基于廣義模塊化的客車底架參數(shù)化設(shè)計(jì)

韓鋒鋼，劉 勝，彭 倩,2，姜 宇，潘懷杰，高 嵐

(1.廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 361024；2.廈門威迪思汽車設(shè)計(jì)服務(wù)有限公司，福建 廈門 361024；3.福建新福達(dá)汽車工業(yè)有限公司漳州分公司，福建 漳州 363005)

城市客車是我國大部分城市廣泛使用的交通工具，其生產(chǎn)模式有著小批量、多品種、定制化程度高等特點(diǎn)，客車生產(chǎn)企業(yè)都希望在滿足用戶定制化的要求下能夠快速設(shè)計(jì)生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品[1]。模塊化設(shè)計(jì)是可適應(yīng)設(shè)計(jì)和大規(guī)模定制的重要設(shè)計(jì)方法和核心技術(shù)，通過不同功能模塊的選擇和組合可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的個(gè)性化和定制化設(shè)計(jì)[2]，將模塊化設(shè)計(jì)理論運(yùn)用到客車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)中具有重要意義。

李慶歡[3]、戴聲良[4]、張磊等[1]基于傳統(tǒng)模塊化理論對(duì)客車的設(shè)計(jì)進(jìn)行了有益的探索。傳統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)是從生產(chǎn)制造的角度對(duì)單輛客車進(jìn)行模塊劃分及組合，一定程度上起到了縮短生產(chǎn)周期、實(shí)現(xiàn)部分零部件通用的作用。但傳統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)方法周期長、成本高、響應(yīng)慢，對(duì)于結(jié)構(gòu)樣式多變且強(qiáng)度、剛度必須達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品而言，傳統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)方法很難較好地滿足設(shè)計(jì)要求。針對(duì)傳統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)存在的局限性，徐燕申等[5]以液壓機(jī)為實(shí)例提出一種模塊化、參數(shù)化和變量化集成設(shè)計(jì)的廣義模塊化設(shè)計(jì)方法，高衛(wèi)國等[6]對(duì)廣義模塊化的設(shè)計(jì)原理和方法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，但將廣義模塊理論應(yīng)用于客車底架設(shè)計(jì)的研究相對(duì)較少。本文以某款城市客車為例，運(yùn)用廣義模塊化理論對(duì)客車底架進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，并通過有限元建模分析驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)的可行性。

1 客車底架的廣義模塊劃分和參數(shù)化設(shè)計(jì)

1.1 廣義模塊化設(shè)計(jì)的基本概念

廣義模塊化設(shè)計(jì)是以傳統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)的基本原理為基礎(chǔ)，引入?yún)?shù)化設(shè)計(jì)和變量化分析的設(shè)計(jì)方法。其本質(zhì)是對(duì)某一系列產(chǎn)品進(jìn)行功能分析，結(jié)合產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)中的特點(diǎn)劃分和構(gòu)造出具有更大適應(yīng)性的廣義模塊和廣義產(chǎn)品平臺(tái)，通過廣義模塊的組合或廣義產(chǎn)品平臺(tái)的衍生實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)[6]。

廣義模塊化設(shè)計(jì)的核心是構(gòu)建具有參數(shù)化結(jié)構(gòu)和界面特征并能實(shí)現(xiàn)特定功能的廣義模塊，通過廣義模塊的參數(shù)化設(shè)計(jì)和組合實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速研發(fā)。廣義模塊是功能、幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、激勵(lì)和響應(yīng)等工程約束的函數(shù)，可以表達(dá)為

Mg=f(F,G,X,R)，

(1)

式(1)中：Mg表示廣義模塊；F表示廣義模塊的功能；G表示功能所對(duì)應(yīng)的幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是廣義模塊功能的載體，用參數(shù)化的結(jié)構(gòu)模型來描述；X表示廣義模塊的結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)參數(shù)，即設(shè)計(jì)變量，包括幾何參數(shù)和材料特性參數(shù)；R表示載荷等物理參數(shù)。

1.2 客車底架的廣義模塊劃分

戴聲良等[7]根據(jù)模塊化的理論將整車骨架劃分為6部分：前、后圍骨架，車身左、右側(cè)圍骨架，底架及頂蓋。本文引入廣義模塊化理論，從功能角度對(duì)客車底架進(jìn)行二級(jí)劃分，劃分結(jié)果如圖1所示。

圖1 客車底架模塊劃分示意圖Fig.1 Module partition of bus chassis

客車底架按照功能性質(zhì)可劃分為5個(gè)模塊，分別為前段模塊、前懸骨架模塊、中段模塊、后懸骨架模塊和后段模塊。同時(shí)這些模塊根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可進(jìn)一步劃分功能區(qū)域，以底架中段模塊為例，可分為下客門區(qū)域、中段通道區(qū)域、中段座椅布置區(qū)域。中段通道區(qū)域主要用于承載站立的乘員，中段座椅布置區(qū)域主要用于承載乘坐的乘員，底部雙層結(jié)構(gòu)件間布置有儲(chǔ)氣筒及部分管線路。與客車載客量相關(guān)的參數(shù)有中段模塊長度、中段模塊寬度、中段通道區(qū)域?qū)挾鹊取D2為中段模塊功能區(qū)域劃分。

圖2 中段模塊功能區(qū)域劃分Fig.2 Functional area division of the middle module

1.3 客車底架的參數(shù)化設(shè)計(jì)

圖3 基于廣義模塊化的客車底架定制Fig.3 Customization of bus chassis based on generalized modular design

將某10.5 m客車作為基型產(chǎn)品，根據(jù)模塊劃分結(jié)果構(gòu)建客車底架的功能矩陣Mf。矩陣Mf為一個(gè)行矩陣，矩陣中的元素Mfj表示該產(chǎn)品的第j項(xiàng)功能，j=1,2,3,…,p，且j∈N*。

矩陣Mgi為客車底架的廣義結(jié)構(gòu)模塊矩陣，矩陣中的結(jié)構(gòu)模型均為參數(shù)化模型。對(duì)第s列的結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，即可得到該模塊的廣義結(jié)構(gòu)矩陣Mgis。

文獻(xiàn)[3] 表明底架中段模塊與客車的載客量息息相關(guān)，因此，本次設(shè)計(jì)的功能需求反映為對(duì)中段模塊的參數(shù)化設(shè)計(jì)。在具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)中，中段模塊長度、中段模塊寬度及中段通道區(qū)域?qū)挾榷紱Q定著客車載客量，但考慮到中段模塊寬度和中段通道區(qū)域?qū)挾葘?duì)于載客量的改變不明顯，且這兩個(gè)參數(shù)的改變會(huì)較大程度上影響到座椅等其他零部件的布置，因此，本次設(shè)計(jì)的主要參數(shù)定為中段模塊長度。

根據(jù)上述分析對(duì)中段模塊C進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)。結(jié)合實(shí)際的工程情況將中段模塊長度的變量設(shè)置為0.5 m，即每次設(shè)計(jì)在原來的基礎(chǔ)上增加或減少0.5 m，中段模塊寬度及中段通道區(qū)域?qū)挾鹊葏?shù)保持不變。廣義模塊定制方程表達(dá)為

(2)

完成廣義模塊定制后，實(shí)現(xiàn)廣義模塊的實(shí)例化組合即可得到新的客車底架，設(shè)計(jì)結(jié)果如圖4所示。

圖4 定制化的中段模塊及相應(yīng)的客車底架Fig.4 Customized middle module and the corresponding bus chassis

在底架設(shè)計(jì)完成的基礎(chǔ)上進(jìn)行左右側(cè)圍、頂蓋和前后圍的連接，至此完成同系列客車(車長10.0～12.0 m)整車骨架的設(shè)計(jì)。

2 參數(shù)化設(shè)計(jì)的有限元分析

采用HyperMesh軟件對(duì)該系列的城市客車整車骨架模型(10.0～12.0 m)進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分等前處理工作，所獲得的10.5 m城市客車有限元模型如圖5所示，總計(jì)殼單元個(gè)數(shù)為559 128，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為575 970，三角形比例為0.7%。

圖5 10.5 m城市客車有限元模型Fig.5 Finite element model of a 10.5 m bus

2.1 強(qiáng)度分析

客車滿載時(shí)，作用在車身結(jié)構(gòu)的計(jì)算載荷有結(jié)構(gòu)質(zhì)量、乘客體質(zhì)量、發(fā)動(dòng)機(jī)和電池等其他零部件質(zhì)量。乘客和零部件的加載方式均采用平均分配到相應(yīng)支承節(jié)點(diǎn)的形式，具體載荷質(zhì)量如表1所示。對(duì)于該系列不同整車長度(10.0～12.0 m)的城市客車，其加載標(biāo)準(zhǔn)為：發(fā)動(dòng)機(jī)等零部件的加載條件不變，站立乘客的質(zhì)量以車廂內(nèi)的通道面積進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)為每平方米站立8人，每位乘客體質(zhì)量為65 kg，中段區(qū)域座椅的布置隨中段模塊長度的變化而變化，長度每改變0.5 m，單側(cè)座椅數(shù)量隨之增加或減少一個(gè)。10.5 m 城市客車載荷質(zhì)量如表1所示。

表1 10.5 m城市客車載荷質(zhì)量

客車的使用工況復(fù)雜，但理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)和使用實(shí)踐都表明，直接關(guān)系到車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的主要是彎曲和扭轉(zhuǎn)2種工況[8]。因此，分析過程重點(diǎn)考察在彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下底架設(shè)計(jì)的可行性。在保證客車車身部分(指除底架外車身的5個(gè)部分：前、后圍，左、右側(cè)圍和頂蓋)的最大應(yīng)力值處于材料的安全系數(shù)范圍內(nèi)，著重分析底架上的應(yīng)力分布及最大應(yīng)力值，如表2所示。

表2 彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下不同總長客車底架最大應(yīng)力值及其分布部位Table 2 Maximum stress and distribution of bus chassis in different lengths in bending and torsion

由表2可知,當(dāng)?shù)准苤卸文K長度為2.9和3.4 m時(shí)，彎曲工況下的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在后空氣懸架安裝梁部位?，具體位置如圖6所示。其形成原因是該部位因與空氣懸架連接而固定，隨著中段模塊乘客重量和后段模塊發(fā)動(dòng)機(jī)、電池等零部件重量的加載，固定部位出現(xiàn)了較大的變形，進(jìn)而導(dǎo)致該部位應(yīng)力值偏大。

圖6 最大應(yīng)力值出現(xiàn)部位定位Fig.6 Location of maximum stress values

就底架中段模塊而言，隨著長度的增加，中段區(qū)域加載的乘員質(zhì)量也隨之增加，導(dǎo)致中段區(qū)域的變形也逐漸增大。中段模塊區(qū)域的最大應(yīng)力值隨中段模塊長度的增加呈現(xiàn)出線性增加趨勢，如圖7所示，單位長度增加幅度約為60 MPa。其中當(dāng)中段模塊長度由3.9 m增加至4.4 m時(shí)應(yīng)力的增長趨勢出現(xiàn)了減緩的趨勢，其形成原因是中段模塊在設(shè)計(jì)過程中添加了一根橫梁，起到了加強(qiáng)支撐的作用，如圖8所示。

圖7 同位置下最大應(yīng)力值隨中段模塊長度變化關(guān)系Fig.7 Relationship between the maximum stress value of the same position and the length of the middle module

圖8 底架中段模塊設(shè)計(jì)示意圖Fig.8 Design of the middle module of the bus chassis

圖9 底架最大應(yīng)力值隨中段模塊長度變化關(guān)系Fig.9 Relationship between the maximum stress value on the chassis and the length of the middle module

扭轉(zhuǎn)工況下的最大應(yīng)力值基本出現(xiàn)在前過道的立柱部位，前過道立柱部位的應(yīng)力值隨中段模塊長度的變化關(guān)系如圖9所示。隨中段模塊長度的增加，該部分的最大應(yīng)力值也呈現(xiàn)出線性增加的趨勢，單位長度增加幅度約為92 MPa。

考慮到客車行駛過程中動(dòng)載荷、疲勞及材料缺陷引起的應(yīng)力集中等問題，取安全系數(shù)為1.2，則底架材料Q345鋼的許用屈服應(yīng)力[] =287.5 MPa。上述數(shù)據(jù)表明,總長為10.0，10.5和11.0 m的客車能較好地滿足設(shè)計(jì)要求；總長為11.5 m的客車局部應(yīng)力值偏大，需要進(jìn)行優(yōu)化加強(qiáng)；總長為12.0 m的客車整體應(yīng)力值偏大，設(shè)計(jì)方案不可取。

2.2 剛度分析

客車骨架剛度是客車本身的固有特性，能夠反映出車身抵抗形變的能力，是評(píng)價(jià)客車性能的重要指標(biāo)[9]。本文從彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度2方面進(jìn)行分析，如表3所示。

表3 剛度值分析結(jié)果Table 3 Results of stiffness analysis

由表3可知，該系列車型彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都隨著中段模塊長度的增加呈現(xiàn)線性減少的趨勢，單位長度減少的幅度分別為1.58 MN·m-1和10.5 kN·m·(°)-1。與此同時(shí)，當(dāng)中段模塊長度由3.9 m增加至4.4 m時(shí)，彎曲剛度值和扭轉(zhuǎn)剛度值下降的趨勢有所緩解，原因?yàn)橹卸文K在設(shè)計(jì)過程中添加一根橫梁，該橫梁的添加提升了剛度值。

3 結(jié)論

1)有限元分析顯示，彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下的最大應(yīng)力值、整車的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度均與底架中段模塊長度的改變呈現(xiàn)線性關(guān)系。彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下，中段區(qū)域的最大應(yīng)力值隨中段模塊長度增加而增加，單位長度增加的幅度分別約為60和92 MPa；彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都隨中段模塊長度的增加而減少，單位長度減少的幅度分別約為1.58 MN·m-1和10.5 kN·m·(°)-1。

2)設(shè)計(jì)過程中，總長為10.0，10.5和11.0 m的3部車型都較好地滿足了設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)方案可?。豢傞L為11.5 m的客車局部應(yīng)力值偏大，還需進(jìn)行一定的優(yōu)化加強(qiáng)；總長為12.0 m的客車整體應(yīng)力值偏大，超出材料的許用應(yīng)力，整車剛度值偏小，設(shè)計(jì)方案不可取。