白云鹏，刘瑞萍，谭 琳，孔 雪，张书豪，祝 哮

（辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003）

轻量化客车车身结构强度分析

白云鹏，刘瑞萍，谭 琳，孔 雪，张书豪，祝 哮

（辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003）

利用CAE分析技术建立了某钢铝混合客车车身骨架有限元模型，对该客车实际路试中的2种典型工况（水平弯曲工况和扭转工况）进行了分析，得到了车身骨架结构的应力和位移分布情况。仿真结果表明：该客车车身骨架结构强度满足设计需求，特别是五大片铝制结构的需求强度均小于对应铝合金型材的屈服强度，具有较高的安全系数。

钢铝混合车身； 轻量化；刚强度分析；有限元分析

0 前言

客车车身骨架作为客车所有总成的载体，受力复杂，几乎承受客车所有的动静态载荷，骨架质量和结构形式直接影响车身的寿命和整车的性能[1]。对客车车身结构进行刚强度模拟分析，可获得车身承载特性等基本性能指标，为车身结构设计改进和后期生产性能评价提供指导，具有重要的意义。

客车车身骨架质量占整车质量的30% ～ 40%，车身骨架轻量化对汽车节能减排起重要作用。客车车身骨架轻量化的途径一般有两条[2]：一是采用轻质材料，二是改变车身骨架的设计。张大千等[3]通过Ansys优化设计模块对某客车车身进行了轻量化设计。乌秀春等[4]利用APDL参数化设计语言对某车身骨架进行优化分析设计，其总质量减轻3.48%。目前在客车骨架轻量化研究中，材料减重，特别是大范围材料减重的研究显见报道。铝合金具有轻质高强的特点，广泛应用于航空航天等领域，作为轻量化材料，有广泛的应用前景[5、6]。本文以某钢铝混合客车车身骨架为对象，研究了铝替代钢在客车车身骨架应用的可行性，分析了该客车在弯曲和扭转工况下的应力及变形，获得五大片铝制结构刚强度性能指标，为客车车身骨架材料减重提供参考。

1 有限元模型的建立

将车身结构分为前后围、左右侧围、顶围和底架六大总成。顶围、左右侧围围、前后围五大片以铝制结构为主，底架采用Q345钢材，建立的整车骨架几何模型见图1。

图1 整车骨架几何模型

有限元模型建立中，对几何模型进行了适当简化，忽略一些非承载部件（如仪表盘、扶手等），去除了对整车强度影响较小的小尺寸结构，不考虑焊接、螺接和铆接结构的失效问题。

2 载荷工况计算

2.1 载荷处理

载荷分为内部载荷和外部载荷，内部载荷是客车车身骨架自重，外部载荷是作用在骨架结构上的载荷。内部载荷与车身骨架材料有关，车身骨架材料属性如表1所示。外部载荷通过分布耦合和均布质量点来实现，载荷质量和加载方式见表2。

表1 客车车身骨架材料属性

表2 载荷质量及加载方式

2.2 工况计算

2.2.1 水平弯曲工况计算

水平弯曲工况模拟客车满载下静止或在良好路面上匀速直线行驶时的应力分布和变形情况，考虑车辆在行驶过程中由于路面的不平整可能会引起不同程度的颠簸，取弯曲工况下动载系数为1.5。约束左前轮UZ方向的自由度 ，右前轮UY、UZ方向自由度 ，左后轮UX、UZ方向自由度以及右后轮UX、UY、UZ方向自由度。

图2（a）为水平弯曲工况下的应力云图。在水平弯曲工况下，客车最大等效应力出现在底架焊接区域，为236.8MPa，远小于Q345的屈服强度，满足强度要求，并具有较大的强度富余。对于五大片铝制结构而言，等效应力在190MPa以下，均小于对应铝制型材的屈服强度，满足强度需求。

图2（b）为水平弯曲工况下对应的位移云图。水平弯曲工况下，客车后围变形较大，最大变形位置在底架发动机安装梁上，位移为14.55mm。这是由于发动机后置，整车设计重心也偏后。

图2 水平弯曲工况下的应力和变形模拟

2.2.2 扭转工况计算

扭转工况模拟客车满载在凹凸不平路面行驶时，出现一个车轮悬空的情况。在扭转工况下的动载荷变化非常缓慢，近似的看做静态。下面分析以左前轮悬空为例，其载荷处理与水平弯曲工况相同，释放左前轮Z方向的自由度。

图3（a）为扭转工况下左前轮悬空的应力云图。扭转工况下，整车的应力分布在158～255MPa，均低于材料的屈服强度，满足刚强度要求。对于车身五大片铝制结构，应力水平均在158.55MPa以下，满足客车强度使用需求，且具有较大的安全系数。

图3（b）为扭转工况下左前轮悬空的位移云图。由图可见，左前轮悬空扭转工况下对应的最大位移为18.7mm，变形较大。对整体而言，车体的位移基本上在9.2mm以内，满足变形要求。

图3 扭转工况下的应力和变形模拟

3 结论

（1）水平弯曲和扭转工况下，底架Q345钢结构对应的最大等效应力分别为236.8MPa和255.7MPa，均小于Q345钢的屈服强度。

（2）水平弯曲和扭转工况下，车身五大片铝制结构的应力在190MPa以下，均小于对应铝型材的屈服强度274MPa，满足客车强度需求，具有较高的安全系数。

（3）总体刚度分析结果表明，水平弯曲和扭转工况下的最大位移分别为14.55mm和18.7mm。整体而言，车体的位移在9.2mm以下，该刚度结果满足客车使用的刚度需求。

[1] 沈永峰，郑松林，冯金芝. 公路客车车架与车身骨架强度及模态分[J]. 现代制造工程，2013，7∶ 90-95

[2] 孙立君，谭继锦，蒋成武，等. 多工况下客车车身骨架轻量化研究[J]. 汽车科技，2010，3∶ 20-24

[3] 张大千，张天侠， 张国胜，等. 基于灵敏度分析的客车车身骨架轻量化设计[J]. 机械强度，2011，33(6)∶ 913-920

[4] 乌秀春，郑文强，赵雪双. 基于ANSYS的客车车身骨架有限元分析与优化[J]. 上海电机学院学报，2015，18(3)∶ 146-151

[5] 刘静安，盛春磊，刘志国，等. 铝材在汽车上的开发应用及重点新材料产品研发方向[J]. 铝加工，2012，208∶3-16

[6] 陈 志，王志学，张 磊. 一种新型轻量化高级轿车铝合金轮毂生产工艺[J]. 铝加工，2011，203∶46-48

Analysis on Strength of Lightweight Passenger Car Structure

BAI Yun-peng, LIU Rui-ping, TAN Lin, KONG Xue, ZHANG Shu-hao, ZHU Xiao
(Liaoning Zhongwang Group Co.Ltd., Liaoyang111003, China)

Finite element model is established for a certain steel aluminum bus frame using computer aided engineering(CAE) analysis technology. Two typical working conditions are analyzed, including level bending and limiting torsion. The stress and displacement distribution of the bus frame structure are obtained. The simulation results show that the strength of the body skeleton of the bus satisfies the design requirements. The demand strength for the five parts of aluminum structure is less than the yield strength of corresponding aluminum alloy profile, with a higher safety factor.

steel aluminum body; light-weighting; stiffness strength analysis; finite element analysis

TG146.21

A

1005-4898（2017）01-0031-04

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.01.06

白云鹏（1984-），男，辽宁辽阳人，工程师。

2016-11-15