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）

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

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。

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。

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：

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

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。

图3 界面铝合金杆件

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）

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）

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

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。