某型海外城郊客车的结构轻量化及耐撞性研究

刘頔+朱成

摘 要：采用CAE技术模拟某型海外城郊客车结构在典型运行工况下的受力情况，并进行相关计算分析。通过改进结构的局部拓扑形式和高强度材料的引进方法，实现对结构的优化及其轻量化，在耐久性不降低的前提下，使结构骨架减重700 kg以上。经过侧翻试验认证和可靠性验证，能够保证结构方案的可实施性。

关键词：海外城郊客车；总体结构设计；轻量化；耐撞性

中图分类号：U463.83 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.11.018

文章编号：2095-6835（2016）11-0018-03

在国外传统的“卫星城—中心城/INTER CITY”交通模式下，欧洲市场很重视城间/城郊多功能客车（MULTI BUS/INTER CITY/INTER URBANS），其市场非常成熟。这种多功能客车有别于市内公交车辆，市内公交车的轮罩凸起会影响座椅的布置，甚至有些座椅不得不往后安排，所以，减少了行李仓和行李架。此外，它的售价比较高，保修困难，通过性不好，车辆内高和大侧窗的优势在长途出行方面也发挥不了作用。因此，近年来，高地板带行李仓、行李架的城郊客车越来越多。

对于欧洲市场上的城郊车辆，它既要兼顾公交车的大容量，考虑短途站客的需要，又要具备旅游车辆的行李仓，照顾到乘客的舒适性。因此，要开发具有公交车和旅游车优势的混合结构。同时，还要考虑到欧洲法规认证对侧翻安全性的要求，满足轻量化的需求，所以，在车身和车架的骨架结构设计方面提出的要求其比传统车辆高。

1 主要技术参数

1.1 外形尺寸

该车长×宽×高为11 950 mm×2 550 mm×3 300 mm，轴距为6 000 mm，前悬/后悬为2 550 mm/3 400 mm，前/后轮距为2 050 mm/1 860 mm。

1.2 质量

整备质量为12 300 kg，整车允许前/后轴最大载荷为6 500 kg /11 500 kg，整车允许最大总质量为18 000 kg。

1.3 基本性能参数

接近角/离去角为10.6°/9.3°，最高车速为100 km/h，爬坡度为20%，限定条件下平均油耗小于23 L/100 km。

2 轻量化设计的总体思路

2.1 轻量化原则

选取原结构车辆为性能标杆，在保持其结构基本刚强度和侧翻安全性的基础上，改进结构的轻量化设计。

2.2 轻量化思想

轻量化思想包括2点：①化整为零，各个总成部分分别减重1个百分比。这样做，可以积少成多，实现整车减重。②所有工作有理有据。以CAE分析为依据，将结构的合理排布作为主体减重思想，并采取相应的验证试验。

顶盖、侧围、前后围、地板的减重主要考虑侧翻强度及其耐久性。地板以下底盘结构的减重主要考虑耐久刚度。因此，可采取以下2方面的措施：①使用小规格的材料，部分结构采用高强度钢材来补强。这主要在上部结构的侧翻安全性中应用得比较多。侧围立柱和顶盖弧杆使用50×50×3.0的无缝钢管Q345B材料替代原来的80×50×3.0规格的20#镀锌管。②优化结构拓扑形式。综合CAE分析得到的应力分布情况判断结构中受力不大的管材，去除无效结构，通过细梁搭接实现结构的合理排布，分散局部应力集中区域，提高结构的整体性能。此外，还可以将这2种方法相结合，比如纵梁的规格由原来的160×60×4.0变为120×60×4.0.当结构刚度降低时，合理排布侧围腰梁结构就能补强整车刚度。

3 结构耐久性分析

3.1 强度分析

考虑各种典型操作工况下原始版本和轻量化版本设计的受力模式，即先执行机构运算，悬架系统零部件的K值和C值由底盘部门提供。利用机构仿真软件计算可以得到各工况入力，然后应用惯性释放的方法静态分析整车的骨架结构。

比较、计算各种典型工况下骨架的受力情况和结构的应力分布趋势，拟定出应力水平不高且断面、厚度都比较大的部位作为骨架的更换料件，以减轻骨架质量。图1为过10 cm坎工况下结构轻量化前后的应力对比情况。

从应力分析的结果来看，变更设计后最大应力明显降低，但是，相对高应力区的范围则增大了许多。这表明，应力产生了合理分散的效果。

3.2 模态刚度分析

对底盘进行自由模态分析，图2为底盘的第一阶振型。

轻量化前后，底盘前五阶固有频率的比较如表1所示。

改变固有频率可以得到底盘结构刚度变化的另一种信息。从底盘结构减重约400 kg的情况看，其刚度损失是有限的。

4 耐撞性研究

目前，安全法规越来越严格，特别是结构的被动安全，即客车的侧翻安全性。因此，要保证结构在侧翻碰撞中乘客的生存空间不会被侵犯，要努力做到车毁而人不亡。现阶段，出口到欧洲的车辆都要求进行ECER66最新版本的侧翻法规认证。该法规是国际上要求最严格的法规，它不仅会通过结构力学原理分析结构，并进行优化设计，还会研究和引入新材料、高强度材料，将它们用于局部区域，以提高结构的抗侧翻能力。

当轻量化耐久仿真的计算结果没有问题时，可按照法规ECE R66的要求考虑侧翻强度。

在优化设计车体抗侧翻碰撞时，要将计算机仿真整车侧翻强度作为研究重点。其中心思想在于，当车体侧向侧翻时，其撞击能量必须能迅速、有效地分散到整个车体结构中，避免局部结构塑性过早失效。

4.1 输入数据

输入数据的单位为mm/ton/sec/N。

4.1.1 有限元网格大小与质量

为了保证计算的稳定性和效率，网格依骨架大小切割为约20 mm的网格，主要为二阶四边形板壳单元。几何形状变化较大的区域网格边长不小于5 mm，长宽比不大于5，Jacobian不小于0.6，三角形单元数量不超过整体板壳单元总数的1%.

4.1.2 单元与节点数量

在此，共有499 711个单元，219 174个节点。各类型单元有限元数据如表2所示。

4.1.3 焊点连接方式说明

为了保证计算结果的合理性，相邻横梁或纵梁的焊接位置必须妥善相连。因此，可采用下列2种处理方式：①如果骨架与骨架之间为满焊，则有限元模型为共点相连；②如果骨架与骨架之间为分段焊接，则在焊点时，使用*constrained_nodal_ rigid_body作对应连接。

4.1.4 材料定义

考虑到大客车骨架变形行为属于动态塑性变形，所以，使用LS-DYNA材料Type 24 *MAT_PIECEWISE_LINEAR_ PLASTICITY设定骨架材料参数，并修正动态屈服应力。Cowper和Symonds提出的组成方程式为：

车体结构计算模型中所引用的材料有以下3种，即20#（车身结构）、Q345B（车身结构）和刚性材料（type 20，*mat_rigid）。20#和Q345B材料曲线如图3所示。其中，弹塑性材料特性参数如表3所示。生存空间的材料设定为空材料（type 9，*mat?_null），用于观察侧翻过程中车体骨架变形后是否侵入生存空间。

4.2 设定接触面

在设定接触面时，要做到以下3点：①在侧翻过程中，考虑到轮胎与侧翻平台的接触面，所以，在分析软件中，使用*automatic_surface_to_surface处理轮胎与平台的接触问题。摩擦系数FS和FD设定为0.3.②使用Rigidwall_Planar在侧翻平台下方800 mm处设定接触地面，同时，设定其摩擦系数为0.3，并观察计算过程中动能与内能的历程变化。③用*automatic _surface_to_surface观察生存空间与车顶或侧围是否接触，同时，设定其摩擦系数FS和FD为0.3.

4.3 总能量和各组成能量

在侧翻过程中，总能量和各组成能量的变化曲线如图4所示。

内能（Internal energy）为结构变形所产生的应变能，它可以反映出骨架结构的吸能状况。由图4可知，沙漏能（hourglass energy）与总能量（total energy）之比约为0.05%，滑移能（sliding interface energy）与总能量（total energy）之比约为1.0%，这两个比值均小于总能量（total energy）5%，符合法规规定。

4.4 仿真分析结果和试验验证

根据模型建立的生存空间判断大客车侧翻时，骨架能否侵入乘客的生存空间是关键。利用后处理软件观察分析结果可知，改进后的车身结构未侵入生存空间，因此，判车辆合格。侧翻分析中段结构最大变形情况如图5所示。

分段侧翻试验结果显示，在侧翻过程中，该结构的生存空间未被侵入，符合ECER66法规的要求。事实证明，在产品设计初期，采用有经验的仿真技术能为车辆设计提供准确的方向。侧翻试验认证的现场情况如图6所示。

5 结论

本研究兼顾整车的耐久刚度和抗侧翻强度，在计算机仿真计算方法的基础上，提出了优化减重思路。车身受力是来自路面的，通过悬架系统、车架最后传到车身。因此，优化减重思路是先计算各典型工况下车架的载荷，进而优化车架与车身结构，最后根据侧翻强度的需求调整车身结构。轻量化的成果是整车减重约700 kg，并且还通过了侧翻试验和整车可靠性试验。结果表明，减重后的车身结构能够满足侧翻法规和整车耐久性的要求。

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作者简介：刘頔（1981—），女，吉林长春人，工程师，工学学士，主要从事车身结构、新能源汽车方面的研究。

〔编辑：白洁〕