摘要：本文以某客车车身骨架为例，建立有限元模型，以四种典型工况下车身骨架强度为基础，以质量最小为目标，在满足车身强度的前提下，通过降低车身零件厚度，实现轻量化设计。轻量化后车身骨架减轻276.3 kg，通过对比轻量化前后模型应力，验证方法了可行性。

　　关键词：车身骨架;有限元模型;轻量化设计

　　0 引言

　　汽车轻量化、电动化和智能化是汽车工业的发展方向[1]。大量研究表明，采用新材料、新工艺外，车身轻量化是汽车实现节能减排的重要途径之一。在车身轻量化的设计过程中，车身结构必须满足强度特性要求。目前车身轻量化设计主要采用有限元的方法[2-3]，因此本文利用HyperMesh软件对客车车身骨架进行强度分析和轻量化研究。

　　1.有限元分析

　　1.1 有限元模型的建立

　　由于车身骨架以钣金和管材为主，厚度大多在2mm左右，因此采用shell单元划分网格比较合适。网格尺寸为10mm，零件之间缝焊采用seam weld单元模拟，车身骨架单元总数为1024506，其中三角形网格为24503，占比2.39%，车身有限元模型如图1所示。

　　图1 客车车身骨架有限元模型

　　1.2 材料属性

　　客车骨架材料主要采用Q235、Q195和T52，其密度、弹性模量和泊松比均为7800 Kg/m3，2.1×105MPa和0.3，许用应力为160MPa，135MPa和270MPa。

　　1.3 边界条件

　　1.3.1 载荷条件

　　客车车身骨架载荷由骨架质量、非结构质量、设备质量及乘客质量。根据材料的密度，可以通过有限元软件计算出车身骨架质量;非结构件质量可以采用质量单元以均布在车身结构相应的位置;设备质量在其质心处施加质量单元，然后施加于车身骨架连接节点上;乘客质量均布在车身底盘车架上。

　　1.3.2 边界条件

　　客车在正常行驶时经常遇到四种典型工况，分别是匀速行驶、极限扭转、紧急转弯和紧急制动。假设汽车前进方向为X向，汽车横向为Y向，汽车高度方向为Z向。汽车在匀速行驶过程中，约束约束前后轮Y向和Z的平动自由度，车身骨架整体施加重力加速度;极限扭转工况，约束任意三个轮胎X向，Y向和Z向移动自由度，施加重力加速度;紧急转弯工况约束同水平弯曲，施加重力加速度和横向加速度;紧急制动工况约束释放后轮Y方向自由度，施加重力加速度和向前惯性加速度。

　　1.4 计算结果分析

　　匀速行驶工况下，车身骨架应力分布状况如图2所示。最大应力为143.5 MPa出现在车架下横梁上，横梁材料为Q235，小于许用应力，其他零部件应力较小，满足设计要求。

　　图2匀速行驶工况下应力云图

　　极限扭转工况下，车身骨架应力分布状况如图3所示。最大应力为180.6 MPa出现在车架大梁上，横梁材料为T52，小于许用应力，其他零部件应力较小，满足设计要求。

　　图3极限扭转工况下应力云图

　　紧急转弯工况工况下，车身骨架应力分布状况如图4所示。最大应力为139.8 MPa出现在车架上，满足设计要求。

　　图4紧急转弯工况下s应力云图紧急制动工况工况下，车身骨架应力分布状况如图5所示。最大应力为105.2 MPa出现在连接板上，其材料为Q235，满足设计要求。

　　图5紧急制动工况下应力云图

　　从分析结果可以看出，车身骨架在四种典型工况下，强度留有了足够的安全余量，可以进行轻量化设计。

　　2.轻量化设计

　　客车车身轻量化原则：(1)部件的质量在整车质量中占较大比重;(2)部件对整车的强度影响较小[4]。

　　根据选择原则，结合四种典型工况下相对应力分布图，可以看出顶棚应力相对较小，其应力如图6所示。最大应力值60.32MPa，其安全系数较大，因此对顶棚结构进行轻量化。

　　图6扭转工况下顶棚应力云图

　　由于客车的空调系统和紧急逃生装置设在顶棚上，客车在翻滚工况下要承担一定的强度和刚度，所以在保持原结构不变的前提下，减小型钢的厚度。将50mm×40mm ×2mm 改为50mm×40mm×1.5 mm。

　　从2-5图上可知，左围、右围在四种典型工况应力值很小，但客车的车窗集中在左右两围，需要保留一定的刚度，防止玻璃在振动中发生破裂，因此玻璃框架尺寸由50mm×40mm×2mm 改为50mm×40mm×1.75 mm。

　　从2-5图上可知，前围在四种状况下受力较小，但前围需要保留足够的强度和刚度，防止发生事故时车门发生严重变形。故前围主要减轻加强筋厚度。将后围主要连接件截面尺寸由50×40mm×2mm 改为50mm×40m m×1.5mm。

　　车架及其附件占车身总质量的60%以上，属于重点轻量化的部件。由于客车发动机和变速箱置于车架后部，导致应力集中严重，从图2-5可以看出，四种典型工况下车架后部应力较大， 前部应力较小，因此车架及其附件的轻量化主要集中在前端。，以减小零部件的厚度为主。

　　通过对顶棚、前围、后围，左围、右围和车架及其附件轻量化，使车身骨架质量由原来的2613.4 kg降为2337.37 kg，减轻为276.3 kg。

　　3.轻量化前后强度对比

　　以轻量化后的车身骨架为三位模型，建立有限元模型，根据轻量化前的载荷条件和约束条件，计算四种典型工况下新模型的强度。表1为轻量化前后强度应力对比。

　　表1轻量化前后车身骨架强度对比

　　从表2可以看出：轻量化模型在四种典型工况下，车身骨架应力均有增大，其增加值不大，均小于材料许用应力，满足强度要求，从而检验了轻量化设计方案的可行性。

　　5.结论

　　本文以某公司客车车身骨架强度设计为基础，提出轻量化设计方案。对顶棚、前围、后围，左围、右围和车架及其附件的厚度进行优化，减轻了车身质量。通过轻量化前后强度分析结果对比发现，轻量化后应力有所增加，但小于材料许用应力，从而验证了方案可行。C

　　(作者单位：桂林电子科技大学信息科技学院)

　　基金项目：广西高校中青年教师科研基础能力提升项目(2018KY0833)广西高等教育本科教学改革工程项目(2018JGA337)

　　参考文献

　　[1]王登峰,毛爱华,牛妍妍等. 基于拓扑优化的纯电动大客车车身骨架轻量化多目标优化设计[J]. 中国公路学报, 2017(2): 136-143.

　　[2] 李红，张海峰，王忆望等.基于Hypermesh的电动汽车车架结构优化设计[J].扬州大学学报( 自然科学版), 2012, 15( 1) : 38-41, 51.

　　[3] 高伟, 邓召文, 方超. EQ6110PF客车车身骨架静动态分析与轻量化设计[J]. 重庆交通大学学报, 2011, 38(1): 36-40.

　　[4]龙江启, 兰凤崇, 王金轮等. 半承载式客车骨架有限元建模与轻量化研究[J]. 中国机械工程2012, 23(4)：449-503.