9m客车的半承载与全承载车身结构的有限元分析

徐　军，刁国虎，袁葭杰

（扬州亚星客车股份有限公司，江苏扬州　225116）



9m客车的半承载与全承载车身结构的有限元分析

徐军，刁国虎，袁葭杰

（扬州亚星客车股份有限公司，江苏扬州225116）

摘要：对YBL6905H型客车的半承载与全承载车身结构进行有限元分析。结合垂直载荷、单轮悬空、急转弯和紧急制动等常见的典型工况，对比这两种结构的特性，找出其在强度、刚度、重量方面的差异性，增强对这两种结构的了解，为9 m客车的结构设计提供参考。

关键词：9 m客车；半承载；全承载；车身结构；有限元分析

随着客车技术的不断发展，全承载结构在9 m客车上的应用越来越普遍。本文采用Patran + Nastran软件对YBL6905H型客车的半承载与全承载的结构分别进行有限元建模、求解和分析对比，为进一步了解和设计9 m客车结构起到参考作用。

1　模型建立及处理

该车型为后置发动机，前、后板簧悬架。对比车型具体的参数见表1。

表1　 YBL6905H型客车的主要参数

1.1模型处理及载荷选取

进行对比的车是基于相同车身造型和配置，主要区别在底部结构（为便于表述，下文中将此简称为底架）不同。半承载结构如图1所示，其底架主要为三段式车架和地板支撑骨架，车架的前、后段采用槽型大梁，中段为较大截面矩形钢管桁架结构；全承载结构如图2所示，其底架全部为小截面矩形钢管焊接格栅结构。

图1　半承载结构

图2　全承载结构

采用壳单元离散车体结构，使用刚杆单元模拟骨架梁的焊接与螺栓连接。动力总成、油箱、蓄电池、散热器、压缩机、车顶空调、乘客门、安全门、舱门、乘员+座椅、行李、备胎等在相应质心位置简化为质量集中点处理，以MPC单元在安装点和整车模型连接。前、后板簧悬架系统（包括桥和轮胎）用梁单元表示，根据各个构件连接点的不同的运动关系，设定连接的MPC单元[1]。

对比车的车身部分所用钢材为Q235；底架的矩形钢管为Q345；钢板为510 L。所用钢材参数和强度极限见表2[2-4]。

表2　所用钢材的参数

1.2工况及边界条件确定

客车在实际使用时的载荷和工况很复杂，但车体主要载荷可分为弯曲、扭转、垂直、侧向和纵向载荷。由于车身右前开设乘客门，左侧中后开设安全门，左、右侧结构不完全对称，所以选取下列几种典型的工况进行计算[1，5-7]。

1）垂直载荷。模拟客车满载状态下，在水平路面匀速行驶的情况。动载荷系数取2.5。约束前、后轮接地点的UY、UZ向自由度，约束后桥中心的UX向自由度。

2）左弯扭。模拟客车满载状态下，在凹凸不平路面的低速行驶出现左前轮悬空的扭转情况。其动载荷近似看作静态的。在垂直载荷工况约束条件的基础上，释放左前轮的自由度。

3）右弯扭。模拟客车满载状态下，在凹凸不平路面的低速行驶出现右前轮悬空的扭转情况。约束和载荷条件与左弯扭工况对称处理。

4）左急转弯。模拟客车满载状态下急速左转弯时的情况。最大转向加速度取0.4 g。在垂直载荷工况约束条件的基础上，释放左侧前、后轮的UY向自由度。

5）右急转弯。模拟客车满载状态下急速右转弯时的情况。约束和载荷条件与左急转弯工况对称处理。

6）紧急制动。模拟客车满载状态下紧急制动时的情况。最大制动减速度取-0.8 g，轮胎-路面附着系数取0.8，在前、后轮接地点加载对应UX向的制动力[8-10]。约束条件同垂直载荷工况。

2　结构计算分析

各工况的最大应力、变形量、行李舱容积及重量[11]变化汇总见表3。其中“↑”代表数值上升；“↓”代表数

2.2结构刚度分析

1）弯曲刚度分析。对约束前板簧中心的UY、UZ向自由度，约束后悬架板簧中心的UX、UY、UZ向自由度，在重力作用下，以底架左纵梁（纵栅）底边采集点的Z向变形量进行对比。两种结构的左、右纵梁（纵栅）的宽度尺寸相同。具体的弯曲变形曲线见图5（图5中的前轴心与后轴心在X向的对应点为0和4 300）。对比车是动力后置车型，取变形量相对较大的后悬部分（X向：从4 300 mm处往后）来看，其中半承载结构后悬的最大弯曲变形量-3.01 mm，大于全承载结构后悬的最大弯曲变形量-2.66 mm，所以在支撑动力系统的后悬部分，全承载结构的弯曲刚度大于半承载结构。

值下降。

2.1结构强度计算分析

两种结构各工况的最大应力值汇总见表3。

表3　半承载与全承载结构各工况的最大应力值　MPa

两种结构各工况的最大应力均出现在底架部位。由表3可以看到，最大应力值全都低于所用材料的屈服强度极限，且安全系数＞2[12]，结构有足够的强度储备。其中全承载的垂直载荷工况最大应力值略高于半承载的，其最大应力值都是出现在后桥前部的底架上，具体情况见图3和图4。其余工况全承载结构均比半承载的最大应力值低。

图3　半承载结构垂直载荷工况最大应力图

图4　全承载结构垂直载荷工况最大应力图

图5　底架纵梁（纵栅）弯曲变形曲线对比图

2）扭转刚度分析。对约束前桥中心的UY、UZ向自由度，约束后悬架板簧中心的UX、UY、UZ向自由度，在前轴左、右轮接地点对应加载正、反方向的1/2轴荷，以底架左纵梁（纵栅）底边采集点的Z向变形量进行对比。具体的扭转变形曲线见图6。取前、后轴在X向（0、4 300）对应点的相对变形量比较，半承载结构的相对变形量2.17 mm，大于全承载结构的相对变形量1.26 mm，半承载结构扭转刚度小于全承载结构。

图6　底架纵梁（纵栅）扭转变形曲线对比图

2.3行李舱容积对比分析

行李舱容积是营运客车等级评定的重要指标。全承载结构的行李舱容积为3.61 m3，比半承载结构的3.16 m3多了0.45 m3，增幅达14.2%。因此，全承载结构参评等级时会有一定的优势。另外，其增加的有效利用空间也可为整车布置额外增加的设备和装置提供方便。

2.4重量对比分析

略去相同造型的车身和配置，全承载的底架重量为1 058 kg，比半承载底架的1 231 kg轻了173 kg，其轻量化（底架减重14%）的效果较明显。可见，全承载结构能够减轻自重，并且由于全承载的底架为整体栅格结构，省去了半承载底架的三段式车架上面增加的地板支撑骨架部分，全承载的车体离地高度能够比半承载的适当低些，其相对半承载可以降低整车质心。所以全承载结构能提高车辆燃油经济性、制动、加速性能以及行驶稳定性。

2.5制作工艺对比分析

除了前面的对比差异，在制作工艺方面两者也有所不同。全承载结构主要采用小截面矩形钢管拼焊而成，需要严格控制下料尺寸和精度，在车体制作完成之后，再补装底盘各总成部件，全承载结构的生产成本偏高，制造周期偏长。而半承载结构的车身和底盘总成可以分开并行制造，再合装成整车，能缩短制造周期，且由于其结构简单，对车辆进行改装和维修相对容易。

3　结束语

由上可以看出，对比车的全承载结构比半承载结构在强度、刚度、有效利用空间和轻量化方面的综合性能有一定的优势。但在满足客车市场差异化的需求前提下，考虑合理选用强度更高的钢材，并结合有限元分析技术，两种结构都还有进一步优化改进的空间。此外，文中的分析比对仅局限于常见的典型工况。如需全面了解两种结构的性能，还应考虑碰撞、侧翻等方面的分析。鉴于笔者水平和条件有限，本文未包括这些探讨。

参考文献：

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[4]GB/T3273-2005，汽车大梁用热轧钢板和钢带[S].北京：中国标准出版社，2005.

[5]魏宁波.基于ANSYS的全承载式客车车身结构有限元分析[D].西安：长安大学，2011：31-55.

[6]刘江，桂良进，王青春，等.全承载式大客车车身结构多目标优化[J].汽车工程，2008（2）：170-173.

[7]兰凤崇，陈吉清，J.Lin.承载式车身结构的强度刚度及模态的有限元分析[J].机械科学与技术，2006（3）：367-370.

[8]余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2000：71-89.

[9]米奇克，瓦伦托维兹.汽车动力学[M].陈荫三，余强，译.北京：清华大学出版社，2009：161-171.

[10]小田柿浩三.汽车设计[M].徐逢源，译.北京：机械工业出版社，1990：71-89.

[11]沈光烈，林圣存.基于有限元法的大客车模态分析与结构改进[J].公路与汽运，2012（6）：1-4.

[12]成大先.机械设计手册：第一卷[K].北京：化学工业出版社，2007：1-107-109.

修改稿日期：2015-08-09

FEA on 9 m Coach Body Structure of Semi-integrated Type and Full-integrated Type

Xu Jun, Diao Guohu，Yuan Jiajie
（Yangzhou Yaxing Asisitar Bus Co., Ltd, Yangzhou 225116, China）

Abstract：The authors use FEM to analyze the YBL6905H coach body structure of semi-integrated type and full-integrated type. Combining some common and typical operation modes, such as the vertical load, single wheel suspension, sharp turn and hard brake, they compare the structure characteristics, find out the distinctness among the strength, stiffness and weight. The result is tohave better knowledge about the twostructures, and offer references for the structure design ofthe 9 mcoaches.

Key words:9 mcoach; semi-integrated; full-integrated; bodystructure; finite element analysis（FEA）

作者简介：徐军（1977-），男，助理工程师；车身设计师；主要从事客车车身结构设计工作。

中图分类号：U463.32

文献标志码：A

文章编号：1006-3331（2016）01-0011-03