CN102935866A - 一种基于性能互补思想的全承载客车车身结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计一种基于性能互补思想的全承载客车车身结构设计方法，特别是一种适用于带有中门的全承载式客车车身结构的设计方法。在结构设计过程中，通过刚度的合理匹配，使底架强侧与承载能力较弱的侧围(右侧围)互补，底架弱侧与承载能力较强的侧围(左侧围)互补，车身整体形成一个均匀承载的空间框架结构，大大提高了结构各部分材料的利用率。同时利用内力优化与灵敏度分析技术，有效地降低结构各杆件的非轴向载荷，使得结构构件的受力更加合理、载荷分配更加均匀。

Description

一种基于性能互补思想的全承载客车车身结构设计方法

技术领域

本发明设计一种车身结构设计方法，特别是一种适用于带有中门结构的全承载式客车车身结构的设计方法。

背景技术

结构优化是汽车车身结构轻量化的主要手段之一，通过设计受力合理的结构形式，以充分利用材料承载潜力，达到轻量化的目的。

客车车身结构按照其承载方式可分为非承载车身、半承载车身和全承载车身。全承载车身以其重量轻、刚度高和安全性好等一系列优点，代表着客车车身结构发展的主流方向。过去我国客车车身结构主要为半承载式，而底盘结构为半承载式客车的主要承载部分，侧围参与承载很有限，因此过去底盘强度设计时往往只考虑使其具有较大余量，设计为与附图1类似的对称结构，而忽略了身侧围结构性能的不对称对车身整体性能的影响，导致左侧(无乘客门侧)强度过剩，不仅造成原材料的浪费，也增加了结构的重量。

根据国家法规规定，目前我国11米以上的大型旅游客车均为全承载式，但城市客车车身结构仍多为半承载式，仅有少数企业开始开发全承载式公交客车。但无论旅游客车还是城市客车，其所谓的全承载式客车车身结构设计中还未考虑到主要承载总成性能互补的思想，因此结构形式仍然延续着半承载式车身对称式底架的设计特点，甚至左右侧围相对应的杆件尺寸、斜撑布置都保持一致。

这种传统设计方法指导下设计出的全承载结构虽然在同等性能条件下较半承载式车身质量更轻，但结构受力方式仍存在着不合理之处，骨架材料强度余量过多。由于右侧围上需要开设乘客门，因此作为全承载车身承载主体的侧围结构并非对称(开门一侧为弱侧，另一侧为强侧)。此时，若底架结构甚至是侧围结构仍然采用对称设计的设计方法，必然会导致车身整体左侧强度剩余，无法充分发挥全承载车身整体均匀承载的特性，也不利于轻量化的进行。

发明内容

本发明提供一种基于性能互补的设计思想的全承载客车车身结构设计方法。该方法通过底架结构的不对称设计，与车身侧围结构因一侧开设乘客门造成的性能不对称形成互补，使车身结构整体性能趋于均衡对称，达到改善车身结构性能且减轻结构重量的目标。针对带有中门结构的车型，采用本方法可以有效解决现有全承载客车车身结构设计方法无法充分发挥材料承载潜能，设计结构强度剩余过多的问题。

本发明所采用的技术方案包含如下步骤：

一种基于性能互补思想的全承载客车车身结构设计方法，主要包括以下步骤：

(1)、根据车身轮廓尺寸及主要质量安装点的设计要求，提出车身结构初始方案，并确定整车左右侧质量之比；

(2)、确定左右侧围的弯曲刚度比μ，若μ＞1.5则首先对左右侧围的垂向承载能力进行匹配调整，使左侧围与右侧围垂向弯曲刚度之比满足μ≤1.5；

(3)、在保证足够的承载能力的基础上，对底架结构进行不对称设计，适当减小底架左侧桁架结构的部分杆件尺寸，增强底架右侧桁架结构，使底架左右两侧刚度之比约为2-μ，误差控制在±10％以内；

(4)、将步骤(2)、(3)中优化后的左侧围、右侧围及底架分总成拼接到整车中，重新进行车身整体弯曲刚度计算，在整体模型中使用优化手段对部分杆件截面尺寸进行调整，在保证车身刚度性能的前提下，使车身整体左侧刚度与右侧刚度之比接近于左右两侧包括自重在内的全部工作载荷之比，二者相对误差应当小于10％；

(5)、对经过上述刚度匹配后的车身结构进行强度分析，根据分析结果进行局部结构的必要改动，重复步骤(2)～(5)，直至结构满足强度、刚度的要求。

实现所述步骤(2)中的匹配调整，选择左侧围上对刚度灵敏度低，且对质量相对灵敏度高的杆件进行适当削弱，选择右侧围上对刚度灵敏度高，且对质量相对灵敏度低的杆件进行加强，使左侧围与右侧围刚度之比μ≤1.5。

实现所述步骤(4)中车身整体左侧刚度与右侧刚度之比接近整车左右侧质量之比的具体表现为：车身骨架静置，车身中部加载并使车身中部产生均匀且左右对称的向下位移，在此条件下左右两侧所需加载力之比与车身工作时左右两侧实际工作载荷之比的差应小于10％，即

公式中F_左定义为车身发生中部向下均匀位移的条件下，底架左侧施加的作用力之和，F_右为底架右侧施加的作用力之和；P_左定义为车身整体左侧实际工作载荷，P_右定义为车身整体右侧实际工作载荷；

所述步骤(5)中强度分析中，以危险应力判断是否满足强度使用条件，结构各点的危险应力定义为：满载弯曲工况、左前轮单轮悬空工况、右前轮单轮悬空工况以及极限制动工况中的最大应力值。

本发明的有益效果：

在结构设计过程中，通过刚度的合理匹配，使底架强侧与承载能力较弱的侧围(右侧围)互补，底架弱侧与承载能力较强的侧围(左侧围)互补，车身整体形成一个均匀承载的空间框架结构，大大提高了结构各部分材料的利用率。同时利用内力优化与灵敏度分析技术，有效地降低结构各杆件的非轴向载荷，使得结构构件的受力更加合理、载荷分配更加均匀。

附图说明：

图1为半承载式公交客车底盘结构示意图；

图2为本发明右侧围结构示意图；

图3为本发明左侧围结构示意图；

图4为本发明底架中段龙骨示意图；

图5为本发明底架中段示意图；

图6为本发明底架结构俯视图；

图7为本发明车身结构示意图；

图8为本发明全承载公交客车车身结构设计方法各步骤的示意图。

图中：1-3、右侧围斜撑结构  4-5、左侧围斜撑结构  6、底架中段中央龙骨  7、中门踏步附近双层桁架形式龙骨结构  8、底架中段龙骨左侧桁架结构

具体实施方式：

结合附图，以一项城市公交车车身结构方案设计为例，说明一种用于全承载式客车车身结构的设计方法，包括如下步骤：

(1)根据车身轮廓尺寸及主要质量安装点的设计要求，提出车身结构初始方案，并确定整车左右侧质量之比；

(2).一般带有中门结构的大客车车型，左侧围(不开门一侧)垂向弯曲刚度与右侧围(开设中门一侧)垂向弯曲刚度之比较高(通常都会超过1.5)，这不利于骨架材料承载潜力的充分发挥。因此，需要计算左右侧围的垂向弯曲刚度之比μ，若μ＞1.5，则对车身初始结构方案的左右侧围的垂向承载能力进行匹配调整，使μ≤1.5，这是因为当左右侧围的弯曲刚度比值约等于或略小于1.5时，对后续的底架结构设计是有利的：对全承载客车而言，底架本身对整体弯曲刚度的贡献小于侧围，若左右两侧侧围刚度比值太高，通过对底架结构进行不对称设计难以达到车身整体两侧刚度近似平衡，而更低的左右侧围刚度比的获得(例如使μ≤1.2)通常难以避免刚度性能的大幅度降低；对车身结构左侧围及右侧围分总成的垂向承载能力进行匹配的内容包括：采用灵敏度分析方法，选择左侧围上对刚度灵敏度低，且对质量相对灵敏度高的杆件进行适当削弱，选择右侧围上对刚度灵敏度高，且对质量灵敏度低的杆件进行加强，并根据情况补充一些对提高刚度比较有效的杆件和局部结构；左侧围结构如图2所示、右侧围结构如图3所示；

(3).对底架结构中段进行不对称设计，根据灵敏度分析结果，适当减小底架左侧低灵敏度杆件的截面尺寸和厚度，并去掉对刚度贡献很小的杆件；底架右侧则适当增加高灵敏度杆件的截面尺寸和厚度，并根据实际需要补充一些对提高刚度比较有效的杆件和局部结构，形成如图4所示的局部双层桁架结构；同时根据功能需要，可将底架上附加部件(例如图6所示的储气筒等)所需的布置空间安排在底架左侧，经过上述调整，形成如图5所示的底架中段不对称结构，且左右两侧刚度之比约为2-μ，且误差控制在±10％以内；

(4).将(2)、(3)中优化后的左侧围、右侧围及底架分总成拼接到整车中，重新进行车身整体弯曲刚度计算，在整体模型中使用优化手段对部分杆件截面尺寸进行调整，在保证车身刚度性能的前提下，使车身整体左侧刚度与右侧刚度之比接近于左右两侧包括自重在内的全部工作载荷之比，且二者相对误差应当小于10％；步骤(4)中车身整体左侧刚度与右侧刚度之比接近整车左右侧工作载荷之比的具体表现为：车身骨架静置，车身中部加载并使车身中部产生均匀且左右对称的向下位移，在此条件下左右两侧所需加载力之比与车身工作时左右两侧实际工作载荷之比的差应小于10％，即

公式中F_左定义为车身发生中部向下均匀位移的条件下，底架左侧施加的作用力之和，F_右为底架右侧施加的作用力之和；P_左定义为车身整体左侧实际工作载荷，P_右定义为车身整体右侧实际工作载荷；

(5).对经过上述刚度匹配后的车身结构进行强度分析，根据分析结果进行局部结构的必要改动，重复步骤(2)～(5)，直至结构满足强度、刚度的要求，本示例中车身结构最终方案如图7所示。步骤(5)中强度分析包括：满载弯曲工况、左前轮单轮悬空工况、右前轮单轮悬空工况以及极限制动工况。

利用本发明中的全承载客车车身结构设计方法可以充分开发车身各部分的承载潜能，通过合理的刚度匹配，使车身结构整体形成一个均匀承载的整体，降低过多的强度剩余，轻量化效果较为显著。

根据本发明设计流程，申请人设计了一款11.5米的全承载公交客车的车身结构方案，该车的车身结构详见附图2至附图7。车身结构性能的CAE分析结果如下：

车身弯曲刚度：7.93×10⁶Nm，同类公交车型为：5.99-10.41×10⁶Nm；

车身扭转刚度：3.38×10⁴Nm/deg，同类车型为：2.93-4.12×10⁴Nm/deg；

车身一阶弯曲振动模态频率为：12.2HZ，同类车型参考值为：8.2-14.1HZ；

车身一阶扭曲振动模态频率为：5.9HZ，同类车型参考值为：5.8-9.1HZ；

车身满载弯曲工况最大应力为：230MPa；

车身左轮悬空工况最大应力为：221MPa；

车身右轮悬空工况最大应力为：228MPa；

车身极限制动工况下最大应力为：209MPa；

*材料(Q235)屈服极限：235MPa。

车身结构的重量为：1880kg，同类车型参考值为：2400-3000kg。

以上分析结果表明该车各项性能指标都与同类车型相近，但车身结构的重量比同类车型减少了600公斤至一吨左右。如果采用高强材料，车身减重幅度可以更大。

以上实例仅为本发明的较佳实例，底架及侧围结构的桁架布置形式可以有多种，但设计出发点均为车身各分总成性能互补的设计原理。

Claims (4)

1.一种基于性能互补思想的全承载客车车身结构设计方法，主要包括以下步骤：

(1)、根据车身轮廓尺寸及主要质量安装点的设计要求，提出车身结构初始方案，并确定整车左右侧质量之比；

(2)、确定左右侧围的弯曲刚度比μ，若μ＞1.5则首先对左右侧围的垂向承载能力进行匹配调整，使左侧围与右侧围垂向弯曲刚度之比满足μ≤1.5；

(3)、在保证足够的承载能力的基础上，对底架结构进行不对称设计，适当减小底架左侧桁架结构的部分杆件尺寸，增强底架右侧桁架结构，使底架左右两侧刚度之比约为2-μ，误差控制在±10％以内；

(4)、将步骤(2)、(3)中优化后的左侧围、右侧围及底架分总成拼接到整车中，重新进行车身整体弯曲刚度计算，在整体模型中使用优化手段对部分杆件截面尺寸进行调整，在保证车身刚度性能的前提下，使车身整体左侧刚度与右侧刚度之比接近于左右两侧包括自重在内的全部工作载荷之比，二者相对误差应当小于10％；

(5)、对经过上述刚度匹配后的车身结构进行强度分析，根据分析结果进行局部结构的必要改动，重复步骤(2)～(5)，直至结构满足强度、刚度的要求。

2.根据权利要求1所述的一种基于性能互补思想的全承载客车车身结构设计方法，其特征在于：实现所述步骤(2)中的匹配调整，选择左侧围上对刚度灵敏度低，且对质量相对灵敏度高的杆件进行适当削弱，选择右侧围上对刚度灵敏度高，且对质量相对灵敏度低的杆件进行加强，使左侧围与右侧围刚度之比μ≤1.5。

3.根据权利要求1所述的一种基于性能互补思想的全承载客车车身结构设计方法，其特征在于：实现所述步骤(4)中车身整体左侧刚度与右侧刚度之比接近整车左右侧质量之比的具体表现为：车身骨架静置，车身中部加载并使车身中部产生均匀且左右对称的向下位移，在此条件下左右两侧所需加载力之比与车身工作时左右两侧实际工作载荷之比的差应小于10％，即 

公式中F_左定义为车身发生中部向下均匀位移的条件下，底架左侧施加的作用力之和，F_右为底架右侧施加的作用力之和；P_左定义为车身整体左侧实际工作载荷，P_右定义为车身整体右侧实际工作载荷。

4.根据权利要求1所述的一种基于性能互补思想的全承载客车车身结构设计方法， 其特征在于：所述步骤(5)中强度分析中，以危险应力判断是否满足强度使用条件，结构各点的危险应力定义为：满载弯曲工况、左前轮单轮悬空工况、右前轮单轮悬空工况以及极限制动工况中的最大应力值。 

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