铝合金客车垂直型骨架连接接头优化设计

郝守海

（东风商用车有限公司技术中心，武汉430056）

铝合金客车垂直型骨架连接接头优化设计

郝守海

（东风商用车有限公司技术中心，武汉430056）

在铝合金客车车身骨架工艺分析的基础上，针对三根互相垂直骨架的连接接头进行结构优化，再利用H yperW orks对原有骨架连接接头和新型连接接头进行对比分析，最后在保证性能的基础上对新型连接接头进行尺寸优化设计，开发出质量更轻、连接强度和刚度更优的铝合金连接接头。

客车；铝合金；HyperW orks；优化设计；连接接头

随着轻量化技术在客车上应用的推广，铝合金客车车身骨架技术也在不断完善。目前，铝合金客车车身骨架连接主要有焊接和铆接两种［1-2］。铝合金焊接相较于钢结构焊接，难度要大，需要操作人员掌握熟练的焊接技术，而且铝合金本身的性能导致骨架容易变形，不易实际操作。铆接相对焊接而言，工艺简单，设备、工装夹具成本低，且车身在装配时不易发生变形［3］，因此，铝合金铆接技术更利于实际操作。国内铝合金客车车身骨架技术刚刚起步，铝合金铆接水平还有待提升，特别是骨架梁之间的连接接头还需要不断创新，挖掘出质量更轻、连接更可靠的铆接接头。

本文所述的原有铝合金连接接头在整车设计中已经经过CAE验证。结果表明，原方案满足使用要求，因此，在对连接接头的优化过程中仅考虑进行结构局部分析，具体操作分为三步：根据铝合金挤压型材的加工特性，利用CAD软件建立一体式连接接头；利用Hyper-Works软件对原有接头和新型接头进行静态分析；利用尺寸优化分析对新型接头进行优化，达到接头轻量化的目的。本文所述新型连接接头已经申报实用新型专利。

1　原有接头及新型接头结构

接头是车身结构的关键过渡部分［4］，其结构直接影响着骨架梁的连接强度和刚度。原有连接结构是采用三个角接头进行组合连接的典型结构，如图1所示。三根垂直梁采用角接头进行连接，接头布置于骨架梁的垂直相邻面上。原有角接头是采用“L”铝合金挤压型材经过切割制作而成，其连接在骨架梁的外侧，料厚为6 mm，每个角接头连接着两根骨架梁，每个骨架梁连接着两个角接头，单个接头采用6个铆钉与骨架进行铆接固定，从而组合成顶角形铝合金骨架连接结构。

由于原有连接结构采用三个角接头进行铆接固定，接头之间互相孤立，没有统一成一体，接头部位的结构刚性较差，容易变形。因此，需要提出一个连接接头来同时代替上述多个接头进行连接的新型结构。

一般而言，对于结构复杂的零部件需要采用铸造工艺进行制作，但铸造成本高，效率低，强度低。挤压工艺适合制作结构简单的零部件，它是一种生产效率高、节约原材料的加工方法。在经济和技术方面都具有很多优点，与其他加工方法相比，操作简便，便于实现机械化和自动化，适合于较大批量零件的生产［5］。因此，新型接头也考虑采用挤压工艺制作。

本文所述新型接头（见图2）采用带内腔的“L”形铝合金挤压型材经过切割加工而成，接头壁厚为3 mm，其内部有7个矩形空腔，整个结构形成了三个插入端。新型连接结构如图3所示。在使用时需要将接头的三个插入端分别插入到三根骨架梁的内部，再利用铆钉进行铆接固定。如此三根梁利用一个独立的接头即可完成连接。铝合金连接接头材料特征如表1所示。

表1　连接接头的材料特征

2　静态对比分析

原有连接结构对三根骨架梁而言是相同的，因此，在一根梁上的分析结果对其他两根梁是同样适用的。新型结构由于连接接头的三个插入端结构不同，在一根梁上的分析结果对其他两根梁不一定适用，因此，在CAE分析时，将约束和载荷施加方案分成两组：一组是约束下方两根梁的端头节点，在竖梁上施加集中力或力矩；另一组是约束竖梁上端节点和一根下方梁的端头节点，在下方另一根梁的端头施加集中力或力矩。

在分析时，使用前处理软件HyperMesh进行网格划分，车身骨架的大部分都是薄壁件，于是采用壳单元进行建模，以四边形为主、三角形为辅。划分网格前先抽取薄壁零件的中面，再在中面上划分网格。考虑到连接接头的实际尺寸和有限元模型的精确度，单元尺寸取2 mm［8］。

2.1边界条件的确定

根据连接结构的使用条件，确定CAE分析的边界条件，而两组分析需要建立四个分析工况，具体如下：

1）工况一。在下方两根梁的端头施加三个方向的自由度约束，在竖梁的上端施加100 N的集中力，集中力水平指向下方两根梁的夹角中心线（见图4）。

2）工况二。在下方两根梁的端头施加三个方向的自由度约束，在竖梁的上端施加40 000 N·mm的力矩，力矩方向竖直向下（见图4）。

3）工况三。在竖梁的上端施加三个方向的自由度约束，并在下方左侧梁的端头同时施加三个方向的自由度约束，在下方右侧梁的端头施加一个竖直向下的集中力，大小为100 N（见图5）。

4）工况四。在竖梁的上端施加三个方向的自由度约束，并在下方左侧梁的端头同时施加三个方向的自由度约束，在下方右侧梁的端头施加一个方向指向连接接头的力矩，大小为40 000 N·mm（见图5）。

2.2分析结果对比

通过HyperWorks软件完成对两种结构的静态应力分析，分析结果如下：

1）工况一。原结构的最大变形量为12.9 mm（见图6），位于竖梁的上端节点上；新型结构的最大变形量较小，只有1.95 mm。原结构的最大应力为340 MPa（见图7），位于下方梁上侧第二个铆钉孔边缘，而角接头上的最大应力值为198 MPa（见图8）；新型结构的最大应力值为80.2 MPa（见图9），位于连接接头三个插入端的垂直交点上。

2）工况二。原结构的最大变形量为1.67 mm，位于竖梁的上端内顶角节点上；新型结构的最大变形量较小，为0.17mm。原结构的最大应力为262MPa，位于竖梁下方的铆钉孔边缘；新型结构的最大应力值为32.4MPa。

3）工况三。原结构的最大变形量为3.05 mm，新型结构的最大变形量为0.59 mm。原结构的最大应力为183 MPa，位于下方骨架梁的铆钉孔边缘；新结构的最大应力位于新型接头的插入端垂直交点处，值为49.2 MPa。

4）工况四。原结构的最大变形量为1.03 mm，新型结构的最大变形量为0.53 mm。原结构的最大应力为304 MPa，位于下方骨架梁的铆钉孔边缘；新型结构的最大应力位于新型接头的右侧插入端第一个铆钉孔边缘，值为141.8 MPa。

由于该分析只是用于新旧方案的对比，其载荷与实际使用状态并不相同，因此，以上工况的最大应力值并不作为实际参考依据，仅用于判定新型结构的改善效果。

由分析结果可以看出，新型结构相对于原连接结构，其各工况的最大变形量有较大幅度的降低，最低降幅达到48%，最高降幅达到89%。由于新型接头下端的两个插入端仅在侧面与骨架梁进行铆接固定，导致其抗扭转变形效果不如上方的插入端明显，但仍远好于原结构角接头的抗扭转效果。

新型结构相对于原连接结构，其各工况的最大应力值有大幅度的降低，最低的降幅也达到了53%。原连接结构的最大应力点都在骨架梁上，角接头的最大应力值相对偏小，这与角接头的料厚大于骨架梁的料厚有一定的关系。新型结构的最大应力点都在连接接头上。

由于新型结构的CAE分析结果远好于原结构，因此，可以参照原结构的分析数据进一步对新型接头进行优化，以减薄接头壁厚，实现轻量化。

2.3尺寸优化分析

在用有限元计算结构位移和应力时，尺寸优化过程不需要网格重新划分，直接利用灵敏度分析和合适的数学规划方法就能完成尺寸优化。对于具有连续性结构的板或壳，也只是把各单元厚度作为设计变量，优化结果是阶梯形分布的板厚度或壳厚度。在这类优化过程中，设计变量与刚度矩阵一般为简单的线性关系［9］。

参照原结构的分析结果对新型接头进行尺寸优化，优化网格划分为7个集合（见图10），因为新型接头为对称件，因此，划分的7个集合分别包括左右两部分，且考虑到该零件为铝合金挤压型材通过切割加工而成，需要保证在同一竖面内的网格料厚相同。

尺寸优化时要求7个集合的网格初始料厚为3 mm，上限为3 mm，下限为1.8 mm。

尺寸优化的设计约束要求对新型结构在四个工况下的最大变形量进行约束，参照静态分析结果设定如下：工况一下的最大变形量为10 mm；工况二下的最大变形量为0.8 mm；工况三下的最大变形量为2.0 mm；工况四下的最大变形量为1.0 mm。

目标函数：设计目标为优化模型的总体质量，使其达到最小。

通过HyperWorks尺寸优化，经过多次迭代计算，函数达到收敛，优化计算结束［10］。由新型接头的网格厚度云图分析结果可以看出，最终将新型接头的壁厚分为三类，分别是1.8 mm、1.946 mm和2.186 mm。考虑到铝合金的挤压工艺，将分析结果进行调整，即要求连接接头下方插入端的侧壁（图10所示h-w-1和h-w-3部分）壁厚为2.0 mm，下方插入端的端头（图10所示h-w-2部分）壁厚为2.2 mm，其余部分为1.8 mm。尺寸优化后最大变形量和最大应力值见表2。

表2　优化后分析结果对比

从表2可以看出，新型接头在优化后的最大变形量和最大应力值都变大了，但仍小于原结构的数值，其结果可以认为能够满足装车使用要求。根据尺寸优化结果，进行连接接头的质量计算，质量对比见表3。

由此可看出，优化后的新型接头的结构强度和刚性都有了进一步的提升，同时重量减轻，轻量化效果明显。

3　结束语

本文所述原有连接结构为三个彼此分开的角接头通过与骨架梁进行相互铆接连成一体，角接头之间相互独立，在骨架梁相互垂直的内侧面进行连接，而新型连接结构是用一个连接接头的三个插入端分别与骨架梁进行连接，三个插入端之间互相垂直组合成一个整体。通过原有连接结构和新型连接结构的CAE对比分析可以看出，新型连接结构的整体性能远远优于原结构。通过对新型接头进行尺寸优化，结果显示新型接头还有进一步轻量化的潜力。

［1］杨小见，杨胜，宁忠翼，等.基于HyperMesh的客车转向机支架的优化设计［J］.客车技术与研究，2012，34（1）：14-16.

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［3］刘成虎，李飞鹏，余庆杰，等.形变铝合金在客车车身上的应用［J］.汽车工艺与材料，2012，（10）：39-41.

［4］宋凯，成艾国，钟志华.基于响应面法的汽车车身T型接头优化［J］.汽车工程，2011，33（4）：283-289.

［5］王明哲，王麟平，张宝红，等.铝合金锥壳体成形工艺分析［J］.热加工工艺，2013，42（5）：24-26.

［6］潘复生，张丁非，等.铝合金及应用［M］.北京：化学工业出版杜，2007.

［7］徐中明，徐小飞，万鑫铭，等.铝合金保险杠防撞梁结构优化设计［J］.机械工程学报，2013，49（8）：136-142.

［8］王松，严运兵，张胜兰.客车车架有限元分析及尺寸优化［J］.汽车科技，2012，（4）：35-39.

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［10］叶盛，辛勇.基于灵敏度及尺寸优化的汽车车门轻量化［J］.机械设计与研究，2013，29（6）：112-115，121.

修改稿日期：2014-09-03

Optimal Design on Vertical Beam Connectors for Alum inum Alloy Bus/Coach Framework

Hao Shouhai
（Technical Center ofDongfeng Commercial Vehicle Company Limited，Wuhan 430056，China）

On the basis of technology analysis for the aluminum alloy bus/coach body framework，the author optimzes the structure of the connectors for three mutually perpendicular skeletons，and then comparatively analyzes the original connectors and new connectors with HyperWorks software.Finally，on the basis ofensuring the performance of new connectors，he makes the connector sizes optimization design to develop a lighter aluminum alloy connector，which is better connection strength and rigidity.

bus/coach；aluminum alloy；HyperWorks；optimal design；connector

U463.83+1；TG146.2

B

1006-3331（2015）03-0014-04

郝守海（1978-），男，高级工程师；研究方向：客车车身设计；技术成果：专利申报76项，论文发表16篇。