新型物流專用運(yùn)輸半掛車車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張敏 王偉

ZHANG Min et al

1.內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)有限公司第四分公司 內(nèi)蒙古包頭 0140302.內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)有限公司科研所 內(nèi)蒙古包頭 014030

1 引言

隨著我國高速公路網(wǎng)的快速發(fā)展，半掛車保有量逐年遞增，發(fā)展新型半掛車與“甩掛運(yùn)輸”已成為推動我國汽車工業(yè)進(jìn)步的重要力量[1]。因此設(shè)計(jì)了一款適用于高速公路運(yùn)輸?shù)奈锪鲗Ｓ冒霋燔?，使車輛載貨容積最大化的同時，盡可能地減輕自重并提高整車的安全性能。

2 參數(shù)化設(shè)計(jì)

首先，利用C++自帶的公式計(jì)算器初步確定新車型的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)，如圖1所示。采用“雙層龍骨式”底架布置方案設(shè)計(jì)初樣車的車身骨架結(jié)構(gòu)，其三維模型如圖2所示。

初樣車全長10.5 m，設(shè)計(jì)載荷為23 t，有效載貨容積為65 m3。車身底架采用雙龍骨結(jié)構(gòu)，主要由小截面矩形管材組焊而成。由于小截面管材抗彎和抗扭能力較弱，承受沿桿軸向力的能力較強(qiáng)，因此通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可使半掛車在行駛過程中產(chǎn)生的彎曲、扭轉(zhuǎn)力均轉(zhuǎn)化為桿件的軸向力。這樣，只要管材自身強(qiáng)度足夠，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時剛度必然能夠滿足使用要求[2]。

樣車未采用傳統(tǒng)的工字型或槽型的縱橫梁結(jié)構(gòu)，而采用全承載式結(jié)構(gòu)。這樣，在承載能力不變的情況下，可使半掛車自重降低近35%。車身底架中部設(shè)置兩個獨(dú)立的貫通式貨艙，其總?cè)莘e為7.54 m3，既增加了整車的載貨容積，又降低了滿載時整車的質(zhì)心高度。由文獻(xiàn)可知，車輛自重每降低1000 kg，可降低油耗6%～7%[3]，可見，此設(shè)計(jì)方案既降低了自重又增加了載貨容積，車輛總體運(yùn)輸成本顯著下降。

3 材料分析

初樣車的車身骨架桿件以小截面矩形管材為主，其尺寸規(guī)格主要有：30 mm×60 mm×3 mm、30 mm×50 mm×3 mm、30 mm×30 mm×2 mm和30 mm×20 mm×2 mm。本車采用20#碳素結(jié)構(gòu)鋼為車身?xiàng)U件材料，其主要性能參數(shù)為：密度ρ=7800 kg/m3，屈服極限δs= 240 MPa，強(qiáng)度極限δb=410 MPa，泊松比μ=0.31，彈性模量ε=2.07×105MPa。利用有限元軟件建立初樣車的車身骨架有限元模型，并作適當(dāng)簡化處理，簡化后其桿件數(shù)量為645個。

采用典型工況對車身有限元模型進(jìn)行靜力學(xué)分析。由分析結(jié)果得知，彎曲工況最大應(yīng)力值為195 MPa，出現(xiàn)在車身底架第一獨(dú)立貨艙的前立柱處；彎扭工況最大應(yīng)力值為218 MPa，出現(xiàn)在車身底架獨(dú)立貨艙一側(cè)的中間立柱處?？梢?，材料能夠滿足車身的強(qiáng)度要求[4]。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 方案一

由于需要將底架貨艙容積設(shè)計(jì)得足夠大，通常將車身底架的中央龍骨構(gòu)造成箱型結(jié)構(gòu)，如圖3所示。但由結(jié)構(gòu)力學(xué)原理可知，箱型結(jié)構(gòu)無法承受較大的彎曲載荷，若要改善其受力情況，最簡單的方法是在箱型結(jié)構(gòu)兩側(cè)加裝斜撐。經(jīng)計(jì)算得知，箱型結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)加裝斜撐后，車身骨架的彎曲剛度提升21.75%，扭轉(zhuǎn)剛度提升0.13%，且底架各總成桿件的平均應(yīng)力值降低11.24%。

若同時大幅提升車身骨架的扭轉(zhuǎn)剛度，就需要在底架縱梁上的各個箱型結(jié)構(gòu)加裝斜撐。這樣會導(dǎo)致中央龍骨兩縱梁之間的空間無法被利用，降低了底架貨艙的有效容積。而底架貨艙的大容積設(shè)計(jì)是研發(fā)新車型的關(guān)鍵目標(biāo)之一，因此在箱型結(jié)構(gòu)兩側(cè)加裝斜撐的方案不能優(yōu)先考慮

4.2 方案二

為了進(jìn)一步加強(qiáng)車身結(jié)構(gòu)的承載能力，筆者提出了“脊柱龍骨式”結(jié)構(gòu)布置方案，以實(shí)現(xiàn)車身骨架的優(yōu)化設(shè)計(jì)?！凹怪埞鞘健苯Y(jié)構(gòu)是將半掛車支撐腿后側(cè)到第一板簧懸架前側(cè)的底架中央龍骨的兩條縱梁同時平移到車身縱向中心線直至重合，從而形成中部單縱梁的底架龍骨結(jié)構(gòu)。在單縱梁的格柵中加裝斜撐，將原有的貫通式貨艙改為左右分段式貨艙。既不影響貨物的裝卸，同時也能最大限度地保證底架貨艙的有效容積。改進(jìn)后的車身底架結(jié)構(gòu)如圖4所示。改進(jìn)同時對底架橫斷面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，如圖5所示。由研究數(shù)據(jù)可知，類似于正三角形結(jié)構(gòu)且具有縱梁支撐的斜撐在承受載荷作用時，其整體剛度會得到明顯提升[5]。

4.3 兩種方案對比

改進(jìn)前車身底架貨艙總?cè)莘e為7.54 m3；若按照方案一改裝，底架貨艙總?cè)莘e為4.60 m3，較改進(jìn)前底架貨艙容積下降38.9%；若按照方案二改裝，底架貨艙總?cè)莘e為7.06 m3，較改進(jìn)前底架貨艙容積下降6.36%。

由上可知，在盡量不減少底架貨艙總?cè)莘e的前提下，與僅加裝斜撐的方案相比，采用脊柱龍骨式車身結(jié)構(gòu)的布置方案更為可行。

5 脊柱龍骨式車身骨架分析

5.1 靜力學(xué)分析

通過有限元軟件的后處理對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，得出改進(jìn)后的脊柱龍骨式車身骨架在彎曲、彎扭兩種典型工況下的應(yīng)力云圖和位移云圖，如圖6所示。

由應(yīng)力云圖可知，兩工況下的較大應(yīng)力部位均出現(xiàn)在車身底架貨艙后壁與前懸架支撐部件的結(jié)合處以及牽引銷板附近的支撐桿件，其最大應(yīng)力值為207.5 MPa，均能夠滿足車身的強(qiáng)度要求。

5.2 模態(tài)分析

對改進(jìn)后的車身骨架模型進(jìn)行自由模態(tài)分析，并提取前6階計(jì)算結(jié)果，如表1所示。

車身骨架的動剛度特性通常可用其低階自由模態(tài)的固有頻率表示，重點(diǎn)考察模型的1階扭轉(zhuǎn)頻率與1階彎曲頻率是否分布在合理的范圍內(nèi)(即兩頻率是否會發(fā)生耦合)。從分析結(jié)果可知，其低階固有頻率均落在較合理的范圍內(nèi)，且1階扭轉(zhuǎn)與彎曲固有頻率錯開1.5 Hz以上，降低了車體發(fā)生共振的概率。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，1階扭轉(zhuǎn)頻率與1階彎曲頻率較原結(jié)構(gòu)分別提高了0.88 Hz和0.18 Hz，動剛度特性均有所提升[6]。

表1 車身自由模態(tài)計(jì)算結(jié)果

5.3 數(shù)據(jù)處理

結(jié)合仿真數(shù)據(jù)，利用數(shù)學(xué)軟件對兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，繪制出原結(jié)構(gòu)（雙層龍骨式）與改進(jìn)結(jié)構(gòu)（脊柱龍骨式）在彎曲、彎扭兩工況下的車身骨架桿件應(yīng)力分級對比柱狀圖，如圖7、8所示。改進(jìn)前后車身骨架各總成桿件在兩工況下應(yīng)力分布的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析及對比分別如表2、3所示。

表2 改進(jìn)前后車身骨架應(yīng)力分布統(tǒng)計(jì)對比（彎曲）

表3 改進(jìn)前后車身骨架應(yīng)力分布統(tǒng)計(jì)對比（彎扭）

6 結(jié)語

對比結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的車身骨架在彎曲、彎扭兩工況下的計(jì)算結(jié)果可知：

a. 從零部件應(yīng)力分級對比圖中可看到，改進(jìn)后的車身骨架零部件高應(yīng)力數(shù)量明顯少于原結(jié)構(gòu)。

b.從零部件高應(yīng)力及其部位來看，雖然改進(jìn)后的零部件高應(yīng)力部位與原結(jié)構(gòu)基本一致，但其應(yīng)力值卻普遍低于后者。

c. 由應(yīng)力分布的統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)可知，在兩工況下，無論是整體還是各總成部件的平均應(yīng)力值，改進(jìn)結(jié)構(gòu)較原結(jié)構(gòu)均有不同程度的降低。尤其是在彎扭工況下，車身整體結(jié)構(gòu)的平均應(yīng)力值下降42.36%，說明改進(jìn)后車身骨架的整體應(yīng)力水平得到很大改善。且在彎扭工況下，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差較原結(jié)構(gòu)降低38.21%，說明車身應(yīng)力的離散度減小了，整車的應(yīng)力分布更趨于均勻，強(qiáng)度分布更趨于合理。

d. 輕量化是研發(fā)新型物流專用半掛車的重要設(shè)計(jì)目標(biāo)之一。車身骨架自重的降低，不但節(jié)約原材料、降低生產(chǎn)成本，還能提升整車的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，為用戶快速回收購車成本創(chuàng)造了條件。在承載能力不變的情況下，原車型結(jié)構(gòu)較普通廂式半掛車減輕自重約35%，而結(jié)構(gòu)改進(jìn)后自重又能降低近70 kg，實(shí)現(xiàn)輕量化的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

綜上所述，無論是在強(qiáng)度特性、應(yīng)力水平、輕量化設(shè)計(jì)還是結(jié)構(gòu)動剛度特性等方面，脊柱龍骨式車身結(jié)構(gòu)的布置方案均優(yōu)于原結(jié)構(gòu)。

[1] 王偉,王鐵,申晉憲.從故障車輛看半掛車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路[J].專用汽車,2011(3):63-64.

[2] 姚成,朱銘.承載式客車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].中國客車行業(yè)發(fā)展論壇2007年中國客車學(xué)術(shù)年會論文集,2007:46-50.

[3] 范葉,楊沿平,孟先春,等.汽車輕量化技術(shù)及其實(shí)施途徑[J].汽車工業(yè)研究,2006(7):40-42.

[4] 王偉,王鐵,申晉憲.新型全承載式半掛車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].專用汽車,2011(6):56-57.

[5] 王丹陽.承載式客車車身結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算方法研究[D].吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文,2009.

[6] 李德信,呂江濤,應(yīng)錦春.SX360自卸車車架異常斷裂原因分析[J].汽車工程,2002(4):57-59.