斜撐對旅游客車中央骨架承載性能的影響

黃桂芬 陳銘年

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斜撐對旅游客車中央骨架承載性能的影響

黃桂芬 陳銘年

福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

應(yīng)用有限元法和ANSYS軟件，對承載式旅游客車代表性結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載性能的計算分析，探討和歸納斜撐及其位置對承載式旅游客車中央骨架承載性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，斜撐能有效提高底面框架和中央骨架的抗扭能力。

斜撐；承載式旅游客車；中央骨架；底面框架

引言

近年來，隨著旅游業(yè)的發(fā)展，人們對旅游出行的舒適度和安全性的要求日益增長[1-2]。承載式客車以其車身地板高、行李艙容量大、旅游觀光視野開闊、舒適度好以及外形美觀等優(yōu)點(diǎn)，極大地滿足人們旅游出行的享受型需求。尤其是其通過自身的車身參與整車承載，取消了笨重的車架，并通過車身結(jié)構(gòu)的合理化節(jié)省材料、減輕客車整備質(zhì)量、降低油耗，從而實(shí)現(xiàn)了車身輕量化的大跨步，符合節(jié)能減排的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

承載式客車“鳥籠式”車身骨架結(jié)構(gòu)形式配合斜撐的合理設(shè)計，能夠在實(shí)現(xiàn)輕量化的前提下保證客車承載能力[3-6]。因此，研究斜撐對承載式旅游客車承載性能的影響，能夠?yàn)槌休d式客車的骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計和客車的輕量化設(shè)計提供參考。

1 基本結(jié)構(gòu)的選取

客車車身結(jié)構(gòu)龐大且復(fù)雜，為突出主要矛盾和研究方便起見，本文選取某國產(chǎn)承載式旅游客車骨架中具有代表性的兩格客車骨架進(jìn)行研究分析。兩格客車骨架模型如圖1所示。

承載式客車骨架的下部為格柵式框架結(jié)構(gòu)，承載了車身的大部分載荷，地面的沖擊通過懸掛系統(tǒng)作用在該框架上。中央骨架位于該格柵式框架的中部，是客車結(jié)構(gòu)的重要承載部件。而承載式旅游客車下部是行李艙，為便于行李放置和進(jìn)出，中央骨架的側(cè)面不設(shè)置斜撐，僅在底面和橫截面位置布置斜撐。中央骨架的底面框架位于其底部，除了參與整車承載外，還直接承載著行李。為了分別考查中央骨架和底面框架的承載性能，分別選取二者進(jìn)行研究和分析。中央骨架尺寸如圖2所示。

圖1 兩格客車骨架

圖2 中央骨架的尺寸

2 計算分析方法

為便于比較分析，對承載式旅游客車的兩格中央骨架和其底面框架，進(jìn)行彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種載荷情況的計算分析。在彎曲載荷下采用單位載荷1 000 N進(jìn)行加載,在扭轉(zhuǎn)載荷下采用單位扭矩597×100 N·mm進(jìn)行加載。兩格中央骨架和底面框架在彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷下的約束和加載示意圖如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)的約束與加載方法

對底面框架和中央骨架，分別以結(jié)構(gòu)中部上表面的兩對稱測點(diǎn)，'和，'的垂直位移平均值（本文以DIS表示）來評價結(jié)構(gòu)的彎曲變形；分別以'和'在單位扭矩下的扭轉(zhuǎn)角（本文以,弧度表示）來評價結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形；均以結(jié)構(gòu)的最大米賽斯應(yīng)力（SMX)來評價結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)角如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)角

式中，—'點(diǎn)的垂直位移；—載荷；—底面框架的寬度。

為便于比較，定義位移變化系數(shù)、最大應(yīng)力變化系數(shù)和重量變化系數(shù)公式統(tǒng)一為為：(,)=[（加斜撐的-無斜撐的）/無斜撐的 ]×100% （2）

3 斜撐對底面框架和中央骨架承載性能的影響

為探討和歸納斜撐對承載式旅游客車基本結(jié)構(gòu)承載性能的影響規(guī)律，先分析2種斜撐情況下底面框架的承載性能，這2種情況是：無斜撐、有斜撐。再分析4種斜撐情況下中央骨架的承載性能，這4種情況分別是：無斜撐、只有橫截面上的斜撐、只有底面上的斜撐、既有橫截面上的斜撐也有底面上的斜撐。經(jīng)過對比，研究原車中央骨架中的斜撐及其位置對剛度強(qiáng)度的影響。

3.1 斜撐對底面框架承載性能的影響

為便于分析，將無斜撐的底面框架定義為A0，將有斜撐的原底面框架定義為A。

在彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷單獨(dú)作用下，底面框架A0和A的測點(diǎn)位移、最大米塞斯應(yīng)力值分別如表1和表2所示，表中還列出了最大應(yīng)力位置；應(yīng)力分布如圖5所示。

表1 彎曲載荷下結(jié)構(gòu)A0和A的承載性能對比

表2 扭轉(zhuǎn)載荷下結(jié)構(gòu)A0和A的承載性能對比

圖5 結(jié)構(gòu)A的應(yīng)力分布圖

計算分析表明：彎曲載荷下，斜撐對底面框架的垂直變形影響很??；扭轉(zhuǎn)載荷下，斜撐對底面框架的承載性能影響較大，能使最大應(yīng)力降低23.42%，有效抵抗底部框架結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形。

3.2 斜撐及其位置對中央骨架承載性能的影響

為了研究和歸納原中央骨架中的斜撐及其位置對中央骨架承載性能的影響，將無斜撐的中央骨架結(jié)構(gòu)定義為B0，將只有橫截面上的斜撐的中央骨架結(jié)構(gòu)定義為B1，將只有底面上的斜撐的中央骨架結(jié)構(gòu)定義為B2，將含有橫截面上的斜撐和底面上的斜撐的原中央骨架結(jié)構(gòu)定義為B。

在彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷單獨(dú)作用下，中央骨架B0、B1、B2和B的測點(diǎn)位移、最大米塞斯應(yīng)力值分別如表3和表4所示，表中還列出了最大應(yīng)力位置；應(yīng)力分布如圖6所示。

表3 彎曲載荷下結(jié)構(gòu)B0、B1、B2和B的承載性能對比

表4 扭轉(zhuǎn)載荷下結(jié)構(gòu)B0、B1、B2和B的承載性能對比

圖6 結(jié)構(gòu)B0和B在扭轉(zhuǎn)載荷下的應(yīng)力分布圖

計算分析表明：

1）彎曲載荷下，橫截面上的斜撐對中央骨架的承載性能影響不大，底面上的斜撐對中央骨架的承載性能影響很小。

2）扭轉(zhuǎn)載荷下，橫截面上的斜撐和底面上的斜撐對中央骨架的承載性能均影響不大，橫截面上的斜撐使最大應(yīng)力降低15.83%，底面上的斜撐使最大應(yīng)力降低14.46%；但橫截面上的斜撐和底面上的斜撐共同作用時，對中央骨架的承載性能影響較大，使最大應(yīng)力降低23.18%，使扭轉(zhuǎn)角減少25.02%。

以上分析結(jié)果說明原中央骨架中的斜撐能夠有效地抵抗框架結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形，但對垂直變形的作用不大。可知合理設(shè)計中央骨架處的斜撐能有效地提高承載式旅游客車在扭轉(zhuǎn)載荷下的承載能力。

4 結(jié)論

彎曲載荷下，斜撐對底面框架和中央骨架的承載性能影響較小或不大；扭轉(zhuǎn)載荷下，斜撐對底面框架的承載性能影響較大，增加斜撐使底面框架變形減少26.09%，使應(yīng)力減少23.42%；橫截面斜撐和底面斜撐單獨(dú)作用對中央骨架的承載性能影響不大，但共同作用時使中央骨架的變形減少25.02%，使應(yīng)力減少23.18%。

[1] 彭援軍.旅游事業(yè)推動中國客車的發(fā)展[J] .城市車輛,2009(3):28-29.

[2] 鄧騰樹,陳銘年.加強(qiáng)研發(fā),迎接承載式客車大發(fā)展[J] .福建省科協(xié)第五屆學(xué)術(shù)年會數(shù)字化制造及其它先進(jìn)制造技術(shù)專題學(xué)術(shù)年會論文集,2005:469- 472.

[3] 陳銘年,H.J.Beermann,莊繼德.客車底架斜撐對箱形框架承載性能的影響[J].中國公路學(xué)報,1996,9(4):100-104.

[4] 林少玲.承載式旅游客車有限元分析及輕量化設(shè)計[D].福州:福建農(nóng)林大學(xué), 2005.

[5] 王雪.基礎(chǔ)承載式客車車身強(qiáng)度的有限元分析[J].客車技術(shù)與研究,2006(3): 22-24.

[6] 姚成,朱銘.全承載式客車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].客車技術(shù)與研究,2008(2):13-16.

Effect of Diagonal Bracing on Bearing Performance of the Central Skeleton of Tourist Bus

Huang Guifen, Chen Mingnian

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China)

Finite element method and the ANSYS software were used to analyze the bearing performance of representational structure of self-supporting body tourist bus. The effect of diagonal bracing and its position on bearing performance of the central skeleton of self-supporting body tourist bus was explored. The results indicate that diagonal bracing can effectively improve the anti-twist ability of the bottom frame and the skeleton.

diagonal bracing; self-supporting body bus; central skeleton; bottom frame