（机械工程专业论文）全承载全铝客车辐射轻量化研究.pdf

工程硕士学位论文 摘要 当代汽车都朝着安全、节能、环保的方向发展。纯电动城市公交客车在环保、 节能方面的作用毋庸置疑，其轻量化发展亦受到人们越来越多的关注。车身作为 最主要的承载结构件，纯电动客车采用全承载全铝车身，可有效减轻骨架重量， 对提高整车性能、增加续驶里程都有着重要意义。 传统客车研发需要进行设计、实验反复改进，研发成本大、周期长。而全铝 车身具有独特的结构、连接性能及不同的失效模式，因此不能完全依靠传统钢车 身的经验来进行设计。 随着有限元理论及有限元软件的发展，将有限元分析技术运用到汽车的研发， 在缩短开发周期，降低研发成本，优化车身结构，提高车身性能，进行轻量化研 究等方面，都起着非常重要的作用。 目前，国内外的全承载全铝客车的轻量化研究还是一个难点，更需要运用有 限元进行分析与优化，以降低开发风险。 本文主要就全承载全铝客车车身骨架进行轻量化研究，主要的研究内容如下： l 、全承载全铝客车车身有限元简化建模研究。根据铝合金车身结构及连接 件的特点，进行全承载全铝车身的有限元简化建模技术研究，提高计算的效率与 精度。 2 、全承载全铝客车车身结构性能研究。研究工况包括：满载工况、极限扭转 工况、左转弯工况、紧急制动工况。从这四个工况分析全铝车身强度、开口刚度， 找出全铝车身结构性能不足的地方，为全铝车身结构的改进提供依据。 3 、全承载全铝客车车身结构的改进、优化。首先进行全铝车身的拓扑优化； 其次，根据拓扑优化结果与结构性能分析结果，对全铝车身骨架结构及其连接进 行改进和优化，提高结构性能，降低车身质量；最后，验证改进后的全承载全铝 车身的结构性能，符合设计要求。 全承载全铝车身结构性能较好，车身骨架总重2 3 1 6 k g ，与同类全承载钢车身 相比轻了1 6 7 4 k g ，轻量化程度达到了4 1 9 5 ，减重效果较好。 关键词：全铝车身；轻量化；拓扑优化：强度分析；刚度分析 l i a b s t r a c t i nt h ec o n t e m p o r a r y ，v e h i c l e sd e v e l o p t o w a r d ss a f e t y ，e n e r g ys a v i n g ， e n v i r o m n e n t a lp r o t e c t i o n p u r ee l e c t r i cb u sp l a y sas i g n i f i c a n tr o l ei ne n v i r o n m e n t a l d r o t e c t i o na n de n e r g ys a v i n g ，a n dm e a n w h i l el i g h t w e i g h td e v e l o p m e n t a l s og e t sm o r e a n dm o r ea t t e n t i o nf r o mp e o p l e a st h eb u sb o d yi st h em a i nl o a d - b e a r i n gs t r u c t u r e a l u m i n 啪b u sb o d yi su s e dt o r e d u c et h ew e i g h to ft h eb o d ya n d h a v eg r e a t s i g n i f i c a n c ei ni m p r o v i n g v e h i c l ep e r f o r m a n c ea n di n c r e a s i n gm i l e a g e t h e r ea r cal o to fe x p e r i m e n t sa n dd e s i g ni nt h ec l a s s i c a lr e s e a r c ho f b u s ，w h i c h w o u l dw a s t el o t so ft i m ea n dc o s t a st h eu n i q u es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e a l u m i n u mb u sb o d yc a n n o tb ed e v i s e d i nt h et r a d i t i o n a lw a y w i t ht h ed e v e l o p m e n to ff i n i t ee l e m e n tt h e o r ya n dt h es o f t w a r e ，f i n i t ee l e m e n t a n a l v s i st e c h n o l o g yh a sb e e na p p l i e d t ot h ev e h i c l er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t i t p l a y sak e yr o l ei ns h o r t e n i n gt h ed e v e l o p m e n tc y c l e ，r e d u c i n gt h e c o s to fr e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n t ，o p t i m i z a t i o no fb o d ys t r u c t u r e ，i n c r e a s i n gp e r f o r m a n c eo f b u sb o d y a n dt h el i g h t w e i g h te x a m i n a t i o ne t c c u r r e n t l y ，t h er e s e a r c ho fa l u m i n u mb u sb o d yi s ad i f f i c u l t yi nt h ew o r l d i ti s m o r ei m p o r t a n tt h a tr e s e a r c ht h ea l u m i n u mb u sb o d yb yf i n i t e e l e m e n tt h e o r y ，t o d e c e a s et h er i s ko fd e v e l o p m e n t t h i sa r t i c l em a i n l ya i m sa tt h el i g h t w e i g h to f b u sb o d yf r a m e ，t h em a l nr e s e a r c h c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y ，f i n i t ee l e m e n tm o d e lo ff u l ll o a db e a r i n ga l u m i n u m b u sb o d y b a s eo nt h e p h y s i c a lp r o p e r t i e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fa l u m i n u mb u sb o d y , p r e d i g e s t i o n o ff i n i t e e l e m e n tm o d e lo fa l u m i n u mp a r t sh a sb e e nd o n e ，w h i c ha i ma t t h ee f f i c i e n c ya n d a c c u r a c y s e c o n d l y p e r f o r m a n c ea n a l y s i s o fb u sb o d ys t r u c t u r e a n a l y s i so 士w o r k l n g c o n d i t i o n si n c l u d e ：b e n d i n gc o n d i t i o n ，l i m i t e d t o r s i o nc o n d i t i o n ，l e f tt u r n i n g c o n d i t i o n ， a n de m e r g e n tb r a k i n gc o n d i t i o n s o m ed a t aa r ec a l c u l a t e d ， s u c ha s s t r e n g t h ，s t i f f n e s so fa l u m i n u mb u sb o d y t h es h o r t a g eo fa l u m i n u m b o d ys t r u c t u r e c a nb ef o u n dt oi m p r o v i n gt h eb u sb o d ys t r u c t u r e t h i r d l v ，t h ei m p r o v e m e n ta n do p t i m i z a t i o n o fa l u m i n u mb u sb o d ys t r u c t u r e b a s e do nt h et o p o l o g yo p t i m i z a t i o n a n da n a l y s i so ft h eb u sb o d y ，1 m p r o v et h e s t r u c t u r ea n dc o n n e c t i o no fa l u m i n u mb u sb o d y t h ea l u m i n u m b u sb o d yg e tl i g h t e r ， i i i 工程硕士学位论文 a n dt h e nt h ep e r f o r m a n c eo ft h en e wb u sb o d yh a sb e e nc h e c k t h ef i n a la l l a l u m i n u mb u sb o d yh a sah i g hs t i f f n e s sa n ds t r e n g t h t h eb o d y w e i g h t s2 316 k g c o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a lf u l l b e a r i n gs t e e l b o d y ，l i g h t w e i g h t e x t e n th a sa t t a i n e d4 1 9 5 l i g h t w e i g h te f f e c ti ss a t i s f a c t o r y k e y w o r d ：a l u m i n u mb u sb o d y ；l i g h tw e i g h t ：t o p o l o g yo p t i m i z a t i o n ；s t r e n g t h a n a l y s i s ；s t i f f n e s sa n a l y s i s i v 工程硕士学位论文 1 1 引言 第l 章绪论 在交通工具飞速发展的今天，汽车已经越来越普及，给人们的出行带来了极 大的方便与快捷。汽车产业也已经成为国民经济的重要支柱性产业之一。据公安 部统计表明，截至2 0 1 1 年7 月底，我国机动车保有量己达2 1 7 亿辆。其中，汽车就 有9 8 4 6 万辆，摩托车更是多达1 0 2 亿辆，并且此势头还将以迅猛的速度增长。据 中国汽车工业协会统计表明，我国2 0 1 0 年的汽车产销量均已超过l8 0 0 万辆， 1 8 2 6 4 7 万辆的产量与1 8 0 6 1 9 万辆的销量这一数字已经超过美国历史上的产销最 高峰1 7 0 0 万辆，位居全球首位，中国成为了世界第一大汽车市场【1 2 1 。 然而，这一支柱产业增长的同时也带来了一系列的负面效应。汽车所造成的 公共环境危害以及能源的过度消耗更是其中两大突出的问题【3 。4 1 。车用燃油的消耗 占据着全球石油消耗量的很大一部分。据国际能源署统计数据表明，全球汽车所 消耗的石油已达到了每年9 0 亿桶的庞大数额，约占世界石油年总产量的4 0 ， 然而石油属于不可再生资源，石油资源的骤减导致当今社会石油的价格飞涨。从 环境的角度看，汽车每年排放的废气仅二氧化碳量就多达4 0 亿吨，占全世界二氧 化碳排放量的2 5 ，而其余的汽车排放物包括硫化物、氮化物、微粒等也是大气 受污的重要因素1 5 咱j 。因此汽车保有量的持续增长就导致了能源过快消耗以及环境 严重污染。在如此严峻的形势下，发展新能源汽车便成为了人类摆脱对石油的依 赖以及改善环境的必由之路1 7 j 。 纯电动汽车技术，因其具有噪声低、无污染、能源效率高以及能源来源多样 化等诸多优点，已被专家评为最具前途的新能源技术【8 - 9 1 。就我国国情出发，电动 公交客车的研发是我国电动汽车发展最好的切入点【l0 1 。而目前制约纯电动客车发 展的主要因素是续驶里程短i l 。增加续驶里程可从两方面入手，一是增加动力电 池容量，但整车质量会相应增加，将影响电动车的使用成本以及能源利用率，不 利于市场的开发应用。二是对客车进行轻量化设计，减轻车身的质量，汽车行驶 时的能量消耗与质量成正比，因此这是目前提高电动车的续驶里程、降低使用成 本最有效的方法之一i l2 | 。 要实现车身轻量化可从以下两方面进行研究。一是使用轻量化材料，包括使 高强钢等高强度材料、铝合金、镁合金、复合材料等低密度材料。二是设计更合 理的车身结构，例如国外就是使用的更合理低地板结构车身可很好的降低整车质 量【l3 1 4 】，再通过拓扑优化来优化整个车身结构进一步降低车身质量【l5 1 。 全承载全铝客车车身轻量化研究 传统客车的开发，需要进行大量的实车试验来验证车身结构性能，存在研发 成本高，研发周期长等缺点。而全铝车身具有独特的结构、连接性能及不同的失 效模式，因此不能完全依靠传统钢车身的经验来进行设计。如今，随着有限元方 法及其软件的发展，将有限元分析方法有效地运用到客车的研发中，可提前找到 设计的缺陷，减少实车的试验次数，用于指导设计，提高车身结构性能，有效地 降低了研发成本，缩短了研发周期。因此，有限元分析方法在现代汽车研发过程 中占据着越来越重要的地位。 目前，国内外的全承载全铝客车的轻量化研究还是一个难点，全铝客车更需 要运用有限元进行分析与优化，以降低开发风险。 1 2 客车车身轻量化发展概况及研究意义 1 2 1 纯电动客车轻量化意义 1 轻量化客车介绍【l 卅 城市公交客车朝着安全、节能、环保的方向发展。轻量化客车的出现则是环 保、节能这一方向的重要体现。客车轻量化是指在保证客车车身足够的刚度、强 度与安全性等性能的前提下，将占大部分重量的零部件，包括车身骨架、发动机、 轮毅等，采用轻量化材料或更优的结构来生产客车的技术，此类客车主要具有整 车质量低、强度高以及节能环保等特点。随着铝合金零件的制造及客车车身设计 技术的发展，以及石油等不可再生资源的减少，都将促进轻量化客车的研究与发 展，并逐步走向市场化。 2 国内外客车轻量化概况 国内外对于客车的轻量化有了许多研究，特别是国外的客车轻量化研究已经 取得了很大的进展，虽然我国客车轻量化的研究时间不长，但是也有不少成果。 以下为国内外铝合金材料应用于轻量化客车生产制造的概况： 瑞典的斯堪尼亚公司开发的轻型城市客车，车身采用了一种全铝的空间框 架结构。 芬兰的l a h d e n a u t o k o r i 客车崇尚于铝材的车身零件的应用，该公司在l9 6 7 年就开始尝试转配全铝车身，且取得了不错的效果。 马耳他的一家制造商采用轻型铝材生产了世界上的第一辆水陆两栖用巴 士。 衡山汽车公司于2 0 0 2 年制造了第一台国产的全铝合金车身客车。 中威客车有限公司与澳大利亚合作，成功研制的全铝豪华客车也己投放市 场。 2 0 0 8 年，国际第一大客车制造商郑州宇通集团携手美国美铝公司成功研发 2 工栏坝士学位论又 了新型节能环保全铝公交客车，奥运期间己在北京展出。以铝合金挤压型材为杆 梁件的车身骨架，采用焊接、铆接相结合的连接方式。 目前，国内外的轻量化技术途径主要有以下三点【1 7 1 ： 采用新型材料。如高强度钢、铝镁钛的合金以及纤维复合塑料等。 新型制造加工技术。例如先进的连接技术，可提高连接强度，减少材料的 使用；先进的零件制造技术，保证零件各部位的强度均衡下，减少材料的使用等。 优化结构设计。优化车身受力结构，提高承载度，尽量减少零件数量，尺 寸、形状的优化对单个零件的进一步轻量化等。 3 纯电动客车轻量化意义 安全、环保、节能乃当代汽车发展的主题。汽车所造成的公共环境危害以及 汽车对能源过度的消耗更是其中两大突出的问题【3 4 l 。从能源的消耗来说，车用燃 油的消耗占据着全球石油消耗量的很大一部分，众所周知石油是不可再生资源。 从环境的保护角度看，汽车排放的废气也是大气受污的重要因素【5 6 l 。为了资源节 约及环境的保护，纯电动汽车技术成为了城市公交客车发展的趋势。 目前电动车技术的发展主要还是受动力电源使用成本过高，续驶里程不够， 性能不理想等影响。电池能量密度小从而导致续驶里程不足，为实现基本的续驶 里程就必须增加电池组数量，这将造成整备质量的增加。一般1 2 米纯电动大客车 的整备质量在1 3 5 0 0 k g 左右，整备质量过大也将导致车辆在启动、加速和爬坡时 性能不理想等问题【1 8 - 2 0 1 。 目前，对车身骨架进行轻量化便是解决这些问题的有效途径之一【2 1 1 。 1 2 2 全承载技术及铝合金材料的轻量化应用意义 实现车身轻量化主要从以下两个途径着手：一是选用轻量化材料；二是设计更 合理的车身骨架结构，车身总质量约占汽车总重的4 0 2 2 】，车身的减重对于汽车 的轻量化具有举足轻重的意义。本文主要研究全承载全铝车身的轻量化效果，通 过分析全承载全铝车身结构性能，并进行改进，保证结构性能，降低质量【2 3 1 。 这种轻量化车身骨架可提高续驶里程、能源利用率，是纯电动客车车身结构发展 的方向。 1 全承载技术轻量化研究及意义 全承载技术源自于飞机设计技术，由凯斯鲍尔公司的设计师将飞机的封闭式 结构引入到客车车身设计中【2 4 1 。全承载客车车身没有大梁，其车身结构由底架和 车身组成。底架是由各个截面不同的桁架拼焊成，构成独特的桁架式结构和空间 薄壁杆件系统。车身包括左右侧围、前后围和顶棚，它们都分开独立制作，然后 将这五大片结构和底架拼焊合拢构成一个完整的承载结构【2 5 五7 1 ，当客车遇到碰撞 及侧翻时，瞬间撞击力可以通过整体格栅式的结构传递到其他部位，从而降低了 全承载全铝客车车身轻量化研究 撞击处的集中应力，同时可有效保证乘客的安全生存空间【2 引，有效增加了客车的 被动安全性能，故全承载车身的客车安全性能也更高。全承载整体车身结构的结 构性能比同质量的非承载结构要好，这是承载式车身减重的关键所在。全承载客 车具有三大特点：质量轻、材料利用率高、车身整体承载度高。 2 铝合金材料轻量化研究意义 铝合金作为汽车轻量化材料，主要有一下几大特点【2 9 l ： ( 1 ) 铝及其合金的物理特性。力学性能好，且密度只有2 7 t m 3 仅刚铁的密 度1 3 ；良好的机械加工性能及导热性能；表面自然形成的氧化膜使其具有很好 的防腐蚀效果；较好的铸造性能可获得薄壁复杂的铸造件。全铝车身结构性能好， 减重效果明显。 ( 2 ) 吸能效果好。在碰撞中，铝型材吸收冲击的能力接近钢的2 倍。全承载 全铝客车具有更好的碰撞安全性能。 ( 3 ) 铝的高回收、可再生。据相关资料分析，每年有近6 0 0 0 万辆的汽车投 入市场，而要保持汽车保有量的平稳增长，那么每年将有4 0 0 0 万辆汽车报废，因 此报废汽车的回收则尤为重要。汽车行业可持续性发展，要求汽车在制造、使用、 回收全部过程中节约资源、减少污染、加大回收再利用。对于资源的节约有重大 意义。 ( 4 ) 世界铝资源丰富，铝土矿山1 4 2 0 4 万吨。原铝的生产量2 6 1 0 万吨，再生 铝产量7 8 2 万吨，世界铝库存量3 4 4 万吨。国际市场对铝也是供大于求。2 0 0 3 年， 世界铝探明储量为2 3 0 亿吨。跟据美国地质调查局的估计，世界铝土矿总资源量约 存有5 5 0 亿 7 5 0 亿吨【30 1 。这么丰富的铝资源，是铝合金作为轻量化材料的最好 的原动力。 随着汽车轻量化的发展，汽车上铝合金的使用越来越广泛，替代其它的材料 ( 如钢、塑料等) 用作汽车零部件，全铝车身的应用也越来越广泛，铝合金成为轿 车、客车、列车等轻量化的首选材料。1 9 9 1 年欧美的轿车使用的铝合金达1 6 0 镑， 2 0 0 1 年轿车用铝合金达到2 4 5 磅【3 1 1 。美国汽车工程师d a v i ds c h o l e s 预测：未来， 轿车上任何一个零件都可能用铝合金制造，1 0 - 1 5 年后汽车上的铝合金含量将会 越来越高，甚至代替塑料制品【3 卜3 4 1 。铝合金作为车用轻量化材料已经成为不可阻 挡的趋势。 1 3 有限元分析方法简介及其应用意义 从上世纪4 0 年代初，有限元法就开始用于力学计算，h r e m k o f f 于1 9 4 1 年和 c o u r a n t 于1 9 4 3 年分别尝试用一维单元( 杆和梁) 和二维三角形单元求解连续体的受 力问题。但是直到1 9 5 6 年，t u r n e r 等人发表的经典论文才解答了关于利用二维三 角形单元求解平面应力的问题。19 6 0 年，c l o u g h 进一步解决了关于平面弹性问题， 4 t 程坝士学位论文 从此有限元方法开始受到工程技术领域的关注。不过早期的有限元法都是以虚功 原理为基础进行的计算、演变。在1 9 6 0 至1 9 7 0 年这十年间，基于各种变分原理的 有限元法得到了迅速发展。r j m e l o s h 等人基于位能原理建立了有限元位移模型； p i n a 基于余能原理建立了有限元平衡模型；y y a m a m o t o 、 r e j o n e s 等人基于修 正位能原理的基础上建立了混合有限元模型：l r h e r r m a n n 基于 h e l l i n g e r r e i s s n e r 原理建立薄板弯曲的混合型有限元模型；之后o c z i e n k i e w i e z 、 张佑启等人对有限元法又做了进一步研究与应用。此后有限元法有了坚实的理论 基础，在工程界开始获得了更广泛的研究与应用。 目前，有限元法是分析各种工程机械结构问题的最有效的工具。每个有限元 分析步骤可以用规范的矩阵形式来表达，最后求解的问题就成了求解矩阵方程的 代数问题，且特别适合于计算机的前处理编程及计算。随着计算机硬件及有限元 分析软件的高速发展，以及数值计算方法的不断发展与完善，运用有限元分析来 处理大型复杂问题己成为工程分析领域的常规工作【3 5 。3 7 】。 1 3 1 有限元方法应用意义 有限元法作为工程分析的最重要的数值计算方法之一，从上世纪4 0 年代至 今，经过近7 0 年的发展及完善，其理论已经发展成熟【3 8 】。大型复杂的机械工程 问题已可以找到合适的数值计算分析方法，并借助计算机求解分析技术进行工程 问题分析研究。有限元法已是如今工程分析应用中应用最为广泛、最有效的数值 计算方法，它的有效性和通用性使其在工程技术界越发受青睐。而有限元软件是 利用有限元理论来解决各种科学和工程实际问题，它使有限元方法从理论的指导 位置转化为直接推动科技进步和社会发展的技术先锋，发挥出了巨大的科技效果 和经济效益。 传统客车的开发，需要进行大量的实车试验来验证车身结构性能，存在研发 成本高，研发周期长等缺点。而如今，随着有限元方法及其软件的发展，将有限 元分析方法有效地运用到客车的研发中，可提前找到设计的缺陷，减少实车的试 验次数，用于指导设计，大大地降低了研发成本，缩短了研发周期。因此，有限 元分析方法在现代汽车研发过程中占据着越来越重要的地位。 目前，在汽车车身骨架设计中，国内各研究机构及个人利用有限元分析软件 在进行车身结构分析方面已取得不少成果3 9 。4 8 1 ，而在现代汽车轻量化设计中，特 别是对于车身骨架的设计及优化，有限元技术起到了重要的作用。目前，随着有 限元法及计算机硬件的发展，有限元分析软件在保证计算效率的同时，可提供高 计算精度的有限元模型，保证了计算精度。而准确的车身刚度、强度等结构分析 与结构优化方法相结合，可有效地减轻车身重量以及提高车身的强度、承载度等 整车性能【4 引。 全承载全铝客车车身轻量化研究 1 3 2 有限元基本思想理论 有限元法的基本思想是先将结构( 连续体) 离散为有限个单元体( 称为单元) ， 这些单元体之间在数量有限的指定点( 称为节点) 上互相连结，用所有这些单元体 组成的集合体代替原来的结构；然后把每个单元体上实际作用的外载荷按静力等 效原理分配到各单元的节点上，构成等效节点力，并按结构实际约束情况决定受 约束节点的约束。这一步通常称为结构离散化，有限元离散化过程实际上是将无 限个自由度的弹性体转化为有限个自由度单元集合体；再根据分块近似的思想， 选择一个简单的函数来近似的表示每个单元位移分量的分布规律，并按弹性力学 中的变分原理，建立起单元节点力与节点位移之间的关系( 单元刚度方程) ；最后， 把全部单元的节点力与节点位移之间的关系组成集合，就得到一组以结构节点位 移为未知量的代数方程组，并考虑结构约束情况，消去节点位移为零的方程，再 通过最后的代数方程组就可求得结构上有限个离散节点的位移分量，求得了结构 上各节点位移分量后，即可按单元的几何方程和物理方程求得各单元的应变和应 力分量。 有限元法得到的应力和位移一般都是近似值。当单元划分得足够多，有限元 模拟足够准确，单元位移函数选择合理时，其有限元法分析得到的结果非常接近 实际值，能够完全满足于解决实际工程问题的需要。 线弹性体的静力分析问题是整个结构有限元分析的基础。它主要包含以下几 个步骤： 结构的离散化。结构的离散化作为有限元分析进行的第一步，它是有限元 分析方法的基础。这一步主要是是把要求解问题离散化，建立数学模型，即将需 要分析的结构整体划分成多个细小的单元体，单元体之间靠节点连接，使所有的 单元体集合有规则的组合起来，模拟原来的结构。 位移函数的选择。用节点位移作为因变量，表示单元内任何一点的应力、 应变和位移，首先假设单元内任意一点的位移是节点坐标的某种函数关系，称之 为位移函数。即： f = 碱 ( 1 1 ) 其中厂为单元内任意一点的位移列向量，6 。为单元的节点位移列向量，为形状 函数矩阵。 单元力学特征分析 根据弹性力学几何方程，单元应变s 可由节点位移表示： s = b s 。 ( 1 2 ) 其中b 为几何矩阵。 利用物理方程，可以导出节点位移表示的单元应力仃： 6 工程硕士学位论文 仃= 伽6 。( 1 3 ) 利用虚功方程，建立作用于单元上的节点载荷和节点位移之间的方程式，即 单元刚度方程，从而导出单元刚度矩阵： = 鼍6 。( 1 4 ) k e = i b l d b d v( 1 5 ) 其中疋为单元刚度矩阵，d 为弹性矩阵。 计算等效节点荷载 连续弹性体经过离散化以后，假设应力通过单元间节点从一个单元传递到另 一个单元。但对于实际的连续体，力的传递是连续的。因此，作用单元上以及单 元边界上的力，都必须通过位移形式等效地移置到单元节点上去，形成等效的节 点荷载。 整体刚度分析 集合所有单元的刚度方程，建立整体结构的平衡方程，从而形成整体刚度矩 阵： 硒= p ( 1 6 ) 其中k 是整体结构的总刚度矩阵，6 是整体结构的节点位移列向量，p 是整体结 构的等效节点荷载列向量。 应用位移边界条件 应用边界位移条件，可消除总体刚度矩阵的奇异性，使得( 1 6 ) 可以求解。 结构平衡方程 整体结构平衡方程是以总刚度矩阵为系数的线性代数方程，通过这个方程组 可以求得未知节点的位移。 单元应力 通过公式( 1 3 ) ，可由节点位移可求出单元的应力。 1 3 3 有限元分析软件简介 作为有限元研究的一个重要组成部分，早上世纪5 0 年代末、6 0 年代初国际研 究机构就开始投入大量的人力物资开发有限元分析程序。其中最为著名应是在 1 9 6 5 年由美国国家航空和航天局( n a s a ) 推出的n a s t r a n 有限元分析程序。随后又出 现了许多有限元分析程序，目前在国际上被认可的通用软件有：美国m s c 公司的 m s c n a s t r a n 、m s c m a r c ，a n s y s 公司的a n s y s ，h k s 公司的a b a q u s ，l s t c 公司 的l s d y n a ，比利时s a m t e c h 公司的s a m c e f 等。 前处理软件主要有a l t a i r 公司的h y p e r w o r k s 系列软件中h y p e r m e s h 、m s c 公司 的p a t r a n 、e d s 公司的f e m a p 等。而h y p e r w o r k s 系列软件中h y p e r v i e w 模块是一个 全承载全铝客车车身轻量化研究 高效率有限单元前后处理器，能够建立各种复杂模型的有限元模型及有限差分模 型，与多种c a e 和c a d 软件有良好的数据接e 1 以及高效的网格划分功能。 本课题用h y p e r m e s h 作为前处理软件，通过与三维软件c a t i a 的数据接口， 将在c a t i a 中建立的车身骨架结构模型导入h y p e r m e s h ，在h y p e r m e s h q b 的n a s t r a n 板块下进行相关几何清理及修正，再对各零件分别进行网格划分，建立车身骨架 有限元模型，然后再将施加了各种载荷、约束的有限元模型数据转换成求解器 m s c n a s t r a n 的b d f 格式。 本课题主要使用的c a e 分析软件是m s c n a s t r a n ，此软件在线性分析方面具有 可靠性高、品质优秀等优势，得到了行业的认可。 后处理软件则是使用- t h y p e r w o r k s 系列软件中的h y p e r v i e w 模块。h y p e r v i e w 具有完整的后处理及可视化环境功能适用于有限元分析、多媒体系统仿真及工程 数据方面。在c a e 后处理中具有高速的3 d 图形及非平行功能。h y p e r v i e w 同时可 以将动画结果以h 3 d 格式储存，可以使用挂接h y p e r v i e w p l a y e r 插件的浏览器进行 观察及结果的分享。 拓扑优化使用的软件是h y p e r w o r k s 系列软件中的o p t i s t r u c t 模块。o p t i s t r u c t 是专门用于产品的概念设计及精细设计中的结构分析和优化工具，是当今应用最 广泛最成熟的优化类软件。是以有限元方法为基础的优化工具，主要进行拓扑优 化、形貌优化、形状优化以及尺寸优化，来实现精确的设计概念及布局。 1 4 本文主要研究内容及其方法 课题来源于某客车公司，其目的是研发出一款市场竞争力强的轻量化绿色公 交一一1 2 米全承载全铝纯电动公交客车。 本课题主要研究全承载全铝客车车身的结构性能及其优化。利用有限元方法 研究全承载全铝车身的结构性能，并进行全铝车身结构拓扑优化，改进车身结构， 改善车身结构性能，减轻车身骨架质量。本课题研究方法流程如图1 1 所示。 根据课题的需求，主要从以下几个方面展开研究： ( 1 ) 全承载全铝客车车身有限元简化建模研究。根据铝合金车身结构及连 接件的特点，进行全承载全铝车身的有限元简化建模研究，以达到高的计算效率 与精度的目的。 ( 2 ) 全承载全铝客车车身结构性能分析。分析工况包括：满载工况、极限 扭转工况、左转弯工况、紧急制动工况。从这四个工况分析全铝车身强度、开口 刚度，找出全铝车身结构性能不足的地方，为全铝车身结构的改进提供依据。 ( 3 ) 全承载全铝客车车身结构的改进、优化。首先进行全铝车身的拓扑优 化；其次，根据拓扑优化结果与全铝车身结构分析结果，对全铝车身骨架结构及 其连接进行改进和优化，使全铝车身进一步减重；最后，验证改进后的全承载全 工程硕士学位论文 铝车身的结构性能。 图1 1 研究方法流程 9 全承载全铝客车车身轻量化研究 第2 章全承载全铝客车车身有限元建模研究 2 1 引言 轻量化公交客车车身设计主要从选取轻量化材料、最优承载度的车身结构以 及合适的连接形式入手，把全承载全铝客车车身作为客车轻量化的一个很好的优 化目标。 在客车车身骨架研发的前期，其结构性能需要经过有限元分析再进行下一步 的车身试制。有限元分析的基本思路即化整为零和积零为整，将复杂的结构利用 有限个单元组成并且模拟其受力情况。全承载全铝客车车身骨架有限元分析的第 一步也是极其关键的一步：结构的模型化。将实际工程问题离散化为有限元计算 模型，需要建立全铝车身的有限元建模，其有限元模型的精度高低，影响仿真分 析结构的可靠度，将严重影响下一步的局部结构轻量化及加强改进设计。准确的 有限元建模包括以下几个方面：材料参数的设定、单元的选取、计算约束的设置、 基于车身受力情况的连接模拟、简化方式等。 所以车身轻量化三大关键步骤即：轻量化材料、车身结构、有限元分析准确 性。 2 2 铝合金材料 2 2 1 轻量化材料 当今科学技术的飞速发展，各种新型材料的不断涌现，为汽车的轻量化提供了 大量的技术支持与选择。车用轻量化材料是指用来制造汽车及其零件并达到减重 效果的材料。一般分为两大类：一是低密度材料，如铝、镁、钛的合金及塑料复合 材料等：二是高强度材料，高强度钢等。车用轻量化材料不仅关系到汽车业的可持 续发展，对于能源节约和环境的保护都具有重大影响【50 1 。 2 2 2 铝合金作为汽车轻量化材料的特点 铝合金作为汽车轻量化材料，主要有一下几大特点【2 9 】： 铝及其合金的物理特性。力学性能好，且密度只有2 7 t m 3 仅刚铁的密度 1 3 ；良好的机械加工性能及导热性能；表面自然形成的氧化膜使其具有很好的防 腐蚀效果；较好的铸造性能可获得薄壁复杂的铸造件。同时，铝中添加镁、铜、 硅、锰、铬、等合金元素可获得各种特性的铝合金材料( 如图3 1 所示) 。铝合金 的更高的比强度( 强度密度) ，使其在汽车制造中使用的更多。用在发动机气缸 1 0 工程硕士学位论文 体和气缸盖上，可使其减重3 5 左右，全铝车身比钢车身减重到达4 0 以上，而 铝合金车轮减重则到达一半以上。 在碰撞中，铝型材吸收冲击的能力接近钢的2 倍。铝材的碰撞变形模式为 碰撞前部大收缩而到后部几乎不变形，在碰撞安全性方面，铝材变形模式远远比 钢材的理想，是做乘用车大梁及保险杆非常好的材料。而且发生碰撞时，全铝车 身的质量较小，碰撞时的动能也会减小，也可以相应地减小了碰撞冲击力。因此 以铝材为轻量化材料的汽车有更好的安全性能。 铝的高回收、可再生。据相关资料分析，每年有近6 0 0 0 万辆的汽车投入市 场，而要保持汽车保有量的平稳增长，那么每年将有4 0 0 0 万辆汽车报废，因此报 废汽车的回收则尤为重要。而汽车行业可持续性发展，要求汽车在制造、使用、 回收全部过程中节约资源、减少污染、加大回收再利用。欧盟立法规定，从2 0 0 6 年起占车重9 5 的材料必须可以回收再利用，到2 0 1 5 年回收率要达到9 5 。在 这种环保型汽车行业发展的大趋势下，铝材的优势更为明显。铝制品在使用的过 程中腐蚀率极低，因此铝的回收价值率是非常高的。废弃铝零件的回收再生所耗 能源只有原铝土矿所耗能源的1 0 ，且可再生性能要比任何常用金属都高。 相对其他轻量化材料，铝合金的低密度、高强度、良好的耐腐蚀性、高回收 率、较好的金属加工工艺性以及全世界的高储备量等优点都是各个行业领域选取 铝及其合金为轻量化材料的原因【1 7 , 5 1 - 5 2 】。铝合金在车身上的应用如表2 1 所示【5 3 1 。 表2 1 各系铝合金在汽车上的应用 全承载全铝客车车身轻量化研冤 2 3 铝合金结构件的连接 铝合金零件具有质量小、强度高、耐腐蚀性好等特点，其力学性能与钢结构 相似，在现代工程结构设计中特别是在汽车设计制造中被广泛应用【5 4 1 。然而任何 材料的应用性能并不是完全由其本身决定的，也包括其他的决定因素，例如零件 的制造技术及其连接等问题。全铝客车车身的实效大多出现在铝构件的连接上， 这个问题是影响全铝车身骨架结构性能的重要因素。 目前，全铝客车车身骨架的连接技术主要有：焊接、铆接、螺栓连接及复合 连接等。 2 3 1 焊接 焊接是指两个或两个以上工件( 一般是同种材料的工件) 通过高温达到原子 或分子间的结合的一种工艺过程。由于是两个工件的直接连接在一起，故对于轻 量化车身总质量增加较少。 客车车身骨架大多地方都是焊接组装，而铝合金构件的焊接要比钢材焊接难 度高得多，铝合金焊接和钢材的焊接特性主要区别在：一是铝合金属于良导体，且 其热导率和电导率是钢的3 倍，因此焊接铝合金焊接所需电流密度至少是钢材焊 接的3 倍，导致铝焊成本较高：二是铝点焊焊缝的强度较低，铝合金构件的焊接屈 服强度为母材强度的7 0 ，大约只有钢材焊接强度一半。这些都限制着铝焊的应 用，限制了铝合金在汽车轻量化方向上的广泛应用 s s - s 7 。 目前国内铝合金车身焊接应用较多的主要是惰性气体保护焊如钨极氩弧焊 和熔化极氩弧焊。 2 3 2 铆钉连接 铆钉连接指用铆钉将两个及以上的工件组装一起的工艺。铆钉在铝合金连接 中应用也是非常广泛。常见的铝合金铆钉质量较小，对于轻量化车身附加的质量 也较小。 铆钉连接的缺陷在于工作效率低下，不能承受连接处过大的位移变现，疲劳 强度低等。 2 3 3 螺栓连接 螺栓连接载客车身骨架的应用非常广泛，属于可拆卸连接，具有结构简单、 连接可靠性高、组装拆卸简单方便等优点。 但在轻量化全铝车身的连接中，应注意适时的选用螺栓连接，因为螺栓的材 质一般是钢材的，其质量相对其他的连接要大，这对车身轻量化的程度有不小的 影响。 1 2 工程硕士学位论文 2 3 4 复合连接 在轻量化全铝车身上使用角码、加强板( 如图2 1 所示) 等复合连接已经比 较成熟。2 0 0 8 年，河南宇通客车集团制造的一款客车，其车身连接所用角码是一 种截面类似三角形的加强件，再通过焊接、铆钉、螺栓等把两个工件连接在一起。 复合连接可有效地提高连接强度，由于使用铝合金，故附加质量不大。 图2 1 侧围的立柱与纵梁间角码连接及本课题研究的角码模型 2 3 5 本节小结 本文所研究的全承载全铝公交客车车身主要采用的连接方式有：焊接、角码 加焊接、加强板加铆接( 如图2 2 所示) 等连接方式。根据不同的结构、受力方 式及失效模式，合理采用连接方式，保证车身结构性能，以达到理想的轻量化效 果。 黛 图2 2 车身底架运用的加强连接方式及其模型 全承载全铝客车车身轻量化研究 2 4 全承载全铝客车车身骨架 2 4 1 全承载客车车身结构特点 近年来，随着汽车设计制造技术的不断发展，全承载车身代替半承载式和非 承载式车身已成为一种趋势，全承载客车成为现代客车的主流车型，其特点是安 全性高、易于实现轻量化、便于改型设计、加工工艺简单等【5 8 1 。 i li_ l i l 1 车身左侧同 l l i l l | | ，1 1 l 。，1 、j l l ，1 ii ll| 0 几 i | 1 ，习 wf fw8 、h 、 、 鼾、1 11r、1 ，| i 身右侧隔 图2 3 全承载客车车身及其六大片结构 1 4 工程坝士字位论文 相对非承载及半承载车身，如图2 3 所示，全承载客车车身没有底盘大梁， 是整体承载结构。车身包括：顶棚、前后围、左右侧围、底架六大片，底盘系统 直接安装在车身底架上。车身骨架主要由桁架管梁件，通过合理的方式连接而成。 这种结构的刚度问题不大，主要考虑的是管材及其连接的强度【5 9 1 。 图2 3 所示客车为某客车集团成熟的1 2 米全承载纯电动公交的钢车身骨架， 车身骨架总重为3 9 9 0 k g 。该车尺寸：1 2 0 0 0 * 2 5 0 0 * 4 0 0 0 ，座位3 4 个，满载人数9 9 ， 最大重量1 8 t 。 2 4 2 全承载全铝客车车身结构特点 铝合金具有良好的挤压性能，挤压型材可简化全承载车身桁架结构，降低质 量，复杂截面的挤压型材可提高抗变形能力。其连接形式与全承载钢车身不同， 采用更多的复合连接，提高连接强度。 全承载全铝客车车身是在全承载结构车身上的进一步轻量化，提高电动客车 轻量化程度，可增大其续驶里程、降低整备质量等，对于纯电动客车的发展具有 非常明显的促进作用。 本课题研究的全承载全铝客车车身( 如图2 4 所示) 是基于某客车集团成熟的 1 2 米全承载纯电动公交的钢车身结构设计的，该车身骨架全是用6 系铝合金中的 6 0 0 5 a ，6 0 0 5 a 含有硅、镁合金元素，具有较高的强度、较好的焊接性等优点。 前期的全承载全铝客车车身方案重2 4 4 6 k g ，相对钢车身质量3 9 9 0 k g ，轻量化 程度达到3 8 7 ，但是需要对其结构性能进行分析，能否进一步的轻量化。 图2 4 全承载全铝客车车身 对于下文关于载荷的设置说明要用到各个方向，方向标准的设置： 全承载全铝