客车车身结构精细化设计.pdf
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1、 客 车 技 术 与 研 究第 期 .收稿日期:第一作者:刘永博()男硕士工程师主要从事汽车轻量化、智能网联汽车技术研究工作:.客车车身结构精细化设计刘永博 王 微 詹国臣 张佩红 陈一林 胡建青(.清华大学苏州汽车研究院(吴江)江苏 苏州 .金龙联合汽车工业(苏州)有限公司 江苏 苏州)摘 要:为减少客车车身结构设计冗余探讨车身骨架、预埋精细化设计方法为车身结构优化和轻量化设计提供参考关键词:客车 车身结构 精细化设计中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.().):.:车身骨架和预埋件约占白车身比重的 轻量化有助于传统汽车降低耗油纯电动汽车提高续驶里程 精细化设计也是实现轻量化的一种措施
2、目的是深度消除冗余结构和缩小设计余量同时不改变客车制造工艺流程 此前不少研究聚焦轻质材料、新型成型工艺和结构拓扑优化等方向 例如基于客车底架结构的受力工况对结构拓扑优化提高了扭转刚度和强度但未考虑降低材料用量采用大封闭环和小封闭环结合的方法提高结构安全未分析预埋结构以及设计细节利用辊压型材以减少拼焊结构不但成本较高而且对工艺影响大 近些年随着钢铁价格不断提高减少原材料消耗提高设计精细化水平对提高材料利用率具有重要意义 客车车身结构设计现状客车车身结构设计必须要满足国家法规/标准规定的侧翻、碰撞等要求确保车身结构强度和刚度满足安全性能需要客车产品有多品种、小批量产品迭代周期快、配置丰富等特点 由
3、于产品开发和订单设计周期较短在传统的设计过程中工程人员主要凭借经验设计结构的细节存在一定的“延续性设计”思维(即沿用前人积累的经验)缺乏量化的控制方法因而始终存在结构件冗余、预埋件冗余问题对轻量化技术发展十分不利 为了尽快完成研发任务和订单设计车身预埋件也设计得越来越大虽然满足了可靠性要求但设计过于保守导致设计冗余现象十分突出此外客车车身结构安全越来越受到重视国家标准也逐步增加安全方面的规定和要求仅凭借经验的设计方法已无法跟上时代的步伐 车身精细化设计方法 骨架结构精细化设计骨架结构精细化设计原则:根据产品类型和配置确定精细化设计方案同系列车型统一减重方法精细化设计方法具体措施有 种:关键截面
4、和位置采用高强钢材料壁厚可适当减薄非主要受力矩形钢管壁厚减薄或采用槽钢、角钢等小截面型材优化矩形钢管或型材档距布局 精细化设计之后通过仿真分析可快速初步判断优化后结构是否满足许用要求以某款 公路客车主销车型车身结构为例:年上市以来客户反馈结构失效问题主要是底架截面而顶盖骨架、侧围骨架结构可靠性较高 该款车型顶盖骨架矩形钢管冗余且有钢质型材选用、档距布局不合理等问题仍有深度优化空间(如图 所示)企业虽有相关设计规范作为指导但仅满足安全性、可靠性没有对骨架结构细节设计进行约束和控制图 精细化设计前顶盖骨架优化前该顶盖骨架已经全部采用了 高强刚材料骨架壁厚也全部做了减薄处理凭借传统经验设计已经很难继
5、续深入优化 通过精细化设计确定优化方法:优化侧顶蒙皮和中间蒙皮搭接梁切换成 的槽钢优化空调出风口、回风口处矩形钢管规格方钢材料为普通钢优化中间纵梁左右两侧纵梁档距提高到 精细化设计后的顶盖骨架如图 所示图 精细化设计后顶盖骨架侧围、前后围、底架的精细化设计均可参考以上设计方法 精细化设计前后骨架结构分析根据上述精细化设计方案通过 软件分析顶盖骨架结构刚度和强度变化 在自然状态工况下分析其前三阶固有频率变化情况固有频率的变化直接反映其更改前后刚度变化情况表 为顶盖骨架固有频率分析结果 图 为精准设计前后顶盖骨架的前三阶振型图 从表 和图 中可以看到:精准设计前后一阶振型都为扭转变形精准设计后其固
6、定频率降低 二阶振型都为弯曲变形其固定频率降低了 三阶振型都为扭转变形其固定频率降低了 精准设计前后的刚度损失在以内振型无明显变化满足设计要求表 顶盖骨架模态分析结果模态状态精准设计前/精准设计后/刚度损失/(一阶)扭转变形 (二阶)弯曲变形 (三阶)扭转变形 一阶振型二阶振型三阶振型()精准设计前 ()精准设计后图 顶盖骨架模态分析顶盖空调载荷简化为质点加载建立顶盖强度受力有限元模型如图 和图 所示 空调质量为 约束顶盖四周 个方向自由度 为提高仿真准确度模拟颠簸路段下的重力加速度值一般放大 倍重力加速度 值因此 ()图 顶盖骨架强度分析模型客 车 技 术 与 研 究 年 月)精准设计前 顶
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