客車車身結構精細化設計

劉永博, 王 微, 詹國臣, 張佩紅, 陳一林, 胡建青

(1.清華大學蘇州汽車研究院(吳江), 江蘇 蘇州 215200; 2.金龍聯合汽車工業(蘇州)有限公司, 江蘇 蘇州 215026)

車身骨架和預埋件約占白車身比重的60%,輕量化有助于傳統汽車降低耗油,純電動汽車提高續駛里程[1]。精細化設計也是實現輕量化的一種措施,目的是深度消除冗余結構和縮小設計余量,同時不改變客車制造工藝流程。此前,不少研究聚焦輕質材料、新型成型工藝和結構拓撲優化等方向。例如基于客車底架結構的受力工況,對結構拓撲優化,提高了扭轉剛度和強度,但未考慮降低材料用量[2-3];采用大封閉環和小封閉環結合的方法提高結構安全,未分析預埋結構以及設計細節[4-5];利用輥壓型材以減少拼焊結構,不但成本較高,而且對工藝影響大[6]。近些年,隨著鋼鐵價格不斷提高,減少原材料消耗,提高設計精細化水平,對提高材料利用率具有重要意義。

1 客車車身結構設計現狀

客車車身結構設計必須要滿足國家法規/標準規定的側翻、碰撞等要求,確保車身結構強度和剛度滿足安全性能需要[7-8]。

客車產品有多品種、小批量,產品迭代周期快、配置豐富等特點[9-10]。由于產品開發和訂單設計周期較短,在傳統的設計過程中,工程人員主要憑借經驗設計結構的細節,存在一定的“延續性設計”思維(即沿用前人積累的經驗),缺乏量化的控制方法[11-12]。因而始終存在結構件冗余、預埋件冗余問題,對輕量化技術發展十分不利。為了盡快完成研發任務和訂單設計,車身預埋件也設計得越來越大,雖然滿足了可靠性要求,但設計過于保守,導致設計冗余現象十分突出。

此外,客車車身結構安全越來越受到重視,國家標準也逐步增加安全方面的規定和要求,僅憑借經驗的設計方法已無法跟上時代的步伐。

2 車身精細化設計方法

2.1 骨架結構精細化設計

骨架結構精細化設計原則:根據產品類型和配置確定精細化設計方案;同系列車型,統一減重方法。精細化設計方法具體措施有3種:①關鍵截面和位置采用高強鋼材料,壁厚可適當減薄;②非主要受力矩形鋼管壁厚減薄或采用槽鋼、角鋼等小截面型材;③優化矩形鋼管或型材檔距布局。精細化設計之后,通過仿真分析,可快速初步判斷優化后結構是否滿足許用要求。

以某款12 m公路客車主銷車型車身結構為例:2016年上市以來,客戶反饋結構失效問題主要是底架截面,而頂蓋骨架、側圍骨架結構可靠性較高。該款車型頂蓋骨架矩形鋼管冗余,且有鋼質型材選用、檔距布局不合理等問題,仍有深度優化空間(如圖1所示)。企業雖有相關設計規范作為指導,但僅滿足安全性、可靠性,沒有對骨架結構細節設計進行約束和控制。

圖1 精細化設計前頂蓋骨架

優化前該頂蓋骨架已經全部采用了700 MPa高強剛材料,骨架壁厚也全部做了減薄處理,憑借傳統經驗設計已經很難繼續深入優化。通過精細化設計確定優化方法:①優化側頂蒙皮和中間蒙皮搭接梁,切換成40 mm×20 mm×15 mm的槽鋼;②優化空調出風口、回風口處矩形鋼管規格方鋼,材料為普通鋼;③優化中間縱梁,左右兩側縱梁檔距提高到600 mm。精細化設計后的頂蓋骨架如圖2所示。

圖2 精細化設計后頂蓋骨架

側圍、前后圍、底架的精細化設計均可參考以上設計方法。

2.2 精細化設計前后骨架結構分析

根據上述精細化設計方案,通過Hypermesh軟件分析頂蓋骨架結構剛度和強度變化。在自然狀態工況下,分析其前三階固有頻率變化情況,固有頻率的變化直接反映其更改前后剛度變化情況,表1為頂蓋骨架固有頻率分析結果。圖3為精準設計前后頂蓋骨架的前三階振型圖。從表1和圖3中可以看到:精準設計前后一階振型都為扭轉變形,精準設計后其固定頻率降低0.13 Hz;二階振型都為彎曲變形,其固定頻率降低了0.2 Hz;三階振型都為扭轉變形,其固定頻率降低了0.38 Hz。精準設計前后的剛度損失在5%以內,振型無明顯變化,滿足設計要求。

表1 頂蓋骨架模態分析結果

頂蓋空調載荷簡化為質點加載,建立頂蓋強度受力有限元模型,如圖4和圖5所示?？照{質量為342 kg,約束頂蓋四周6個方向自由度。為提高仿真準確度,模擬顛簸路段下的重力加速度值,一般放大5倍重力加速度g值,因此F=342×9.8×5=16 758(N)。

圖4 頂蓋骨架強度分析模型

(a) 精準設計前

1) 精準設計前。頂蓋骨架邊縱梁、頂橫梁等關鍵位置采用屈服強度為700 MPa的高強鋼,壁厚為1.5 mm;空調固定預埋件采用屈服強度為700 MPa的高強鋼,壁厚為4.0 mm。其他縱向縱梁使用屈服強度為345 MPa的普通鋼,壁厚為1.5 mm。頂蓋骨架總質量為185.7 kg。如圖5(a)所示,精準設計前頂蓋骨架最大應力為469.6 MPa,位于空調螺栓固定預埋位置,此位置的固定預埋屈服強度為700 MPa,符合要求。頂蓋骨架方鋼上的最大應力為195 MPa,位于頂弧梁和邊縱梁的連接處,此位置的材料屈服強度也是700 MPa,符合要求。其他縱向縱梁的最大應力均小于91 MPa,低于縱梁的材料屈服強度345 MPa,符合要求。

2) 精準設計后。頂蓋骨架邊縱梁、頂橫梁等關鍵位置改用屈服強度為345 MPa的普通鋼,壁厚為1.5 mm,空調固定預埋件仍采用屈服強度為700 MPa的高強鋼,壁厚為4.0 mm。其他位置結構按照2.1節中的優化方法,側頂蒙皮和中間蒙皮搭接梁切換成40 mm×20 mm×1.5 mm的槽鋼,壁厚為1.5 mm,材料屈服強度為235 MPa。優化空調出風口、回風口處矩形鋼管方鋼規格,壁厚為1.5 mm,材料屈服強度為235 MPa。優化中間縱梁,左右兩側縱梁檔距增加到600 mm,壁厚為1.5 mm。精準設計后頂蓋骨架質量為162.1 kg,減少了23.6 kg,減少的質量占頂蓋骨架總質量的12.7%。如圖5(b)所示,精準設計后頂蓋骨架最大應力為472.3 MPa,位于空調螺栓固定預埋位置,此位置的固定預埋屈服強度為700 MPa,符合要求。頂蓋骨架方鋼上的最大應力為205.5 MPa,出現在頂弧梁和邊縱梁的連接處,此位置的材料屈服強度是345 MPa,安全系數為3.4,符合要求。

2.3 車身預埋件精細化設計和分析

2.3.1 車身預埋件精細化設計

預埋件焊接在骨架上,用于固定車內外零部件,主要有預埋板、預埋角鋼和預埋槽鋼3種截面,如圖6所示。傳統設計方法中,為了實現固定牢靠的目標,主要關注螺栓是否達到預緊力要求,往往忽視了預埋在輕量化中的作用。以某款12 m公路客車為例,焊接在懸架上的預埋件質量約106 kg,約占車身骨架質量的8.8%。預埋件精細化設計,對車身減重、輕量化研究都具有重要價值。

圖6 3種預埋截面

安裝在車內的零部件,允許存在一定的工藝偏差。因此,預埋件精細化設計原則如下:滿足功能、強度和剛度,安裝有誤差余量。預埋件誤差余量目前沒有統一標準,為了確保能夠滿足安裝需求,企業往往僅設定了下限,沒有規范邊界上限。預埋件設計一般由工程師根據經驗確定上下限,從而導致預埋件的設計尺寸越來越大甚至可能出現失效的風險。

2.3.2 車身預埋件受力分析

以某款12 m公路客車右前護欄懸臂預埋件受力分析為例。如圖7所示,預埋件的懸臂H值由護欄安裝的前后位置確定,寬度L由護欄底座寬度決定。懸臂預埋邊界距離h根據工藝水平設定在20～30 mm之間,一般取整。懸臂預埋長度H為研究目標,分別采用3種懸臂結構(方板、角鋼、槽鋼)左側滿焊固定,厚度為5 mm,材料為Q345,泊松比為0.3,彈性模量為2.1×105N/mm2。材料密度為7.9×10-9t/mm3,有限元分析中,網格單元大小2 mm,單元類型為pshell,載荷F=500 N(單孔估算值),方向垂直向下,m為加載力到固定端的距離,分別等差10 mm,加載12次。預埋受力分析有限元模型如圖8所示。

圖7 右前護欄固定在懸臂預埋件示意圖

圖8 預埋受力分析有限元模型

2.3.3 車身預埋件精細化設計結果

從圖9和圖10中可得出以下結論:

圖9 3種型材結構應力對比

圖10 3種型材結構變形對比

1) 從受力角度看,當H≤100 mm時,方板、角鋼和槽鋼三者的最大應力都滿足要求;當100 mm

2) 從變形角度看,當H<60 mm時,方板、角鋼和槽鋼三者的最大變形都滿足要求;當60 mm≤H≤120 mm時,只有角鋼和槽鋼的最大變形滿足要求。

結合以上結論和成本分析可知,當H<60 mm時,可優先考慮方板;當60 mm≤H≤120 mm時,考慮槽鋼或者角鋼。

表2為某款12 m公路客車車身預埋件精細化設計前后的統計表,車身預埋件累計減重25.5 kg,按照當時普通碳素鋼Q345價格6.7元/千克估算,單車降本可達170.9元。

表2 預埋件精細化設計效果

3 結束語

本文分析和探討了車身骨架結構精細化設計、車身預埋精細化設計在客車輕量化中的設計思路和方法,對結構精細化和車身預埋精細化設計做了案例分析,對常用的預埋受力做了仿真分析,總結了懸臂預埋的邊界參考值,可以輔助客車車身設計人員進一步開展輕量化研究。