CN109533041A - 一种基于高强钢的全承载客车车架轻量化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于高强钢的全承载客车车架轻量化方法，通过屈服700MPa级高强度钢材的使用，结合合理的壁厚替换公式与有限元仿真方法，结构的屈服强度得到了有效得提高，对方管壁厚的减薄实现了车架质量的降低，降低了整车的能耗，提高了整车的续驶里程。仅对方钢壁厚的改变而不改变方钢外截面的尺寸，对原有的结构设计变更小，几乎没有影响，钢结构的通用性更佳，有利于批量化生产。高强钢相比铝合金价格更优，工艺性更好，有利于降低调整生产工艺的成本。通过基于方钢壁厚的刚度灵敏度仿真计算，有针对性地在保证车架刚度性能的前提下进行轻量化。

Description

一种基于高强钢的全承载客车车架轻量化方法

技术领域：

本发明涉及一种客车轻量化方法，特别涉及一种基于高强钢的全承载客车车架轻量化方法。

背景技术：

客车轻量化技术作为客车设计中一项关键核心通用技术，有利于实现降低能耗、提高续驶里程、实现节能减排的重要目标；同时可提升产品竞争能力，提高企业的自主创新能力。轻量化技术对推动新能源客车发展意义重大。其次，屈服强度为700MPa级的高强度钢已逐步在客车行业得到应用。

目前客车轻量化技术主要通过结构、材料两个方面开展，并且也取得一定的进展，例如发明专利CN205345039U申请公开了一种中心电动客车底盘轻量化车架结构，其结构主要由中央龙骨与矩形钢管焊接而成，并通过优化动力电池布置来实现车架减重；专利CN102815338A申请公开了一种由全铝材质制作的轻量化客车车身结构，铝型材结构代替原有的钢车身，时车身重量得到降低。然而，目前传统的结构优化方法已经使整车骨架质量达到了比较极限的状态，进一步的轻量化空间有限；使用铝材进行整车的轻量化可实现较大的减重量，但是铝材价格昂贵，后期加工制造所需的工艺设备与钢车身相比也截然不同，生产制造成本投入较大，此外铝合金的强度与模量较钢材低，结构强度的保证需更加严格。针对车身骨架，专利CN106021668A提出了一种轻量化方法，其主要通过有限元分析，在明确结构应力承载的情况下改变梁的截面形状来实现车身骨架的减重。此方法较为可靠，但是使用了多种异形截面梁，对原材料方钢做出了更多的型号要求，通用性较差；结合现有的产业结构，不利于大批量的生产应用。

因此，如何根据现有的客车产业结构，应用有效的轻量化方法进行减重，并且又能最小程度地改变现有的生产、工艺状态，同时保证材料的通用性、实现批量化制造是客车轻量化面对的主要问题。

发明内容：

本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种基于高强钢的全承载客车车架轻量化方法，通过高强钢替代普通钢的方法来实现车架的轻量化，从材料角度解决轻量化的问题，且较铝合金材料成本更低；通过结构CAE分析及刚度灵敏度分析，开展的轻量化工作在减重的同时又很好地保证车架的结构强度与刚度性能；高强钢替换进行方钢壁厚减薄的法方法简单易行，对原设计结构无改变，无需重新设计。

本发明所采用的技术方案有：一种基于高强钢的全承载客车车架轻量化方法，包括如下步骤：

(1)根据原普通钢设计的车架，建立有限元模型，进行基于静态弯曲、制动、转弯及扭转四种典型工况的结构静强刚度有限元分析；

(2)根据整车静强刚度分析结果，明确整车骨架在弯曲、制动、转弯及扭转四种工况下的受力特点，考查整车骨架的等效应力与位移变形大小；

(3)开展基于方钢壁厚的整车刚度灵敏度仿真计算，计算节点位移相对于方钢壁厚参数变化的灵敏度，再通过节点位移和车身刚度之间的联系，得到整车弯曲扭转刚度的灵敏度；

(4)根据分析得到的应力与位移变形结果，明确车架高强钢的替换区域及替换规格，对于原结构应力未超过原材料屈服强度的杆件进行高强钢方管的替换，其中，方管的截面长宽不变，仅替换成壁厚更小的高强钢方管，替换公式按照进行，其中t₁为高强钢壁厚；t₂为原设计方管壁厚；σ₁为原设计方管屈服极限；σ₂为高强钢屈服极限；

(5)对替换后的整车新结构进行第二轮的CAE分析，计算其结构静强度、刚度、模态及碰撞性能，验证新结构性能满足国标及使用要求，若仿真结果不满足要求，则对不满足的区域结构进行继续修改，直至计算结果满足要求；

(6)新结构的结构性能仿真满足后，结合700MPa级高强钢的化学成分与力学性能，修订高强钢的焊装工艺规程与总装工艺规程；最终，验证修订的焊装工艺与总装工艺可进行批量化生产；

(7)完成高强钢结构设计到生产工艺设计的轻量化全过程。

本发明具有如下有益效果：

(1)通过屈服700MPa级高强度钢材的使用，结合合理的壁厚替换公式与有限元仿真方法，结构的屈服强度得到了有效得提高，对方管壁厚的减薄实现了车架质量的降低，降低了整车的能耗，提高了整车的续驶里程。

(2)仅对方钢壁厚的改变而不改变方钢外截面的尺寸，对原有的结构设计变更小，几乎没有影响，钢结构的通用性更佳，有利于批量化生产。高强钢相比铝合金价格更优，工艺性更好，有利于降低调整生产工艺的成本。

(3)通过基于方钢壁厚的刚度灵敏度仿真计算，有针对性地在保证车架刚度性能的前提下进行轻量化。

附图说明：

图1为本发明基于高强钢的全承载客车车架轻量化方法流程图。

图2为本发明实施应用的轻量化车架结构示意图。

其中：01-车架前段、02-车架前桥段、03-车架中段、04-车架后桥段、05-车架尾段。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1，本发明基于高强钢的全承载客车车架轻量化方法，包括如下步骤：

(1)根据原普通钢设计的车架，建立有限元模型，进行基于静态弯曲、制动、转弯及扭转四种典型工况的结构静强刚度有限元分析。

(2)根据整车静强刚度分析结果，明确整车骨架在弯曲、制动、转弯及扭转四种工况下的受力特点，考查整车骨架的等效应力与位移变形大小。

(3)开展基于方钢壁厚的整车刚度灵敏度仿真计算，计算节点位移相对于方钢壁厚参数变化的灵敏度，再通过节点位移和车身刚度之间的联系，进而得到整车弯曲扭转刚度的灵敏度。

(4)根据分析得到的应力与位移变形结果，明确车架高强钢的替换区域及替换规格。对于原结构应力未超过原材料屈服强度的杆件进行高强钢方管的替换，其中，方管的截面长宽不变，仅替换成壁厚更小的高强钢方管，替换公式可按照进行，其中t₁为高强钢壁厚；t₂为原设计方管壁厚；σ₁为原设计方管屈服极限；σ₂为高强钢屈服极限。例如以原设计壁厚为3mm的Q345方管替换为屈服极限为700MPa的高强钢，根据上述公式可计算得替换的高强钢壁厚为2.1mm，鉴于现有的方钢规格，可使用2mm壁厚的高强钢方管。

(5)对替换后的整车新结构进行第二轮的CAE分析，计算其结构静强度、刚度、模态及碰撞性能，验证新结构性能满足国标及使用要求。若仿真结果不满足要求，则对不满足的区域结构进行继续修改，直至计算结果满足要求。

(6)新结构的结构性能仿真满足后，结合700MPa级高强钢的化学成分与力学性能，修订高强钢的焊装工艺规程与总装工艺规程。焊接工艺规程通过焊接工艺评定的方法进行，修订的内容包括焊接参数、焊接辅材等。总装工艺规程修订的内容包括钻孔、切割、攻丝等的加工参数与加工工具的变化。最终，验证修订的焊装工艺与总装工艺可进行批量化生产。

(7)完成高强钢结构设计到生产工艺设计的轻量化全过程。

如图2，为本发明方法应用的车架实施例。该车架为采用小方管焊接的全承载车架结构。其结构可分为车架前段01、车架前桥段02、车架中段03、车架后桥段04、车架尾段05五大部分。经过三维建模与典型工况的有限元分析，得到整车车架的受力与变形趋势。其次是开展整车基于方钢壁厚的刚度灵敏度计算分析。根据分析结果可知，车架的应力与位移均满足设计要求；车架中段为整车的主要承载区域，载荷形式主要为弯曲载荷，而使用减薄的高强钢会使得结构的抗弯性能降低，因此对车架中段03不做高强钢的替换。对车架前段01、车架前桥段02、车架后桥段04、车架尾段05应力水平较低的区域进行轻量化的高强钢替换。其次是根据方钢壁厚刚度灵敏度分析的结果，选择灵敏度较低的区域进行高强钢的替换，刚度灵敏度较大的地方不做或少做高强钢的替换。替换的规格依据公式进行，并根据现有的方钢规格进行圆整替换，例如具体变化为：使用屈服700MPa级的1.5mm厚高强钢替换原2mm厚普通钢；使用屈服700MPa级的2mm厚高强钢替换原3mm普通钢；使用屈服700MPa级的3mm厚高强钢替换原4mm普通钢。对替换完的车架结构进行第二轮的有限元分析，校核骨架的结构强刚度、模态及碰撞性能，对局部不满足的区域进行壁厚优化，直至分析结构满足国标与使用要求为止。替换高强钢后需对工艺参数进行评定修正，包括焊装工艺规程、总装工艺规程。焊装工艺规程的主要变化为焊丝的切换与焊接参数的调整，焊丝应用等强匹配的原则采用高强焊丝进行焊接；焊接参数则依据GB19869通过焊接工艺评定进行修正。总装工艺规程亦通过相关实验进行修正。验证完高强钢轻量化车架的工艺可行性后，最终完成基于高强钢的全承载车架轻量化设计方案。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于高强钢的全承载客车车架轻量化方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)根据原普通钢设计的车架，建立有限元模型，进行基于静态弯曲、制动、转弯及扭转四种典型工况的结构静强刚度有限元分析；

(2)根据整车静强刚度分析结果，明确整车骨架在弯曲、制动、转弯及扭转四种工况下的受力特点，考查整车骨架的等效应力与位移变形大小；

(3)开展基于方钢壁厚的整车刚度灵敏度仿真计算，计算节点位移相对于方钢壁厚参数变化的灵敏度，再通过节点位移和车身刚度之间的联系，得到整车弯曲扭转刚度的灵敏度；

(4)根据分析得到的应力与位移变形结果，明确车架高强钢的替换区域及替换规格，对于原结构应力未超过原材料屈服强度的杆件进行高强钢方管的替换，其中，方管的截面长宽不变，仅替换成壁厚更小的高强钢方管，替换公式按照进行，其中t₁为高强钢壁厚；t₂为原设计方管壁厚；σ₁为原设计方管屈服极限；σ₂为高强钢屈服极限；

(5)对替换后的整车新结构进行第二轮的CAE分析，计算其结构静强度、刚度、模态及碰撞性能，验证新结构性能满足国标及使用要求，若仿真结果不满足要求，则对不满足的区域结构进行继续修改，直至计算结果满足要求；

(6)新结构的结构性能仿真满足后，结合700MPa级高强钢的化学成分与力学性能，修订高强钢的焊装工艺规程与总装工艺规程；最终，验证修订的焊装工艺与总装工艺可进行批量化生产；

(7)完成高强钢结构设计到生产工艺设计的轻量化全过程。