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[车身benchmark] 分段式钢-铝材料城市客车车身结构开发

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发表于 2020-4-14 09:38:41 | 显示全部楼层 |阅读模式

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分段式钢-铝材料城市客车车身结构开发

李耀华1,赵文亮2,张德鹏1,徐 鹏1
(1.长安大学 汽车学院,陕西 西安 710064;2.河南航天液压气动技术有限公司,河南 郑州 451191)
【中国汽车材料网】摘要:针对钢材料城市客车车身质量较大、铝合金车身制造成本高昂的问题,提出了车身骨架中段采用铝合金材料的车身结构形式。设计了5种铝合金型材及连接件,初步确定型材厚度。使用梁单元和弹簧单元建立了悬架模型。基于OptiStruct软件对钢-铝材料城市客车车身弯扭组合工况下的模态特性、静态刚度及强度进行了计算。计算结果表明:与钢材料城市客车骨架相比,钢-铝材料城市客车骨架低阶固有频率无明显变化,固有振型差别较大。在车身结构件静态强度满足材料屈服强度要求的前提下,车身质量为971.2 kg,较钢材料车身质量降低146.8 kg。
关键词:城市客车;钢-铝材料车身;有限元方法;悬架模型;静态特性

截至2015年底,中国汽车产销量已连续7年位居全球第一。随着汽车产销量的增加,汽车保有量随之增长,给环境带来了巨大压力,大中型客车污染物的排放比率最高达到21.3%[1-2]。文献[3]研究表明:汽车质量每减少100 kg,油耗可减少0.003 5 L/km,CO2排放可减少8.4 g/km。多数传统动力客车车身骨架质量占到整车整备质量的30%~40%[4],因此,车身轻量化设计一直是节能减排的重要手段。目前,车身轻量化设计主要从减小结构件截面积、优化车身结构、选用低密度材料和高强度材料等方面着手,较少涉及低密度材料和传统钢材料的混合应用,虽有部分相关设计,但对低密度材料的应用局限性很大,多用于非承载结构和不需焊接部位[5-6]。

]针对铝合金材料存在焊接性能差、焊接成本较高等缺点[7],结合传统钢材料与低密度材料的特点,本文大面积选用轻质材料,提出钢-铝材料的城市客车车身结构。


1 铝合金型材设计及壁厚验证

与钢材料相比,铝合金材料的刚度低,为了不过多地增加铝合金型材厚度,同时便于构件间的连接,针对铝合金型材的截面形状进行了特殊设计。图1和图2分别为5种特殊截面铝合金型材及与之相适应的连接件。

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图1 5种特殊截面铝合金型材

图1a的侧围立柱型材为贯通式,从顶盖边梁延伸至侧围底部,侧围风窗边梁及腰部纵梁同样为侧围立柱型材。侧围立柱型材通过图2a的连接件与风窗边梁连接,通过图2b的连接件与顶盖边梁及腰部纵梁连接,通过图2c的连接件与侧围下纵梁型材(见图1d)连接。图1b的顶盖边梁型材同样为贯通式,从前围后柱延伸至后围立柱。图1c的侧围短立柱型材起对结构的紧固作用,通过图2c的连接件与侧围立柱型材(见图1a)和顶盖边梁型材(见图1b)连接。图1e的顶盖桁架型材,使用图2e的连接件铆接,桁架上铆钉孔可在安装前预打,也可在安装过程中按照安装尺寸加工。图2d的连接件用于侧围立柱型材(见图1a)与底架横梁的连接,与侧围立柱的连接方式为铆接,与底架横梁的连接方式为焊接,该类连接件为Fe-Q345材质,在保证结构强度的同时保证了焊接性能。

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图2 5种连接件

[size=1em]铝合金型材壁厚过小难以满足车身强度和刚度要求,壁厚过大会导致型材质量过大,甚至影响装配。因此,需要合理地确定各截面铝合金型材壁厚。本文对比同类车型车身骨架相同或相近位置处钢材料结构件的结构刚度,以确定铝合金型材壁厚。以侧围立柱型材为例,同类型钢材料城市客车车身侧围立柱杆件厚度为3 mm,在相同边界条件下,分别计算3 mm、4 mm、5 mm、6 mm和7 mm厚度时,铝合金型材在横向弯曲、纵向弯曲、轴向拉伸和扭转4种工况下的应力-应变特性,以初步确定铝合金型材厚度。表1为4种工况下,铝合金侧围立柱型材不同壁厚与钢材料杆件多工况应力-应变状态比较。

表1 铝合金侧围立柱型材不同壁厚与钢材料杆件多工况应力-应变状态比较
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注:T3、T4、T5、T6、T7分别表示型材厚度为3 mm、4 mm、5 mm、6 mm和7 mm。

综合考虑4种工况下不同厚度铝合金型材和钢材料型材的应力-应变状态及单位长度型材质量,取各项参数相近量初步确定壁厚指标。

[size=1em]前乘客门后立柱通过特殊设计的铝合金连接件与后围立柱连接之间的车身结构采用铝合金,建立车身骨架中段为铝合金材料的车身结构几何模型。在几何模型的基础上,建立了该型城市客车前悬架有限元模型及整车有限元模型,分别如图3和图4所示。

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[size=1em]整车有限元模型包含616 703个单元,464 306个节点。文献[8]研究表明:客车骨架有限元模型总质量及轴荷与实车相差不超过2%时,可认为有限元模型具有较高的可信度。所建有限元模型总质量为 17 992.9 kg,前后轴荷比为6 458.87∶11 534.03,与设计要求满载总质量(18 000 kg)及前后轴荷比(6 500∶11 500)的误差均小于2%。一阶固有频率为8.34 Hz,计算结果与实际情况相近似,与同类型车身固有模态趋势一致[9-10]。综上所述,本文所建立的有限元模型具有一定的可信度。


2 模态分析

[size=1em]OptiStruct是一款有限元分析软件,具有较强的动静态工况求解能力,被广泛应用于汽车领域的有限元计算,因此,本文使用OptiStruct作为动静态分析的求解软件。对于城市客车车身这样的大型空间桁架结构,高阶固有频率下的固有振型一般表现为局部振动,对整车影响较小;低阶固有频率下的固有振型通常表现为整体振动,对结构影响较大。研究结果表明:城市客车车身结构低阶固有频率可出现在5~33 Hz[11]。为对比分析传统钢材料城市客车车身结构形式与钢-铝材料车身结构形式动态特性的差异,分别对两种车身结构形式的低阶模态进行了计算。表2为两种形式车身的城市客车骨架前十阶固有模态比较。

表2 两种形式车身的城市客车骨架前十阶固有模态比较
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[size=1em]由表2中数据可看出:钢-铝材料城市客车骨架低阶固有频率为8.34~24.04 Hz,位于5~33 Hz,与钢材料城市客车骨架差别较小,但各阶固有振型差别较大。限于篇幅,以二阶振型为例进行分析。图5为二阶固有振型(将振型图放大400倍显示)。由图5可知:钢材料客车车身骨架二阶振型表现为整体扭转,钢-铝材料客车骨架则主要表现为顶盖的横向弯曲,具有明显区别。

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图5 二阶固有振型

3 弯扭组合工况静态特性分析

[size=1em]弯扭组合工况下,车身结构同时受到弯曲变形与扭转变形,车身骨架受力复杂,且伴随一定的动态载荷。同等载荷下,弯扭组合工况车身结构受力最为恶劣[12],故着重分析弯扭组合工况下城市客车车身骨架应力-应变状态。本文以车身骨架大开口对角线变形量和底架轴间的相对转角作为评价城市客车车身结构刚度指标,该型城市客车车身结构的主要材料为金属材料。工程上常用畸变能理论(又称第四强度理论或者von Mises准则)来判断金属材料是否已经发生塑性破坏。应力是二阶张量,进行适当的坐标系旋转,在某个角度下应力只存在3个主应力,没有剪切应力。等效应力(von Mises)S可用下式所示:

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[size=1em]因此,可根据结构最大等效应力(von Mises)是否小于材料屈服极限判断金属材料是否发生塑性破坏。

[size=1em]弯扭组合工况采用垂直方向1.8倍重力加速度,模拟车身结构的动态载荷。左前轮安装位置处施加1.8倍前轴载荷,在左、右车轮安装位置施加地面对车轮的支反力,无约束自由度。约束前桥侧倾运动中心处Y轴、Z轴方向平动自由度,约束后桥中心处X轴、Y轴方向平动自由度,约束后桥前、后气囊几何中心Z轴方向平动自由度。

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图6 弯扭组合工况不同车身长度处的扭转角

[size=1em]计算结果显示:前风窗对角线变形量最大,为8.138 mm。结构大开口对角线长度变形量较大的部位有前风窗、后乘客门、左侧风窗2、右侧风窗2和右侧风窗3(风窗顺序为从前到后依次排序)。弯扭组合工况不同车身长度处的扭转角如图6所示。

[size=1em]由图6可看出:车身长度985~4 975 mm处,车身扭转角曲线斜率较大,车身扭转角变化率高,可见客车车身骨架中段采用铝合金材料的车身结构中部扭转刚度较低,中段车身扭转刚度尚有提高空间。结合车身结构大开口对角线变形量发现,该型车身骨架中段采用铝合金材料的城市客车车身骨架的刚度特性满足使用要求。

[size=1em]弯扭组合工况下,城市客车骨架各总成最大等效应力满足材料最大许用应力要求。表3为弯扭组合工况结构最大应力点位置及材料屈服强度。

表3 弯扭组合工况结构最大应力点位置及材料屈服强度
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[size=1em]对分段式钢-铝材料城市客车车身结构的动静态特性进行计算分析,计算过程中涉及材料的众多属性,包括材料的密度、弹性模量、泊松比等,车身结构件材料的物理学特性如表4所示。

表4 车身结构件材料的物理学特性
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[size=1em]前围多数结构件及后围全部结构件采用Q235材料,对于前围风窗边梁、前围左右立柱等应力较大部位采用Q345材料。计算结果表明:车身结构件最大等效应力满足材料屈服强度的要求。有限元模型车身质量达到971.2 kg,包含前围骨架、后围骨架、左右侧围骨架以及顶盖骨架(不包含底架质量),较原钢材料车身结构质量减轻146.8 kg。


4 结论

[size=1em]本文提出的车身骨架中段采用铝合金材料的城市客车车身结构质量为971.2 kg,与钢材料车身相比,质量降低146.8 kg,低阶固有频率无明显变化,但固有振型差别较大。弯扭组合工况下,车身结构刚度和强度满足使用要求。



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