大型公路客車側(cè)圍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

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摘要：文章主要介紹了某大型公路客車側(cè)圍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并簡要說明側(cè)圍結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則、受力情況、材料選擇、總成配合要求、結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)、焊接方法，并使用HyperMesh工具對其強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，最后對大客車側(cè)圍結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行評價(jià)。

關(guān)鍵詞：大客車；側(cè)圍結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)分析

前言

隨著我國城市規(guī)模擴(kuò)大，長途出行的要求更高，交通運(yùn)輸日益繁忙，交通安全現(xiàn)狀堪憂。因而，安全系數(shù)高的客車是我國長途客運(yùn)的急迫需求?？蛙噦?cè)圍結(jié)構(gòu)是車身的關(guān)鍵部分，其設(shè)計(jì)好壞直接影響到客車安全性。本文介紹了如何構(gòu)建一種安全性較高的客車側(cè)圍結(jié)構(gòu)，并對其強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析。

1設(shè)計(jì)原則與受力分析

1.1設(shè)計(jì)原則

在滿足總布置要求的前提下要遵循以下幾個(gè)原則[1]：1）必須協(xié)調(diào)解決側(cè)圍強(qiáng)度和總布置要求之間的矛盾；2）通過最優(yōu)化方法減少車身側(cè)圍的質(zhì)量；3）保證良好的加工工藝性以減少加工難度；4）提高側(cè)圍結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、規(guī)范化程度。

1.2受力分析

大客車側(cè)圍在整車上起著“承上啟下”的作用。一方面，客車左右側(cè)圍與車架連接，當(dāng)路面不平順時(shí)，側(cè)圍要承受來自車架的沖擊載荷，會(huì)受力變形。與此同時(shí)，側(cè)圍與頂蓋剛性連接，側(cè)圍上接受的動(dòng)載荷會(huì)傳遞到頂蓋。另一方面，在客車行駛方向上，當(dāng)客車加速行駛或緊急制動(dòng)或正常勻速行駛時(shí)，由于空氣阻力的作用，側(cè)圍會(huì)在縱向壓縮變形。在實(shí)際行駛過程中，左右側(cè)路面高度不一致會(huì)使側(cè)圍產(chǎn)生縱向扭轉(zhuǎn)載荷。在客車轉(zhuǎn)彎的工況下，又會(huì)在側(cè)圍上產(chǎn)生橫向扭轉(zhuǎn)載荷。所以，側(cè)圍結(jié)構(gòu)的受力情況是彎曲扭轉(zhuǎn)復(fù)合狀態(tài)[2]。

2材料選擇與總成配合

2.1材料選擇

與20碳素鋼、16Mn合金鋼、WL510大梁鋼相比，Q235碳素鋼是側(cè)圍質(zhì)料首選，其具有機(jī)械性能好、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，屈服極限為235兆帕。薄壁鋼管橫斷面形狀可分為閉口和開口，其橫斷面特征有較大差別。在材料面積和厚度一定時(shí)，閉口斷面抗彎性能次于開口斷面，而閉口斷面扭轉(zhuǎn)慣性矩比開口斷面大。為提高桿件和車身整體扭轉(zhuǎn)剛度，最好采用閉口斷面[3]?？紤]到組成截面的其他因素，如搭配關(guān)系、布局功效和工藝，實(shí)際側(cè)圍構(gòu)件的零件圖不如想象中簡單。

2.2總成配合

客車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整車設(shè)計(jì)時(shí)需要仔細(xì)斟酌的，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣將直接影響到平順性、操縱穩(wěn)定性、輕量化。為保證連續(xù)地傳遞力，要采用封閉設(shè)計(jì)，盡可能做成局部與整體封閉。提高側(cè)圍側(cè)傾穩(wěn)定性方法[4]：1）加大側(cè)窗立柱管材規(guī)格，籬笆型結(jié)構(gòu)從上至下延伸至腰梁。2）若側(cè)立柱延伸到腰梁后不與同側(cè)立柱正對，需在此節(jié)點(diǎn)增加斜梁。3）提高側(cè)窗下邊梁的高度4）側(cè)圍斜梁有助于提高抗彎曲變形能力，其高度比不能小于0.6。

3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與焊接方法

3.1右側(cè)圍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

右前立柱由于承受較大載荷，所以選用截面尺寸較大的鋼材，下側(cè)梁以上部分采用80*40*1.5mm規(guī)格，下側(cè)梁以下部分采用80*50*2.0mm規(guī)格，下裙立柱與其并肩布置，采用50*50*2.0mm規(guī)格。本設(shè)計(jì)開設(shè)一個(gè)乘客門，由于門柱遭受的應(yīng)力比較大，要選用規(guī)格為40*40*2.0mm的方形鋼。根據(jù)總布置要求右側(cè)門框?qū)挾葹?00mm，側(cè)窗寬度分別是1416mm、1567mm、767mm、650mm、1567mm、1635mm，高度都為1088mm。支撐主體結(jié)構(gòu)的側(cè)窗立柱采用60*40*3.0mm規(guī)格。腰梁是側(cè)圍布局的主要元件，考慮統(tǒng)一化設(shè)計(jì)制造，其截面尺寸采用50*50*2.0mm規(guī)格。在腰梁與下側(cè)梁之間設(shè)立立柱和斜梁，其之間的高度為537mm，斜梁選用40*40*2.0mm規(guī)格。第二與第三窗立柱之間和第六與第七窗立柱之間各布置一根采用50*40*1.5mm規(guī)格的橫梁，其與腰梁之間高度為629mm。第七與第八窗立柱之間布置一根20*40*1.5mm規(guī)格的橫梁，緊靠后止口位置布置一根40*30*2.0mm規(guī)格的縱彎梁和一張1.5mm厚的加強(qiáng)鋼板。乘客門兩側(cè)，距離下沿梁186mm高度上各布置一根座椅固定角鋼，截面尺寸為30*35*2.0mm，長度分別為2950mm、3770mm。右側(cè)圍下沿梁乘客門框處斷開，兩半長度分別為3930mm、4062mm。乘客門上橫梁距離下沿梁的高度是996mm。

3.2左側(cè)圍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

左側(cè)不設(shè)置乘客門，而設(shè)置安全門。左前立柱承受較大載荷，選用截面尺寸較大的鋼材。下側(cè)梁以上部分采用120*40*1.5mm規(guī)格，下側(cè)梁以下部分采用80*50*2.0mm規(guī)格，下裙立柱與其并肩布置，采用50*50*2.0mm規(guī)格。左側(cè)圍開設(shè)5塊側(cè)窗，寬度分別為1376mm、1567mm、1567mm、1599mm、1223mm，高度為1088mm，窗立柱采用60*40*3.0mm規(guī)格。安全門立柱采用強(qiáng)度較大的70*50*2.0mm規(guī)格鋼材，安全門框?qū)挾葹?000mm，其上橫梁與下側(cè)梁距離為1461mm。腰梁是左側(cè)結(jié)構(gòu)主要承載單元，采用50*50*2.0mm規(guī)格。腰梁與下側(cè)梁之間設(shè)置立柱和斜梁，斜梁采用40*40*2.0mm規(guī)格。安全門之前的立柱采用40*40*2.0mm規(guī)格，安全門之后的立柱采用50*40*2.0mm規(guī)格。腰梁與下側(cè)梁之間的距離為537mm。第二與第三窗立柱之間和第三與第四窗立柱之間各布置一根橫梁，采用50*40*1.5mm規(guī)格，與腰梁之間高度為629mm。第六與第七窗立柱之間布置一根20*40*1.5mm規(guī)格的橫梁，緊靠后止口的位置布置一根40*30*2.0mm規(guī)格的縱彎梁和一張1.5mm厚的加強(qiáng)鋼板。安全門兩側(cè)，距離下側(cè)梁186mm高度上各布置一根座椅固定角鋼，斷面尺寸為30*35*2.0mm，長度分別為365mm、6169mm。左側(cè)圍下沿梁長度為6169mm。

3.3焊接方法

二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊在焊接效率、焊接形變、油銹敏感性、焊縫含氫量、弧光可見性和耗能量等方面比焊條電弧焊、埋弧焊更有優(yōu)勢[5]。采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊對側(cè)圍結(jié)構(gòu)件進(jìn)行焊接。

4有限元分析

Q235型材的密度7.85g/cm3、彈性模量（E/Gpa）：200-210、泊松比（v）：0.25-0.33、屈服強(qiáng)度：235Mpa。三種桿件的壁厚分別是1.5mm、2.0mm、3.0mm。使用CATIA慣量測量工具[6]計(jì)算出左側(cè)圍結(jié)構(gòu)質(zhì)量為191kg、右側(cè)圍結(jié)構(gòu)質(zhì)量為194kg。

4.1網(wǎng)格劃分與材料屬性

打開HyperMesh軟件，選擇“Optistruct”，將建立好的CATIA側(cè)圍模型以幾何表面形式導(dǎo)入，刪除內(nèi)表面，保留外表面。刪除重復(fù)線條和表面，使各個(gè)梁的接頭相交，為劃分網(wǎng)格做準(zhǔn)備。使用“automesh”中的“智能優(yōu)化”，“單元尺寸”設(shè)置為20、“劃分類型”設(shè)置為“混合型”。返回面板，單擊“mesh”，得到初步的網(wǎng)格模型。選擇“工具”面板中 的子面板“檢查單元”選項(xiàng)，檢查“長寬比”、“最大尺寸”、“最小尺寸”、“雅可比”和“翹曲度”中不滿足設(shè)定值的單元，對其重新進(jìn)行劃分，保證所有單元滿足標(biāo)準(zhǔn)值。在材料選項(xiàng)卡中創(chuàng)建Q235鋼材材料，將以上準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)輸入對應(yīng)對話框中。然后為鋼材創(chuàng)建屬性，將“type”設(shè)置為2D、并將每個(gè)梁的壁厚分別賦值。最后點(diǎn)擊“assign”按鈕進(jìn)行賦值。

4.2載荷與約束

客車在極限工況下會(huì)使側(cè)圍產(chǎn)生極限動(dòng)載荷，假設(shè)最大制動(dòng)減速度為3G，垂向最大加速度為3G，橫向最大加速度為1G。三個(gè)方向極限載荷同時(shí)作用在側(cè)圍質(zhì)心。根據(jù)側(cè)圍的質(zhì)量換算為三維力值，在“forces”子面板中，將上述三維力值分別沿x、y、z方向加載到側(cè)圍質(zhì)心。進(jìn)入“constraints”子面板，勾選dof1、dof2、dof3，施加好線性靜態(tài)約束。

4.3計(jì)算與結(jié)果

通過“Analysis”中的“OptiStruct”按鈕進(jìn)行有限元計(jì)算。在后處理部分得到的結(jié)果是：左側(cè)圍結(jié)構(gòu)的峰值應(yīng)力是99.9Mpa，右側(cè)圍結(jié)構(gòu)的峰值應(yīng)力是77.7Mpa。

5結(jié)論

本文建立的某大型公路客車側(cè)圍結(jié)構(gòu)在極限載荷下產(chǎn)生的峰值應(yīng)力值低于所用鋼材的強(qiáng)度極限。因此，可以判斷在極限工況下，所設(shè)計(jì)的側(cè)圍結(jié)構(gòu)有足夠強(qiáng)度抵抗外力作用，能夠保證車身結(jié)構(gòu)的安全性。

參考文獻(xiàn)

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作者：邱歡 單位：長安大學(xué)