焊接式全鋁公交車車身設(shè)計(jì)開發(fā)

葉煥明

（廈門金龍旅行車有限公司，福建 廈門 361000）

0 前言

國(guó)民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步增長(zhǎng)的同時(shí)，我國(guó)汽車工業(yè)也得到了迅速發(fā)展，隨著各類汽車數(shù)量不斷增加，環(huán)境問題也越來越突出，能源消耗過量造成了一系列負(fù)面影響。各大汽車生產(chǎn)商也越來越重視降低油耗、減輕車身質(zhì)量，從而不斷提升自身綜合競(jìng)爭(zhēng)力。汽車輕量化是必然發(fā)展趨勢(shì)，汽車生產(chǎn)商應(yīng)該優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、采用高強(qiáng)度鋼等減重方案，使用全鋁材料進(jìn)行汽車制造，可在保證整車強(qiáng)度與剛度的同時(shí)，減輕車身質(zhì)量，降低油耗，從而達(dá)到減少環(huán)境污染的最終目的。和普通鋼材相比較，鋁合金的擠壓性與比強(qiáng)度更好，可制造各種橫截面型材，可優(yōu)化部件的剛度和硬度，減輕構(gòu)件質(zhì)量。因此，全鋁材料對(duì)減輕汽車質(zhì)量、優(yōu)化汽車自身結(jié)構(gòu)有重要的影響，也是近年來汽車行業(yè)發(fā)展過程中的研究重點(diǎn)之一。

1 公交車鋁車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

Q345、Q235 等結(jié)構(gòu)鋼具有價(jià)格便宜、容易加工焊接、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，是客車常用的材質(zhì)，該材料在客車行業(yè)的應(yīng)用非常廣泛，可靠性高。新開發(fā)的公交車鋁車身結(jié)構(gòu)可參考常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)車身，先按要求設(shè)計(jì)好鋼結(jié)構(gòu)車身，然后基于強(qiáng)度相等的原則，將鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為鋁型材結(jié)構(gòu)，即通過增大鋁型材厚度或截面體積使其與鋼車身的力學(xué)性能相等，從而保證整車強(qiáng)度可以滿足使用需求。公交車鋁車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖如圖1 所示。

圖1 公交車鋁車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖

客車骨架按結(jié)構(gòu)可分為6 大片，即地板骨架、左側(cè)圍骨架、頂蓋骨架、右側(cè)圍骨架、前圍骨架、后圍骨架，由于地板骨架是整車受力最大的部分且底盤很多零部件安裝在上面，需要固定很多支架，從強(qiáng)度及加工制造方面考慮，不適合用鋁車身代替，可以將其余5 大片骨架用鋁合金型材代替，也可以極大地降低質(zhì)量[1]。另外鋁車身也有兩種工藝：一種是做好鋁型材，連接處用直角支架通過螺栓連接起來，這種工藝簡(jiǎn)單但是后期工作量大，而且大量的支架和螺栓也會(huì)增加很多重量，不利于降重要求；另外一個(gè)方案是做好鋁型材再拼焊而成，該方案對(duì)鋁焊接工藝要求高，須保證在焊接處的質(zhì)量能滿足要求。經(jīng)過兩種方案的對(duì)比，再結(jié)合鋁型材廠家的制造及質(zhì)量控制能力，最終選擇第二種方案，即焊接鋁車身，鋁車身焊接由鋁型材廠家協(xié)作完成，提供實(shí)驗(yàn)認(rèn)證，保證質(zhì)量合格。

2 明確鋁合金材料

純鋁是一種銀白色金屬，相關(guān)密度是2.7g/cm3，密度約為鋼材的1/3，熔點(diǎn)660℃，鋁還有一個(gè)重要特性就是耐低溫，在-183℃～-253℃下不冷脆，強(qiáng)度不會(huì)因溫度降低而降低，此外鋁還有一個(gè)特殊的優(yōu)勢(shì)，就是防腐蝕性能好，鋁會(huì)與空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一層氧化膜從而阻止腐蝕。鋁金屬本身質(zhì)軟強(qiáng)度低，不適合在結(jié)構(gòu)上應(yīng)用，但是在鋁中加入合金，例如硅、鎂、鋅等，組成鋁合金，這些鋁合金通過適當(dāng)?shù)臒崽幚?，可以大幅度提高它的機(jī)械性能，時(shí)至今日，鋁合金產(chǎn)量和用量?jī)H次于鋼材，成為人類應(yīng)用的第二大金屬，合金擠壓材料在建筑、交通、電子等很多領(lǐng)域中都有廣泛應(yīng)用[2]。

6 系鋁合金是以鎂和硅為主要合金，屬于熱處理可強(qiáng)化鋁合金。合金具有中等強(qiáng)度，無應(yīng)力腐蝕破裂傾向，具有焊接性能好，成形性好工藝性良好等特點(diǎn)，是一種很好的擠壓材料，另外在T6 狀態(tài)下，強(qiáng)度在255MPa，抗拉強(qiáng)度在290MPa。應(yīng)用最廣泛的是6061 和6063 合金。此次新開發(fā)鋁車身公交身根據(jù)自身需要，需要鋁型材具備：良好的力學(xué)性能、可根據(jù)需要制作名種形狀的鋁型材、具有良好的焊接性能，另外再根據(jù)鋁型材廠家的制作能力，綜合以上要求考慮，最終選用型號(hào)為6061-T6。不同鋁合金材料的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)例如下表1 所示。

表1 不同鋁合金材料的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)比

3 公交車鋼結(jié)構(gòu)CAE 分析

在進(jìn)行鋁合金公交車車身設(shè)計(jì)之前，首先需要對(duì)車身進(jìn)行CAE 分析，并深入了解與掌握車身的實(shí)際性能狀況，同時(shí)為設(shè)定性能指標(biāo)提供參考依據(jù)。并且對(duì)車身進(jìn)行不同工況綜合分析，對(duì)剛度與模態(tài)進(jìn)行計(jì)算，CAE 模型材料具體參數(shù)見表2。

表2 CAE 模型材料具體參數(shù)表

3.1 有限元建模

靜態(tài)應(yīng)力分析過程中，可采用HyperMesh 處理工具對(duì)網(wǎng)格劃分，CAE 整體包括骨架、蒙皮以及其他相關(guān)部件。車身骨架中大多數(shù)都是薄壁件，可使用殼單元完成建模，主要為四邊形。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分之前，應(yīng)當(dāng)取出薄壁零件中面，之后在中面進(jìn)行網(wǎng)格劃分。還需綜合考慮公交車車身具體尺寸，劃分標(biāo)準(zhǔn)具體如下。（1）網(wǎng)格尺寸為20mm，最小5mm，最大40mm，骨架不同方向有2～3 排單元；（2）翹曲度<10°。（3）長(zhǎng)寬比<4；（4）最小角>30°；（5）三角形比例<0.5%，盡可能不要采用三角形單元。

綜合考慮公交車的使用環(huán)境狀況，結(jié)合設(shè)計(jì)參數(shù)以及相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，設(shè)定不同強(qiáng)度工況分析，具體如下：（1）模擬車輛額載狀態(tài)下，在水平路面突然急停時(shí)狀況，同時(shí)承受向前慣性力為0.8G 左右，查看向前制動(dòng)情況。（2）模擬公交車額載狀態(tài)下，在水平路面急停，慣性力為0.5G。（3）模擬車輛額載狀態(tài)下，在水平路面加速的情況，同時(shí)承受加速慣性力1G 左右，查看加速情況。（4）模擬車輛額載狀態(tài)下，在水平路面右轉(zhuǎn)向情況，慣性力0.5G。（5）模擬車輛在額載狀態(tài)下，在水平路面左轉(zhuǎn)向情況，慣性力0.5G。（6）模擬車輛額載狀態(tài)下，在水平路面勻速直線行駛狀況，承受1.0 倍荷載。（7）模擬車輛額載狀態(tài)下，在水平路面行駛過程中，遇到減速帶，同時(shí)承受2.0 倍荷載。（8）模擬車輛額載狀態(tài)下在不平路面上行駛，對(duì)車身形成荷載。（9）車輛乘客滿載，模擬車輛在水平路面直線行駛，同時(shí)承受1.0 倍垂向荷載以及滿載情況下的載荷。

3.2 有限元分析

采用HyperWorks 軟件對(duì)車輛結(jié)構(gòu)的模態(tài)以及剛度、不同工況環(huán)境下強(qiáng)度進(jìn)行分析。鋼結(jié)構(gòu)車身在整體扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下，頻率為10.91Hz，整體彎曲頻率為14.55Hz。對(duì)車輛在彎曲荷載環(huán)境下的剛度情況進(jìn)行分析，同時(shí)觀察在扭轉(zhuǎn)荷載環(huán)境下的剛度情況。經(jīng)過分析可得出彎曲剛度為42598895.2 N/m，扭轉(zhuǎn)剛度則為26761538.96 N·m2/rad。分析鋼結(jié)構(gòu)公交車車身強(qiáng)度可知，其符合鋼材料性能綜合要求，和鋁合金車輛強(qiáng)度等性能指標(biāo)不具備對(duì)比性。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)車身的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)和深入分析，公交車的車身結(jié)構(gòu)采用的是矩形材拼焊而成，即骨架式車身結(jié)構(gòu)。而桿件的力學(xué)特點(diǎn)是適合承受拉壓載荷，不適合受彎扭載荷。避免車身架產(chǎn)生過多的彎扭載荷的首要方法是，車身骨架的結(jié)構(gòu)布局要保證力流傳遞的連續(xù)性[3]。所以在骨架總設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意滿足以下設(shè)計(jì)原則：1）車身骨架的頂蓋彎梁、側(cè)窗立柱、側(cè)艙門立柱、地板橫梁從上到下盡量嚴(yán)格對(duì)齊，形成一個(gè)方框，這就是客車行業(yè)的封閉環(huán)設(shè)計(jì)。一般右形成A 柱、前輪罩前、前輪罩后、中門前、中門后、后輪罩后、發(fā)動(dòng)機(jī)艙前、發(fā)動(dòng)機(jī)艙后，共8 個(gè)封閉環(huán)。 2）從前后方向看，頂骨架的左右邊梁，側(cè)圍骨架的上邊梁、中梁、下梁應(yīng)用前后貫通。3）側(cè)圍骨架和頂骨架對(duì)接處、地板骨架和側(cè)圍骨架對(duì)接處是應(yīng)力集中區(qū)，須著重加強(qiáng)。4）以上整體框架搭好后，再根據(jù)實(shí)際情況增加加強(qiáng)板和連接件。

該鋁車身結(jié)構(gòu)，由車身側(cè)視圖斷面圖可知：1）頂蓋橫梁、側(cè)圍立柱、地板橫梁嚴(yán)格對(duì)齊，縱向剖面形成框形結(jié)構(gòu)，很好地響應(yīng)了第1 條設(shè)計(jì)原則。2）頂骨架的左右邊梁，側(cè)圍骨架的上邊梁、中梁、下梁應(yīng)用前后貫通，很好地響應(yīng)了第2 條設(shè)計(jì)原則。3）側(cè)圍骨架上邊梁同頂骨架的邊梁焊接好后再增加連接板，通過鉚接增加強(qiáng)度，側(cè)圍骨架同地板骨架連接處先預(yù)埋好鋼板，再同地板骨架焊接，側(cè)圍骨架同頂骨架連接處是應(yīng)車集中處，為了增加強(qiáng)度，加大了頂骨架的截面積，另外還增加圓弧過渡，使受力更加平順，通過以上措施很響應(yīng)了第3 設(shè)計(jì)原則。4）在側(cè)圍骨架的上邊梁和側(cè)窗上梁增加加強(qiáng)板和斜撐，尤其是乘客門處，少了中梁，結(jié)構(gòu)較弱，須增加更多，另外側(cè)圍骨架中梁以下也增加適當(dāng)加強(qiáng)板和斜撐，通過以上措施響應(yīng)了第3、4 條設(shè)計(jì)原則。

公交車有非常多零件固定在側(cè)圍骨架和頂蓋骨架上，而且很多還是現(xiàn)場(chǎng)攻螺栓孔固定，例如座椅、扶手、探頭、電視等，須在骨架上增加預(yù)埋板，根據(jù)實(shí)際受力情況分別處理，例如固定在頂骨架的探頭，質(zhì)量輕，受力小，直接用鋁板代替，而固定在側(cè)圍上座椅、扶手，受力大，可把5mm 鋼板先鉚接在鋁型材上，再把鋁型材焊接在骨架上[4]。

5 鋁合金公交車車身CAE 優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)合之前對(duì)鋼結(jié)構(gòu)公交車車身分析結(jié)果，先確定車身基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵部分，之后再通過CAE 分析與優(yōu)化，從而滿足車身設(shè)置指標(biāo)，完成對(duì)全鋁公交車車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。

5.1 第一輪設(shè)計(jì)分析

第一輪鋁合金公交車車身CAE 模型主要是在鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步完成，車身大部分結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化，將材料進(jìn)行更換為鋁合金材料，車身底盤依然為鋼結(jié)構(gòu)，鋁合金車身骨架通過焊接完成連接。通過該輪對(duì)兩種不同材料車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析對(duì)比，從而進(jìn)一步確定鋁合金車身架構(gòu)的優(yōu)化方案，也為提升車身性能帶來借鑒參考。根據(jù)CAE 分析的具體結(jié)果可得出，該輪鋁合金車身架構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)相比，模態(tài)振型相同，鋁合金車身架構(gòu)頻率更低，兩者剛度差距比較大，整體彎曲剛度明顯下降32.65%，扭轉(zhuǎn)剛度則下降50.08%。強(qiáng)度分析結(jié)果表明，鋁合金車身架構(gòu)在不同工況下，最大應(yīng)力值相對(duì)偏高，大部分結(jié)果超出材料的應(yīng)力值。

5.2 第二輪設(shè)計(jì)分析

結(jié)合第一輪CAE 分析結(jié)果，對(duì)局部存在問題的車身機(jī)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，優(yōu)化改進(jìn)環(huán)節(jié)主要包括了以下方面：（1）蒙皮料厚增加約50%；（2）側(cè)圍立柱厚度設(shè)計(jì)為4.0mm；（3）頂蓋縱梁加大加粗。CAE 分析結(jié)果可得，第二輪鋁合金和鋼結(jié)構(gòu)，兩者之間相比，剛度差距縮小，整體彎度剛度下降，不同工況環(huán)境下，最大應(yīng)力值有所降低，但是也存在超過允許應(yīng)力的情況，后續(xù)仍需逐步改進(jìn)。

5.3 第三輪設(shè)計(jì)分析

針對(duì)上一輪CAE 結(jié)果，對(duì)公交車車身結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，主要改進(jìn)方面有以下幾個(gè)方面：（1）頂蓋和側(cè)圍骨架兩者間采用貫通式鋁合金材料連接，材料斷面可采用HyperWorks 優(yōu)化進(jìn)行獲得，使受力更加平順過渡，并增加加強(qiáng)筋；（2）窗立柱規(guī)格為80cm×50cm，可以增加彎曲應(yīng)力強(qiáng)度；（3）框架壁厚進(jìn)行尺寸優(yōu)化，并結(jié)合具體結(jié)果，對(duì)梁壁厚進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，從而保證結(jié)構(gòu)整體厚度相同；（4）對(duì)第二輪框架改進(jìn)方案予以保留，同時(shí)，增加加強(qiáng)斜撐。根據(jù)CAE 分析結(jié)果，第三輪鋁合金公交車車身和鋼結(jié)構(gòu)的剛度車距縮小，車身模態(tài)頻率提高，扭轉(zhuǎn)剛度有所下降，不同工況下最大應(yīng)力值降低。

5.4 第四輪設(shè)計(jì)分析

這一輪主要是在上一輪基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)車身骨架尺寸，并結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)強(qiáng)度比較弱的局部區(qū)域，增加斜撐和加強(qiáng)板，主要包括側(cè)圍骨架和頂骨架連接處、側(cè)圍骨架和地板骨架結(jié)合處。根據(jù)CAE 分析結(jié)果，這一輪車身和鋼結(jié)構(gòu)車身對(duì)比，整體扭轉(zhuǎn)頻率發(fā)生改變，可達(dá)到12.58Hz，整體彎曲頻率為15.46Hz 且剛度縮小，模態(tài)頻率明顯加快，扭轉(zhuǎn)剛度也明顯提高，符合鋼結(jié)構(gòu)車身標(biāo)準(zhǔn)要求剛度。通過強(qiáng)度分析，可得出，不同工況下，最大應(yīng)力值有所降低且符合材料許用應(yīng)力。公交車主要的行駛環(huán)境是城市，路況環(huán)境較好，因此，遇到惡劣工況的概率也比較小，不會(huì)對(duì)車身產(chǎn)生危害和不良影響。經(jīng)過以上幾輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，鋁合金公交車車身和鋼結(jié)構(gòu)相比較，車身模態(tài)明顯得到提升，車身扭轉(zhuǎn)與彎曲剛度也與鋼結(jié)構(gòu)車身幾乎相近，各個(gè)工況環(huán)境下，最大應(yīng)力值均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，鋁合金車身和鋼結(jié)構(gòu)相比較，其車身質(zhì)量也明顯減輕，為31.5%，能夠充分說明其輕量化效果是非常明顯的。

6 最終設(shè)計(jì)

初步方案完成設(shè)計(jì)后，由專業(yè)CAE 工程師分析，并組織工藝、車間、采購(gòu)物流等相關(guān)部門評(píng)審，在薄弱處、應(yīng)力集中處加強(qiáng)結(jié)構(gòu)：1）頂蓋邊梁增大截面，增加加強(qiáng)筋，加大圓弧，使力流傳遞更加平順。2）增加側(cè)圍連接地板預(yù)埋板尺寸以增加強(qiáng)度。制作工藝流程為分別先拼焊好頂骨架、地板骨架、左右側(cè)圍骨架、前圍骨架、后圍骨架六大片，再到工裝臺(tái)架上完成整車骨架拼焊及鉚接。全鋁合金公交車車身骨架是將鋁合金擠壓材料進(jìn)行焊拼形成，主要是通過連接進(jìn)行固定，截面也可結(jié)合具體優(yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)，種類更多，可選擇性也更多。全鋁公交車車身結(jié)構(gòu)骨架主要截面形狀包括以下幾種，即“U”形、矩形、圓弧形以及日字形，矩形材料主要是進(jìn)行骨架梁設(shè)計(jì)制作，“U”形材料主要適用于對(duì)剛度要求并不高的局部區(qū)域，日字形主要是在側(cè)窗以及側(cè)圍立柱方面，圓弧形材料主要適用于側(cè)圍與頂蓋骨架兩者之間，并對(duì)其進(jìn)行連接，縱向布置。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)結(jié)果得知，以同配置10m 長(zhǎng)公交車為例，焊接式鋁合金公交車車身和鋼結(jié)構(gòu)車身相比較，其車身質(zhì)量明顯下降，輕了約490kg，效果很好，從而有效降低燃油消耗，達(dá)到開發(fā)目標(biāo)[5]。

7 結(jié)語(yǔ)

時(shí)代在發(fā)展，人類探索科技發(fā)展的腳步一直在前進(jìn)，節(jié)能減排一直是社會(huì)的要求。鋁合金鋼車身由于成本高、焊接工藝難等問題無法全面推廣，但是在開發(fā)探索應(yīng)用中也為我們提供了豐富的經(jīng)驗(yàn)，就例如轎車行業(yè)的鋁合金輪轂已全面推廣，鋁合金懸架、鋁合金連接件也在逐漸更多的應(yīng)用，焊接式全鋁公交車車身設(shè)計(jì)與開發(fā)過程中，能夠有效提升車身剛度，滿足不同工況環(huán)境，同時(shí)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，車身質(zhì)量也明顯減輕，輕量化效果顯著，具有較高的價(jià)值。只要我們保持探索的精神，就一定能為人類科技文明作貢獻(xiàn)，為節(jié)能減排、地球環(huán)保作貢獻(xiàn)！