比較（kg）

4.2 靜態性能輕量化前后比較

三種典型靜態分析中，工況最大應力參數列表，見表4。最大應力工況值比材料屈服極限明顯少。

表4 比較最大應力工況（MPa）

4.3 模態分析

進行前量化后的車身保持了原來的動態特征，詳細模態計算見表5。

表5 輕量化前后模態比較

5 結論

在客車車身骨架結構設計中，采取鋼鋁一體化方案，可以有效提高車身骨架強度，車身減重達到7.2%，而結構變化后的應力沒有下注變化，仍是平滑局部無振型，車身動態性能較好。