（车辆工程专业论文）大客车车身结构轻量化分析.pdf

摘要 在汽车工业飞速发展的今天，减小汽车的整车质量不但可以缓解严峻的能源问题和 环境问题，而且可以提高车辆的操纵稳定性、乘坐舒适性、行驶安全性等性能。客车车 身骨架是重要的承载件，它的质量占整个客车质量的三分之一左右，车身骨架的轻量化 对于减小客车的整车质量而言有着非常重要的意义。 论文在对汽车轻量化背景以及国内外轻量化技术研究概况进行总结的基础上，从不 同的角度出发对大客车车身的轻量化进行了分析，首先，通过对大客车车身骨架薄壁梁 杆件简化模型的力学分析，得出了轻量化改进方法的理论依据；然后，从新型材料的应 用和制造工艺方面对车身的轻量化进行了探讨，并且对轻量化材料的替换效果进行了分 析；最后，应用有限元分析法从车身结构设计出发对车身结构进行了分析，并且提出了 轻量化改进方案。 论文通过客车车身典型薄壁梁杆件的力学分析知道，薄壁梁杆件增加外形尺寸可以 提高其刚度，与薄壁厚度无关；对于不同截面形状的两种典型薄壁杆件而言，相同质量、 相同壁厚的情况下，矩形薄壁截面杆件的弯曲刚度要大于圆筒形薄壁截面杆件；轻型材 料如果要跟钢材料具有相同的刚度，所用材料的质量往往大于钢材料；如果保持相同截 面、相同厚度、相同的刚度，则轻型材料的杆件质量比钢材料轻，但是其空间体积增加。 本文从车身结构设计方面对客车车身骨架做轻量化时，主要采用有限元分析法，对 某6 1 2 0 型承载式车身进行结构分析。通过分析结果知道，该车型的轻量化改进，主要 从车身的顶盖、底架和后围着手。顶盖上，除上边梁外其他梁的壁厚均减少0 2 5 r a m ； 底架除主要支撑梁和一些封闭结构外其他梁壁厚减小0 5 m m ；后围上除后围立柱以外， 其他梁壁厚减少0 2 5 m m 。减重后，整车质量减小了1 2 3 5 k g 。通过改进以后车身结构的 静态和动态分析，该车的性能基本满足使用要求，该种轻量化方法可行。 关键词：客车、车身结构、轻量化、薄壁梁杆件、有限元 a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o b i l ei n d u s t r y , r e d u c i n gt h eq u a l i t y o fv e h i c l ec a nn o to n l ya l l e v i a t et h es e v e r ee n e r g ya n de n v i r o n m e n tp r o b l e m ，b u ta l s oe n h a n c e t h ev e h i c l ep e r f o r m a n c e ，s u c ha ss t a b i l i t y , c o m f o r t ，a n ds e c u r i t y t h es k e l e t o no fc o a c hi so n e o ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t s i t sw e i g h ti sa b o u to n et h i r do ft h ew h o l ev e h i c l em a s s t h el i g h t w e i g h to fs k e l e t o ni so fg r e a ti m p o r t a n tt or e d u c et h ev e h i c l ew e i g h t t h i st h e s i sc a r r i e do u tt h ei d e a so fv e h i c l el i g h t w e i g h tf r o md i f f e r e n tv i e w s b a s i n go nt h e b a c k g r o u n do fv e h i c l el i g h t w e i g h ta n dr e s e a r c ha th o m ea n db r o a d f i r s to fa l l ，t h r o u g h s i m p l i f i e dm o d e l sm e c h a n i c a la n a l y s i so ft h et h i n - w a l l e db e a mb a ro ft h eb u sb o d yf r a m e ，t h e t h e o r e t i c a lb a s i sf o ri m p r o v i n gm e t h o d so fl i g h t w e i g h tc a nb eg e t ；a n dt h e n ，d i s c u s s e dt h e a p p l i c a t i o no fn e w m a t e r i a l sa n dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s so ft h el i g h t w e i g h tb o d y , a n da n a l y z e d l i g h t w e i g h tm a t e r i a l s r e p l a c ee f f e c t ；f i n a l l y , i th a daf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf r o ms t r u c t u r e d e s i g no ft h ec o a c hb o d ya n dm a d eap r o g r a mo fl i g h t w e i g h t t h i st h e s i st h r o u g ht y p i c a lt h i n - w a l l e db e a mb a ro ft h eb u sb o d y sm e c h a n i c a la n a l y s i s ， w ek n o wt h a ti n c r e a s i n gt h et h i n - w a l l e db e a mb a r ss i z ec a ni m p r o v ei t ss t i f f n e s s ，b u ti th a s n o t h i n gt od ow i t ht h et h i n - w a l lt h i c k n e s s ；f o rt w od i f f e r e n t - s h a p e dc r o s s s e c t i o no ft y p i c a l t h i n - w a l l e dm e m b e r s ，t h es a m eq u a l i t y , t h es a m ew a l lt h i c k n e s s ，t h eb e n d i n gs t i f f n e s so f t h i n w a l l e dr e c t a n g u l a rc r o s s - - s e c t i o nb a ri sg r e a t e rt h a nt h eb e n d i n gs t i f f n e s so ft h i n - - w a l l e d c y l i n d r i c a lc r o s s s e c t i o nb a r ；i ft h el i g h t w e i g h tm a t e r i a l sa n ds t e e lm a t e r i a lh a st h es a m e s t i f f n e s s ，t h eq u a l i t yo fu s e dm a t e r i a l sa r eo f t e ng r e a t e rt h a ns t e e lm a t e r i a l ；i ft h e ya r eh a v et h e s a m es e c t i o n ，t h es a m et h i c k n e s s ，t h es a m es t i f f n e s s ，a n dl i g h t w e i g h tm a t e r i a l sa r el i g h t e rt h a n t h es t e e lm a t e r i a l ，b u ti t ss p a c ev o l u m ea r ei n c r e a s e d i nt h i sp a p e r , w ec a r r i e do u tt h es t r u c t u r a la n a l y s i so fa612 0 - s t y l eb o d y - t y p eb y u s i n go f f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sw h e nw eh a da na n a l y s i sf r o mt h es t r u c t u r ed e s i g nf o rt h ev e h i c l e l i g h t w e i g h t a f t e rt h ef i n i t ea n a l y s i s ，w ec a nc o n c l u d et h a tt h e r ea r et h r e ep a r to ft h ec o a c h b o d ys h o u l db ei m p r o v e d s u c ha st h et o po ft h ec o a c hb o d y 、t h er e a ro ft h ec o a c hb o d ya n d t h el o w - c h a s s i so ft h ec o a c h b o d y o nt h et o po ft h eb o d y , t h eb e a mo u t s i d et h ew a l lt h i c k n e s s r e d u c e do 2 5 m mw i t ht h ee x c e p t i o no ft o pb e a m ；o nt h el o w - c h a s s i so t h e rb e a mt h i c k n e s s r e d u c e do 5 m mi na d d i t i o nt ot h em a i ns u p p o r tb e a ma n dan u m b e ro f c l o s e ds t r u c t u r e ；o nt h e r e a ro ft h eb o d y , o t h e rb e a mt h i c k n e s sr e d u c e d0 2 5 r a m ，e x c e p tt h es u p p o r tc o l u m n b yt h e s e m a n n e r s ，t h ev e h i c l er e d u c e dt h eq u a l i t yo f1 2 3 5 k g a f t e ran e w f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf r o m t h es t a t i ca n dd y n a m i c ，w ec a ns e et h ei m p r o v i n gs t r u c t u r eo ft h ec o a c hb o d yi se l i g i b l e k e yw o r d s ：c o a c h ；b o d ys t r u c t u r e ；l i g h t w e i g h t ；t h i n w a l l e db e a mb a r ；f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：m 一 论文知识产权权属声明 刈夕年月岁日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 别雅辄舀是 s 9 月 月 冬俸 价 明 跃安大学硕l j 学位论文 1 1引言 第一章绪论 众所周知，汽车在现代生活中是不可或缺的工具，随着科学技术的发展，汽车的保 有量在逐年提高，汽车正以越来越大的影响改变着人类的社会生活。自1 9 7 3 年石油危机 发生以后，对汽车的改进就已经成为汽车行业发展的一个重要方向，尤其是轻量化问题 更是人们关注的焦点。主要原因有两个：首先是能源问题；目前行驶在各国的几亿辆汽 车，主要以汽油和柴油为燃料，年消耗石油一百多亿桶，占世界石油总消耗量的一半左 右。根据预测，n 2 0 8 5 年前后世界面临石油枯竭危机【l 】。面对这种严峻的前景，降低燃 料消耗成为汽车界面临的紧迫课题之一，而减轻汽车自身质量恰好是减低燃料消耗的最 有效措施之一。其次是地球环境问题；燃料的消耗与废气排放密切相关，汽车排放的尾 气中c 0 2 、n o x 、c o 等是制造温室效应和空气污染的重要原因，特别是二氧化碳气体的 排放量近年来增加的趋势明显增大f 2 1 。主要国家已经相继制定或是正在制定限制燃耗和 排放的严格法规。总之，汽车降低燃耗、减轻质量是汽车业发展的一个方向。 1 2 本课题研究的背景及意义 随着人们生活水平的提高，对汽车乘车的舒适性、安全性、经济性都提出了新的要 求，汽车上各种设备的增加，造成了汽车总体质量的增大，这必然会增大耗油量和耗材 量。对此世界汽车工业界已有了充分的认识。着眼于长远的可持续发展，节约资源减少 环境污染成为人们面对的新课题。要达到汽车节油，首先就是要减轻汽车自身的质量。 据统计汽车车身质量占汽车总质量的3 0 4 0 ，车身制造成本占整车制造成本比重的 一半以上，减轻车身质量对于整车的轻量化起着至关重要的作用。2 1 世纪整车发展的趋 势是系列化、模块化、轻量化、小型化、电子化( 自动化、智能化) 及个性化。减轻汽车 自身质量意昧着节约了能源和材料。提炼原材料、制造汽车和使用汽车所消耗能源三者 的比例为1 0 ：5 ：8 5 ，汽车自身质量每减1 0 0 k g ，可节油0 2 l 1 0 0 k m - - 0 3 l 1 0 0 k m t 引，因此各 国都在竭力减轻汽车自身质量。 我国汽车业处在高速发展的过程中，城市化进程的加快使得客车的需求量在增加， 因此我们迫切需要制造出更经济更节约型的汽车。国家统计局统计，2 0 0 8 年1 - - 6 月 全国公路客车产量达9 9 0 4 1 3 辆。随着国内高速公路和旅游事业的发展，用于中、长途 第一章绪论 客运的豪华快速客车的生产得以蓬勃发展。另外，城市建设的加快，市政管理的加强， 带来了城市公交车市场的繁荣。然而，我国己探明的石油储量和现在的产量都很低。 2 0 0 7 年我国生产原油1 8 6 6 5 7 万吨，据石油开采部门估算，在今后相当长一段时间， 我国石油开采量要维持在这个水平将很艰难。面对石油储量逐渐减少，终将枯竭的严 峻前景和汽车排放严重破坏地球环境的现实威胁，努力减轻客车质量、节约燃耗、减 r 一 少排放污染己成为客车技术进步的重要而紧迫的课题。此外，在客车的燃耗和排放方 面，我们与发达国家相比也存在不少差距。因此，减轻客车质量和降低燃耗的任务就 更为艰巨，为使我国客车工业尽快赶上国际先进水平，对付加入w t o 后国外客车的 挑战，必须高度重视这个问题【4 1 。 1 3 国内外轻量化研究现状 1 3 1 国外轻量化研究现状 为了应对能源枯竭、环境污染和行驶安全性这三个问题，世界各国政府先后制订 了关于能源保护、废气排放、降低噪音和安全保障等许多法规。对汽车工业而言，降 低车辆质量是减少油耗，降低排放最有效的方法之一，而且减轻车辆质量还意味着减 少对原材料的消耗。 选用轻质材料和复合材料，并采用先进的制造技术，获得质轻、净形、优质、价 廉的汽车零部件，是汽车轻量化的重要途径之一。而这些合金材料不但具有较好的性 能而且易于加工成型，便于回收利用。在美国、西欧、日本等汽车工业发达国家，镁 铝等轻质合金已广泛应用于汽车及零部件领域。可以断言，在本世纪新一代具有节能、 环保，并且可再生利用的高性能轻质合金材料将逐步替代钢材，成为汽车及零部件的 主要原材料。 而对于目前汽车制造的主要材料一钢材而言，由于其低廉的价格成本和成熟的加 工工艺，将在一段时期内继续普遍使用。为此，目前国内外主要从车辆的结构优化方 面对汽车进行轻量化的研究【5 1 。 1 9 9 4 年5 月，国际钢铁协会成立了由来自全世界1 8 个国家的3 5 个钢铁生产企业 组成的u l s a b ( u l t r a l i g h ts t e e l a u t ob o d y ) 。该项目组旨在以钢铁为基本材料，在保持 性能和不提高成本的同时，通过对结构设计的革新、制造技术的改进及零部件形状的 优化等多种手段，制造出超轻量化的钢制车体，并向全世界的汽车生产商提供讯息和 技术帮助。u l s a b 应用的技术手段主要包括：( 1 ) 使用高强度钢( h s s ) 、强化型高强度 2 长安人学硕上学位论文 钢( a h s s ) ；( 2 ) 使用新结构、新工艺，如复合钢板( t a i l o r e db l a n k s ) 结构、钢夹心结构、 液压成型工艺、激光焊接工艺等；( 3 ) 使用有限元( f e m ) 对结构进行分析并对尺寸参数 进行优化。包括对液压成型、静态扭转、静态弯曲、模态、碰撞过程的分析和优化。 1 9 9 8 年5 月u l s a b 项目完成，其试制的b m w 车身总质量比对比车的平均值降 低2 5 ，同时扭转刚度提高8 0 ，弯曲刚度提高5 2 ，一阶模态频率提高5 8 ，在满 足了碰撞安全性要求的同时成本比对比车身造价降低1 5 0 。 19 9 7 年5 月启动的u l s a c ( u l t r a l i g h ts t e e la u t oc l o s u r e s ) 、u l s a s ( u l t r a l i g h ts t e e l a u t os u s p e n s i o n ) 和19 9 9 年1 月启动的u l s a b ，作为_ a v c ( a d v a n c e d v e h i c l ec o n c e p t s ) u l s a b 的后续项目，也在轻量化研究方面取得很大成绩。 u l s a c 项目以车门、车盖等覆盖件为对象进行轻量化研究，其目标是使当时世 界上最具代表性的1 5 种车型的覆盖件减重1 9 - - 3 2 。在u l s a c 项目中除了采用 u l s a b 中的技术外，车门采用无框架结构，与对比车车门相比，减轻重量3 3 。u l s a s 项目以悬挂件为对象进行轻量化研究。通过铸造件的锻造化、实心部件的钢管化等加 工方法的改变及部件结构的最优化，实现了高强度与高耐久性，与对比车的钢制悬挂 件相比，在同等成本下可减轻重量2 0 - - 3 0 ，与铝制悬挂件相比，在同等重量下可 削减成本3 0 。u l s a ba v c 面向2 0 0 4 年及未来需求，以欧洲c 级轿车和北美中型 轿车为对象，提出了整体设计的设计理念，从车身、发动机、悬挂件到内部装饰件， 通过车辆的整体设计来实现车身的轻量化，在成形工艺方面，其中有3 0 以上的零部 件采用拼焊板成形，2 0 以上的部件采用了液压成形技术。 除此之外，全世界范围内对基于结构优化的轻量化技术也进行了大量的研究。韩 国汉阳大学的j k s h i n ，k h l e e ，s i s o n g 和g j p a r k 应用u l s a b 的设计理念和组 合钢板的工艺，对轿车前车门内板进行了结构优化。采用了拓扑优化与尺寸优化、形 状优化相结合的优化策略，成功地使前车门内板的质量减重8 7 2 。通用汽车公司的 r r m a y e r 、密西根大学的n k ( i7 c h i 和r a s c o t t 应用拓扑优化技术以碰撞过 程中最大吸收能量为目标对零部件进行优化设计。优化后使零件呈蜂窝结构，在提高 安全性的同时也减轻了结构重量。瑞典的l i n k o p i n g u n i v e r s i t y 的p o m a r k l u n d 和 l n i l s o n 从碰撞安全性的角度，以轿车b 柱变形过程中的最大速度为约束变量，以b 柱各段的厚度为优化变量，以质量作为优化目标进行了优化，实现了在不降低安全性 能的条件下减重2 5 。美国航空航天局兰利研究中心的j s o b i e s z c z a n s k i s o b i e s k i 和s g i 公司的s k o d i y a l a m 以及福特汽车公司车辆安全部门的r k y a n g 共同进行了轿车的 第一章绪论 b i p ( b o d yi n _ p r i m e ) 基于n v h ( 噪声、振动、稳定性) 和碰撞安全性要求下的轻量化研 究。应用m s c n a s t r a n 和r a n z o s s 软件，通过o m d a a ( o p t i m i z a t i o nb yam i xo f d i s s i m i l a r a n a l y s e sa n da p p r o x i m a t i o n s ) 方法，以b i p 的各部件尺寸为主要优化变量， 以n v h 值和b i p 变形量为约束，以质量为优化目标，实现了在不降低性能的条件下 减重1 5 k g 。 总的看来，国外的结构轻量化研究主要有以下几个方面：( 1 ) 提出先进的设计理念， 发展先进的制造工艺并通过尺寸参数优化而得到新的轻量化结构；( 2 ) 将拓扑优化和形 状优化引入到结构轻量化过程中；( 3 ) 提出新的现代优化算法，并进入到结构轻量化过 程中；( 4 ) 利用硬件优势，大量考虑动态过程中的各种约束，对尺寸参数进行优化而得 到轻量化结构。 1 3 2 国内轻量化研究现状 国内对轻量化的研究起步比较晚，由于新材料的工艺复杂程度较高，国内主要从结 构设计和优化设计的角度对轻量化进行研究。近年来，各大高校都在这方面做了相关的 研究。 2 0 0 1 年吉林大学的林松采用了梁、板壳和弹簧单元对某客车车身建立有限元模 型，通过车身部分结构灵敏度分析将部分灵敏度高的参数变量作为优化变量，经过优 化后将整车质量降低了5 7 。 2 0 0 2 年陈德铃采用板壳单元对某客车车架建立有限元模型；分析了车架的静态动 态特性，以纵梁的截面尺寸作为优化变量，以应力应变作为约束，通过优化使客车车 架重量减轻5 6 7 。同年，马迅、盛勇生以车架的部分结构的截面尺寸为优化变量， 采用板壳和梁单元组合建立有限元模型，以车架变形和一阶频率为约束，在弯曲和扭 转工况取得了减重1 3 3 1 的效果。 2 0 0 3 年4 月江苏大学的王怀研究全板壳的客车骨架，对一些骨架的截面尺寸采用 正交试验法进行结构优化，减轻车身骨架质量5 0 8 。同年9 月，桂良进等采用全板 壳对某5 轴载货车车架建立有限元计算模型，通过从多种方案中选优达到轻量化的目 的，减轻车架重量5 7 0 5 k g 。同年1 0 月，李娜采用板壳单元对机车车顶结构建立有限 元模型，应用自己编制的遗传算法程序，对形状、加强筋的布置数量和位置以及截面 尺寸进行了优化，减轻重量1 7 6 4 k g 。 2 0 0 4 年5 月杜海珍针对汽车典型结构拓扑优化方法及应用进行了研究。为了解决 4 长安大学硕士学位论文 在删除无效材料时可能导致的应力集中问题，基于围绕结构边界和孔洞周围附加人工 材料单元的思想，提出了一种新的基于应力及其灵敏度的优化准则。结合基于人工材 料的结构渐进优化( e s o ) 方法，构建了基于应变能的双方向结构渐进优化( b e s o ) 方法。 研究了考虑多约束的b e s o 方法，最后导出了弯曲板结构的应力灵敏度数的计算公式， 建立了双层单元的结构优化模型，并开展了加筋结构的优化设计工作。 2 0 0 5 年4 月吉林大学的余传文采用板壳单元对某重型载货汽车车架结构建立有限 元模型对车架结构的静、动态特性分析的进行了研究。在建立简单的车架梁单元优化 模型的基础上，以车架纵梁截面尺寸为设计变量对车架进行优化分析，从车架体积和 最大变形随着迭代过程的变化曲线可以看到车架的自重明显降低。同年5 月该校的吴 仕赋采用拓扑优化方法对某汽车v 型推力杆后支架进行了优化，在不牺牲结构部件强 度和性能的基础上，减轻重量2 2 1 8 。同年张宇、朱平等以某多功能乘用车为对象， 结构使用铝合金轻质材料与结构改进对该车发动机罩内、外板进行轻量化设计，解决 了实车碰撞试验中发动机罩铰链断裂的问题，发动机罩内、外板的减重效果分别为 4 6 3 8 和5 0 1 8 。 从国内的研究现状可以看到，目前轻量化研究主要集中在汽车一般零部件、客车 车身骨架等的改形设计方面。与国外相比，国内关于在轻量化设计过程中引入新的现 代优化算法的研究比较缺乏，轻量化设计过程中的分析规模较小，c a d c a e 一体化 在产品设计开发阶段的应用还不成熟以至于汽车生产厂家很少采用。 1 4 客车轻量化的主要途径 在客车发展初期，将专业化车身厂生产的车身装在货车底盘车架上，故车身采用非 承载式结构。其优点是便于在同一汽车底盘上安装不同的车身，但未能充分利用车身构 架的承载作用，故整车整备质量较大。为了轻量化设计并兼顾车身与货车匹配，将车架 横梁加宽并与车身侧围骨架刚性连接，使车架车身组合成一个整体，车身骨架也承担车 架部分载荷，这就是半承载式车身。但半承载式车身仍保留有质量较大的车架，轻量化 设计仍受到了限制。为了进一步减轻自身质量以及使车身结构合理化，便改用质量较小， 而刚度较大的承载式车身来取代笨重的车架。这种底架具有贯通式纵梁和一些与车身等 宽的横梁。车身骨架形成一个刚性空间承载系统。从而使车身构件都参与承载，使各构 件承载时相互牵连、协调，充分发挥了材料的最大潜力，使车身质量较小而刚度、强度 较大。 第一章绪论 除采用承载式车身以外，为解决汽车轻量化这一问题，国内外对汽车进行轻量化 的研究主要从以下三个途型5 】【6 】： 利用材料技术对汽车进行轻量化( 材料轻量化) 通用汽车公司的p r e c e p t 铝车身结构由6 4 k g 铝冲压件、4 9 k g 铝挤压件及3 2 k g 铝 铸件组成，与钢结构相比，质量减少4 5 。 从各种汽车材料在汽车使用的组成中可以看出，钢铁材料虽然仍保持主导地位， 但钢铁材料的比例逐年下降。铝合金、工程塑料等轻型材料的比例逐年上升，由于轻 型材料制造工艺差，回收利用率低而限制其使用，一旦解决新、轻材料的回收问题、 加工工艺问题、轻型材料将会在汽车上大量使用，从而有力的推动汽车轻量化的发展。 利用革新制造工艺实现汽车轻量化 在利用优化设计和轻型材料实现汽车减重时，常需要革新制造工艺，从而进一步 减少质量降低成本。国内外在革新制造工艺方面的研究主要集中在三个方面： 轻型结构件的创新制造工艺，轻型结构件的创新制造工艺有管件液压胀形新工艺 和塑料中空成型工艺。美国福特公司的m o n d e o 轿车的发动机支架采用液压成形 技术后，与传统的加工技术相比，零件个数由6 个减少为一个，制造工序由3 2 道 减少为3 道，构件质量由1 2 k g 减少为8 k g ，成本由2 0 英镑减为1 0 英镑。 轻型结构件新的优化连接工艺，将内高压成型的管件，按优化的尺寸加工好端面 并清洗后，采用激光焊接将构件连接成轻型结构件。有的还可采用超塑性扩散连 接新工艺。 产品开发中的集成创新工艺，在产品结构设计时，事先就把新选定的材料与减少 质量的工艺集成到设计中去，从而收到既能缩短制造过程工艺链，又能显著减小 质量并降低生产成本的效果。整体无缝式汽车驱动桥壳与轿车副车架的设计就是 这种方法的范例。 利用汽车结构优化设计实现汽车轻量化【7 以o 】 虽然目前汽车轻量化的研究工作大多数集中在轻型材料上，由于轻型材料制造工 艺差，回收、利用率低而限制其使用，结构轻量化对企业来说具有实用意义。宝马汽 车公司的b l u k e r w o l t m a n n 以b m w 车型的更新换代为例，全面阐述了材料、设计、 成本与质量之间的关系，如图1 1 所示。从图中可以知道，通过优化设计( 从a 至b ) ， 质量可以减小，成本也跟着减小。b 处为最佳的轻量化设计，此时成本最低。 6 长安人学硕l ：学位论文 若能采用轻量化材料并进行优 化，质量还可以进一步减小，但是成 本将不断增加。c 处为最佳的设计材 料，此处成本增加不多，而降重效果 显著。 国内外汽车结构优化的研究主要 集中在两个方面：一是开发新的更适 合的设计方法以优化零件的造型设 计；二是设计轻结构形状，力图按照 t 奉 膏宠 开发 辩* 工曩j 生产 蝗 曩量 图1 , 1 材料、设计、成本与质量之间的关系 实际工况来优化零件的形状设计，也就是造型优化法和形状优化法。 造型优化法，利用结构解析技术和c a d 、c a e 等技术进行结构优化设计，在确 保性能和功能的前提下，消除无用材料，寻求零部件壁厚的减薄，数量的精简，结构 的整体化和合理化。： 形状优化法，形状优化法能够达到既减小零件的质量又延长零件寿命的目的。这 种方法采用了一种建立在生物学增长规律基础上的数值计算方法，它的基础是模拟一 种凭借经验确定的生物增长规律，用有限元法研究生物增长载体如( 骨骼、树木等) 的力学特性，使结构形状化。 1 5 大客车车身轻量化方法的选择 车身轻量化作为汽车产业技术研究领域的一个重要研究方向，其方法是多样化的。 主要途径有制造工艺过程中的轻量化、轻型材料的使用、车身结构设计中的轻量化。 目前，国内外在制造工艺的革新方面下了很大的力度，生产车身零部件时使用了 一些新的成型工艺，既能提高零部件的使用性能和寿命，又能达到减轻车身质量的效 果；在焊接技术方面使用一些新的焊接技术，提高焊接的质量，减小焊缝的宽度，达 到减重的目的。与此同时，在一些零部件的制造上使用新型材料来代替传统的钢材， 在性能和减重方面都达到了一定的效果。 但是，就目前国内客车技术的发展水平来看，新的成型技术和材料的轻型化还不 能够广泛应用，因为新的技术其复杂化程度必然较大，而且会导致整车成本的上升； 新型材料，其成本高，加工控制较为复杂。如果未来能够克服上述问题的话，这两种 方法在汽车轻量化中将占主导地位。 第一章绪论 计算机技术的飞速发展，为现代化的汽车设计提供了一个可靠的平台。特别是有 限元法在汽车设计中的应用，更是为汽车结构的优化设计提供了一个系统化、单元化 的工具。 1 6 有限元法与a n s y s 软件简介【l l - 1 3 】 1 6 1 有限元法简介 近代以来由于数学和物理学等自然科学的迅猛发展，不少工程实际问题可以采用 经典的物理学、数学公式，运用微分方程通过解析法求解出精确的数值解。但是，更 多的实际问题往往由于结构形状和尺寸的复杂性及载荷的不均匀性，无法求解出数值 解。为了解决传统解析方法无法解决的复杂工程问题，有限元法( f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ) 应运而生。 所谓有限元法，是运用离散概念把连续体划分为有限个单元的集合，通过单元分 析和组合，考虑边界条件和载荷，得到一组方程组，求解此方程组而获得相应指标。 有限元方法的基本思想在2 0 世纪4 0 年代就已被提出，但是这种方法计算量太大， 人工求解基本不可能，而早期的计算机运算速度和存储量都不足以使其实用化。随着 计算机技术的快速发展和普及以及有限元理论的日渐成熟，大量优秀商用有限元分析 软件随之涌现，从而使有限元法的应用越来越广泛，已迅速从结构工程强度分析计算 扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种实用高效的数值分析方法。 1 有限元法的特点 1 ) 能够分析形状复杂的结构 由于单元不限于均匀的网格，单元形状有一定的任意性，单元大小可以不同，且 单元边界可以是曲线或者曲面，因此分析结构可以具有非常复杂的形状。 2 ) 能够处理复杂的边界条件 在有限元法中，边界条件不需引入每个单元的特性方程，而是在求得整个结构的 代数方程后，对有关特性矩阵进行必要的处理，所以对内部和边界上的单元都采用相 同的场变量函数。而当边界条件改变时，场变量函数不需要改变，因此边界条件的处 理和程序编制非常简单。 3 ) 能够保证规定的工程精度 当单元尺寸减小或者插值函数的阶次增加时，有限元解收敛于实际问题的精确解。 长安大学硕士学位论文 因此，可以通过网格加密或采用高阶插值函数来提高解的精度，从而使分析解具有一 定的实用价值。 4 1 能够处理不同类型的材料 有限元法可以应用于各向同性、正交各向同性、各向异性及复合材料等多种类型 材料的分析，也可以分析由不同材料组成的组合结构。此外，有限元法还可以处理随 时间或温度变化的材料以及非均匀分布的材料。 2 有限元分析过程 从应用角度来看，有限元分析过程可分为三个阶段前处理、计算和后处理。 1 ) 前处理 前处理( p r e - p r o c e s s i n g ) f 拘任务就是建立有限元模型，故又称建模( m o d e l i n g ) 。它的 任务是将实际问题或者设计方案抽象为能为数值计算提供所有输入数据的有限元模 型，该模型定量反映了分析对象的几何、材料、载荷、约束等各个方面的特性。建模 的中心任务是离散，但围绕离散还需要完成很多与之相关的工作，如结构形式处理、 几何模型建立、单元类型和数量选择、单元特性定义、单元质量检查、编号顺序优化 以及模型边界条件的定义等。 2 ) 计算 计算( s o l v i n g ) 的任务是基于有限元模型完成有关的数值计算，并输出需要的计算 结果。它的主要工作包括单元和总体矩阵的形成、边界条件的处理和特性方程的求解， 即包括从单元特性分析到计算输出需要的物理量等步骤。由于计算的运算量非常大， 所以这部分工作由计算机来完成。除计算前需要对计算方法、计算内容、计算参数和 工况条件等进行必要的设置和选择外，一般不需要人的干预。 3 ) 后处理 后处理( p o s t - p r o c e s s i n g ) 的任务是对计算输出的结果进行必要的处理，并按一定方 式显示或打印出来，以便对分析对象的性能或设计的合理性进行分析、评估，以做出 相应的改进或优化，这是进行有限元分析的目的所在。 因此，整个有限元分析过程也可以用图1 2 来表示。 9 第一章绪论 图1 2 有限元分析的一般过程 1 6 2a n s y s 软件概述 a n s y s 软件由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 公司开发， 是一款融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，在 国际上广泛应用于机械、土木、水利、机电、航空航天和冶金等领域。该软件能与多 数c a d 软件接1 2 1 ，实现数据的共享和交换，如c a t i a ，p r o e n g i n e e r ，u n i g r a p h i c s ， p a r a s o l i d 等，是现代产品设计中的高级c a e 工具之一。 a n s y s 软件主要包括三部分，即前处理模块、分析计算模块和后处理模块。 1 ) 前处理模块 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有 限元模型。a n s y s 程序前处理主要包括实体建模和网格划分。 2 ) 求解模块 分析计算模块包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析) 、 流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模 拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。前处理阶段完成建模 以后，用户可以在求解阶段获得分析结果。在该阶段，用户可以定义分析类型、分析 选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。 3 ) 后处理模块 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显 示、立体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形方式显示出来，也可 将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。a n s y s 软件的后处理过程包括两个部分： l o 长安大学硕士学位论文 通用后处理模块p o s t l 和时间历程后处理模块p o s t 2 6 。通过友好的用户界面，可以 很容易获得求解过程的计算结果并对其进行显示。这些结果可能包括位移、温度、应 力、应变、速度及热流等，输出形式可以有图形显示和数据列表两种。 1 7 本文的研究思路与方法 1 7 1 本文的结构和内容 本文总共分为6 个部分。第一部分，主要介绍车身轻量化这一课题研究的背景、 国内外的研究现状以及轻量化的主要途径，最后对有限元法和a n s y s 进行了简单的 概述；第二部分，对大客车车身骨架的主要构件一薄壁梁杆件，从力学的角度来分析 其特性，得出相关的轻量化理论依据；第三部分，从材料角度出发，介绍了材料技术 在车身轻量化过程中的应用以及轻量化材料替换的效果；第四部分，从车身制造工艺 方面做轻量化的探论，对目前现有新型工艺的应用情况作了分析，从分析结果可以知 道，这些方法可以在客车车身轻量化中使用；第五部分，通过有限元软件对某6 1 2 0 型客车车身做结构分析，根据分析结果对该车身提出相应的改进方案，并且验证了改 进方案的正确性；第六部分，结论。 1 7 2 本课题的主要研究思路 1 目前，轻量化的方法主要有以下三个途径：轻型材料的替代、新型制造工艺的应 用、结构优化。以往的研究，往往都是从某一个方面来做的；而且，国内的研究 基本都集中在结构优化设计上，通过有限元分析，对车身结构进行结构上的改进。 本文的特点在于分别从三个方面对轻量化问题做了相关分析，并且应用材料力学 的知识，通过简化模型，对车身骨架上单一的薄壁梁杆件进行了定性的讨论，得 出了一些对车身轻量化有用的结论，为后面的材料轻量化、结构轻量化提供了理 论的指导。 2 采用传统的有限元分析法，通过a n s y s 软件建立了某6 1 2 0 车型的有限元模型， 对个车身典型工况下的受力和变形情况做了详细的分析；根据分析的结论对车身 结构进行改进以达到减轻车身质量的目标，对改进后的车身继续进行有限元分析 与改进前的受力和变形作比较；并对改进后的车身进行模态分析，得出各阶振型 图与相应的固有频率。验证了改进方案的可行性。 第一二章人客车车身薄壁粱杆件的轻量化分析 第二章大客车车身薄壁梁杆件的轻量化分析 大客车车身的主要质量都集中在车身骨架上，车身骨架的主要构成元件都是空心 薄壁梁杆件。如果要对大客车车身做轻量化，对薄壁梁杆件做一个定性的力分析是必 不可少的。通过力学分析我们可以知道薄壁梁杆件的一些特性，而这些特性又可以为 车身的轻量化作一个理论性的指导。 对于大客车车身骨架而言，大部分的杆件都属于薄壁矩形管，因此这里主要对矩 形截面的杆件进行分析。为了便于比较，特别取空心薄壁圆杆件作为分析对象，并且 对任意形状的开口断面进行理论性的力学分析。 2 1薄壁梁刚度结构计算的基本公式 为了便于分析，对大客车车身骨架梁杆件做一些简化假设： 取长为l 的梁，约束条件简化为两端固定； 所有的梁结构沿长度方向均为等截面； 被比较的梁结构均为等长； 根据材料力学的公式，可以知道该简化梁的弯曲和扭转刚度如下： 2 1 1 简化杆件弯曲刚度基本公式 p 图2 1 简化薄壁梁杆件弯曲模型 如图2 1 所示，长度为l 的薄壁梁杆件两端固定，距离左端1 p 处受到一个大小为p 的 载荷的作用，则其受力点处的等效弯曲刚度为： k = 3 l a e l3 e ( 三一乞) 3 鬈( 1 一名) 3 亏e ( 2 1 ) 其中：r p 爿p l ，e 和1 分别为材料弹性模量和截面对弯曲中性轴的惯性矩。 2 1 2 简化杆件扭转刚度基本公式 长安人学硕上学位论文 图2 2 简化薄壁梁杆件扭转模型 如图2 2 所示，长度为l 的薄壁梁杆件两端固定，距离左端l t 受到一个如图所示力 矩t 的作用，在该力矩作用下其受力点的等效扭转刚度为： 辟寺志 ( 2 2 ) 其中r f = l t 几，t ，g 表l l p 分别为扭转载荷、材料剪切模量和截面对扭转中心的惯性 矩。 通过上面的基本公式，我们可以对不同截面的薄壁梁杆件的弯曲和扭转刚度进行 计算，通过计算出的结果可以对不同截面形状的薄壁梁尺寸变化对轻量化的影响做一 个分析。 2 2 薄壁梁杆件截面特性与轻量化的关系 为了讨论方便，特引入一个概念s m e ( s t i f f n e s sm a s se f f i c i e n t ) 值，即单位质量 所具有的刚度值。通过对s m e 值的分析来判定轻量化的效果，由定义可知，s m e 值