某大型公路客車側圍結構設計與分析

邱歡

某大型公路客車側圍結構設計與分析

邱歡

（長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064）

文章主要介紹了某大型公路客車側圍結構設計方法，并簡要說明側圍結構的設計原則、受力情況、材料選擇、總成配合要求、結構形式設計、焊接方法，并使用HyperMesh工具對其強度進行有限元分析，最后對大客車側圍結構安全性進行評價。

大客車；側圍結構；設計分析

前言

隨著我國城市規模擴大，長途出行的要求更高，交通運輸日益繁忙，交通安全現狀堪憂。因而，安全系數高的客車是我國長途客運的急迫需求。客車側圍結構是車身的關鍵部分，其設計好壞直接影響到客車安全性。本文介紹了如何構建一種安全性較高的客車側圍結構，并對其強度進行有限元分析。

1 設計原則與受力分析

1.1 設計原則

在滿足總布置要求的前提下要遵循以下幾個原則[1]：

1）必須協調解決側圍強度和總布置要求之間的矛盾；

2）通過最優化方法減少車身側圍的質量；

3）保證良好的加工工藝性以減少加工難度；

4）提高側圍結構標準化、系列化、規范化程度。

1.2 受力分析

大客車側圍在整車上起著“承上啟下”的作用。一方面，客車左右側圍與車架連接，當路面不平順時，側圍要承受來自車架的沖擊載荷，會受力變形。與此同時，側圍與頂蓋剛性連接，側圍上接受的動載荷會傳遞到頂蓋。另一方面，在客車行駛方向上，當客車加速行駛或緊急制動或正常勻速行駛時，由于空氣阻力的作用，側圍會在縱向壓縮變形。在實際行駛過程中，左右側路面高度不一致會使側圍產生縱向扭轉載荷。在客車轉彎的工況下，又會在側圍上產生橫向扭轉載荷。所以，側圍結構的受力情況是彎曲扭轉復合狀態[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 碳素鋼是側圍質料首選，其具有機械性能好、性價比高等優點，屈服極限為235兆帕。薄壁鋼管橫斷面形狀可分為閉口和開口，其橫斷面特征有較大差別。在材料面積和厚度一定時，閉口斷面抗彎性能次于開口斷面，而閉口斷面扭轉慣性矩比開口斷面大。為提高桿件和車身整體扭轉剛度，最好采用閉口斷面[3]。考慮到組成截面的其他因素，如搭配關系、布局功效和工藝，實際側圍構件的零件圖不如想象中簡單。

2.2 總成配合

客車結構設計是整車設計時需要仔細斟酌的，其設計的優劣將直接影響到平順性、操縱穩定性、輕量化。為保證連續地傳遞力，要采用封閉設計，盡可能做成局部與整體封閉。

提高側圍側傾穩定性方法[4]：

1）加大側窗立柱管材規格，籬笆型結構從上至下延伸至腰梁。

2）若側立柱延伸到腰梁后不與同側立柱正對，需在此節點增加斜梁。

3）提高側窗下邊梁的高度

4）側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 結構設計與焊接方法

3.1 右側圍結構設計

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，下側梁以上部分采用80*40*1.5mm規格，下側梁以下部分采用80*50*2.0mm規格，下裙立柱與其并肩布置，采用50*50*2.0mm規格。本設計開設一個乘客門，由于門柱遭受的應力比較大，要選用規格為40*40*2.0mm的方形鋼。根據總布置要求右側門框寬度為800mm，側窗寬度分別是1416 mm、1567mm、767mm、650mm、1567mm、1635mm，高度都為1088mm。支撐主體結構的側窗立柱采用60*40*3.0mm規格。腰梁是側圍布局的主要元件，考慮統一化設計制造，其截面尺寸采用50*50*2.0mm規格。

在腰梁與下側梁之間設立立柱和斜梁，其之間的高度為537mm，斜梁選用40*40*2.0mm規格。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規格的橫梁，緊靠后止口位置布置一根40*30*2.0mm規格的縱彎梁和一張1.5mm厚的加強鋼板。

乘客門兩側，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，長度分別為2950 mm、3770mm。右側圍下沿梁乘客門框處斷開，兩半長度分別為3930mm、4062mm。乘客門上橫梁距離下沿梁的高度是996mm。

3.2 左側圍結構設計

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

左側圍開設5塊側窗，寬度分別為1376mm、1567mm、1567mm、1599mm、1223mm，高度為1088mm，窗立柱采用60*40*3.0mm規格。安全門立柱采用強度較大的70*50* 2.0mm規格鋼材，安全門框寬度為1000mm，其上橫梁與下側梁距離為1461mm。腰梁是左側結構主要承載單元，采用50*50*2.0mm規格。

腰梁與下側梁之間設置立柱和斜梁，斜梁采用40*40* 2.0mm規格。安全門之前的立柱采用 40*40*2.0mm規格，安全門之后的立柱采用50*40*2.0mm規格。腰梁與下側梁之間的距離為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規格的橫梁，緊靠后止口的位置布置一根40*30* 2.0mm規格的縱彎梁和一張1.5mm厚的加強鋼板。安全門兩側，距離下側梁186mm高度上各布置一根座椅固定角鋼，斷面尺寸為30*35*2.0mm，長度分別為365mm、6169mm。左側圍下沿梁長度為6169mm。

3.3 焊接方法

二氧化碳氣體保護焊在焊接效率、焊接形變、油銹敏感性、焊縫含氫量、弧光可見性和耗能量等方面比焊條電弧焊、埋弧焊更有優勢[5]。采用二氧化碳氣體保護焊對側圍結構件進行焊接。

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、屈服強度：235Mpa。三種桿件的壁厚分別是1.5mm、2.0mm、3.0mm。使用CATIA慣量測量工具[6]計算出左側圍結構質量為191kg、右側圍結構質量為194kg。

4.1 網格劃分與材料屬性

打開HyperMesh軟件，選擇“Optistruct”，將建立好的CATIA側圍模型以幾何表面形式導入，刪除內表面，保留外表面。刪除重復線條和表面，使各個梁的接頭相交，為劃分網格做準備。使用“automesh”中的“智能優化”，“單元尺寸”設置為20、“劃分類型”設置為“混合型”。返回面板，單擊“mesh”，得到初步的網格模型。選擇“工具”面板中的子面板“檢查單元”選項，檢查“長寬比”、“最大尺寸”、“最小尺寸”、“雅可比”和“翹曲度”中不滿足設定值的單元，對其重新進行劃分，保證所有單元滿足標準值。

在材料選項卡中創建Q235鋼材材料，將以上準備的數據輸入對應對話框中。然后為鋼材創建屬性，將“type”設置為2D、并將每個梁的壁厚分別賦值。最后點擊“assign”按鈕進行賦值。

4.2 載荷與約束

客車在極限工況下會使側圍產生極限動載荷，假設最大制動減速度為3G，垂向最大加速度為3G，橫向最大加速度為1G。三個方向極限載荷同時作用在側圍質心。根據側圍的質量換算為三維力值，在“forces”子面板中，將上述三維力值分別沿x、y、z方向加載到側圍質心。進入“constraints”子面板，勾選dof1、dof2、dof3，施加好線性靜態約束。

4.3 計算與結果

通過“Analysis”中的“OptiStruct”按鈕進行有限元計算。在后處理部分得到的結果是：左側圍結構的峰值應力是99.9Mpa，右側圍結構的峰值應力是77.7Mpa。

5 結論

本文建立的某大型公路客車側圍結構在極限載荷下產生的峰值應力值低于所用鋼材的強度極限。因此，可以判斷在極限工況下，所設計的側圍結構有足夠強度抵抗外力作用，能夠保證車身結構的安全性。

[1] 黃天澤.黃金陵.汽車車身結構與設計[M].北京:機械工業出版社, 1997.

[2] 黃天澤.大客車車身[M].湖南:湖南大學出版社,1988.

[3] 劉素梅. CATIA V5 基礎教程及應用技術[M].北京:機械工業出版社,2015.

[4] 王望予.汽車設計[M].北京:機械工業出版社,2005.

[5] 尹冠生.理論力學[M].西安:西北工業大學出版社,2000.

[6] 陳家瑞.汽車構造[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

U469.1

A

1671-7988(2021)06-65-03

邱歡，碩士，就讀于長安大學汽車學院，研究方向：車輛安全。