鋁合金客車垂直型骨架連接接頭優(yōu)化設(shè)計(jì)

郝守海

（東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心，武漢430056）

鋁合金客車垂直型骨架連接接頭優(yōu)化設(shè)計(jì)

郝守海

（東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心，武漢430056）

在鋁合金客車車身骨架工藝分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)三根互相垂直骨架的連接接頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，再利用H yperW orks對(duì)原有骨架連接接頭和新型連接接頭進(jìn)行對(duì)比分析，最后在保證性能的基礎(chǔ)上對(duì)新型連接接頭進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出質(zhì)量更輕、連接強(qiáng)度和剛度更優(yōu)的鋁合金連接接頭。

客車；鋁合金；HyperW orks；優(yōu)化設(shè)計(jì)；連接接頭

隨著輕量化技術(shù)在客車上應(yīng)用的推廣，鋁合金客車車身骨架技術(shù)也在不斷完善。目前，鋁合金客車車身骨架連接主要有焊接和鉚接兩種［1-2］。鋁合金焊接相較于鋼結(jié)構(gòu)焊接，難度要大，需要操作人員掌握熟練的焊接技術(shù)，而且鋁合金本身的性能導(dǎo)致骨架容易變形，不易實(shí)際操作。鉚接相對(duì)焊接而言，工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備、工裝夾具成本低，且車身在裝配時(shí)不易發(fā)生變形［3］，因此，鋁合金鉚接技術(shù)更利于實(shí)際操作。國(guó)內(nèi)鋁合金客車車身骨架技術(shù)剛剛起步，鋁合金鉚接水平還有待提升，特別是骨架梁之間的連接接頭還需要不斷創(chuàng)新，挖掘出質(zhì)量更輕、連接更可靠的鉚接接頭。

本文所述的原有鋁合金連接接頭在整車設(shè)計(jì)中已經(jīng)經(jīng)過(guò)CAE驗(yàn)證。結(jié)果表明，原方案滿足使用要求，因此，在對(duì)連接接頭的優(yōu)化過(guò)程中僅考慮進(jìn)行結(jié)構(gòu)局部分析，具體操作分為三步：根據(jù)鋁合金擠壓型材的加工特性，利用CAD軟件建立一體式連接接頭；利用Hyper-Works軟件對(duì)原有接頭和新型接頭進(jìn)行靜態(tài)分析；利用尺寸優(yōu)化分析對(duì)新型接頭進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到接頭輕量化的目的。本文所述新型連接接頭已經(jīng)申報(bào)實(shí)用新型專利。

1　原有接頭及新型接頭結(jié)構(gòu)

接頭是車身結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵過(guò)渡部分［4］，其結(jié)構(gòu)直接影響著骨架梁的連接強(qiáng)度和剛度。原有連接結(jié)構(gòu)是采用三個(gè)角接頭進(jìn)行組合連接的典型結(jié)構(gòu)，如圖1所示。三根垂直梁采用角接頭進(jìn)行連接，接頭布置于骨架梁的垂直相鄰面上。原有角接頭是采用“L”鋁合金擠壓型材經(jīng)過(guò)切割制作而成，其連接在骨架梁的外側(cè)，料厚為6 mm，每個(gè)角接頭連接著兩根骨架梁，每個(gè)骨架梁連接著兩個(gè)角接頭，單個(gè)接頭采用6個(gè)鉚釘與骨架進(jìn)行鉚接固定，從而組合成頂角形鋁合金骨架連接結(jié)構(gòu)。

由于原有連接結(jié)構(gòu)采用三個(gè)角接頭進(jìn)行鉚接固定，接頭之間互相孤立，沒(méi)有統(tǒng)一成一體，接頭部位的結(jié)構(gòu)剛性較差，容易變形。因此，需要提出一個(gè)連接接頭來(lái)同時(shí)代替上述多個(gè)接頭進(jìn)行連接的新型結(jié)構(gòu)。

一般而言，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件需要采用鑄造工藝進(jìn)行制作，但鑄造成本高，效率低，強(qiáng)度低。擠壓工藝適合制作結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的零部件，它是一種生產(chǎn)效率高、節(jié)約原材料的加工方法。在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)方面都具有很多優(yōu)點(diǎn)，與其他加工方法相比，操作簡(jiǎn)便，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，適合于較大批量零件的生產(chǎn)［5］。因此，新型接頭也考慮采用擠壓工藝制作。

本文所述新型接頭（見(jiàn)圖2）采用帶內(nèi)腔的“L”形鋁合金擠壓型材經(jīng)過(guò)切割加工而成，接頭壁厚為3 mm，其內(nèi)部有7個(gè)矩形空腔，整個(gè)結(jié)構(gòu)形成了三個(gè)插入端。新型連接結(jié)構(gòu)如圖3所示。在使用時(shí)需要將接頭的三個(gè)插入端分別插入到三根骨架梁的內(nèi)部，再利用鉚釘進(jìn)行鉚接固定。如此三根梁利用一個(gè)獨(dú)立的接頭即可完成連接。鋁合金連接接頭材料特征如表1所示。

表1　連接接頭的材料特征

2　靜態(tài)對(duì)比分析

原有連接結(jié)構(gòu)對(duì)三根骨架梁而言是相同的，因此，在一根梁上的分析結(jié)果對(duì)其他兩根梁是同樣適用的。新型結(jié)構(gòu)由于連接接頭的三個(gè)插入端結(jié)構(gòu)不同，在一根梁上的分析結(jié)果對(duì)其他兩根梁不一定適用，因此，在CAE分析時(shí)，將約束和載荷施加方案分成兩組：一組是約束下方兩根梁的端頭節(jié)點(diǎn)，在豎梁上施加集中力或力矩；另一組是約束豎梁上端節(jié)點(diǎn)和一根下方梁的端頭節(jié)點(diǎn)，在下方另一根梁的端頭施加集中力或力矩。

在分析時(shí)，使用前處理軟件HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，車身骨架的大部分都是薄壁件，于是采用殼單元進(jìn)行建模，以四邊形為主、三角形為輔。劃分網(wǎng)格前先抽取薄壁零件的中面，再在中面上劃分網(wǎng)格?？紤]到連接接頭的實(shí)際尺寸和有限元模型的精確度，單元尺寸取2 mm［8］。

2.1邊界條件的確定

根據(jù)連接結(jié)構(gòu)的使用條件，確定CAE分析的邊界條件，而兩組分析需要建立四個(gè)分析工況，具體如下：

1）工況一。在下方兩根梁的端頭施加三個(gè)方向的自由度約束，在豎梁的上端施加100 N的集中力，集中力水平指向下方兩根梁的夾角中心線（見(jiàn)圖4）。

2）工況二。在下方兩根梁的端頭施加三個(gè)方向的自由度約束，在豎梁的上端施加40 000 N·mm的力矩，力矩方向豎直向下（見(jiàn)圖4）。

3）工況三。在豎梁的上端施加三個(gè)方向的自由度約束，并在下方左側(cè)梁的端頭同時(shí)施加三個(gè)方向的自由度約束，在下方右側(cè)梁的端頭施加一個(gè)豎直向下的集中力，大小為100 N（見(jiàn)圖5）。

4）工況四。在豎梁的上端施加三個(gè)方向的自由度約束，并在下方左側(cè)梁的端頭同時(shí)施加三個(gè)方向的自由度約束，在下方右側(cè)梁的端頭施加一個(gè)方向指向連接接頭的力矩，大小為40 000 N·mm（見(jiàn)圖5）。

2.2分析結(jié)果對(duì)比

通過(guò)HyperWorks軟件完成對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的靜態(tài)應(yīng)力分析，分析結(jié)果如下：

1）工況一。原結(jié)構(gòu)的最大變形量為12.9 mm（見(jiàn)圖6），位于豎梁的上端節(jié)點(diǎn)上；新型結(jié)構(gòu)的最大變形量較小，只有1.95 mm。原結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為340 MPa（見(jiàn)圖7），位于下方梁上側(cè)第二個(gè)鉚釘孔邊緣，而角接頭上的最大應(yīng)力值為198 MPa（見(jiàn)圖8）；新型結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值為80.2 MPa（見(jiàn)圖9），位于連接接頭三個(gè)插入端的垂直交點(diǎn)上。

2）工況二。原結(jié)構(gòu)的最大變形量為1.67 mm，位于豎梁的上端內(nèi)頂角節(jié)點(diǎn)上；新型結(jié)構(gòu)的最大變形量較小，為0.17mm。原結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為262MPa，位于豎梁下方的鉚釘孔邊緣；新型結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值為32.4MPa。

3）工況三。原結(jié)構(gòu)的最大變形量為3.05 mm，新型結(jié)構(gòu)的最大變形量為0.59 mm。原結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為183 MPa，位于下方骨架梁的鉚釘孔邊緣；新結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力位于新型接頭的插入端垂直交點(diǎn)處，值為49.2 MPa。

4）工況四。原結(jié)構(gòu)的最大變形量為1.03 mm，新型結(jié)構(gòu)的最大變形量為0.53 mm。原結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為304 MPa，位于下方骨架梁的鉚釘孔邊緣；新型結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力位于新型接頭的右側(cè)插入端第一個(gè)鉚釘孔邊緣，值為141.8 MPa。

由于該分析只是用于新舊方案的對(duì)比，其載荷與實(shí)際使用狀態(tài)并不相同，因此，以上工況的最大應(yīng)力值并不作為實(shí)際參考依據(jù)，僅用于判定新型結(jié)構(gòu)的改善效果。

由分析結(jié)果可以看出，新型結(jié)構(gòu)相對(duì)于原連接結(jié)構(gòu)，其各工況的最大變形量有較大幅度的降低，最低降幅達(dá)到48%，最高降幅達(dá)到89%。由于新型接頭下端的兩個(gè)插入端僅在側(cè)面與骨架梁進(jìn)行鉚接固定，導(dǎo)致其抗扭轉(zhuǎn)變形效果不如上方的插入端明顯，但仍遠(yuǎn)好于原結(jié)構(gòu)角接頭的抗扭轉(zhuǎn)效果。

新型結(jié)構(gòu)相對(duì)于原連接結(jié)構(gòu)，其各工況的最大應(yīng)力值有大幅度的降低，最低的降幅也達(dá)到了53%。原連接結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力點(diǎn)都在骨架梁上，角接頭的最大應(yīng)力值相對(duì)偏小，這與角接頭的料厚大于骨架梁的料厚有一定的關(guān)系。新型結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力點(diǎn)都在連接接頭上。

由于新型結(jié)構(gòu)的CAE分析結(jié)果遠(yuǎn)好于原結(jié)構(gòu)，因此，可以參照原結(jié)構(gòu)的分析數(shù)據(jù)進(jìn)一步對(duì)新型接頭進(jìn)行優(yōu)化，以減薄接頭壁厚，實(shí)現(xiàn)輕量化。

2.3尺寸優(yōu)化分析

在用有限元計(jì)算結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力時(shí)，尺寸優(yōu)化過(guò)程不需要網(wǎng)格重新劃分，直接利用靈敏度分析和合適的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法就能完成尺寸優(yōu)化。對(duì)于具有連續(xù)性結(jié)構(gòu)的板或殼，也只是把各單元厚度作為設(shè)計(jì)變量，優(yōu)化結(jié)果是階梯形分布的板厚度或殼厚度。在這類優(yōu)化過(guò)程中，設(shè)計(jì)變量與剛度矩陣一般為簡(jiǎn)單的線性關(guān)系［9］。

參照原結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果對(duì)新型接頭進(jìn)行尺寸優(yōu)化，優(yōu)化網(wǎng)格劃分為7個(gè)集合（見(jiàn)圖10），因?yàn)樾滦徒宇^為對(duì)稱件，因此，劃分的7個(gè)集合分別包括左右兩部分，且考慮到該零件為鋁合金擠壓型材通過(guò)切割加工而成，需要保證在同一豎面內(nèi)的網(wǎng)格料厚相同。

尺寸優(yōu)化時(shí)要求7個(gè)集合的網(wǎng)格初始料厚為3 mm，上限為3 mm，下限為1.8 mm。

尺寸優(yōu)化的設(shè)計(jì)約束要求對(duì)新型結(jié)構(gòu)在四個(gè)工況下的最大變形量進(jìn)行約束，參照靜態(tài)分析結(jié)果設(shè)定如下：工況一下的最大變形量為10 mm；工況二下的最大變形量為0.8 mm；工況三下的最大變形量為2.0 mm；工況四下的最大變形量為1.0 mm。

目標(biāo)函數(shù)：設(shè)計(jì)目標(biāo)為優(yōu)化模型的總體質(zhì)量，使其達(dá)到最小。

通過(guò)HyperWorks尺寸優(yōu)化，經(jīng)過(guò)多次迭代計(jì)算，函數(shù)達(dá)到收斂，優(yōu)化計(jì)算結(jié)束［10］。由新型接頭的網(wǎng)格厚度云圖分析結(jié)果可以看出，最終將新型接頭的壁厚分為三類，分別是1.8 mm、1.946 mm和2.186 mm?？紤]到鋁合金的擠壓工藝，將分析結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，即要求連接接頭下方插入端的側(cè)壁（圖10所示h-w-1和h-w-3部分）壁厚為2.0 mm，下方插入端的端頭（圖10所示h-w-2部分）壁厚為2.2 mm，其余部分為1.8 mm。尺寸優(yōu)化后最大變形量和最大應(yīng)力值見(jiàn)表2。

表2　優(yōu)化后分析結(jié)果對(duì)比

從表2可以看出，新型接頭在優(yōu)化后的最大變形量和最大應(yīng)力值都變大了，但仍小于原結(jié)構(gòu)的數(shù)值，其結(jié)果可以認(rèn)為能夠滿足裝車使用要求。根據(jù)尺寸優(yōu)化結(jié)果，進(jìn)行連接接頭的質(zhì)量計(jì)算，質(zhì)量對(duì)比見(jiàn)表3。

由此可看出，優(yōu)化后的新型接頭的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛性都有了進(jìn)一步的提升，同時(shí)重量減輕，輕量化效果明顯。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文所述原有連接結(jié)構(gòu)為三個(gè)彼此分開(kāi)的角接頭通過(guò)與骨架梁進(jìn)行相互鉚接連成一體，角接頭之間相互獨(dú)立，在骨架梁相互垂直的內(nèi)側(cè)面進(jìn)行連接，而新型連接結(jié)構(gòu)是用一個(gè)連接接頭的三個(gè)插入端分別與骨架梁進(jìn)行連接，三個(gè)插入端之間互相垂直組合成一個(gè)整體。通過(guò)原有連接結(jié)構(gòu)和新型連接結(jié)構(gòu)的CAE對(duì)比分析可以看出，新型連接結(jié)構(gòu)的整體性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于原結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)新型接頭進(jìn)行尺寸優(yōu)化，結(jié)果顯示新型接頭還有進(jìn)一步輕量化的潛力。

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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，高級(jí)工程師；研究方向：客車車身設(shè)計(jì)；技術(shù)成果：專利申報(bào)76項(xiàng)，論文發(fā)表16篇。