（光学工程专业论文）大客车车身轻量化研究.pdf

摘要 汽车工业在飞速发展的同时，其高耗能、高污染带来的社会问题也日益严重。减少 汽车质量不仅能提高汽车的操稳性、乘适性，更重要的是解决节能、环保等社会问题。 本文在国内外汽车轻量化研究的基础上，对客车设计中轻型材料的应用、结构强度 变化特征和耐撞性以及轻量化设计进行了简单的分析，并指出现代设计方法是解决轻量 化问题的快捷方案。 本文首先对薄壁梁基本构件的截面特性进行详细分析，然后利用a n s y s 软件对某 6 1 2 7 型大客车进行静态刚度、强度分析，最后采用结构优化方法分析铝合金材料替代 钢材料后结构的轻量化效果。 通过对薄壁梁的截面特性的研究可知：截面的厚度对s m e 值影响最小，减厚减重 效果明显，但碰撞仿真试验结果显示，厚度不能任意减小；截面的宽、高对s m e 值影 响较大，增大截面的宽、高能提高构件的弯曲、扭转刚度，其中增加高度产生的效果明 显，同时碰撞仿真试验说明定周长的矩形构件吸能较好，且不同宽、高比对其影响较大； 矩形截面的抗弯能力优于圆形截面，而圆形截面的抗扭转能力优于矩形截面。 某6 1 2 7 型大客车静态分析结果表明，除个别地方应力集中需要局部加强外，车身 的刚度、强度基本能满足使用要求。通过对地板结构进行结构优化可知，仅改变截面的 周长或厚度，会产生强度较大或者刚度不足等问题，而对周长和厚度同时进行优化的效 果较好。地板结构采用钢材料综合优化方案后，质量由原来的2 3 6 3 k g 减少到2 0 8 0 1 k g ， 减少了l1 9 9 ；采用铝合金材料后，减少到1 6 2 1 5 8 k g ，减少了3 1 1 。该两种优化结 果除应力水平略微增大外，其结构刚度基本保持不变，满足工程使用要求，说明采用综 合优化的方法解决轻量化问题是十分有效的。 关键词：客车、车身结构、轻量化、薄壁梁、结构优化 a b s t r a c t a u t o m o b i l ei n d u s t r yi si nt h er a p i dd e v e l o p m e n t ，i t sh i g he n e r g yc o n s u m p t i o n ，h i g h p o l l u t i o nh a sc a u s e di n c r e a s i n g l ys e r i o u ss o c i a lp r o b l e m s r e d u c i n gv e h i c l e m a s si sn o to n l y t oi m p r o v ev e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y , r i d ec o m f o r t ，b u tm o r ei m p o r t a n ti s t oa d d r e s s e n e r g yc o n s e r v a t i o n ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a n do t h e rs o c i a lp r o b l e m s i nt h i sp a p e r , o nt h ef o u n d a t i o no fl i g h t w e i g h tr e s e a r c ho nd o m e s t i ca n df o r e i g nc a r s ， t h r o u g hs i m p l ea n a l y s i si nt h eu s eo fl i g h t w e i g h tm a t e r i a l si nt h ed e s i g no f t h eb u s ，b a s e do n s t r u c t u r a ls t r e n g t hv a r i a t i o ni nl i g h t w e i g h td e s i g na n dc r a s h w o r t h i n e s se t c ，p o i n t e do u tt h a t m o d e md e s i g nm e t h o di sas h o r t c u tt os o l v et h i sp r o b l e m s p e c i f i cr e s e a r c hp r o c e s so f t h i sp a p e ri s ：f i r s t ，d e t a i l e da n a l y s i so ft h et h i n w a l l e db e a m s e c t i o np r o p e r t i e so fb a s i cc o m p o n e n t s ，a n dt h e nu s ea n s y s s o f t w a r ef o rs t a t i ca n a l y s i so fa 612 7b u st ou n d e r s t a n dt h es i t u a t i o no fv e h i c l es t i f f n e s sa n ds t r e n g t h ，t h e n ，t h eo p t i m i z a t i o n m e t h o dw a su s e dt oa n a l y s i st h eo r i g i n a ls t e e ls t r u c t u r ea n dl i g h t w e i g h ta l u m i n u ma l l o y s t r u c t u r ea f t e rb e i n gs u b s t i t u t e d t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h i n w a l l e db e a mc r o s s s e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，w ek n e wt h a t ： s e c t i o nt h i c k n e s sm i n i m a li m p a c to ns m ev a l u e ，l e s st h i c ki so b v i o u so fw e i g h tl o s se f f e c t ， b u tt h ec r a u s ht e s tr e s u l t ss h o wt h a t t h i c k n e s sc a nn o tb ea r b i t r a r i l yr e d u c e d ；w i d t ha n d h e i g h t ，o fc r o s s s e c t i o nh a v eag r e a t e ri m p a c to nt h es m e ，i n c r e a s i n gt h e w i d t h ，h e i g h to f c r o s ss e c t i o n ，i t s c o m p o n e n t sb e n d i n g ，t o r s i o n a l s t i f f n e s sw i l lb ei m p r o v e d ，w h i c h s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s ew h e n t h eh e i g h tb e i n gl a r g e ，a n dc r a s ht e s ts h o w st h ep e r i m e t e ro f t h er e c t a n g l ec o u l db eb e t t e ri ne n e r g ya b s o r p t i o n ，a n dd i f f e r e n tv a l u eo fw i d t ht oh e i g h t h a v eg r e a t e ri m p a c to nt h ee n e r g ya b s o r p t i o n s t a t i ca n a l y s i sr e s u l t so fa612 7b u ss h o wt h a tw i t ht h ee x c e p t i o no ft h el o c a ls t r e s s c o n c e n t r a t i o no ft h ep a r t i a ls t r e n g t h e n i n g ，t h eb o d ys t i f f n e s sa n ds t r e n g t hc a nb a s i c a l l ym e e t t h er e q u i r e m e n t so fu s i n gi np r o j e c t t h r o u g hs t r u c t u r eo p t i m i z a t i o ni nf l o o rs t r u c t u r e ，w ec a n s e e ，o n l yt oc h a n g et h ec r o s ss e c t i o no ft h ep e r i m e t e r o rt h et h i c k n e s s ，t h e r ew i l lb eag r e a t e r s t r e n g t h o rl a c ko fr i g i d i t yp r o b l e m s ，o p t i m i z i n gt h ec i r c u m f e r e n c ea n dt h i c k n e s st o g e t h e r w i l lb eb e t t e r w h e nt h es t e e lf l o o rs t r u c t u r eu t i l i z ec o m p r e h e n s i v eo p t i m i z a t i o np r o g r a m ，t h e m a s sr e d u c ef r o mt h e2 3 6 3 5 6 k gt o2 0 8 0 1 5 k g ，r e d u c e1 1 9 9 o nt h eb a s i so f t h eo r i g i n a l o n e a f t e rt h es u b s t i t u t i o no fa l u m i n u ma l l o y , t h em a s sd e c r e a s e dt o 16 2 15 8k g c a nb e r e d u c e db y31 1 b a s e do nt h eo r i g i n a ls t e e ls t r u c t u r e ，i na d d i t i o nt h a tt h et w o o p t i m i z a t i o n r e s u l t ss l i g h t l yi n c r e a s e ds t r e s sl e v e l ，t h es t r u c t u r a ls t i f f n e s si st h es a m ea st h eo r i g i n a l o n e , m e e t i n gt h er e q u i r e m e n t so fp r o j e c t ，w h i c hi n d i c a t et h a tl i g h t w e i g h ts y n t h e t i co p t i m i z a t i o n m e t h o d st os o l v et h i sp r o b l e mi sv e r ye f f e c t i v e k e y w o r d s ：b u s ，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 m ，s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n 长安大学硕： 论文 1 1 本课题的研究背景 第一章绪论 进入2 1 世纪，汽车工业在现代工业大发展的背景下飞速发展，汽车的保有量将持 续增加。据德国某家汽车市场调研机构预测，全球汽车( 包括个人乘用车和商用车) 保 有量到2 0 1 0 年将突破1 0 亿辆，且市场增长潜力最大的是亚洲和东欧；在2 0 1 0 年，我 国汽车产量达到1 0 0 0 万辆，保有量将达5 5 0 0 万辆，机动车保有量将达到1 8 亿辆。另 据德国埃森的一家市场调研机构( r l p l o k m a r k e t i n gs y s t e m s ) 最新预测报道 说，在未来7 年内全球汽车保有量仍将继续增长近2 0 。 为了应对迫切的全球气候变暖和能源危机，节能减排已经成为全球汽车企业的 共同课题。中国汽车工业协会对国内上百款在销车型的轻量化和油耗测试进行调查，结 果显示，不同品牌之间存在明显差距。汽车消费者对车辆安全性能的要求越来越高，可 是整个世界对于环保节能的呼声也越来越大，汽车设计者不得不因此而寻求更坚固、更 轻质的造车材料。在新能源路线及国家补贴政策还不明朗的形势下，轻量化已经成为全 球主流汽车企业，应对降低油耗的折中路线。 1 2 本课题的研究意义 1 2 1 汽车燃油消耗和轻量化 石油安全问题对于中国经济社会的可持续发展和综合国力的提升至关重要，是关系 国家安全的重要战略问题，为此国家采取各种措施保证石油安全，其中关键的措施之一 是对石油资源消耗大户汽车进行油耗限制。2 0 0 5 年7 月1 日，我国正式实施了乘 用车燃料消耗量限值标准强制性国家标准；2 0 0 7 年7 月发布轻型商用车辆燃料消耗 量限值标准；交通运输部也分别于2 0 0 8 年4 月和6 月发布了营运客车和营运货车燃 料消耗量限制和测量办法。关键措施之二，在2 0 0 9 年1 月1 日，费改税政策也已经开 始实施，目的是降低燃油消耗，发展节能技术。 从汽车产品在整个生命周期内各种消费的百分比来看，油耗费用是整个生命周期内 总费用的主体，占7 1 左右，其他费用总和约占2 9 【l 】，因此，广大汽车消费者迫切需 要降低燃油消耗以节约运行成本，对于公路客车，主要是以营利为目的，低油耗，低运 营成本的客车才是客户的最好选择。从这个意义上讲，客车轻量化是解决该问题的理想 第一章绪论 方案之一。 星整魏运 回收处 输赀3 薯 蘧荑筏 从技术意义上讲，发动机的功率主要消耗在克服汽车的行驶阻力上，汽车行驶阻力 由空气阻力、滚动阻力、加速阻力和爬坡阻力等组成。除空气阻力以外，在滚动阻力系 数不变的情况下，滚动阻力、加速阻力和爬坡阻力均与整车的总质量成正比。据统计资 料表明，若汽车整车质量降低1 0 ，燃油效率可提高6 8 。汽车车身约占汽车总质 量的3 0 ，空载情况下，约7 0 的油耗用在车身质量上皿】。因此，大客车车身质量的轻 量化对提高整车燃料经济性至关重要。 1 2 2 汽车环保和轻量化 汽车市场在蓬勃发展的同时，汽车排放和噪声污染也已到了十分严重的程度，欧盟 环境污染监测中心最近的调查研究证实，各类机动车辆排气污染己占城市大气部分污染 物的7 0 以上，汽车尾气排放的污染物己影响人们的呼吸。进入欧洲大气层中的氧化氮， 有4 2 是汽车造成的。我国东中西部城市发展不平衡，但是我国主要的城市已从“煤炭 型”污染转变为“尾气型”污染，而且北京、上海和其他的东部城市的尾气污染对环境污 染贡献率也已占到四成以上。 为了减少汽车排放对环境的污染，我国于2 0 0 7 年7 月1 日开始执行国i i i 标准，取 代了原有的欧i i 排放标准，成为我国约束汽车排放污染的新办法。国标准在全国范围 内的执行日期则为2 0 1 0 年7 月1 日。 在国家政策的约束下和从企业对社会的责任方面考虑，减少汽车尾气排放是汽车工 业向前发展的必然。降低排放可以采用多种技术，但是最根本的方法就是减少化石燃料 的使用量，汽车轻量化通过降低燃油消耗，能有效减少汽车尾气排放总量。同时，汽车 质量的减少，对道路的冲击载荷将减少，这将对道路的破坏有缓解作用，另外，在降低 噪声方面也有一定的积极意义。 2 长安大学硕士论文 1 2 3 汽车性能与汽车轻量化 近年来随着人民生活水平提高和全国高速公路网的日益完善，汽车向高档化发展趋 势很明显，为提高客车舒适性，很多现代设备也都被安装在客车上，这无形中增加了整 车整备质量，从而导致油耗增加，客车的碰撞惯性增加，重心高度的提高等不利因素。 客车轻量化为整车性能的改善提供了空间，主要体现在： 1 ) 提高了客车的比功率。当客车的整车质量降低后，若发动机的输出功率不变， 那么单位质量的输出功率就增加，从而提高了客车的后备功率和加速能力。 2 ) 可以降低整车的质心高度。客车车身质量减轻后，整车质心降低，不仅行驶更 加稳定、舒适、也可以提高汽车的抗侧倾能力，有效地改善汽车的操纵稳定性【引。 1 2 4 汽车安全性与轻量化 按传统观念，般会认为不会变形的汽车才是最安全的，客车轻量化和客车的安全 性看作是一对矛盾，尤其是拿不同品牌的轿车相对比，但是实际上，这两个不是对立的 关系，车身轻量化的定义也要求汽车是在满足各种综合性能要求下的轻量化，而不是牺 牲安全的轻量化，相反在客车车身前后部要求吸能较大的部位，采用轻量化的材料，对 客车的碰撞安全性会有所提高。除此之外，重量减轻的客车，在紧急制动时，产生的惯 性小，从而使刹车距离缩短，同时由于客车质量的减少，在碰撞时产生的惯性能量就小， 所以在碰撞时对乘员的损害会降低。因此，轻量化理念设计对客车安全性不但没有损害， 而且有助于改善大客车的安全性。 1 3 客车轻量化研究现状 大客车轻量化的目的不是在于简单地减轻质量，而是在于确保车体强度、刚度的前 提下，来减轻车身骨架的质量，这不仅可以减少钢材的使用量和燃油消耗，减少污染排 放，提高车速，改善汽车起动和制动性能，而且还有可能有效减少振动和噪声，增加汽 车和公路使用寿命。所以大客车的轻量化，首先应保持客车原有的性能不受影响，既要 有目标地减轻汽车重量，又要保证汽车行驶的安全性、平顺性及舒适性，同时控制客车 生产成本来确保产品的竞争力。 1 3 1 客车轻量化材料和轻量化技术的研究及运用现状 据统计，车身质量约占整车质量的3 0 【4 1 ，因此，客车车身结构的轻量化对减轻客 车整备质量有举足轻重的作用。目前，在欧美日等汽车工业较发达的地区，降低整备质 第章绪论 量主要应用新的轻型材料，其中高强度钢、轻型合金材料和工程塑料的应用都比较广泛。 1 ) 国外的研究现状 第一次石油危机后，汽车的轻量化研究工作就开始了，1 9 9 3 年9 月2 9 日， p n o v ( p a r t n e r s h i pf o ra n e wg e n e r a t i o no fv e h i c l e s ) 计划也称为“新一代汽车合作计划”开 始实施，它是由美国联邦政府与3 大汽车公司联合实施的一个政府与企业相结合的研究 计划。该计划不亚于“阿波罗登月计划”。其重要技术经济指标有：提高燃料效率3 倍( 以 1 9 9 9 年技术水平计算) ，大大降低污染物排放；采用新一代轻型材料，使汽车自身质量 大大减轻等。为了满足以上技术指标，美国已开发出高强度钢结构轿车车身，该车身质 量降低2 5 ，成本下降1 5 4 美元，强度增加3 2 。美国钢铁协会( a i s i ) 组织世界1 3 家钢铁公司研究开发“超轻车身研究”( u l t r a l i g h ts t e e la u t ob o d y u l s a b ) ，于1 9 9 8 年 3 月在美国密执安展出了高强度钢车身。1 9 9 9 年1 月，全世界3 4 家大钢铁企业又共同 出资启动了高强度钢车身的研发项目u l s a b a v c ，通过使用高质量钢材和新制造技 术，减轻汽车重量，提高经济性，以满足2 0 0 4 年更为严格的碰撞标准和2 0 0 5 年实施的 欧洲号排放标准。 u l s a b a v c 采用了多种a h s s ( a d v a n c e dh i g h s t r e n g t hs t e e l ) ，a h s s 是一种兼 具高强度和高塑性、有多相钢之称的钢材，该材料可以满足在通常情况下难以两全其美 的强度和塑性，这是因为该材料具有较高的加工硬化特性。而加工硬化特性的存在从碰 撞安全角度看是有利的，因为这可以增加冲撞过程中材料变形时的强度、吸收冲撞能量。 u l s a b a v c 的构成材料中a h s s 占8 5 。所采用的多相钢中包含有d p ( d u a lp h a s e ) 钢、t r i p ( t r a n s f o r m m i o ni n d u c ep l a s t i c i t y ) 钢和c p ( c o m p l e xp h a s e ) 钢以及b a i n i t e 和m a r t e n s i t e 组织的钢材等。使钢材的抗拉强度从b h ( b a k eh a r d ) 钢的3 4 0 m p a 到 m a r t e n s i t e 组织的钢材的1 5 2 0 m p a 。在成形工艺方面，其中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。 2 0 0 5 年2 月，欧洲9 个国家和地区的3 8 家机构共同参与的合作研发项目 s u p e r l i g h t c a r ，坚持应用多种材料及先进工艺理念，兼顾制造成本，在满足汽车 相同性z h , 匕l - , 如刚度、碰撞安全、耐疲劳及耐腐蚀等要求的前提下，实现白车身减重3 0 。 该项目有包括菲亚特、欧宝、雷诺、沃尔沃、保时捷和戴姆勒等7 家主机厂，德国弗劳 恩霍夫应用研究促进协会和亚琛汽车研究院等研究机构。在2 0 0 8 年1 0 月项目组提出三 大轻量化方案：一是普通轻量化车身概念( u l b c ) ，二是超轻量化车身概念( s l b c ) ， 4 长安大学硕士论文 三是a r c e l o r m i t t a l 公司提出的新一代高强度钢车身概念( t h es t e e lc o n c e p t ) ，各自对 应不同的减重效果及成本。该项目的目标是白车身减重3 0 。在其他国家的新材料计划 中，对先进钢铁材料的研究都给以高度重视。日本政府的”超级钢铁研究计划”是由物质 材料研究机构实施的，从1 9 9 7 年度开始，到2 0 0 2 年3 月结束，为期5 年，在第一阶段 已经完成了1 5 0 0 m p a 超级钢开发。之后又实施了第二期“超级钢铁材料开发”计划；1 9 9 8 年，韩国启动了2 l 世纪“高性能结构钢计划”。 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。1 9 9 0 年日本的n i s h i o 、s h i n j i 、i g a r a s h i 等采用s u z u k i 的优化系统对几种车身结构进行优化研 究，该系统的引用证明在满足约束的条件下车身结构质量的减少是可行的l 川。2 0 0 5 年日 本m a s a t a k a 等提出采用多截面结构来解决车身骨架的耐撞性问题，在考虑形状、材料 和厚度的前提下，利用多目标优化技术中的遗传算法对该问题进行了研究【6 】。1 9 9 5 美 国c h a h a n d e 等开始运用m s c n a s t 礼州所带的拓扑优化模块对货车架进行拓扑优化设 计【7 】。1 9 9 7 年，美国m a g a d i 、j o s h i 采用拓扑优化方法，对汽车空气滤清器的支架进行 优化设计，指出拓扑优化在产品设计初期阶段的重要意义【8 】。2 0 0 2 年美国o t k i n 、利用 结构优化方法对汽车前部结构进行局部优化，指出参数化模型在车身结构设计中的重要 作用，通过对比八种不同材料结构在汽车轻量化方面的作用，指出碳纤维材料在汽车前 部吸收碰撞能量和轻量化方面的极大潜力( 和钢结构相比有效减重在4 5 州4 ) 1 9 j 。 1 9 9 1 年韩国c h o i 采用近似模型对汽车的车身结构进行灵敏度分析，该模型利用有 限元软件并采用梁单元进行分析，通过对梁截面的灵敏度分析，最终确定了该车身结构 的截面尺寸，并很好的应用于现实生产。2 0 0 1 年韩国l e e 、k i m 等采用有限元法对车身 结构的灵敏度进行分析，该研究主要对车身梁截面形状进行研究，并应用两个简单的问 题证明该研究的正确性，取得了轻量化的效剿1 0 】。 2 0 0 2 年韩国l e e 运用美国u l s a b 计划开发出来的( t 、腮) 板对汽车门进行优化， 该优化也是分两个阶段进行，首先，是概念阶段的拓扑优化技术，从而确定了可变的厚 度分配，零件和焊接的数量，在细节设计阶段，形状优化和尺寸优化方法在结构强度的 约束下被运用，从而设计出了该车门的结构形状，其重量将减少很多】。 2 0 0 6 年，韩国s o n g 等用多学科设计优化算法，对拼焊板车门进行优化设计，使车 门重量减少了15 ，并且这一优化方法已经运用于设计实践f l 朋。2 0 0 9 年韩国p a r k 等采 用k r i g i n gi n t e r p o l a t i o nm e t h o d 对汽车悬架的上控制臂进行形状优化，采用a 1 6 0 6 1 m 6 铝 合金取代原钢结构，在满足静态结构强度和耐久性的条件下，在构件轻量化方面取得了 第一章绪论 明显的效果【13 1 。 2 0 0 4 年德国h a r z h e i m 在不削弱车身性能的情况下，采用对车身材料的厚度进行优 化的方法，该研究主要针对t a i l o rr o l l e db l a n k s ( t r b ) 板，得出了在不违背性能目标的前 提下，哪一种板厚对车身轻量化效果较为明显的结论【l4 1 。2 0 0 6 年德国d i r s c h m i d 、d u d d e c k 等提出：为缩短汽车工业的创新周期问题，在该领域的前沿技术是采用优化方法来解决 白车身的板材厚度问题，并提出解决车辆撞性、提高车身结构强度的两种有效地方法： 第一采用线性拓扑优化方法，第二采用非线性的参数化的形状优化方法【”】。 因此，我们可以看出，国外汽车工业发达国家的轻量化研究的特点主要集中以下方 面： ( 1 ) 率先利用现代设计方法，对汽车的结构进行优化设计；( 2 ) 提出质量轻量化 的具体目标，研究新型材料和采用先进的制造工艺来实现轻量化；( 3 ) 研究的起步较 早，大约在2 0 世纪9 0 年代前后已有研究成果的运用；( 4 ) 在对材料研究中，都对高 强度、超高强度钢进行了大量的研究。 2 ) 国内的研究进展 1 9 9 8 年，受国家重点基础研究发展规划支持，我国进行“新一代钢铁材料”的重大 技术研究，但是主要是对相关技术的基础理论研究。其中的部分技术成果已经批量的运 用于我国的汽车企业【1 6 】。2 0 0 1 年吉利汽车在试制样车上使用的高强度钢板，用量达 2 6 2 k g ，占车身钢板用量的4 6 ，对减重和改进车身性能起到了良好的作用。东风汽车 公司在减轻东风商用汽车自重，提高有效载重量方面已经取得了一定成果。2 0 0 8 年1 月初，由中国汽车工程学会等1 2 家相关企业及科研机构共同组成了汽车轻量化技术创 新战略联盟。联盟将围绕汽车轻量化共性关键技术展开攻关，在2 0 0 8 年到2 0 1 0 年之间 完成设计新型轻量化材料、轻量化材料先进成型技术等3 个专题共l o 个课题的工作， 实现轿车减轻自重8 一1 0 的目标。这对于提升我国汽车行业的自主研发能力和国际 竞争力，有着里程碑式的重要意义。国内先进高强度钢板的生产和使用相对于国外落后， 先进高强度钢板在国内多处在研发阶段。 由于新材料工艺程度复杂，国内的起步又较晚，所以相对于新材料和新制造工艺， 国内的轻量化研究主要在结构优化设计方面。近年来，多所高等院校都在这方面进行了 研究。 2 0 0 3 年江苏大学徐宏兵通过对大客车车身骨架的有限元分析，同时采用正交和交互 调整计算方法，研究中直接改进一些对强度、刚度影响不大的构件，对一些重要构件进 6 长安大学硕：i ：论文 行多次计算，最后为大客车轻量化提出了一个可行计算方法【1 7 1 。 2 0 0 4 年吉林大学陈吉清阐述了概念开发阶段客车车身结构优化分析的方法，用简化 了的参数化有限元模型，以降低车身骨架重量为目标函数，对车身骨架进行了优化分析， 该研究为车身设计概念阶段和整车性能的完善、减少设计周期方面，提供指导依据【l 引。 2 0 0 4 年陈茹雯运用c a e 优化技术对某军车车身结构进行重新设计，研究了拓扑优 化技术在车身设计中的应用，对优化后车身结构模型进行分析，结论说明拓扑优化技术 的利用可以显著地提高车身的结构强度和整体刚度，且能有效的缩短设计周期【1 9 1 。 2 0 0 5 年大连理工大学王玉艳采用a n s y s a p d l 语言对高速铁路客车车身结构的参 数定义进行多目标的优化，研究结果：车体质量减少8 1 1 3 k g ，减少了自重质量的8 4 ， 在该铁路客车轻量化方面取得了显著的进步1 2 。 2 0 0 6 年合肥工业大学谭继锦通过建立车身骨架有限元模型并结合截面尺寸设计计 算公式，提出按客车总成建模、按内力来调整截面尺寸的车身骨架设计集成方法，进行 车身骨架轻量化的设计【2 1 1 。 2 0 0 7 年合肥工业大学陈玉杰通过对客车车身概念阶段有限元优化分析的作用和特 点的研究，采用参数化模型进行早期结构方案优化研究，以提高整车刚度、降低车身骨 架自重为目标函数，进行优化分析的应用研究1 2 2 1 。 2 0 0 8 年，北京理工大学张军提出一种基于遗传算法的桁架式客车车身骨架的优化设 计方法，该方法用a n s y s 软件建立了车身骨架有限元模型，采用遗传算法进行优化分 析，优化后车身总质量减轻了7 1 9 k g ，减少了重量的2 5 。结果表明，遗传算法的优化 设计较常规的数学规划方法好，实现了某电动大客车车身骨架的轻量化设计【2 引。 2 0 0 8 年清华大学刘江通过全承载式大客车车身骨架的有限元模型，对车身骨架结构 进行了动静态分析及车身骨架结构优化设计参数灵敏度分析，计算出车身骨架扭转刚度 和一阶扭转频率对各部件设计参数的灵敏度数值，并对骨架结构进行了更为合理的设计 【2 4 】 o 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般零部件、客车车 身骨架等改形设计方面。与国外相比，国内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 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 3 2 国内客车车身承载材料的应用现状 7 第一章绪论 近年来，钢材作为客车车身结构的主要材料在满足刚度、强度及防腐蚀能力要求的 基础上，不断对其性能、制造技术和加工工艺进行改进。通过多种改进技术，钢材的品 质和性能大大的提高，其中以轻薄高强度钢板最具代表。 目前，客车车身结构用钢主要是冷扎铝镇静钢板、含磷高强度冷轧钢板、镀锌钢板。 镀锌钢板的抗腐蚀性能随着镀锌的厚度增加而提高，但是成型性和可焊接性随厚度增加 而恶化，电镀锌钢板的表面质量好，油漆后更加美观，多用于车身的外表面零件。具有 抗拉强度级别为3 9 0 n m m 2 和5 1 0 n m m 2 的低合金高强度热轧钢板通常用于车架的纵横 梁受力构件。耐候钢是一种耐大气腐蚀的低合金高强度钢，该钢在使用过程中表面会逐 步形成一层致密的、附着牢固的腐蚀产物保护膜，阻止大气中的氧和水分及其他腐蚀性 介质对基体进一步腐蚀，使其腐蚀速率相对于非合金钢大大降低，且有较高的强度。车 身骨架用冷扎型钢制作，不但可以提高客车车身的强度和扭转刚度，而且可以大大减少 车厂车身制造的工作量，因而冷弯型钢在客车上的应用量很大，其中最具代表的是材料 牌号为q 2 3 5 和q 3 4 5 的薄壁矩形管。q 3 4 5 屈服点大于3 4 5 m p a ，抗拉强度大于4 7 0 m p a 是低合金高强度结构钢，q 2 3 5 是屈服点大于2 3 5 m p m a ，抗拉强度大于3 7 5 m p a 的碳素 结构钢。这两种钢的综合力学性能良好，和其他性能较好的材料相比，价格优势明显。 因此在大客车车身结构中大量采用。 虽然钢铁材料在目前仍是大客车车身结构的主要材料，但是轻量化材料在客车中的 应用正在加速发展，使用比例正逐年上升，可用于汽车的轻型合金材料主要有铝合金， 镁合金、钛合金等，其中铝合金材料在德国轿车上的应用较成熟。 铝合金材料在车身结构机械性能得到满足的条件下，比钢材减少4 0 , - - - 6 0 的质量， 且易于回收，不需要防腐处理并且在碰撞中可以比钢材吸收较多的能量，可大大提高汽 车的安全性。2 0 0 8 年，宇通客车率先推出国产新型全铝车身环保公交车z k 6 1 2 6 h g e ， 该车型的车身质量与钢结构相比，降低了4 6 ，有效地降低了燃油消耗，减少了温室气 体的排放，这也标志着国产客车轻量化的开始。铝合金车身结构由于在轻量化、密封性、 抗腐蚀性、美观性等方面优于钢结构车身，所以是目前客车企业一个较好的选择。但是 和钢材相比，由于铝合金材料的价格劣势，铝制客车身的批量生产还需要时间。 尽管采用轻质材料来实现轻量化被国内外认为是发展趋势，但是在国内的推广、应 用却面临着很大的挑战。国内客车企业在全铝车身技术及开发经验上尚处于空白，关键 技术问题尚未突破。此外大客车作为生产资料，其使用者对高额的购买价格仍很难接受， 再加上国家政策扶持力度小，使其规模生产目前很难实现。 8 长安人学硕士论文 1 3 3非金属材料在客车车身中的应用现状 工程塑料在前部保险杠、车身内饰件、仪表盘、侧围内衬板及车窗等结构上得到了 广泛的应用，并且应用相当的成熟，减重的效果也很明显。 一般的热固性塑料力学性能好，强度高，表面质量好，具有良好的表面着色、电镀、 植绒、铆接、耐腐蚀等性能，多作为外表面件使用。但是工程塑料耐冲击强度低，热稳 定性能差、容易老化的缺点，使它的使用也受到很大的制约，而更加新型的复合材料有 望弥补这一不足。 总之，汽车工业作为国家的支柱产业，其新材料和先进的制造工艺研究，开发和应 用是一项系统工程，汽车新材料的研究运用充分体现了人们对汽车轻量化、低成本、安 全、节能、环保等综合性能的追求。因此我们应积极地关注世界材料的发展动向，通过 技术的引进与创新，不断地缩短我国与发达国家汽车工业发展的技术差距，实现我国自 主品牌的提升及汽车产业大到强的转变。 1 3 4 国内客车结构的发展现状 2 0 世纪8 0 年代以前，国产客车基本由载货车底盘改装而成。它是由两根纵梁和若 干个横梁铆接或焊接而成的，这种车体结构称为非承载式车身；1 9 7 9 年，交通部成立“研 制快速、安全、舒适、经济的大客车专用底盘和整车”课题组，在扬州客车厂进行现场 设计。1 9 8 1 年，我国首款使用客车专用底盘的客车j t 6 6 3 研制成功，它是亚星客车公司 生产的，真正意义上的国产大型客车底盘。1 9 9 3 年，h f c 6 7 0 0 客车底盘由安徽江淮汽 车公司生产，它结束了国内客车用货车底盘改装的历史，该系列产品是采用五十铃n p r 的主要总成和先进的设计技术，达到8 0 年代末国际水平。 1 9 9 3 年安凯客车首先在国内采用全承载技术，这期间国内客车企业掀起引进、合资 潮。如安凯、西沃、桂林大宇、北方尼奥普兰等厂家，相继推出引进国外技术生产的豪 华高档客车。经过多年的自主研发和创新，安凯将全承载车身技术应用到全系列的客车 产品中，2 0 0 8 年7 月安凯获得了全承载发明专利，掀开了全承载在国内发展的新篇章。 该技术是德国凯斯鲍尔公司于上个世纪5 0 年代首创，并通过严格的碰撞试验，性能优 越，使客车具有经济、安全和舒适等性能，尤其适应高速长距离客运。全承载式车身制 造技术促使了中国客车制造方式的改变，即由以底盘制造为中心转到以整车制造为中 心，实现选购国内外总成件匹配客车。如安凯系列客车s e t r a 、a n k a i 、中通博发、 伊利萨尔i r i z a r 、广州五十铃i s u z u 、宇通m a n 等。 9 第一章绪论 因此可以看出，和国外客车技术先进国家相比，尽管我国的客车工业的发展历程较 短，整体实力与欧美日还有不小的差距，但是我们通过技术的引进、消化、吸收后，在 车身的结构方面，和先进的国家差距不是很大。在中高端客车层次，全承载技术的采用 已经很常见。但是我国的客车产业经历了修造、改装、仿制、技术引进，以及目前努力 自主开发等阶段，整体而言，自主开发能力较低。由于我国的道路条件，乘员的构成不 同，在具体结构设计中往往采取局部加强的方法，而不是合理设计部件的整体结构，汽 车自重不但没有减轻，反而越来越重，所以目前轻量化的客车车身结构设计还有很多的 工作要做。 客车结构轻量化设计就是利用计算机辅助集成技术对车身骨架进行优化设计。具体 来说就是以有限元分析为基础，结合结构优化设计，以客车骨架横、纵梁的截面尺寸参 数或厚度为设计变量，以质量最轻为目标函数，以扭转刚度和振动频率为约束条件，进 行轻量化设计，最后得出轻量化设计方案。在整车轻量化设计时主要考虑车身结构的强 度、刚度、低阶振动频率及碰撞安全性与轻量化的关系，这些设计必须借助有限元分析 及结构优化软件来实现。 1 4 本章总结 本章主要在明确文章研究背景和意义的前提下，对轻型材料和轻量化技术的研究现 状以及目前的技术运用状况进行分析，分析表明：目前大型客车的整体拓扑结构比较合 理，一般都是采用全承载式的结构，目前主要的研究重点是整车在满足综合使用要求下 的结构尺寸优化，合理的尺寸优化设计将会使客车带来减重效果；同时也可以断定用轻 型材料( 如铝合金) 和高强度钢材来设计车身骨架将是一个发展趋势。 1 0 长安大学硕 ：论文 第二章客车车身设计中的轻量化 车身轻量化设计是汽车车身设计的一个高级发展阶段，它要求设计人员对所用材料 的本身特性和车身构成有很深刻的了解，本章将对材料本身和组成车身的基本构件进行 分析，为设计阶段轻量化提供参考。 2 1设计材料的轻量化 在构成汽车产品的各类零件中，钢铁材料占比例最高，目前，钢材仍是车身的主要 材料，其中高强度钢的比例不断增加，除此之外，铝、镁合金、钛合金、复合材料也越 来越多的用于车身，在汽车轻量化问题上，高强度材料之间和传统材料之间竞争激烈， 低合金高强度钢，铝合金等材料是当前汽车应用材料的发展趋势。 2 1 1 高强度钢 u l s a b - a v c 项目的研究成果得到了世界各国汽车制造厂的极大关注和认同，从某 种程度上也引导了汽车及相关企业开始注意采用高强度钢板进行轻量化设计，因此加快 了高强度钢板在汽车上的使用进程。 霉 静 绽 囊 辍瓢强陵。m p 龟 i f 无间隙原子钢；m i l d 低碳铝镇静钢：h s s i f 高强度i f 钢；b h 烘烤硬化钢： i s 各向同性钢：c m n 碳锰钢；h s l a 高强度低合金钢；d p 双相钢；c p 复相钢； t r i p 一相变诱发塑性钢；m a r t 马氏体钢；t w i p 一孪晶诱发塑性钢；s t a i n l e s s 不锈钢： bs t e e l 热冲压用钢 图2 1 各类汽车用板的屈服强度和伸长率的关系 高强度钢板经过许多年的发展，已发展成为抗拉强度级别从3 4 0 1 4 7 0 m p a 、各种 第二章客车设计中的轻量化 强化机理和不同表面镀层处理相结合产品系列。在u l s a b a v c 研究项目中，把钢分为 三个等级，其中屈服强度低于2 1 0 m p a 称为软钢板，屈服强度在2 1 0 - - 5 5 0 m p a 之间的称 为高强度钢板，而屈服强度大于5 5 0 m p a 的称为超高强度钢板。为了和常规的高强度钢 板明显区分，把d p 、t r i p 和m a r t 等以相变强化为主的钢板统划分为先进高强度钢板。 图2 1 t 2 5 】是各类汽车用钢板的屈服强度和伸长率的关系，从图中可以看出，随着强度的 提高，材料伸长率将下降，可是相比较前几种钢材而言，d p 、t r i p 和t w i p 钢在拥有 高强度的同时，还具有很好的伸长率，其强度范围为5 0 0 - 1 5 0 0 m p a 。这类钢板还具有 高的减重潜力、高的碰撞吸收能、高的疲劳强度、高的成型性和低的平面各向异性等优 点，因此高强度钢是目前解决轻量化问题最现实的手段。 2 1 2 铝合金材料 铝属于轻金属，密度为2 7 9 e r a 3 ，是钢材密度的l 3 ，其主要特点是：高的导热、 导电、耐腐蚀性。但是抗拉强度只有7 1 3 k p a 。因此为提高其强度加入c u 、m g 等金属， 形成铝合金，铝合金的抗拉强度可接近4 5 号钢的水平；且表面美观，经阳极氧化处理， 利用染色、电解等方法可生成多样色调。铝目前的回收率可达到9 0 ，利于保护环境， 有效地节约了能源。据美国铝业学会的报告称，汽车上每使用0 4 5 k g 铝材就可减轻车 重1 k g ，因此理论上讲，铝制汽车可以比钢制汽车减重4 0 左右【2 6 】。铝合金的上述优点， 使其成为在汽车上使用最多的轻质材料。 客车车身用铝型材大部分是由5 0 0 0 系列和6 0 0 0 系列的变形铝合金制作。5 0 0 0 系列 是a i m g 合金，它是不可热处理强化铝合