客车车身骨架的轻量化设计与分析

石拓，周盼，周涛，辛江慧，许丽娇，臧利国

（211167 江苏省 南京市 南京工程学院 汽车与轨道交通学院）

0 引言

基于交通状况与提高车辆效率的要求，轻量化设计必然是未来客车行业发展的重点之一[1]。对作为客车重要的承载结构的客车车身骨架进行结构优化，实现客车车身的轻量化，是提升客车整车性能和经济性的重要手段[2]。

轻量化设计主要有3 种方式，使用轻量化材料、先进工艺和基于有限元的结构优化。其中基于有限元的结构优化是客车生产制造的主要手段[3]。车身质量占客车总质量的比重较大，通过有限元技术建立车身骨架模型并对其进行优化处理，以降低成本，减少污染，提升能源利用效率[4-5]。Kongwat 等[6]以弯曲刚度、扭转刚度和侧翻安全为约束，基于结构质量和柔度的迭代拓扑优化求解母线配置，将每个载荷工况的最大位移约束作为目标函数，对框架结构进行轻量化；吴胜军等[7]通过HyperStudy 联合OptiStruct 的响应面，在满足车身骨架静强度载荷的要求下，计算各杆件厚度的最小值达到轻量化的目的；Yao 等[8]通过HyperMesh 软件建立客车车身骨架的有限元模型，使用Nastran 求解器计算4种典型工况下车身骨架的静刚度与模态，通过仿真模拟，在保证客车车身强度、刚度和模态特性的前提下，优化客车结构和零部件尺寸参数，实现了客车车身骨架的轻量化；胡涛[9]通过建立客车车身骨架有限元模型，完成典型工况的静力学和模态分析，对车身骨架分组处理，通过灵敏度分析找出对骨架性能响应不敏感的部分，对其进行优化处理，实现客车车身骨架的轻量化。

本文基于某燃油客车车身骨架有限元模型，对弯曲、急转弯和紧急制动这3 种典型工况进行静力学分析。根据分析结果对客车进行尺寸优化，对比优化前后的应变与应力，验证轻量化方案的合理性。

1 车身骨架有限元建模

对客车车身骨架进行有限元建模，往往不需要考虑其复杂机构，对其进行适当简化，使其在不同工况近似实际情况。客车骨架模型如图1 所示，由大量C 型梁和L 型梁组合而成，对其进行几何处理，处理部分主要是圆弧部分，如图2 所示。

图1 客车车身骨架三维模型Fig.1 3D model of bus body

图2 客车骨架三维模型圆弧面Fig.2 Arc surface of 3D model of bus skeleton

观察发现，该客车车身骨架模型具有对称性。本文采用HyperMesh 的镜像功能获得客车骨架二维网格有限元模型。对于C 型梁与L 型梁、C 型梁与C 型梁、L 型梁与L 型梁连接处，需要将网格对齐并赋予连接关系。对客车骨架模型赋予材料属性如表1 所示，厚度为6 mm。

表1 客车骨架材料参数Tab.1 Material parameters of passenger car frame

在完成二维网格划分以及属性赋予后，需对划分的网格进行质量检查，检查标准如表2 所示。

表2 网格质量检查标准Tab.2 Mesh quality check criteria

客车车身骨架模型经过简化处理、划分网格、定义连接和赋予属性后的有限元模型如图3 所示。

图3 客车车身骨架有限元模型Fig.3 Finite element model of bus body skeleton

2 模型加载与约束

2.1 模型加载

所测客车尺寸如表3 所示。客车车身骨架承载的主要质量：客车车身骨架自身质量、乘客及座椅质量、油箱质量、发动机质量、空调质量，载荷具体参数见表4。静力施加效果如图4 所示。

表3 客车骨架尺寸参数Tab.3 Bus frame size parameters

表4 客车载荷表Tab.4 Passenger car load

图4 静力施加图Fig.4 Static force application

客车在各类道路上行驶，主要有匀速直线行驶、急转弯和紧急制动等方式。本文对客车车身骨架进行的静态分析是指在客车受固定不变载荷时，车身骨架的位移及受力情况。此处固定不变载荷是一种理想状态，就是将变化缓慢的载荷作为固定不变的，以此简化分析。所以本文选用弯曲、急转弯和紧急制动工况进行分析，3 种工况载荷施加情况如表5 所示。

表5 3 种工况的载荷Tab.5 The loads under three working conditions

2.2 模型约束

客车车身骨架的约束选择施加在2 个大C 型纵梁，模拟客车所受支撑作用，约束效果如图5 所示。弯曲、急转弯和紧急制动3 种工况约束施加情况如表6 所示。

表6 3 种工况约束的施加Tab.6 The application of constraint under three working conditions

图5 约束施加效果图Fig.5 Constraint application effect diagram

3 静力学分析

3.1 弯曲工况

弯曲工况的应变、应力云图如图6 所示，可见，位移最大发生处在前车窗，大小为15.89 mm，小于GB/T 6792-2009《客车骨架应力和形变测量方法 》规定的变形量（30 mm）。应力最大发生处在第1 个小C 型梁与2 个大C 型纵梁相交的节点处，大小为161.8 MPa，小于Q345 材料的许用应力。因此弯曲工况下客车车身骨架的变形、应力都在允许范围内，结构安全。

图6 弯曲工况应变与应力云图Fig.6 Nephogram of strain and stress under bending condition

3.2 急转弯工况

急转弯工况的应变、应力云图如图7 所示。可见，位移最大发生处在外车壳前骨架，这是由于未添加该部分的约束导致的。采用ISO 功能观察，最大位移应该在第2 个竖直C 型梁处，大小为21.56 mm，小于GB/T 6792-2009 规定的变形量（30 mm）。应力最大发生处在后轮处C 型梁与2个大C 型纵梁的相交节点处，大小为239.9 MPa，小于Q345 材料的许用应力，因此符合要求。

图7 急转弯工况应变与应力云图Fig.7 Nephogram of strain and stress under sharp turning condition

3.3 紧急制动工况

紧急制动工况的应变、应力云图如图8 所示，可知，位移最大发生处在外车壳前车窗骨架，大小为19.08 mm，小于GB/T 6792-2009 规定的变形量（30 mm）。应力最大发生处在后轮处C 型梁与2个大C 型纵梁的相交节点处，大小为177.5 MPa，小于Q345 材料的许用应力，因此符合要求。

图8 紧急制动工况应变与应力云图Fig.8 Nephogram of strain and stress under emergency braking conditions

4 车身骨架轻量化

4.1 优化后的尺寸结果

在应变和应力条件合理的情况下，车身骨架有轻量化的余量，通过HyperMesh 的size 尺寸优化模块对车身骨架模型进行优化，优化结果见图9。

图9 车身骨架有限元模型优化尺寸结果Fig.9 Optimization results of finite element model of body skeleton

梁单元厚度优化为2.987 mm，优化后车身应力最大值为260.5 MPa，发生在发动机和油箱的载荷分配处及车后方小C 型横梁与2 个C 型纵梁交界节点处，优化后的应力值在材料的允许范围内。

4.2 优化前后应变与应力对比

考虑到实际加工情况，将厚度设为3 mm。优化后的梁单元厚度代入3 种工况，去除节点处不合理的应力部分，优化前后3 种工况的应变结果如表7 所示，应力结果如表8 所示。

表7 优化前后3 种工况的应变Tab.9 Strain sizes of three working conditions before and after optimization

表8 优化前后3 种工况的应力Tab.10 Stress sizes of three working conditions before and after optimization

表7 数据显示，优化后的应变变大，但仍小于GB/T 6792-2009 规定的变形量（30 mm），验证了优化的合理性。表8 的数据显示，优化后的应力变大，但仍小于Q345 材料的许用应力，再次验证了优化的合理性。另外应力与应变是正相关的关系，符合应力等于应变乘以弹性模量的物理规律。

优化后，客车车身骨架减重质量为855.5 kg，优化前的车身骨架质量1 711 kg，比较同类型客车，可知整车整备质量约为7 t，计算得减重约为12.2%。

5 结论

本文对客车车身骨架进行静力分析及结构优化，具体针对梁单元厚度进行优化，达到了客车轻量化的目的。

（1）对3 种典型工况（弯曲、急转弯和紧急制动）进行静力学分析，结果表明，3 种工况的应力均小于Q345 材料的许用应力，应变也小于GB/T 6792-2009 的规定。

（2）通过尺寸优化梁单元厚度实现车身骨架的轻量化，对比模型轻量化前后3 种工况下的应变，验证轻量化方法的可行性。结果表明，轻量化后车身骨架减轻855.5 kg，占比约为12.2%，优化效果比较明显。