基于車頂抗壓強度的房車結構設計與優(yōu)化*

宋明亮，鄭國君,靳春寧，胡 平

(1.大連理工大學汽車工程學院，大連 116024； 2.大連理工大學建筑與藝術學院，大連 116024)

2016130

基于車頂抗壓強度的房車結構設計與優(yōu)化*

宋明亮1,2，鄭國君1,靳春寧1，胡 平1

(1.大連理工大學汽車工程學院，大連 116024； 2.大連理工大學建筑與藝術學院，大連 116024)

針對目前房車設計缺少相關標準和法規(guī)依據(jù)的現(xiàn)狀，首先根據(jù)市場定位選定基礎車型，進行車身造型和車廂結構設計；參考GB 26134—2010和FMVSS 216a等標準，對頂部結構進行正中施壓和偏置施壓的仿真分析，進行框架布局和板件厚度多目標優(yōu)化，并對優(yōu)化結果進行自由模態(tài)和剛度的驗證。結果表明：該方法不僅對房車改型設計有一定的指導意義，同時能夠實現(xiàn)房車頂部承壓結構的優(yōu)化，具有較高的工程實用性。

房車；車頂抗壓強度；結構優(yōu)化

前言

房車是現(xiàn)代人旅游、度假的交通與居住手段的結合體。在美國和歐洲，房車已經(jīng)成為人們休閑旅游甚至日常生活中的重要設施。隨著我國旅游業(yè)的蓬勃發(fā)展，房車在國內(nèi)也逐步得到了重點關注[1]。房車主要可分為兩大類，即自行式房車和拖掛式房車。其中自行式房車擁有完整的發(fā)動機和底盤，兼顧了住宿和運輸；而拖掛式房車則需要專門的機械車輛進行牽引。自行式B型房車也被稱為“廂式露營車”，是在中小型廂式車的基礎上改裝而成的。該型房車在經(jīng)濟性、通用性和操作性等方面具有顯著的優(yōu)點，目前在我國得到了大量改裝廠的青睞，并形成了一定的規(guī)模。

由于車輛在公路上行駛時，有可能會因為路面情況或者高速轉彎發(fā)生翻車事故，其車架頂部受沖擊載荷發(fā)生大變形，從而對乘員構成嚴重傷害[2-3]。為了保護乘員在翻車事故中的安全，國內(nèi)外針對車頂強度進行了大量研究[4-6]。

當前國內(nèi)市場上出現(xiàn)的廂式房車，幾乎都屬于改裝車輛，針對其進行的車頂抗壓強度研究還比較少，且沒有專門針對房車的法規(guī)標準，因此本文主要參考GB 26134—2010《乘用車頂部抗壓強度》[7]和FMVSS 216a(美國聯(lián)邦機動車標準)對房車的頂部抗壓進行分析，并以頂部抗壓強度為約束條件對其進行優(yōu)化設計。

本文中闡述了國內(nèi)首臺承載式車身底盤自動擋自行式房車的研制過程。首先通過法規(guī)標準需求和市場定位選定基礎車型，并在此基礎上進行房車造型設計和車身框架結構原型設計；然后基于頂部抗壓分析結果，實現(xiàn)框架結構的輕量化與可行性設計；最后選擇優(yōu)化后的車身框架設計方案，結合玻璃鋼材料制作房車車廂表皮完成了樣車試制。

1 房車原始車型選擇與造型設計

通過調(diào)研國內(nèi)外房車產(chǎn)品，結合我國房車市場產(chǎn)品現(xiàn)狀，考慮車輛舒適性和車體長度等因素制定研發(fā)目標為：C駕駛證可駕駛的承載式車身底盤、自動擋自行式房車。首先根據(jù)我國駕駛證準駕規(guī)范，C駕駛證人員駕駛車輛車長≤6m，乘坐人員≤9人，車輛載質量≤4 500kg，選擇某款商務車為改裝原型，如圖1所示。

根據(jù)我國道路相關法規(guī)及原車數(shù)據(jù)，綜合考慮車內(nèi)人機空間和車輛質心等問題，最終制定房車尺寸為5 990mm×2 120mm×2 755mm，整車整備質量定為2 525kg。保持原始車型的底盤和駕駛室部分不變，截掉廂式車廂，根據(jù)房車內(nèi)部空間需求進行房車車廂的設計，圖2為改裝后原車保留下來的主要結構框架，圖3為房車車身外形的設計示意圖。

2 房車車廂骨架初始設計

車廂和內(nèi)部家居的布置，必然要對原車身后部進行重大修改。為確保整車性能與剛度，使用鋁合金方管構成車廂骨架，與原車身駕駛室的B柱后端接頭處采用鉚接與結構膠進行緊固連接，底部框架與原車地板和地板下部支撐橫梁采用結構膠與螺栓的混合連接方式，從而使原車身與改裝骨架構成一體連接。該方案一方面利于與房車外表面造型保持一致，另一方面也有利于形成堅固的車廂、駕駛室一體化結構。圖4為幾種連接方案的示意圖。

為簡化設計方案，可初步設定鋁合金矩形管截面尺寸均為30mm×30mm，厚度均為2mm。圖5為房車車廂框架結構初始設計。

3 房車頂部強度仿真分析

3.1 房車有限元模型

車身外表面采用了較薄的玻璃鋼以利于快速成形，首先按照表1所示的標準進行有限元網(wǎng)格劃分。

表1 單元劃分標準

最終得到的模型共有354 922個單元，359 071個節(jié)點，采用BEAM(LSDYNA-MAT100號材料)單元模擬原始骨架間的焊接，采用RIGID(*CONSTRAINED_NODAL_RIGID_BODY)單元模擬鋁合金框架與原車框架間的螺栓連接。

原車底盤框架結構采用低碳鋼鋼板，車廂框架采用鋁合金管材，車身外殼采用玻璃鋼，各部分材料參數(shù)如表2所示[8]。

表2 房車主要的材料參數(shù)

3.2 頂部抗壓分析

根據(jù)GB 26134—2010，試驗時將車輛剛性固定在剛性平面上，同時將活動車頂或可拆卸車頂固定在乘員艙頂部，拆除車頂行李架或其它不屬于車頂結構的部件。

3.2.1 頂部正中施壓仿真分析

車身頂部承壓能力與車輛頂部結構直接相關。為綜合考察車頂結構性能，保持車身頂部結構完整，采用剛性壓力板沿著垂向緩慢均勻的下移，對車頂施加載荷。仿真過程中，在不考慮材料應變率的前提下，可通過提高加載速度縮短仿真時間[9-10]，剛性壓力板下壓速度為1m/s，加載時間為0.15s，壓力板總位移為150mm，圖6為車頂和框架變形云圖，圖7為車身頂部正中施壓試驗的位移載荷曲線。

3.2.2 頂部偏置施壓仿真分析

按照GB 26134—2010要求定位加載裝置：裝置下表面為1 829mm×762mm的平整矩形表面；剛性板的縱軸與穿過汽車縱向中心線的垂直面平行，并且在側視圖中，縱軸前傾角為向下5°；在正視圖中，剛性板橫軸的外傾角為水平向下25°；剛性板縱軸的最前端比剛性板與汽車車頂加載的初始點向前254mm。為消除車身側向移動，對其框架底部施加剛性固定約束。與車頂正中施壓一樣，仿真過程中剛性壓力板下壓速度為1m/s，加載時間為0.15s，壓力板總位移為150mm，圖8為車頂偏置施壓的變形云圖，圖9為車頂偏置施壓的位移載荷曲線。

從圖9可見，在頂部被壓至127mm時，頂部接觸力始終低于22 240N，這說明車頂前段結構不滿足GB 26134—2010的要求。從圖8所示的變形云圖可見，參與頂部受壓變形的頂部框架結構主要集中在與B柱相連接的車廂頂部前部區(qū)域，說明該區(qū)域的強度需要進行有效加強。同時，從圖9可見，受壓變形的前60mm的接觸力很低，這主要是因為車廂前部區(qū)域的玻璃鋼外殼與鋁合金框架之間具有較寬的距離，而玻璃鋼車身外殼抵抗變形的能力較低，在鋁合金框架未參與變形之前，其抵抗變形能力非常有限。因此，后續(xù)優(yōu)化設計的主要任務就是改進車身造型和框架的拓撲結構和尺寸。

4 房車頂部結構優(yōu)化

根據(jù)前面分析結果可知，該房車的原始框架不能滿足車頂抗壓強度需求，因此，需要針對車身造型、框架拓撲結構和鋁合金管材尺寸、厚度等進行優(yōu)化。

首先從圖9的分析結果可知，為提高受壓變形量60mm之前的承載力，需要縮小外殼與骨架之間的間隙，考慮到車身外殼造型的美觀需求，只能通過調(diào)整鋁合金框架的拓撲結構，以實現(xiàn)縮小該間隙的要求。然后還需要通過改變框架結構厚度的匹配進一步優(yōu)化，以承載系數(shù)作為優(yōu)化目標，其計算公式為

(1)

式中：K為承載系數(shù)；F為車頂最大承載力；M為整車整備質量；g為重力加速度，取9.8m/s2。

按照受力情況和拓撲結構，將車廂框架鋁合金管劃分為共6大類，如圖10所示，圖中不同線型表示不同厚度。

4.1 優(yōu)化模型

優(yōu)化分析的目的在于讓車頂強度滿足GB 26134—2010的情況下，盡可能少地增加框架質量，其優(yōu)化模型定義如下：

1.2.9 高頻聽力損失診斷標準純音聽閾測定結果參照 《職業(yè)性噪聲聾診斷標準》(GBZ49—2007)表A.1進行年齡、性別修正。雙耳3000 Hz、4000 Hz、和6000 Hz高頻頻段平均聽閾≥25 dB(HL)者定為高頻聽力損失。

(2)

式中：MFrm為鋁合金框架總質量；Ti為鋁合金管厚度；K1為正中施壓承載系數(shù)，此處可按照FMVSS 216a取值3.0；K2為偏置施壓承載系數(shù)，綜合考慮到目前法規(guī)標準需求，可按照GB 26134—2010取值為1.5。為提高優(yōu)化分析效率，本文中采用代理模型法對其進行優(yōu)化求解，即通過對試驗點的數(shù)值模擬，擬合目標、約束與設計變量之間的函數(shù)關系式(響應面函數(shù))，進而將仿真優(yōu)化轉化成回歸函數(shù)的優(yōu)化[11-12]。

4.2 試驗設計方案

對設計變量進行6因素4水平的正交試驗設計，共32組，表3為部分試驗點取點分布。

4.3 近似模型與優(yōu)化結果分析

對MFrm和K采用二次多項式回歸模型：

表3 正交試驗表格

(3)

式中：f(x)為目標函數(shù)；m為設計變量個數(shù)，取m=6；β為多項式系數(shù)；xi為第i個設計變量，在本文中為各鋁合金管不同厚度。

對其回歸模型用決定系數(shù)和調(diào)整系數(shù)進行精度檢查，然后通過遺傳算法對近似模型進行優(yōu)化并求得優(yōu)化解，如表4所示。考慮到鋁合金管材的實際厚度，還需要對優(yōu)化結果進行調(diào)整。

表4 優(yōu)化分析結果 mm

將表4所得的實際優(yōu)化值代入上述有限元模型，對優(yōu)化分析結果進行驗證，結果如圖11和圖12所示。

由圖可見，正中承壓載荷同時滿足GB 26134—2010和FMVSS 216a的要求，偏置承壓載荷滿足GB 26134—2010要求，但略低于FMVSS 216a要求。由于房車的頂部空間比通常的乘用車頂部空間大，在頂部受壓過程中，其內(nèi)部剩余空間相當充裕，因此目前的優(yōu)化結果基本符合頂部抗壓強度的要求。另外，從圖13的能量吸收情況可見，沿Z向分布的鋁合金管(圖中的側邊框架)在受壓變形中吸收能量遠高于頂部和底部框架，其強度和厚度對于車頂抗壓具有非常重要的影響，因此設計時應注意加強Z向分布鋁管的強度。

表5為鋁合金框架優(yōu)化前后的質量變化情況。

表5 鋁合金車身框架質量統(tǒng)計 kg

同時，為進一步考察房車框架的靜態(tài)性能，分別對其進行了自由模態(tài)分析、扭轉剛度分析和彎曲剛度分析，其結果如表6和表7所示。

表7 剛度分析結果

從表5～表7可看出，優(yōu)化之后車身結構的剛度和低階模態(tài)基本上與原始結構相當，但總質量有一定程度上的降低。

5 樣車試制

玻璃鋼由樹脂、增強材料和多種輔助成份組合而成，其具有的質量輕、成形性能好、防腐蝕性等優(yōu)點，使其在客車車身，比如前后圍等[13-14]已經(jīng)得到了大量的應用。本次樣車試制根據(jù)頂部抗壓分析結果，選擇優(yōu)化后的車身框架設計方案，結合玻璃鋼材料制作房車車廂表皮完成了樣車試制，如圖14所示。

6 結論

本文中闡述了承載式車身底盤自動擋自行式房車的研制過程，在房車框架設計過程中，參考GB 26134—2010和FMVSS 216a等標準，利用有限元數(shù)值仿真技術對房車頂部抗壓強度進行了詳細分析和有效優(yōu)化。

(1) 采用玻璃鋼車身需要考慮車身外殼與結構框架之間的間隙，尤其是車頂部分，過大的間隙會嚴重影響到車頂抗壓強度。

(2) 沿Z向分布的鋁合金管厚度對于車頂抗壓結果具有非常重要的影響，框架設計時應重點考慮通過提高Z向分布的強度，以更好地滿足車頂抗壓強度。

(3) 自行式房車車廂可供乘員乘坐，但目前尚無房車相關的法規(guī)標準，本文中參考GB26134—2010和FMVSS 216a對其頂部抗壓強度進行了分析，結果表明，自行式房車的頂部空間較大，能夠很好地滿足頂部抗壓需求，但未結合側面碰撞防護、尾部碰撞防護來綜合考慮整車耐撞性，同時針對玻璃鋼的斷裂失效模式及仿真參數(shù)的精確標定，也是下一步研究工作的重點內(nèi)容。

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Design and Optimization of Recreational VehicleStructures Based on Roof Crush Resistance

Song Mingliang1,2, Zheng Guojun1, Jin Chunning1& Hu Ping1

1.SchoolofAutomobileEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024;2.SchoolofArchitecture&FineArt,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024

In view of the present situation that the design of recreational vehicle lacks standard or regulation basis, a base vehicle model is selected first according to market positioning, and its body styling and structural design are conducted. Then simulations are performed on roof structure under both central and offset crushing conditions with GB 26134—2010 and FMVSS 216a as references. Multi-objective optimizations on skeleton layout and panel thicknesses are performed with their free-mode frequencies and stiffness verified. The results show that the method adopted not only has certain guiding significance for retrofit design, but can also achieve the optimization of load-bearing roof structure of recreational vehicle, with rather high engineering practicality.

recreational vehicles; roof crush resistance; structure optimization

*國家自然科學基金青年基金(51405060)資助。

原稿收到日期為2015年4月27日，修改稿收到日期為2015年7月13日。