客车车身骨架局部开裂问题分析与改进

冯强

摘要：随着计算机科学技术的不断发展，国内外众多学者在客车坚固化方面做出了深入的研究。利用灵敏度分析和遗传算法相结合的方法对客车车身进行优化设计，使客车质量得到了加固，完成了对客车车身的坚固化设计。

关键词：客车车身；骨架局部；开裂问题

引言

我国地区道路情况复杂多样，客车行驶在盘山公路或崎岖的道路上，车身骨架会受到反复弯扭复杂工况作用，若结构设计不合理，容易导致客车骨架局部开裂，造成行驶过程中的巨大安全隐患。对于局部开裂早期的解决方法多数是凭借工程经验进行加强改进，随着计算机技术的高速发展，CAE有限元法在解决骨架局部开裂问题分析与改进中得到了较好的应用，同时可在设计方案阶段，充分优化与验证结构设计，为提高客车可靠性和安全性上提供了有效的方法。

1蒙皮开裂问题分析

出现蒙皮开裂问题的试制车是一款纯电动客车，底盘车架由高强度钢焊接而成，车身前后围、左右侧围和顶围材料均为铝合金，连接以铆接为主、焊接为辅。该试制车在进行汽车道路可靠性试验中，进度完成约40%时中门顶部出现蒙皮开裂问题。根据路试工程师的描述，在进行可靠性试验过程中，整车中部抖动较明显，初步分析认为蒙皮开裂是由车身刚度不足造成的。

1.1有限元模型建立

建立有限元模型时，用Hypermesh进行前处理。为方便建模，忽略蒙皮和内外饰件等非主要承载结构，只保留客车骨架等主要承载结构。车架和车身等主要承载结构全部采用壳单元模拟，焊接用刚性杆单元ＲBE2模拟焊缝，铆接则在接头与接触型材之间分布适当数量的ＲBE2单元来近似模拟铆钉连接，车架和车身之间通过牛腿连接。在进行刚度分析时，对整车不加其他载荷，包括空调、电池、玻璃、地板及地板革、仪表台、控制器、座椅和驾驶员、乘客等质量，但进行强度分析时，则需按实际情况加载。

1.2进行弯曲刚度分析时不考虑重力，分别约束左

后轮空气弹簧安装座处X，Y和Z方向与右后轮空气弹簧安装座处X，Z方向的平动自由度和左前轮空气弹簧安装座处Y，Z方向与右前轮空气弹簧安装座处Z方向的平动自由度。在前后轴中间位置、Y向坐标为0处设立加载点p。将底盘车架中部的部分点(p点X向坐标前后50mm范围内的车架纵横梁上表面的点)用ＲBE2耦合到加载点p，在p点施加－Z向大小为F=8kN载荷，则弯曲刚度为C=F/D.

1.3分析结果

将有限元模型提交MSC．Nastran进行计算，在Hyperview中查看分析结果，并计算得到车身的弯曲刚度为8196.7N/mm，扭转刚度为25284.5N·m/(°)，而国产半承载式客车扭转刚度在20000～64000N·m/s范围内，可知本文所研究车型的扭转刚度处于合理范围内，但与同类车型相比偏低，这进一步证实之前的猜想。下面通过对车身刚度灵敏度的分析，结合实际工艺的可行性确定车身加强方案。

2有限元分析车身骨架作为客车载荷的承载件，不仅会受到来自本

车配置和乘客的静载荷，当行驶在非水平路面时，还会受到来自路面激励所产生的动载荷。在这些载荷的作用下车身骨架会产生疲劳破坏，严重影响了汽车行驶安全性。所以在实际生产之前，需要对骨架进行符合现实的静动力学分析、模态分析。

2.1满载弯曲工况分析

客车在满载时，停止或者行驶在水平路面上，车身受到整车和乘客载荷，所受的动载荷最大。在通过凹凸不平路面时，会产生垂直向下的加速度。在满载弯曲工况下，约束前轮123方向的平动自由度，约束左后轮13方向的平动自由度，约束右后轮23方向的平动自由度，并且释放其他转动自由度，在垂直方向上施加-1加速度。从中可以看到最大应力值为190.5MPa，出现在右前轮悬架处，从整个布局来看，该处的应力较大是由于蓄电池的重量所引起的，其余部分应力偏低。底架所使用的材料是Q345，该种材料的屈服极限345MPa，抗拉极限为510-610MPa。在车身骨架弯曲工况下，最大位移发生在前轴中点地板处，最大位移为2.52mm，这是因为此处为受到乘客重力的载荷作用，以及悬架的载荷。在中部地板和后部也发生一定的变形，在中部地板主要承受来自站立乘客的载荷，后部承受来自氢燃料电池堆和电机总成的重力。总体来说，整个骨架应变较小，刚度满足设计要求。

2.2极限扭转工况分析

极限扭转工况模拟客车在不平路面上行驶时，一个车轮悬空的状态。此时车身会出现异常的扭转载荷。极限扭转工况下，约束前轴左侧123自由度，约束后轴23自由度，释放其他自由度，在垂直方向上施加-1加速度。扭转工况应力图如图2所示，从图中可以看到最大应力值为305MPa，出现在底架靠近右前轮出，该处的应力较大是由于蓄电池的重量所引起的，其余部分应力偏低。底架所使用的材料是Q345，该种材料的屈服极限345MPa，从整体来看，客车骨架设计满足要求，可以进行轻量化设计。最大应变值为3.56mm，位于顶部靠近后围处，该处安装的储氢罐是导致应变多大的主要原因。总体看来，扭转工况下，车身设计是符合要求的，有一定的盈余，可以进行轻量化设计。

2.3车身自由模态分析

通过对车身的自由模态进行提取，得到前10阶模态频率以及振型。通过模态分析得出客车车身骨架低阶频率范围在7~28Hz之间，成功避开了客车运动时车轮激励频率约2Hz、路面产生的频率5Hz和传动系统间零部件产生的频率30~70Hz，所以不会产生共振现象，从整体分析结果来看，振型良好，基本接近于实际模态振型，为后续分析做了铺垫。

3强度分析和优化

本文对车身骨架在垂直载荷、整车弯扭、发动机最大扭矩3种工况下进行了强度分析。有限元分析的基本原则:①应力大于180MPa(包含冲击载荷系数2，但不包括疲劳系数)的区域认为是危险区;②施加约束导致局部畸变而引起的危险点忽略;③红色为危险区，越往白色过渡应力越小。

3.1垂直载荷工况计算结果及优化

垂直载荷工况计算主要用于客车满载状况下、四轮着地时结构的静态强度校核，该工况下路面的反作用力使车身承受对称的垂直载荷而产生弯曲变形。针对前后悬架钢板脚处应力集中的现象，提出了如下优化措施:①车架前后悬架钢板脚薄弱处在纵梁侧面增加覆板分散应力;②车架后部钢瓶改为横向布置，尽量使左右两侧重量分布均匀。按以上措施改进后，前后悬架钢板处的应力集中现象得到了解决。

3.2整车弯扭工况分析结果及优化

整车弯扭工况主要考虑的是客车满载、左前轮悬空时施加在车桥上的扭矩的作用，这是最严重的扭转工况，一般发生在汽车低速通过崎岖不平的路面时。这种工况下的动载变化缓慢，惯性载荷很小，故车身的扭转特性可近似看作是静态的。由分析可得侧窗立柱和侧窗上下沿梁连接处的应力偏大，尤其是右侧窗，有些地方的应力超过了180MPa。这是因为客车的前后门设在右侧围，乘客从右侧围上下车。针对侧窗立柱与上下沿梁连接处应力过大的现象，提出各种优化措施，经过反复的试验和对比后，最终确定的优化措施为:①侧窗下沿梁的异型管改为两根钢管拼焊;②调整窗洞使窗立柱与顶盖横梁对应，窗立柱、顶横梁、裙立柱、地板骨架横梁形成封闭受力环;③调整下沿梁下方立柱支撑和斜撑的位置，使之与窗立柱对应，以增加窗立柱处强度;④门立柱略改变横截面后由一根改为两根，并取消窗立柱止口梁。按照以上措施改进优化后，侧窗立柱与上下沿梁的交接处的应力得到了很大的改善。

结语

针对大客车骨架前后悬附近局部疲劳开裂的问题，对车身骨架进行了典型工况的CAE强度分析，基于分析结果以及裂纹特点，对局部结构进行改进和优化，将相关开裂处结构应力水平控制于疲劳极限以内，大大降低了疲劳破坏的风险。

参考文献

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