基于有限元的全鋁車身客車結(jié)構(gòu)強度和剛度分析

董其娟 韓明亮 夏德偉 牌君君 賈孌孌

（1.山東省先進鋁基材料與技術(shù)重點實驗室，濱州 256600；2.濱州魏橋國科高等技術(shù)研究院，濱州 256600）

汽車車身廣泛使用輕質(zhì)材料，如傳統(tǒng)的高強度鋼、鎂合金、鋁合金以及碳纖維增強塑料等[1]。其中，鋁合金輕量化效果好、成本適中，適用于絕大多數(shù)汽車結(jié)構(gòu)件，目前已成為整車輕量化的首選材料。與鋼車的整車分析相比[2-5]，全鋁車身結(jié)構(gòu)的分析相對較少。因此，文章以某全鋁車身客車為例，利用ANSYS軟件分析其不同工況下的結(jié)構(gòu)強度和剛度，為全鋁車身設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 模型的建立

1.1 幾何模型

本文的研究對象為某客車公司生產(chǎn)的全鋁車身客車，車身骨架由前圍、后圍、左側(cè)圍、右側(cè)圍、頂蓋以及底架6部分組成。其中，底架是客車整個系統(tǒng)的承載基體，需要承受大部分載荷，同時底架性能的好壞還會影響乘客的舒適性和客車行駛的安全性。因此，為保證全鋁車身客車結(jié)構(gòu)強度和剛度的需求，底架采用T700材料。與底架相比，車身需要承載相對較小的負荷，頂蓋支撐空調(diào)，而側(cè)板和前后板主要支撐玻璃、門和蒙皮的重量。為減輕整車的總重量，選取Al6061-T6作為車身五大片的材料。該材料的密度、彈性模量、泊松比、屈服強度及熱影響區(qū)屈服強度等參數(shù)如表1所示。五大片分總成采用6系擠壓型材焊接而成，各部件之間采用鉚接進行連接，各部件內(nèi)部通過焊接進行連接，具體連接方式如圖1所示。

圖1 各部件間的相互作用

表1 車身材料參數(shù)

1.2 有限元模型

為保證較高的計算精度，建立的車身有限元模型必須如實反映車身實際結(jié)構(gòu)的重要力學特性。目前，工程應用廣泛的有限元建模方法有兩種，一種以梁單元為主要單元類型，另一種以殼單元為主要單元類型[6]。兩種建模方法各有優(yōu)缺點：梁單元建模具有速度快、計算效率高以及對計算機硬件要求低的優(yōu)點，但計算精度較差，因此梁單元建模適合動力學仿真分析；殼單元建模計算精度高，可保證在客車開發(fā)初期得到較精確的結(jié)構(gòu)強度和剛度計算結(jié)果，但建模復雜，計算量大，對計算機硬件要求高。本文采用殼單元對該車建立有限元模型。

客車車身有限元模型建立如圖2所示，采用的單元尺寸為10 mm。為了能精確獲得應力分布，以四邊形單元為主，單元數(shù)量為910 115個，占比為99.41%。此外，少量部位使用三角形單元，單元數(shù)量為5 407個，占比為0.59%。

圖2 有限元模型

2 結(jié)構(gòu)強度分析

汽車實際使用時的載荷和工況非常復雜，可通過彎曲工況、制動工況以及轉(zhuǎn)向工況（以左轉(zhuǎn)彎為例）對客車進行結(jié)構(gòu)強度分析。分析時需要確定載荷，除車體本身的自重以外，車載質(zhì)量還包括乘客+座椅、司機、站立乘客、電池、蓄電池、空調(diào)、打氣泵、油泵、玻璃、蒙皮、封板+內(nèi)飾以及風道等。客車的主要負載質(zhì)量如表2所示。不同工況施加的載荷大小和方向有所不同，根據(jù)車載質(zhì)量的空間布置情況將其換算成節(jié)點載荷，并施加在其布置位置的節(jié)點上。

表2 客車主要負載質(zhì)量

2.1 彎曲工況

該工況模擬客車在平坦路面以較高車速行駛時的垂向彎曲情況，彎曲工況邊界加載如圖7所示。邊界條件：約束左后輪裝配位置處節(jié)點的3個平動自由度UX、UY以及UZ，釋放3個轉(zhuǎn)動自由度ROTX、ROTY、ROTZ；約束左前輪裝配位置處節(jié)點的橫向自由度UX和垂直方向自由度UZ，釋放其他自由度；約束右后輪裝配位置處節(jié)點的縱向自由度UY和垂向自由度UZ，釋放其他自由度；約束右前輪裝配位置處節(jié)點的垂向自由度UZ，釋放其他自由度。

圖7 制動工況位移云圖

對整車施加1.5GZ（GZ為車身自重Z軸方向的分量，下同）的外載荷，除車體骨架自重之外，將1.5×9 800 mm·s-2的重力加速度施加在整個骨架上。圖8和圖9為彎曲工況下的分析結(jié)果。在1.5G（G為車身自重）載荷下，車身產(chǎn)生的最大等效應力為143 MPa，位于鋁車身側(cè)圍與連接板的焊接區(qū)；最大變形為21 mm，出現(xiàn)在車頂空調(diào)安裝部位?？梢?，車身骨架最大應力處于許用應力范圍內(nèi)，滿足結(jié)構(gòu)強度的設(shè)計要求。

圖8 轉(zhuǎn)向工況應力云圖

圖9 轉(zhuǎn)向工況位移云圖

2.2 制動工況

該工況將模擬客車在行駛中緊急制動時的載荷情況。客車車身除承受乘客及車輛重力作用外，還要受縱向制動慣性力的作用。該工況約束條件同彎曲工況，對整車施加1.5GZ～0.7GX的外載荷，除車體骨架自重之外，在整個骨架上施加-1.0gZ～0.7gX的加速度，得到車身的應力分布和位移情況如圖10和圖11所示。

圖10 載荷及邊界條件

圖11 位移云圖

從應力分布情況可以看出，制動工況車身最大應力為158 MPa，位于左側(cè)圍后橋附近與連接件的鉚接部位。從車身位移情況可以看出，最大變形為13.9 mm，位于頂圍空調(diào)的安裝部位?？梢?，車身骨架最大應力處于許用應力范圍內(nèi)，滿足強度的設(shè)計要求。

2.3 轉(zhuǎn)向工況

該工況模擬客車在轉(zhuǎn)彎時的應力分布和位移變化，轉(zhuǎn)向工況的約束條件同垂向工況，對整車施加1.5GZ+0.4GY的外載荷，除車體骨架自重之外，在整個骨架上施加-1.0gZ+0.4gY的加速度，得到整車以及車身的應力分布和位移變化，分別如圖12和圖13所示。

圖12 載荷及邊界條件

圖13 位移云圖

在轉(zhuǎn)向工況時，車身最大等效應力為172 MPa，位于左側(cè)圍與連接板的鉚接部位，最大變形為24.5 mm，位于頂蓋的空調(diào)部位?？梢?，車身骨架最大應力在許用應力范圍內(nèi)，滿足強度要求。此外，3種工況下最大變形均出現(xiàn)在頂蓋空調(diào)安裝部位，說明該處固定結(jié)構(gòu)相對比較薄弱，在實際生產(chǎn)應用中應給予重點關(guān)注。

全鋁車身在3個工況下的最大應力和最大位移如表3所示，發(fā)現(xiàn)所有應力值均小于材料的屈服強度，在許用應力范圍內(nèi)，車身結(jié)構(gòu)滿足強度的設(shè)計要求，且具有較大的強度裕度。

表3 各工況下的結(jié)構(gòu)強度

3 剛度分析

在客車的設(shè)計生產(chǎn)過程中，車身剛度是非常重要的評判指標與設(shè)計基礎(chǔ)。一輛客車想要具有良好的操作穩(wěn)定性，車身剛度是基礎(chǔ)。雖然車身剛度并不能直接提高車輛的穩(wěn)定性能，但是它是汽車相關(guān)性能調(diào)校的基礎(chǔ)。若汽車的剛度太差，車身會吸收一部分能量出現(xiàn)形變，最終將會出現(xiàn)轉(zhuǎn)向或行走路線達不到預期等問題，影響車輛的操作穩(wěn)定性。白車身剛度主要包括扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度。扭轉(zhuǎn)剛度可以用車身在扭轉(zhuǎn)載荷作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角大小來描述。彎曲剛度可用車身在垂直載荷作用下產(chǎn)生的撓度大小來描述。

3.1 扭轉(zhuǎn)剛度

約束客車左后輪和右后輪的自由度，在左前輪和右前輪處施加-Z方向上1 000 N的作用力（左前輪向上1 000 N，右前輪向下1 000 N），具體載荷及約束情況如圖3所示，在垂向上的位移如圖4所示。

圖3 彎曲工況邊界加載示意圖

圖4 彎曲工況應力云圖

根據(jù)材料力學[7]，車身扭轉(zhuǎn)角的計算公式為

式 中 ：φ為 扭 轉(zhuǎn) 角，rad；GIρ為 扭 轉(zhuǎn) 剛 度，N·m2·rad-1；T為扭矩；F為載荷；l為軸距；L為力臂；h1為左前輪垂向位移；h2為右前輪垂向位移。

當扭轉(zhuǎn)角φ很小時，有

由式（1）和式（2）可以得出扭轉(zhuǎn)剛度為

可見，扭轉(zhuǎn)剛度與汽車的軸距相關(guān)。因每輛汽車的軸距不等，因此通常計算單位長度上的扭轉(zhuǎn)剛度則單位長度上的扭轉(zhuǎn)剛度為

式中：Kt為單位長度上的扭轉(zhuǎn)剛度，N·m·（°）-1；Δh為左右前輪中心點位移差。

從位移云圖可以看出，左右輪加載點的位移分別是1.27 mm和-1.45 mm，總位移為2.72 mm，因此單位長度上的扭轉(zhuǎn)剛度Kt為1.7×104N·m·（°）-1。

3.2 彎曲剛度

約束客車四輪所有的自由度，根據(jù)左前和右后（或左后和右前）氣囊耦合點取車架中點，在底架上取寬度為120 mm的耦合區(qū)域建立剛性耦合，耦合點在-Z方向施加F=1 000 N的集中力，具體載荷及約束情況如圖5所示，計算后在垂向上的位移如圖6所示。

圖5 彎曲工況位移云圖

圖6 制動工況應力云圖

白車身彎曲剛度EI可用車身在垂直載荷作用下產(chǎn)生的撓度大小來描述，可表示為

式中：F為施加在車身上的垂向載荷；Zmax為在耦合點分別施加垂向載荷F后得到的最大彎曲位移量。

由位移云圖可以看出，加載點的位移為0.252 mm，因此彎曲剛度為3 698 N·mm-1。

4 結(jié)語

相比傳統(tǒng)鋼車身，該全鋁車身減輕了30%以上的重量，實現(xiàn)了客車的輕量化，降低了行駛過程的能量消耗。在安全性能方面，分別從結(jié)構(gòu)強度和剛度兩個方面對該車進行了數(shù)值模擬計算，在彎曲、制動以及轉(zhuǎn)向3種不同工況下對全鋁客車車身模型進行結(jié)構(gòu)強度分析，結(jié)果表明該全鋁客車車身能夠滿足結(jié)構(gòu)強度和設(shè)計要求，并具有較大的強度裕度；該車身的扭轉(zhuǎn)剛度為1.7×104N·m·（°）-1，彎曲剛度為3 698 N·mm-1，符合全鋁車身的剛度要求；用全鋁車身替代鋼車身，實現(xiàn)車身輕量化的同時，也保證了客車的結(jié)構(gòu)強度和安全性能。