客車車身結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計(jì)

劉永博, 王 微, 詹國臣, 張佩紅, 陳一林, 胡建青

(1.清華大學(xué)蘇州汽車研究院(吳江), 江蘇 蘇州 215200; 2.金龍聯(lián)合汽車工業(yè)(蘇州)有限公司, 江蘇 蘇州 215026)

車身骨架和預(yù)埋件約占白車身比重的60%,輕量化有助于傳統(tǒng)汽車降低耗油,純電動(dòng)汽車提高續(xù)駛里程[1]。精細(xì)化設(shè)計(jì)也是實(shí)現(xiàn)輕量化的一種措施,目的是深度消除冗余結(jié)構(gòu)和縮小設(shè)計(jì)余量,同時(shí)不改變客車制造工藝流程。此前,不少研究聚焦輕質(zhì)材料、新型成型工藝和結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化等方向。例如基于客車底架結(jié)構(gòu)的受力工況,對結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化,提高了扭轉(zhuǎn)剛度和強(qiáng)度,但未考慮降低材料用量[2-3];采用大封閉環(huán)和小封閉環(huán)結(jié)合的方法提高結(jié)構(gòu)安全,未分析預(yù)埋結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)[4-5];利用輥壓型材以減少拼焊結(jié)構(gòu),不但成本較高,而且對工藝影響大[6]。近些年,隨著鋼鐵價(jià)格不斷提高,減少原材料消耗,提高設(shè)計(jì)精細(xì)化水平,對提高材料利用率具有重要意義。

1 客車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

客車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須要滿足國家法規(guī)/標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的側(cè)翻、碰撞等要求,確保車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿足安全性能需要[7-8]。

客車產(chǎn)品有多品種、小批量,產(chǎn)品迭代周期快、配置豐富等特點(diǎn)[9-10]。由于產(chǎn)品開發(fā)和訂單設(shè)計(jì)周期較短,在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中,工程人員主要憑借經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié),存在一定的“延續(xù)性設(shè)計(jì)”思維(即沿用前人積累的經(jīng)驗(yàn)),缺乏量化的控制方法[11-12]。因而始終存在結(jié)構(gòu)件冗余、預(yù)埋件冗余問題,對輕量化技術(shù)發(fā)展十分不利。為了盡快完成研發(fā)任務(wù)和訂單設(shè)計(jì),車身預(yù)埋件也設(shè)計(jì)得越來越大,雖然滿足了可靠性要求,但設(shè)計(jì)過于保守,導(dǎo)致設(shè)計(jì)冗余現(xiàn)象十分突出。

此外,客車車身結(jié)構(gòu)安全越來越受到重視,國家標(biāo)準(zhǔn)也逐步增加安全方面的規(guī)定和要求,僅憑借經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法已無法跟上時(shí)代的步伐。

2 車身精細(xì)化設(shè)計(jì)方法

2.1 骨架結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計(jì)

骨架結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計(jì)原則:根據(jù)產(chǎn)品類型和配置確定精細(xì)化設(shè)計(jì)方案;同系列車型,統(tǒng)一減重方法。精細(xì)化設(shè)計(jì)方法具體措施有3種:①關(guān)鍵截面和位置采用高強(qiáng)鋼材料,壁厚可適當(dāng)減薄;②非主要受力矩形鋼管壁厚減薄或采用槽鋼、角鋼等小截面型材;③優(yōu)化矩形鋼管或型材檔距布局。精細(xì)化設(shè)計(jì)之后,通過仿真分析,可快速初步判斷優(yōu)化后結(jié)構(gòu)是否滿足許用要求。

以某款12 m公路客車主銷車型車身結(jié)構(gòu)為例:2016年上市以來,客戶反饋結(jié)構(gòu)失效問題主要是底架截面,而頂蓋骨架、側(cè)圍骨架結(jié)構(gòu)可靠性較高。該款車型頂蓋骨架矩形鋼管冗余,且有鋼質(zhì)型材選用、檔距布局不合理等問題,仍有深度優(yōu)化空間(如圖1所示)。企業(yè)雖有相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范作為指導(dǎo),但僅滿足安全性、可靠性,沒有對骨架結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)進(jìn)行約束和控制。

圖1 精細(xì)化設(shè)計(jì)前頂蓋骨架

優(yōu)化前該頂蓋骨架已經(jīng)全部采用了700 MPa高強(qiáng)剛材料,骨架壁厚也全部做了減薄處理,憑借傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)已經(jīng)很難繼續(xù)深入優(yōu)化。通過精細(xì)化設(shè)計(jì)確定優(yōu)化方法:①優(yōu)化側(cè)頂蒙皮和中間蒙皮搭接梁,切換成40 mm×20 mm×15 mm的槽鋼;②優(yōu)化空調(diào)出風(fēng)口、回風(fēng)口處矩形鋼管規(guī)格方鋼,材料為普通鋼;③優(yōu)化中間縱梁,左右兩側(cè)縱梁檔距提高到600 mm。精細(xì)化設(shè)計(jì)后的頂蓋骨架如圖2所示。

圖2 精細(xì)化設(shè)計(jì)后頂蓋骨架

側(cè)圍、前后圍、底架的精細(xì)化設(shè)計(jì)均可參考以上設(shè)計(jì)方法。

2.2 精細(xì)化設(shè)計(jì)前后骨架結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)上述精細(xì)化設(shè)計(jì)方案,通過Hypermesh軟件分析頂蓋骨架結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度變化。在自然狀態(tài)工況下,分析其前三階固有頻率變化情況,固有頻率的變化直接反映其更改前后剛度變化情況,表1為頂蓋骨架固有頻率分析結(jié)果。圖3為精準(zhǔn)設(shè)計(jì)前后頂蓋骨架的前三階振型圖。從表1和圖3中可以看到:精準(zhǔn)設(shè)計(jì)前后一階振型都為扭轉(zhuǎn)變形,精準(zhǔn)設(shè)計(jì)后其固定頻率降低0.13 Hz;二階振型都為彎曲變形,其固定頻率降低了0.2 Hz;三階振型都為扭轉(zhuǎn)變形,其固定頻率降低了0.38 Hz。精準(zhǔn)設(shè)計(jì)前后的剛度損失在5%以內(nèi),振型無明顯變化,滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 頂蓋骨架模態(tài)分析結(jié)果

頂蓋空調(diào)載荷簡化為質(zhì)點(diǎn)加載,建立頂蓋強(qiáng)度受力有限元模型,如圖4和圖5所示?？照{(diào)質(zhì)量為342 kg,約束頂蓋四周6個(gè)方向自由度。為提高仿真準(zhǔn)確度,模擬顛簸路段下的重力加速度值,一般放大5倍重力加速度g值,因此F=342×9.8×5=16 758(N)。

圖4 頂蓋骨架強(qiáng)度分析模型

(a) 精準(zhǔn)設(shè)計(jì)前

1) 精準(zhǔn)設(shè)計(jì)前。頂蓋骨架邊縱梁、頂橫梁等關(guān)鍵位置采用屈服強(qiáng)度為700 MPa的高強(qiáng)鋼,壁厚為1.5 mm;空調(diào)固定預(yù)埋件采用屈服強(qiáng)度為700 MPa的高強(qiáng)鋼,壁厚為4.0 mm。其他縱向縱梁使用屈服強(qiáng)度為345 MPa的普通鋼,壁厚為1.5 mm。頂蓋骨架總質(zhì)量為185.7 kg。如圖5(a)所示,精準(zhǔn)設(shè)計(jì)前頂蓋骨架最大應(yīng)力為469.6 MPa,位于空調(diào)螺栓固定預(yù)埋位置,此位置的固定預(yù)埋屈服強(qiáng)度為700 MPa,符合要求。頂蓋骨架方鋼上的最大應(yīng)力為195 MPa,位于頂弧梁和邊縱梁的連接處,此位置的材料屈服強(qiáng)度也是700 MPa,符合要求。其他縱向縱梁的最大應(yīng)力均小于91 MPa,低于縱梁的材料屈服強(qiáng)度345 MPa,符合要求。

2) 精準(zhǔn)設(shè)計(jì)后。頂蓋骨架邊縱梁、頂橫梁等關(guān)鍵位置改用屈服強(qiáng)度為345 MPa的普通鋼,壁厚為1.5 mm,空調(diào)固定預(yù)埋件仍采用屈服強(qiáng)度為700 MPa的高強(qiáng)鋼,壁厚為4.0 mm。其他位置結(jié)構(gòu)按照2.1節(jié)中的優(yōu)化方法,側(cè)頂蒙皮和中間蒙皮搭接梁切換成40 mm×20 mm×1.5 mm的槽鋼,壁厚為1.5 mm,材料屈服強(qiáng)度為235 MPa。優(yōu)化空調(diào)出風(fēng)口、回風(fēng)口處矩形鋼管方鋼規(guī)格,壁厚為1.5 mm,材料屈服強(qiáng)度為235 MPa。優(yōu)化中間縱梁,左右兩側(cè)縱梁檔距增加到600 mm,壁厚為1.5 mm。精準(zhǔn)設(shè)計(jì)后頂蓋骨架質(zhì)量為162.1 kg,減少了23.6 kg,減少的質(zhì)量占頂蓋骨架總質(zhì)量的12.7%。如圖5(b)所示,精準(zhǔn)設(shè)計(jì)后頂蓋骨架最大應(yīng)力為472.3 MPa,位于空調(diào)螺栓固定預(yù)埋位置,此位置的固定預(yù)埋屈服強(qiáng)度為700 MPa,符合要求。頂蓋骨架方鋼上的最大應(yīng)力為205.5 MPa,出現(xiàn)在頂弧梁和邊縱梁的連接處,此位置的材料屈服強(qiáng)度是345 MPa,安全系數(shù)為3.4,符合要求。

2.3 車身預(yù)埋件精細(xì)化設(shè)計(jì)和分析

2.3.1 車身預(yù)埋件精細(xì)化設(shè)計(jì)

預(yù)埋件焊接在骨架上,用于固定車內(nèi)外零部件,主要有預(yù)埋板、預(yù)埋角鋼和預(yù)埋槽鋼3種截面,如圖6所示。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中,為了實(shí)現(xiàn)固定牢靠的目標(biāo),主要關(guān)注螺栓是否達(dá)到預(yù)緊力要求,往往忽視了預(yù)埋在輕量化中的作用。以某款12 m公路客車為例,焊接在懸架上的預(yù)埋件質(zhì)量約106 kg,約占車身骨架質(zhì)量的8.8%。預(yù)埋件精細(xì)化設(shè)計(jì),對車身減重、輕量化研究都具有重要價(jià)值。

圖6 3種預(yù)埋截面

安裝在車內(nèi)的零部件,允許存在一定的工藝偏差。因此,預(yù)埋件精細(xì)化設(shè)計(jì)原則如下:滿足功能、強(qiáng)度和剛度,安裝有誤差余量。預(yù)埋件誤差余量目前沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),為了確保能夠滿足安裝需求,企業(yè)往往僅設(shè)定了下限,沒有規(guī)范邊界上限。預(yù)埋件設(shè)計(jì)一般由工程師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定上下限,從而導(dǎo)致預(yù)埋件的設(shè)計(jì)尺寸越來越大甚至可能出現(xiàn)失效的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3.2 車身預(yù)埋件受力分析

以某款12 m公路客車右前護(hù)欄懸臂預(yù)埋件受力分析為例。如圖7所示,預(yù)埋件的懸臂H值由護(hù)欄安裝的前后位置確定,寬度L由護(hù)欄底座寬度決定。懸臂預(yù)埋邊界距離h根據(jù)工藝水平設(shè)定在20～30 mm之間,一般取整。懸臂預(yù)埋長度H為研究目標(biāo),分別采用3種懸臂結(jié)構(gòu)(方板、角鋼、槽鋼)左側(cè)滿焊固定,厚度為5 mm,材料為Q345,泊松比為0.3,彈性模量為2.1×105N/mm2。材料密度為7.9×10-9t/mm3,有限元分析中,網(wǎng)格單元大小2 mm,單元類型為pshell,載荷F=500 N(單孔估算值),方向垂直向下,m為加載力到固定端的距離,分別等差10 mm,加載12次。預(yù)埋受力分析有限元模型如圖8所示。

圖7 右前護(hù)欄固定在懸臂預(yù)埋件示意圖

圖8 預(yù)埋受力分析有限元模型

2.3.3 車身預(yù)埋件精細(xì)化設(shè)計(jì)結(jié)果

從圖9和圖10中可得出以下結(jié)論:

圖9 3種型材結(jié)構(gòu)應(yīng)力對比

圖10 3種型材結(jié)構(gòu)變形對比

1) 從受力角度看,當(dāng)H≤100 mm時(shí),方板、角鋼和槽鋼三者的最大應(yīng)力都滿足要求;當(dāng)100 mm

2) 從變形角度看,當(dāng)H<60 mm時(shí),方板、角鋼和槽鋼三者的最大變形都滿足要求;當(dāng)60 mm≤H≤120 mm時(shí),只有角鋼和槽鋼的最大變形滿足要求。

結(jié)合以上結(jié)論和成本分析可知,當(dāng)H<60 mm時(shí),可優(yōu)先考慮方板;當(dāng)60 mm≤H≤120 mm時(shí),考慮槽鋼或者角鋼。

表2為某款12 m公路客車車身預(yù)埋件精細(xì)化設(shè)計(jì)前后的統(tǒng)計(jì)表,車身預(yù)埋件累計(jì)減重25.5 kg,按照當(dāng)時(shí)普通碳素鋼Q345價(jià)格6.7元/千克估算,單車降本可達(dá)170.9元。

表2 預(yù)埋件精細(xì)化設(shè)計(jì)效果

3 結(jié)束語

本文分析和探討了車身骨架結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計(jì)、車身預(yù)埋精細(xì)化設(shè)計(jì)在客車輕量化中的設(shè)計(jì)思路和方法,對結(jié)構(gòu)精細(xì)化和車身預(yù)埋精細(xì)化設(shè)計(jì)做了案例分析,對常用的預(yù)埋受力做了仿真分析,總結(jié)了懸臂預(yù)埋的邊界參考值,可以輔助客車車身設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步開展輕量化研究。