某型海外城郊客車的結構輕量化及耐撞性研究

劉頔+朱成

摘 要：采用CAE技術模擬某型海外城郊客車結構在典型運行工況下的受力情況，并進行相關計算分析。通過改進結構的局部拓撲形式和高強度材料的引進方法，實現對結構的優化及其輕量化，在耐久性不降低的前提下，使結構骨架減重700 kg以上。經過側翻試驗認證和可靠性驗證，能夠保證結構方案的可實施性。

關鍵詞：海外城郊客車；總體結構設計；輕量化；耐撞性

中圖分類號：U463.83 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.11.018

文章編號：2095-6835（2016）11-0018-03

在國外傳統的“衛星城—中心城/INTER CITY”交通模式下，歐洲市場很重視城間/城郊多功能客車（MULTI BUS/INTER CITY/INTER URBANS），其市場非常成熟。這種多功能客車有別于市內公交車輛，市內公交車的輪罩凸起會影響座椅的布置，甚至有些座椅不得不往后安排，所以，減少了行李倉和行李架。此外，它的售價比較高，保修困難，通過性不好，車輛內高和大側窗的優勢在長途出行方面也發揮不了作用。因此，近年來，高地板帶行李倉、行李架的城郊客車越來越多。

對于歐洲市場上的城郊車輛，它既要兼顧公交車的大容量，考慮短途站客的需要，又要具備旅游車輛的行李倉，照顧到乘客的舒適性。因此，要開發具有公交車和旅游車優勢的混合結構。同時，還要考慮到歐洲法規認證對側翻安全性的要求，滿足輕量化的需求，所以，在車身和車架的骨架結構設計方面提出的要求其比傳統車輛高。

1 主要技術參數

1.1 外形尺寸

該車長×寬×高為11 950 mm×2 550 mm×3 300 mm，軸距為6 000 mm，前懸/后懸為2 550 mm/3 400 mm，前/后輪距為2 050 mm/1 860 mm。

1.2 質量

整備質量為12 300 kg，整車允許前/后軸最大載荷為6 500 kg /11 500 kg，整車允許最大總質量為18 000 kg。

1.3 基本性能參數

接近角/離去角為10.6°/9.3°，最高車速為100 km/h，爬坡度為20%，限定條件下平均油耗小于23 L/100 km。

2 輕量化設計的總體思路

2.1 輕量化原則

選取原結構車輛為性能標桿，在保持其結構基本剛強度和側翻安全性的基礎上，改進結構的輕量化設計。

2.2 輕量化思想

輕量化思想包括2點：①化整為零，各個總成部分分別減重1個百分比。這樣做，可以積少成多，實現整車減重。②所有工作有理有據。以CAE分析為依據，將結構的合理排布作為主體減重思想，并采取相應的驗證試驗。

頂蓋、側圍、前后圍、地板的減重主要考慮側翻強度及其耐久性。地板以下底盤結構的減重主要考慮耐久剛度。因此，可采取以下2方面的措施：①使用小規格的材料，部分結構采用高強度鋼材來補強。這主要在上部結構的側翻安全性中應用得比較多。側圍立柱和頂蓋弧桿使用50×50×3.0的無縫鋼管Q345B材料替代原來的80×50×3.0規格的20#鍍鋅管。②優化結構拓撲形式。綜合CAE分析得到的應力分布情況判斷結構中受力不大的管材，去除無效結構，通過細梁搭接實現結構的合理排布，分散局部應力集中區域，提高結構的整體性能。此外，還可以將這2種方法相結合，比如縱梁的規格由原來的160×60×4.0變為120×60×4.0.當結構剛度降低時，合理排布側圍腰梁結構就能補強整車剛度。

3 結構耐久性分析

3.1 強度分析

考慮各種典型操作工況下原始版本和輕量化版本設計的受力模式，即先執行機構運算，懸架系統零部件的K值和C值由底盤部門提供。利用機構仿真軟件計算可以得到各工況入力，然后應用慣性釋放的方法靜態分析整車的骨架結構。

比較、計算各種典型工況下骨架的受力情況和結構的應力分布趨勢，擬定出應力水平不高且斷面、厚度都比較大的部位作為骨架的更換料件，以減輕骨架質量。圖1為過10 cm坎工況下結構輕量化前后的應力對比情況。

從應力分析的結果來看，變更設計后最大應力明顯降低，但是，相對高應力區的范圍則增大了許多。這表明，應力產生了合理分散的效果。

3.2 模態剛度分析

對底盤進行自由模態分析，圖2為底盤的第一階振型。

輕量化前后，底盤前五階固有頻率的比較如表1所示。

改變固有頻率可以得到底盤結構剛度變化的另一種信息。從底盤結構減重約400 kg的情況看，其剛度損失是有限的。

4 耐撞性研究

目前，安全法規越來越嚴格，特別是結構的被動安全，即客車的側翻安全性。因此，要保證結構在側翻碰撞中乘客的生存空間不會被侵犯，要努力做到車毀而人不亡?，F階段，出口到歐洲的車輛都要求進行ECER66最新版本的側翻法規認證。該法規是國際上要求最嚴格的法規，它不僅會通過結構力學原理分析結構，并進行優化設計，還會研究和引入新材料、高強度材料，將它們用于局部區域，以提高結構的抗側翻能力。

當輕量化耐久仿真的計算結果沒有問題時，可按照法規ECE R66的要求考慮側翻強度。

在優化設計車體抗側翻碰撞時，要將計算機仿真整車側翻強度作為研究重點。其中心思想在于，當車體側向側翻時，其撞擊能量必須能迅速、有效地分散到整個車體結構中，避免局部結構塑性過早失效。

4.1 輸入數據

輸入數據的單位為mm/ton/sec/N。

4.1.1 有限元網格大小與質量

為了保證計算的穩定性和效率，網格依骨架大小切割為約20 mm的網格，主要為二階四邊形板殼單元。幾何形狀變化較大的區域網格邊長不小于5 mm，長寬比不大于5，Jacobian不小于0.6，三角形單元數量不超過整體板殼單元總數的1%.

4.1.2 單元與節點數量

在此，共有499 711個單元，219 174個節點。各類型單元有限元數據如表2所示。

4.1.3 焊點連接方式說明

為了保證計算結果的合理性，相鄰橫梁或縱梁的焊接位置必須妥善相連。因此，可采用下列2種處理方式：①如果骨架與骨架之間為滿焊，則有限元模型為共點相連；②如果骨架與骨架之間為分段焊接，則在焊點時，使用*constrained_nodal_ rigid_body作對應連接。

4.1.4 材料定義

考慮到大客車骨架變形行為屬于動態塑性變形，所以，使用LS-DYNA材料Type 24 *MAT_PIECEWISE_LINEAR_ PLASTICITY設定骨架材料參數，并修正動態屈服應力。Cowper和Symonds提出的組成方程式為：

車體結構計算模型中所引用的材料有以下3種，即20#（車身結構）、Q345B（車身結構）和剛性材料（type 20，*mat_rigid）。20#和Q345B材料曲線如圖3所示。其中，彈塑性材料特性參數如表3所示。生存空間的材料設定為空材料（type 9，*mat?_null），用于觀察側翻過程中車體骨架變形后是否侵入生存空間。

4.2 設定接觸面

在設定接觸面時，要做到以下3點：①在側翻過程中，考慮到輪胎與側翻平臺的接觸面，所以，在分析軟件中，使用*automatic_surface_to_surface處理輪胎與平臺的接觸問題。摩擦系數FS和FD設定為0.3.②使用Rigidwall_Planar在側翻平臺下方800 mm處設定接觸地面，同時，設定其摩擦系數為0.3，并觀察計算過程中動能與內能的歷程變化。③用*automatic _surface_to_surface觀察生存空間與車頂或側圍是否接觸，同時，設定其摩擦系數FS和FD為0.3.

4.3 總能量和各組成能量

在側翻過程中，總能量和各組成能量的變化曲線如圖4所示。

內能（Internal energy）為結構變形所產生的應變能，它可以反映出骨架結構的吸能狀況。由圖4可知，沙漏能（hourglass energy）與總能量（total energy）之比約為0.05%，滑移能（sliding interface energy）與總能量（total energy）之比約為1.0%，這兩個比值均小于總能量（total energy）5%，符合法規規定。

4.4 仿真分析結果和試驗驗證

根據模型建立的生存空間判斷大客車側翻時，骨架能否侵入乘客的生存空間是關鍵。利用后處理軟件觀察分析結果可知，改進后的車身結構未侵入生存空間，因此，判車輛合格。側翻分析中段結構最大變形情況如圖5所示。

分段側翻試驗結果顯示，在側翻過程中，該結構的生存空間未被侵入，符合ECER66法規的要求。事實證明，在產品設計初期，采用有經驗的仿真技術能為車輛設計提供準確的方向。側翻試驗認證的現場情況如圖6所示。

5 結論

本研究兼顧整車的耐久剛度和抗側翻強度，在計算機仿真計算方法的基礎上，提出了優化減重思路。車身受力是來自路面的，通過懸架系統、車架最后傳到車身。因此，優化減重思路是先計算各典型工況下車架的載荷，進而優化車架與車身結構，最后根據側翻強度的需求調整車身結構。輕量化的成果是整車減重約700 kg，并且還通過了側翻試驗和整車可靠性試驗。結果表明，減重后的車身結構能夠滿足側翻法規和整車耐久性的要求。

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作者簡介：劉頔（1981—），女，吉林長春人，工程師，工學學士，主要從事車身結構、新能源汽車方面的研究。

〔編輯：白潔〕