新能源客車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析

劉暢

摘要：現(xiàn)如今，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源問題越來越受到人們的關(guān)注。能源問題。成為了世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要問題，人類所創(chuàng)造的環(huán)境污染也越來越嚴(yán)重，對(duì)于國際汽車行業(yè)，能源環(huán)境的要求也越來越高。能源的日漸枯竭給新能源的發(fā)掘和發(fā)展創(chuàng)造了條件，但是新能源卻給汽車的車身帶來了一系列的挑戰(zhàn)，汽車行業(yè)迅速應(yīng)對(duì)，一些新材料興起，為汽車的生產(chǎn)產(chǎn)生了關(guān)鍵作用。能源的枯竭導(dǎo)致新能源的快速發(fā)展，但新能源的發(fā)展給車輛的重量帶來了新的挑戰(zhàn)，一些新材料的應(yīng)用起到了關(guān)鍵作用。新的研究數(shù)據(jù)表明，車身的材料對(duì)于減重方面的作用比較大，幾乎起了關(guān)鍵性的作用。

關(guān)鍵詞：新能源客車;車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);強(qiáng)度分析

引言

目前，安全、節(jié)能、環(huán)保成為汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要方向。大客車車身骨架作為主要承載結(jié)構(gòu)，其重量約占大客車總重量的30%～40%，合理的汽車輕量化設(shè)計(jì)不但可以減重，有效地實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，還可以在一定程度上改善汽車性能。

1車身材料簡(jiǎn)單分類

車身材料應(yīng)符合車身設(shè)計(jì)，制造，裝配和維護(hù)的要求。它還需要滿足使用，安全和美觀的要求。目前市場(chǎng)上的大多數(shù)傳統(tǒng)汽車都是鋼結(jié)構(gòu)，占整個(gè)汽車行業(yè)的80%。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種新型材料已廣泛應(yīng)用于車身，包括鋁合金和碳纖維復(fù)合材料。1915年，福特生產(chǎn)出第一個(gè)鋼體，鋁合金和塑料零件，只有部分車，1980年，高強(qiáng)度鋼板開始廣泛應(yīng)用于汽車車身面板，從現(xiàn)在甚至在未來一段時(shí)間里，這種類型的原材料仍舊在投入使用中。中國科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所“聚丙烯腈基碳纖維的發(fā)展”成立于1962年，開展了大量的基礎(chǔ)研究。這種新材料是一種公認(rèn)的碳纖維材料，這種材料H已經(jīng)在太空飛行中被廣泛使用了好幾年。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，材料成本逐漸下降，并將在近期內(nèi)在民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2新能源汽車結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1各種新材料的性價(jià)比

新材料比傳統(tǒng)鋼材密度高三到七倍，這對(duì)車輛的重量有利，但對(duì)于密度和重量而言卻不足以起到?jīng)Q定性作用。鋁和鎂、UM合金和塑料，高強(qiáng)度復(fù)合纖維材料是替代傳統(tǒng)鋼材的主要材料。拉伸強(qiáng)度方面，C維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他材料。與鋼相比，碳纖維復(fù)合材料的質(zhì)量是鋼的一半，碳纖維復(fù)合材料的沖擊能量吸收能力是鋼的4～5倍。框架和前部使用碳纖維復(fù)合材料保險(xiǎn)杠框架呈現(xiàn)塔式塌縮柱，通過材料，加工工藝，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，倒塌柱在前部碰撞中破碎成許多小塊，在吸能效果的過程中，保證船員的安全。耐腐蝕性在汽車的許多地方，都需要受到環(huán)境條件的影響，如汽油，油，汽車車道的化學(xué)腐蝕和高鹽度，高溫，寒冷的雨水和下雪的天氣等。因此，所需材料必須具有耐腐蝕性。鋼的耐腐蝕性通常需要特殊的防腐處理。在不同的條件下很難保證其一致性和使用壽命。鋁和鎂合金是優(yōu)良的防腐材料。但它們具有與鋼相同的一致性和使用壽命。FRP，塑料和碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐酸，耐堿，耐鹽和耐溶劑性，因此它們是優(yōu)異的耐腐蝕材料。它的使用壽命比其他材料更長(zhǎng)。

2.1客車車身拓?fù)鋬?yōu)化理論研究

在拓?fù)鋬?yōu)化的過程中，需要建立整體汽車的基礎(chǔ)模型，在通過對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化處理，在模型中保留實(shí)際車身中的必要結(jié)構(gòu)，清除非必需結(jié)構(gòu)，在以優(yōu)化最終的結(jié)構(gòu)進(jìn)行最終處理布局，促使整體的結(jié)構(gòu)分化為n個(gè)單元，則每個(gè)單元分貝為xi（i=1、2、3…n），當(dāng)優(yōu)化為第j個(gè)單元后，將其命名為非必要單元，使xi為0，反之則為1，為了得到更好的優(yōu)化設(shè)計(jì)，一般所采用的方法為變密度法。在連續(xù)拓?fù)鋬?yōu)化過程中，應(yīng)當(dāng)先對(duì)模型建立完整的拓?fù)鋬?yōu)化空間，隨之確定好車身模型的主要條件以承受的最大力量，然后在相應(yīng)的優(yōu)化中，對(duì)建立模型的無關(guān)材料進(jìn)行自動(dòng)刪除，最終使模型達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài)。

2.2有限元網(wǎng)格的合理劃分

針對(duì)后懸架縱臂的三維模型而言，采用IGS的格式形式，使其被科學(xué)導(dǎo)入到有關(guān)處理軟件HYPERMESH當(dāng)中，從而達(dá)到使構(gòu)造離散化的目的，通過運(yùn)用HYPERMESH內(nèi)的幾何清除、面提取以及網(wǎng)格的分類等相應(yīng)的功能，獲取到有限元的網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的合理優(yōu)化處理。由于縱臂依靠鑄造處理所形成，體單元表現(xiàn)出較高精度特征，所以選用solid44單元進(jìn)行模擬處理。最后獲得的有限元模型涵蓋了21153個(gè)節(jié)點(diǎn)，67633個(gè)相應(yīng)單元。縱臂的材料是鑄鋼，相應(yīng)的彈性模量E=1.8×104MPA，有關(guān)的泊松比v=0.32，相應(yīng)的密度是7700kg/m3。針對(duì)HYPERMESH當(dāng)中依靠CDB或者INP的格式形式，達(dá)到導(dǎo)入到ANSYS軟件內(nèi)的目的，從而構(gòu)建相應(yīng)的有限元模型。

2.3有關(guān)邊界條件與載荷的分析說明

基于得到縱臂強(qiáng)度相關(guān)計(jì)算需要的邊界條件和載荷情況的目的，可以運(yùn)用ADAMS軟件構(gòu)建相應(yīng)的整車虛擬樣機(jī)設(shè)施，并結(jié)合相關(guān)的情況予以動(dòng)態(tài)仿真處理。根據(jù)動(dòng)力學(xué)仿真相關(guān)的理論知識(shí)，獲取后懸架縱臂的不同連接點(diǎn)相應(yīng)的最大載荷數(shù)值，車身的相應(yīng)連接點(diǎn)X、Y、Z方向分別為-433.7、-2497.5、2581.2。上橫臂的相應(yīng)連接點(diǎn)為1045.2、-6721.2、1682.2。通過對(duì)后懸架縱臂相應(yīng)輪轂的連接點(diǎn)位置予以約束控制，使得車身、上橫臂及下橫臂的相關(guān)連接點(diǎn)位置處的最大載荷與有關(guān)安全系數(shù)1.4作相乘處理，同時(shí)輸入相應(yīng)的ANSYS模塊，從而有效完成受力情況的分析處理。

3探究新能源客車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度

在新能源使用的作用下，對(duì)客車的車身進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意在設(shè)計(jì)的過程中，將車身全部的機(jī)構(gòu)形成一體化，并且形成閉合的有效空間，在此作用下，不但可以減少加工的工作量，而且還能夠有效的增強(qiáng)車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。車身結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)圖，車身的骨架完全的形成了一個(gè)密切結(jié)合的整體，并且在設(shè)計(jì)的過程中，避免了應(yīng)用力的集中，促使增強(qiáng)了車身的整度強(qiáng)度，使得車架在受力的作用下得到了改善。在進(jìn)行實(shí)際結(jié)構(gòu)制作的過程中，可利用HYPERMESH軟件，對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化后車身骨架進(jìn)行全面的分析，對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量。在此過程匯總，車身各個(gè)部位的結(jié)構(gòu)則需要使用焊解的形式，將縫隙進(jìn)行連接。在最終的結(jié)果分析中，得出車身的骨架最大受應(yīng)力為160.5MPa，在相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中，其所示使用的材料Q235的強(qiáng)度極限達(dá)到了230MPa，因此，該設(shè)計(jì)達(dá)到了要求，并且車身的最大型變達(dá)到了5.05mm，滿足相關(guān)的設(shè)計(jì)需求。

結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的快速發(fā)展以及關(guān)鍵技術(shù)的突破，除了引進(jìn)幾種典型材料外，還有其他一些如陶瓷，金屬粉末等，通過設(shè)計(jì)改進(jìn)，結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，車身制造也可以是多樣的。有必要在車身重量輕的設(shè)計(jì)中開發(fā)更合理的輕型車身結(jié)構(gòu)和部件。合適的材料可以在正確的位置上使用，以最低的成本以最少的材料獲得最佳的結(jié)構(gòu)性能，這是經(jīng)濟(jì)可靠的。

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