論文全鋁客車鋁牛腿設(shè)計(jì)

1、余慶杰，劉小明，郝守海（東風(fēng)汽車有限公司商用車技術(shù)中心 湖北省武漢市 430056）摘要首先提出全鋁車身客車的鋁合金牛腿設(shè)計(jì)方案，將概念模型與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)牛腿進(jìn)行對(duì)比分析，確定鋁合金牛腿方案的可行性及優(yōu)化空間和方向；其次利用Optistruct的結(jié)構(gòu)優(yōu)化功能，對(duì)概念模型鋁合金牛腿進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，重構(gòu)優(yōu)化后的牛腿結(jié)構(gòu)形式，尋求最優(yōu)材料分布狀態(tài)，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果構(gòu)建鋁合金牛腿的精細(xì)模型，最后通過(guò)HypeMesh有限元分析驗(yàn)證，確認(rèn)優(yōu)化方案合理性，最終設(shè)計(jì)出滿足技術(shù)條件和工藝要求的輕量化鋁合金牛腿。關(guān)鍵詞全鋁車身；鋁合金；牛腿；拓?fù)鋬?yōu)化0 前言近年來(lái),隨著世界汽車保有量與日俱增以及人們對(duì)汽車安全性、舒適性、

2、環(huán)保性能要求的提高,節(jié)約資源、減少環(huán)境污染成為世界汽車工業(yè)界亟待解決的兩大問(wèn)題。著眼于長(zhǎng)遠(yuǎn)的可持續(xù)發(fā)展,減輕汽車質(zhì)量成為21 世紀(jì)汽車技術(shù)的前沿和熱點(diǎn)。應(yīng)用鋁材料進(jìn)行汽車輕量化是目前汽車輕量化技術(shù)中最有效可行的方法之一。全鋁車身客車的研究與實(shí)踐正在國(guó)內(nèi)客車行業(yè)中逐步展開，目前的趨勢(shì)之一是半承載式全鋁車身客車，即采用全鋁的車身與傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)車架進(jìn)行對(duì)接，由于鋼鋁材料不同，進(jìn)行對(duì)焊時(shí)對(duì)設(shè)備、材料規(guī)格、焊條及工藝均有特殊要求，在國(guó)內(nèi)規(guī)模使用尚需時(shí)日，因此通過(guò)鉚接或螺栓連接鋁合金牛腿完成車架與全鋁車身骨架的對(duì)接成為較實(shí)用的解決方案。1鋁合金牛腿概念模型設(shè)計(jì)思路鋼牛腿鋁合金牛腿圖1 鋁合金牛腿概念模型與

3、鋼牛腿對(duì)比現(xiàn)有的傳統(tǒng)半承載鋼結(jié)構(gòu)客車產(chǎn)品，鋼牛腿采用鋼板沖壓形成U型結(jié)構(gòu)，牛腿側(cè)面為矩形或梯形或組合形狀，開有減重孔，牛腿與車架通過(guò)螺栓進(jìn)行連接。結(jié)合鋁合金材料的成型工藝，設(shè)計(jì)鋁合金牛腿概念模型采用閉合腔體，寬度與鋼牛腿相同，側(cè)豎面形狀與鋼牛腿基本一致，不開減重孔，牛腿一端與鋁合金L板焊接后與車架鉚接，另一端與全鋁車身骨架焊接，鋁合金牛腿及L板厚度均為7mm，鋁L板形狀與鋼L板相同，兩種牛腿的形狀對(duì)比如圖1所示。2初步分析利用HypeMesh軟件建立鋼結(jié)構(gòu)牛腿和鋁合金牛腿有限元模型，約束L形支架上的螺栓孔的6方向自由度，約束L形支架的下方節(jié)點(diǎn)的y向自由度，以模擬車架對(duì)支架的壓向約束。施加載荷時(shí)

4、，在牛腿上平面的節(jié)點(diǎn)上施加向下0.5N的力，并在牛腿外側(cè)端頭處施加向下2000N的力。通過(guò)對(duì)兩種牛腿的靜態(tài)應(yīng)力分析，可以得出有限元應(yīng)力云圖和變形云圖，如圖2、圖3、圖4所示。圖2 牛腿對(duì)比變形云圖圖3 牛腿L形支架處對(duì)比應(yīng)力云圖圖4 牛腿對(duì)比應(yīng)力云圖查看對(duì)比變形情況發(fā)現(xiàn)（見圖2）：鋁合金牛腿變形層次均勻，端頭中心位移為Z向0.6088mm，端口形狀基本不變；鋼牛腿端頭中心位移為Z向0.7196mm，且牛腿外側(cè)變化劇烈，可見鋼牛腿端口形狀發(fā)生較大變化。鋁合金牛腿概念模型變形量和變形狀態(tài)均優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)牛腿。查看對(duì)比應(yīng)力情況發(fā)現(xiàn)（見圖3、4）：鋁合金牛腿概念模型支架最大應(yīng)力為5.983Mpa，位于支架

5、與牛腿端面下轉(zhuǎn)角連接處，鋁合金牛腿上應(yīng)力最大點(diǎn)在內(nèi)側(cè)端口中心附近為14.51 Mpa，側(cè)豎面上應(yīng)力云圖顯示中部有一縱向長(zhǎng)帶狀的較小應(yīng)力區(qū)域；鋼牛腿支架的最大應(yīng)力為108Mpa，位于支架與牛腿內(nèi)側(cè)端面下轉(zhuǎn)角連接處，鋼牛腿最大應(yīng)力為40.5Mpa，位于牛腿下翻邊轉(zhuǎn)角處，鋼牛腿根部應(yīng)力變化也較劇烈。概念模型鋁合金牛腿及支架的應(yīng)力情況優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)牛腿。分析判斷，鋁合金牛腿概念模型方案可行，并存在優(yōu)化空間。3拓?fù)鋬?yōu)化根據(jù)前述鋁合金牛腿靜態(tài)應(yīng)力分析情況，對(duì)其進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算，優(yōu)化目標(biāo)要求體積最小，優(yōu)化約束為牛腿外側(cè)端口中心Z向位移，該位移約束值取鋼結(jié)構(gòu)牛腿的分析結(jié)果近似值，即取0.72mm，拓?fù)鋬?yōu)化的網(wǎng)格為

6、牛腿豎面單元。通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化分析，結(jié)果顯示如圖5所示。圖5 不同isoface時(shí)單元密度云圖分析上述云圖結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鋁合金牛腿側(cè)豎面優(yōu)化后產(chǎn)生了與牛腿側(cè)豎面邊界近似平行的若干相鄰的三角形鏤空孔，之間為斜筋構(gòu)成網(wǎng)狀形態(tài)，該結(jié)果為鋁合金牛腿的進(jìn)一步設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。4鋁合金牛腿深化設(shè)計(jì)結(jié)合鋁合金牛腿采用擠出成型的工藝要求和拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，細(xì)化鋁合金牛腿側(cè)豎面形狀及型腔處理，對(duì)概念模型鋁合金牛腿的側(cè)豎面進(jìn)行優(yōu)化減重。由于圓孔相對(duì)異型孔在工藝上易于實(shí)現(xiàn)，因此采取在鋁合金牛腿側(cè)豎面開圓形孔進(jìn)行減重，圓形孔尺寸依次減小，外公切線與側(cè)豎面輪廓近似平行。側(cè)豎面輪廓可分為兩種，一種與鋁合金牛腿概念模型相同，另一種在

7、此基礎(chǔ)上加大與車身骨架焊接端口高度，增大整體剛度。結(jié)合成型工藝，設(shè)計(jì)牛腿內(nèi)部加強(qiáng)筋，通過(guò)整理共形成以下八種鋁合金牛腿模型，如圖6所示。圖6 八種鋁合金牛腿模型5優(yōu)化模型分析對(duì)比對(duì)八種鋁合金牛腿優(yōu)化模型進(jìn)行有限元分析，工況設(shè)定及分析如前所述，牛腿應(yīng)力、端口變形的結(jié)果見圖7和圖8。圖7 鋁合金牛腿應(yīng)力云圖圖8 鋁合金牛腿變形云圖根據(jù)最終分析結(jié)果列表整理八種優(yōu)化模型對(duì)應(yīng)的形態(tài)特征，質(zhì)量、減重比、最大應(yīng)力、最大變形等數(shù)據(jù)，便于后續(xù)設(shè)計(jì)確認(rèn)。其對(duì)比結(jié)果如圖9所示。圖9 鋁合金牛腿優(yōu)化模型分析對(duì)比6 優(yōu)化分析結(jié)果經(jīng)分析對(duì)比，八種鋁合金牛腿優(yōu)化模型的最大應(yīng)力為28.56Mpa，均滿足鋁材料性能要求，端口最大

8、位移為0.7124mm，均小于鋼牛腿變形量。加筋處理后的牛腿在加強(qiáng)筋附近的強(qiáng)度增加，相對(duì)未加筋的牛腿局部應(yīng)力增大，均超過(guò)22Mpa，但其剛度有所提高。加豎直筋牛腿相對(duì)其他牛腿的變形量偏小，分別為0.5589mm和0.5614mm，效果較好。兼顧輕量化和牛腿性能的分析結(jié)果，確認(rèn)形成設(shè)計(jì)文件的鋁合金牛腿有四種，分別為閉合梯形小端面牛腿、閉合梯形小端面加豎直筋牛腿、閉合梯形大端面牛腿和閉合梯形大端面加豎直筋牛腿，其中未加筋的適用于承載及連接相對(duì)偏低的區(qū)域，加豎直筋的適用于承載及連接相對(duì)較強(qiáng)的區(qū)域。7 結(jié)論本文提出全鋁車身鋁合金牛腿概念模型，并與傳統(tǒng)鋼牛腿進(jìn)行對(duì)比分析，確定方案的可行性及優(yōu)化方向和空間，利用Optistruct的結(jié)構(gòu)優(yōu)化功能，運(yùn)用優(yōu)化理論對(duì)概念模型鋁合金牛腿進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，重構(gòu)了優(yōu)化后的牛腿側(cè)豎面形態(tài)，尋求最優(yōu)材料分布狀態(tài)，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果進(jìn)行鋁合金牛腿的最終優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)Hyp