启飞汽车

　　近年来，随着汽车工业的迅速发展，世界性能源问题、环境保护问题变得越来越突出。于是，减轻汽车自重、降低油耗和废气排放量就成为各大汽车生产厂商提高竞争能力的关键。

 

　　汽车行业多年来一直在促进汽车的轻量化，而车身作为汽车上三大部件之一，已越来越受到重视。采用铝合金材料制造汽车车身，在保证其具有与钢材同样强度和刚度的前提下，可以有效减轻车身质量，从而达到减少燃料消耗、降低环境污染的目的。相对于一般钢材，铝合金材料具有较高的比强度，虽然弹性模量低，但有很好的挤压性，能得到复杂截面的构件，从结构上补偿部件的刚度，因而可在满足刚性及强度等多方面力学性能下，大大降低材料的消耗及构件的质量。所以汽车车身的铝合金化对减轻汽车自重具有重要意义，也是近几年来国际汽车领域的一个研究热点。

 

　　2.钢结构客车车身

 

　　本文所述钢结构公交客车车身采用半承载式车身，车身骨架分为前围总成、后围总成、左/右侧围总成、顶盖总成、地板总成和中隔墙总成七部分。各骨架总成采用矩形钢管焊接而成，然后在底盘上拼焊成整个车身骨架，车身骨架与底盘牛腿之间进行焊接连接。动力电池布置在发动机舱上方，采用中隔墙将其与乘客区进行隔离。

 

　　3.铝合金材料确定

 

　　与钢结构客车相比，铝合金客车仍然采用半承载式车身结构，车架为高强度钢结构，车身为骨架加蒙皮的结构形式。不同之处在于，车身骨架采用铝合金挤压型材焊接而成，而蒙皮采用铝合金板材铆接在骨架上，整个车身与车架之间采用铆接固定。

 

　　铝合金挤压型材被广泛应用于建筑、交通运输、电子、航天航空等领域，尤其是6系铝合金由于其优秀的可挤压性、良好的耐腐蚀性和表面处理性，应用更为广泛，占铝合金挤压制品的80%以上。

 

　　6系某牌号铝合金是应用最广，综合性能最好的挤压材料，有一定强度，可焊性和抗蚀性高，因此优选其作为铝合金客车的车身骨架材料。其在T6状态的屈服强度为255Mpa，抗拉强度为290Mpa。但由于该公交客车为焊接式车身结构，根据铝合金焊接试验分析结果得知焊接部位的强度降为原材料强度的70%左右，因此在CAE分析时应考虑焊接对材料应力极限的影响，以178.5Mpa和203Mpa作为屈服强度和抗拉强度的评价标准。

 

　　铝合金板材作为车身外覆盖件，在国外主要为6系合金，主要牌号为6111、6016及6022，但此类材料目前在国内尚处于研发阶段，成本偏高，无法推广应用。相比较而言，5系合金具有成本低，同时具有良好的成形加工性能、抗蚀性、可焊性、疲劳强度和中等的静态强度，适合应用于表面较平整，无复杂曲面的客车车身蒙皮上。综合考虑，采用5系铝合金板材作为客车蒙皮材料。

 

　　4.钢结构客车CAE分析

 

　　在设计铝合金车身前，先进行钢结构车身的CAE分析，了解并掌握该车身的性能情况，为铝合金车身的性能指标设定提供依据。对钢结构车身进行了10个工况分析，以及模态和刚度计算。

 

　　4.1有限元建模

 

　　在静态应力分析时使用前处理工具HyperMesh进行网格划分，如图2所示，CAE网格主要包括骨架、蒙皮和其它部件三部分。车身骨架的大部分都是薄壁件，于是采用壳单元进行建模，以四边形为主，三角形为辅。划分网格前先抽取薄壁零件的中面，再在中面上划分网格。

 

　　考虑到客车车身的实际尺寸，有限元模型的精确度，网格划分标准如下要求：

 

　　（1）网格尺寸20mm，最小尺寸5mm，最大尺寸40mm；骨架每个方向上至少有2～3排单元；

 

　　（2）翘曲度（warpage）<10°；

 

　　（3）长宽比（aspect）<4，特殊情况以及焊缝单元除外；

 

　　（4）最小角（min angle）>30°；

 

　　（5）三角形比例（tri3 ratio）<0.5%；尽量避免使用三角形单元。

 

　　钢结构客车通过有限元建模共计生成753320个节点和122.9万个网格，可见CAE数据非常大。

 

　　CAE建模所需材料的性能参数如表1所示：

 

　　考虑到该车的使用环境，根据其设计参数和实验数据设定10个有限元强度分析工况：

 

　　工况一描述：前向制动，模拟客车额载在水平路面急停时的情况，要承受向前0.8G的惯性力；

 

　　工况二描述：后向制动，模拟客车额载在水平路面急停时的情况，要承受向后0.5G的惯性力；

 

　　工况三描述：加速，模拟客车额载在水平路面加速行驶时的情况，要承受1.0G的加速惯性力；

 

　　工况四描述：右转向，模拟客车额载在水平路面右转向行驶时的情况，要承受侧向0.5G的惯性力；

 

　　工况五描述：左转向，模拟客车额载在水平路面左转向行驶时的情况，要承受侧向0.5G的惯性力；

 

　　工况六描述：1G垂向载荷，模拟客车额载在水平路面静止或者匀速直线行驶时的情况，要承受1.0倍车重的垂向载荷；

 

　　工况七描述：2G垂向载荷，模拟客车额载在水平路面直线行驶时遇到类似减速带之类的突起，将承受2.0倍车重的垂向载荷；

 

　　工况八描述：2G前扭转，模拟客车额载行驶在凹凸不平路面上左右车轮上下错动，前后车桥轴线不平行，形成对车身和车架的扭转载荷；

 

　　工况九描述：2G后扭转，模拟客车额载行驶在凹凸不平路面上左右车轮上下错动，前后车桥轴线不平行，形成对车身和车架的扭转载荷；