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发表于 2020-6-24 10:12:22 | 显示全部楼层 |阅读模式

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大客车车身骨架轻量化改进设计分析

李湘莲

(桂林大宇客车有限公司,广西 桂林 541003)

【中国汽车材料网】摘 要:文章分析大客车车身骨架静态结构和模态,从有限元模型中探讨客车全承载式车身骨架。在保证车身的刚度和强度下,建立强量化钢铝一体的称身结构。根据轻量化目标对铝合金材料尺寸界面进行计算,与钢铝一体化车身设计进行比较,同时比较原车身骨架动态、静态和质量性能。实验结果表明,研究的轻量化设计与之前相比效果比较好。
关键词:客车车身骨架结构;轻量化;有限元;钢铝一体化

关于客车车身进行轻量化骨架设计,一般都是从车身零件工艺和结构,以及轻量化材料方面进行设计,这样才能有效减少车身承载力[1-2]。本文将会从这两个方面进行分析,在保证车身的刚度、强度不变的情况下,最大程度的减少客车车身骨架质量,从而达到车身轻量化的设计。

1 客车车身钢铝一体化骨架轻量化设计
对客车车身骨架静态分析,发现车身主要承载区是底架,其他部位的载荷比较小。这里针对钢铝零件的连接情况,对客车腰围、车身顶盖、尾架等方面使用铝合金材料进行优化设计[3-4]。
客车车身选择6061型铝合金挤压型材,这种材料有很好的挤压工艺,适合组委界面杆件材料,属性见表1。
表1 6061铝合金材料属性

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1.1 车身拓扑顶盖优化
根据静态客车车身分析发现,称身顶盖骨架工况变形比较大,所以要对顶盖结构进行刚度性能优化。本文根据均匀优化方法和准则,采取软件ANSY中拓扑哟花进行顶盖结构的设计。
(1)优化拓扑结构模型
车身顶盖2根纵梁是整个承载重要部件,形式设置不需要改变,连接横梁的车身就有固定作用,不进行优化。根据拓扑模型优化原则构建如图1。
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图1 车身定稿拓扑模型优化


在ANSYS软件程序中,只有单元是1类型的拓扑结构才能进行优化,模型中1单元类型是蓝色区域,2单元是紫色区域。本文针对 SHELL93单元进行分析,将该单元壳厚度实常设计为车身顶盖梁方向宽度值。
(2)优化拓扑结果和过程
拓扑优化中顶杆变形能结构是目标函数,选择VOLuME结构总体积作为约束函数,选择 OC优化算法分析 ANSYS功能拓扑结构,在反复的优化计算中,将结果计算进行比较,将体积除去70%的量,收敛误差迭代优化设置是0.0001,次数迭代有数设定是30次。结束拓扑优化运输之后,将结果云图密度结果进行优化。根据云图优化,可以在车身顶盖结构设计中建立斜梁交叉形式的拓扑优化,见图2。
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图2 车身骨架顶盖结构


1.2 客车腰围设计
车身侧围需要保留原有的腰围布置结构形式,该部位具有很好的力学特性,这里将标号钢质腰围内梁换成铝合金型材料。另外,在车身侧窗左右骨架中,也需要替换为铝合金材料。
1.3 车身尾架设计
因为车尾的设计包括曲面、曲线等结构设计,所以这里将不对车尾结构设计进行详细分析,也是将主要部分材料换成铝合金。

2 铝合金型材界面尺寸
2.1 文件建立分析
整个结构设计参数模型采取扭转和弯曲结合的静态和模态分析,使用POST1进行处理,选择*GET命令对优化变量优化提取,将优化尺寸储存到文件LGW中。
2.2 优化量定义
(1)变量设计:界面铝合金型材尺寸设计,根据车身骨架结构,对分析部位进行优化计算。
(2)状态变量:车身骨架进行扭转一阶设定频率,位移最大状态变量,扭转一阶降幅频率校园10%,增幅位移最大小于15%。使用OPVARSV命令对变量状态进行定义。
(3)优化分析:体积是目标函数,检率界面铝合金数学尺寸模型:
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公式中,设计变量
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是界面铝合金厚度,VTOT是车身骨架体积,fb是扭转一阶频率,US是最大位移。
在软件ANSYS尺寸优化中,算法选择梯度Frist-Orer算法,迭代次数是30。得到变量设计最优解,见表2。
表2 变量取值设计

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3 客车车身钢铝骨架连接设计
根据钢铝结合结构界面杆件建筑思想,对车身腰围横梁底部的铝合金型材设计,以及钢型材结合模式,见图3。
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图3 界面铝合金杆件

(1、铝合金型材 2、钢型材 3、连接处铝合金型材)


4 前后性能优化比较
4.1 车身轻量化骨架质量比较
车身钢铝骨架结构轻量化设计前后质量,见表 3,车身骨架重减少7.3%,改善后效果显著。
表3 骨架轻量化前后质量比较(kg)

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4.2 静态性能轻量化前后比较
三种典型静态分析中,工况最大应力参数列表,见表4。最大应力工况值比材料屈服极限明显少。
表4 比较最大应力工况(MPa)

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4.3 模态分析
进行前量化后的车身保持了原来的动态特征,详细模态计算见表5。
表5 轻量化前后模态比较

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5 结论
在客车车身骨架结构设计中,采取钢铝一体化方案,可以有效提高车身骨架强度,车身减重达到7.2%,而结构变化后的应力没有下注变化,仍是平滑局部无振型,车身动态性能较好。


参考文献
[1] 王登峰,毛爱华,牛妍妍,等. 基于拓扑优化的纯电动大客车车身骨架轻量化多目标优化设计[J].中国公路学报,2017, 30(2):136-143.
[2] 刘卫斌,郝琪,肖琪,等.基于相对灵敏度的纯电动汽车白车身轻量化设计[J].湖北汽车工业学院学报, 2016,30(4):9-13.
[3] 徐翔,张勇,林继铭,等.多学科与多材料匹配的客车车身轻量化优化设计[J].华侨大学学报(自然科学版),2017,38(3):294-299.
[4] 李方义,文忠武,刘杰,等.基于序列Kriging模型的汽车车身轻量化可靠性优化设计[J].汽车安全与节能学报,2017,8(2):205-212.



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