毕业设计（论文）-大型客车车架车身总体设计

大型客车车架车身总体设计摘 要车身设计是汽车设计过程中相当重要的一个环节，同样，在大型客车设计中，它会直接影响摆渡大型客车的视觉效果。车身根据其承载形式可以分为承载式车身，非承载式车身和半承载式车身。在结构中，可以把整个骨架分为前围、后围、左右侧围、顶盖和车架六部分。本次毕业设计主要采用CATIA软件来完成，本篇文章主要说明车身骨架的设计原则以及依据，并介绍了车身骨架的结构形式，给出了车身骨架设计过程并对关键零部件车架进行有限元分析。在已有底盘的基础上,根据已有的经验、标准，对各部件进行设计。在理论分析和建模过程中，学习最新车身设计资料，对设计反复修改，尽量使整车外形美观、大方，在车内布置中充分利用有限空间，提高载客量，提高乘坐舒适性，尽量使车内布置更具人性化，更加合理。为了提高强度，采用CO2气体保护焊。本课题基于CATIA三维设计技术，将车身骨架设计技术应用于大型客车中，对大型客车整车设计具有一定的参考价值。关键词：大型客车；CATIA；有限元分析；车身骨架设计；全套图纸加扣 3012250582目 录摘 要IAbstractII第 1 章 绪论11.1 本课题研究的目的和意义11.2 国内外研究现状概述11.3 本文主要研究内容3第 2 章 大型客车车身骨架功能和设计原则42.1 目前客车车身骨架结构分析42.2 大型客车车身骨架的主要功能和作用62.3 本章小结6第 3 章 车身骨架主要尺寸及结构形式确定93.1 本课题的主要涉设计依据93.2 大型客车车身骨架的材料选取103.3 左右侧围骨架设计103.4 前、后围骨架设计123.5 顶盖骨架设计143.6 车架骨架设计153.7 本章小结16第 4 章 基于CATIA的三维建模以及对主要承载件车架的ANSYS分析184.1 基于CATIA对侧围、前围、后围、顶盖和车架进行建模184.2 骨架装配以及运用ANSYS对主要承载件车架有限元分析224.3 本章小结26第 5 章 车身骨架制造工艺过程275.1 车身骨架的制造275.2 车身骨架六大片的组焊285.3 本章小结29结论31致 谢32参考文献33- II -第 1 章 绪论1.1 本课题研究的目的和意义大型客车属于客车的一个分支，摆渡大型客车是机场飞行区及停机坪内常见的特种保障车辆之一，主要用于接、送停靠在远机位飞机上的乘客进出航站楼1。必要时也会为航空公司机组人员及地面工作人员来往于远机位与航站楼之间提供代步服务。在GB37301-88中，对客车车身的定义是：具有方形的车厢，主要用于装载乘员和随身行李2。我所设计的大型客车车身主要具有以下三个特点3：（1）发动机前置；（2）前轮驱动；（3）低地板。摆渡大型客车车身即是承载单元，又是功能单元。作为承载单元，由车身骨架与底架或车架组成的车身结构，在客车行驶中要承受多种载荷的作用。作为功能单元，车身应该为驾驶员提供便利的工作环境，为乘员提供舒适的乘坐环境，保护他们免受车辆行驶时产生的振动噪声和废气等的侵袭，以及外界恶劣天气的影响；此外，合理的车身外部形状，以便客车行驶时能有效地引导周围的气流，提高车辆的动力性、燃油经济性和行驶稳定性，并改善发动机的冷却条件和车内通风。此外，目前市场上的车型主流车型是13.1米和13.8米两种，本设计选取14米车身，对于改变目前汽车市场单一车型现状也有重要的意义。因此，大型客车车身对大型客车的设计有着十分重要的影响。本论文中设计的摆渡大型客车车长14米，宽大约3米，最大可以容纳乘客142人，在大承载时依然可以动力十足，并且保持良好的转向性能。1.2 国内外研究现状概述国外大型客车从设计和生产过程的特点看,大体可分为三类4：一类是采用重型鞍式牵引头加大型客车车厢组成的半挂汽列，另一类是城市大型公交车的变型车，第三类则是根据机场需要专门设计和制造的。西方国家目前生产大型客车的主要厂家有9家，其中德国3家（Neoplan、Contrac、Trepet），西班牙2家(ACS-Ayats、Obradors)，荷兰、意大利、加拿大和比利时各1家。每年共销售大型客车大约在 250-300 辆之间5。国内摆渡大型客车主要60%进口，40%国产，进口主要价格区间在300W以上，部分可以达到400W。进口主要是Neoplan和Contrac公司生产的Cobus，国产主要有厦门大金龙、郑州宇通和浙江青年尼奥普兰三家车企。此外，国内目前分为三类： （1）合资企业：客车底盘车身完全由国外引进，如安凯赛特拉、奔驰和西沃等。 （2）进口底盘和自主车身：例如亚星JS6111HD1、黄海DD6123等。 （3）国产及进口总成件开发底盘设计车身：如宇通ZK6123等。 经过对比发现，合资企业生产的摆渡大型客车造型比较单一，而且价格与自主品牌相比会有所提升；而第二类虽然造型品种多，性价比很高，可是在大型客车车身做工这方面，与合资品牌或是进口大型客车相比，会不如他们的做工。在未来五年市场预测上，其优势是小分支、利润大和前景好。国内对摆渡大型客车车身进行的分析一般仅限于强度和刚度的静态分析6，在动态分析上起步较晚。这一方面是由于受到所具备的计算机软、硬件条件的制约，另一方面车身建模过程涉及因素多而且结构很复杂，还有待于作进一步的研究和探索。前阶段虽有一些在大客车、轿车和骨架蒙皮式半承载式轻型客车车身结构分析方面的应用。如四川工业学院汽车交通与工程系的巢凯年与成都客车厂合作，用ANSYS软件对CDK105和CDK6108大客车骨架进行了分析计算7；武汉理工大学的何天明等用ADINA软件对SZKb700Ii型客车进行了车身强度分析；上海交通大学的顾力强和林中钦应用SuperSAP91对FYC6100高级旅游客车车身结构的静动力学性能进行了有限元分析等。但与国外的车身结构分析相比明显存在着许多不足。 （1）车身结构开发工作主要还是依赖经验和解剖进口结构进行参照性设计的，多用来解决样车试验以后出现的设计问题，设计与分析未能真正做到并行8。 （2）由于软硬件对计算模型规模的限制，模型的细化程度不够，因而结构的刚度、强度分析的结果还比较粗略。9计算结果多用来进行结构的方案比较，离虚拟试验的要求还有相当大的差距。 （3）有限元分析主要应用在结构的强度和刚度分析方面，在碰撞、振动、噪声、外流方面的模拟计算才刚刚起步，对车身结构或部件的各项性能指标进行系统分析及其优化还不是很普遍10。1.3 本文主要研究内容 本论文主要研究内容是车身结构（骨架、内饰、外饰和覆盖件）中的骨架，必须灵活运用自底向上和自顶向下的方法11，所谓自底向上的主要思路是先设计好每一个零部件，然后将这些零件一起装配成一个整体。如果有不合格的，则要重新设计并装配这个零部件，不断的循环上升，直到最后符合设计要求即可。而自顶向下的方法是从设计的产品其功能出发，去选用一系列零部件去满足这个设计的要求。由设计确定参数，再由集合约束确定产品，最后画出装配图和零件图，完成本次设计12。利用有限元分析的方法，对于摆渡大型客车车身进行静力分析，根据变形和应力分布等对于摆渡大型客车车身布置和截面形状进行改进（满足承载车身的局部刚度和变形基础上最大限度降低其质量13，以达到提高大型客车的动力性、安全性和轻量化等性能的目的）。 本论文研究的主要内容如下：1） 摆渡大型客车车身的造型方案确定；2） 白车身设计，确定车身骨架结构参数；3） 利用CATIA建立车身结构的三维实体模型；4） 利用ANSYS对主要承载件车架进行有限元分析；5） 根据分析结果改进设计。第 2 章 大型客车车身骨架功能和设计原则2.1 目前客车车身骨架结构分析汽车都是由车身、底盘、发动机和电气设备四部分组成，大型客车属于客车范畴，同汽车一样，也是由这四部门组成，车身结构主要由骨架和蒙皮两部分组成。客车车身是功能单元，也是承载单元。在行驶中，乘客在车身中受到保护，隔绝噪声振动等环境不利因素，良好的车身结构设计不仅有利于提高动力性，更有利于提高燃油经济性行驶稳定性等多种因素。一个好的车身设计对驾驶员也会有很大帮助，因此，车身结构的设计对于摆渡大型客车的设计有着至关重要的意义14。一般来说按着用途对客车进行分类可以把客车分成以下几种：城市客车、长途客车、旅游客车和专用客车，本课题的大型客车属于专用客车，由于是专用客车，因此可以无行李箱，一般专用客车有学校客车、机场摆渡客车、采血车和会议客车等款式。这些客车依据专门的要求和用途来制造，厦门金龙联合汽车工业有限公司的XMQ6139B大型客车具有低地板，高载客量等优点。根据承载的形式分类，一般可以分为：非承载式、半承载式和全承载式三种，其中前两者又属于有车架，后者属于无车架的。（1）非承载式客车车身非承载式车身其实就是底盘在车架上组装，从而形成车身结构的一种结构形式，这一类车的底盘车架很强，多个橡胶衬垫把骨架牢牢固定在车架上面，是一种弹性连接方式；车身安装在车架上，对车架的加固作用不大，支承全车的基体是车架，车架承受着安装在其上的各个总成载荷；车架弯曲和扭转所引起的载荷很小，车身只承受这部分载荷，所以严格说来，车身并非完全不承载，说车身不承载其实是不严密的；但是由于车架和弹性元件对车身起到的保护作用，受载其实已经微乎其微了。其实早在我国客车发展的最初时候，专业化车身厂生产的车身安装在货车底盘车架上便组成了客车，中国国内轻型客车大部分都是这种非承载式结构，一般是在货车三类底盘，或者是在专用的客车底盘上改装了车身，这种车身结构上都具有一些车身结构优点： a.连接部分可以起到缓冲、隔振以及降低噪声的作用 b.安全性好，遇到撞车事故时，车架可以保护车身 c.便于在汽车上安装各总成、部件； d.简化了装配工艺，便于专业化生产虽然具有以上优点，但是也存在一些不足： a.整车的质量增大，不符合车身轻量化的设计趋势； b.质心高，高速稳定性差； c.生产设备费用相对较高； d.不符合现代客车低地板思路； e.改进成本高，开发周期比较长（2）半承载式客车车身简单的说，半承载式车身其实就是让车身与车架刚性的连接承载的结构形式，是一种在非承载式车身和承载式车身之间折中的车身结构，车身与底架成为一体共同受载。半承载式车身结构的优点：结构简单，可以对车辆进行简单的改装，适当降低地板高度，满足当代大客车的设计需求；但是这种设计仍然在成本和开发周期上存在缺点。（3）承载式客车车身承载式车身是德国凯斯鲍尔公司在上世纪50年代首创，将飞机制造的整体化框架结构技术应用于客车生产。本设计采用全承载车身，即“鸟笼”结构，这种结构来源于框架结构技术，产生与飞机行业。优点：（1）封闭环，受力平稳安全（2）“低地板”，便于乘客上车和下车，“以人为本”（3）减小整车百公里油耗，即将少了制造成本又降低了使用成本（4）提高了客车舒适性，也提高了操纵稳定性（5）车内净高增大：a.空气流动更好 b.扩大车内空间 （6）采光好，视野好，大玻璃缺点：（1）由于是焊接装配，所以焊接的质量很难把握（2）防腐的难度太大了无论任何设计，依据都是必不可少的，在大型客车的设计中： （1）应该根据底盘图上所给的主要参数来完成大型客车骨架设计; （2）遇到冲突时，应该考虑大型客车的相关汽车法律法规；2.2 大型客车车身骨架的主要功能和作用对于大型客车来说，车身的功能十分强大。一方面，车身可以保护驾驶员和乘客；另一方面，车身也可以构成良好的力学环境，一个好的设计的车身，对于大型客车来说，不但可以带来优质的性能，还能给乘客的出行带来心灵上的便捷15。有人说，车身的作用是“减小风阻,保护内脏,美化外表,和谐人机”，但事实上车身的功能绝非如此，当今社会，随着科技的进步，人类对于乘坐舒适性的要求已经远远大于了汽车动力型和燃油经济性，本来航空出行就是一种对于旅行舒适度较高的选择，所以，车身骨架对于提高车身性能而言，有着无可替代的作用。 倘若刚度不够，那么车门行李箱，窗框等位置都很可能发生变形，一旦车门发生卡死等现象，其后果不堪设想16；此外，车身骨架又是车身装配的基础，大型客车的车身骨架的制造时，必须对其受力变形等进行较为严格的控制。2.3 本章小结 综上，大型客车属于特种车，其设计过程应参考大型客车的设计，根据使用环境，客户定位等因素，本次设计应遵循以下几个原则： （1）在保证车身骨架强度与刚度的要求下，满足车身总布置的要求，如有冲突，二者必须协调解决；（2）保证有良好的加工工艺，以减少加工难度；（3）通过优化设计，尽量减少车身骨架的重量；（4）在设计骨架总成结构的形式时，应充分考虑到其系列化变形的要求,降低成本，提高经济效率。（5）在保证总布置及强度条件下，尽可能降低成本，提高经济效率。车体骨架设计应满足车身刚度和强度的要求。刚度不足，将会引起车身的门框，窗框，发动机舱口及行李箱口等的变形，导致玻璃破裂，车门卡死；低刚度必然伴随有低的固有振动频率，易发生结构共振和声响，并削弱结构接头的连接强度；此外，还会影响安装在底架上的总成的相对位置。而结构强度不够则将引起构件早期出现裂纹和疲劳断裂17。大中型客车一般采用骨架式结构。这种结构骨架一般由扭转刚性很高的封闭断面的矩形管构成，因此强度和刚度较高，外蒙皮只起装饰的作用。其优点是：改变客车外形比较容易；车门和窗的开口部可以增大；外蒙皮无铆钉，可以实现较漂亮的外观；采用合理的设计（优化）可以减轻重量。缺点：所有零件均由焊接装配，焊接质量不易掌握；型材防腐难度较大整个骨架分为前围、后围、左侧围、右侧围、顶盖和车架六大部分。前围骨架客车前面车身的骨架，供安装仪表板、前灯具、保险杠、雨刮、前风窗等；后围骨架客车后面车身的骨架，供安装后风窗、后门、后保险杠、后灯等；顶盖骨架车身顶盖的骨架，将前后、左右骨架连在一起构成封闭结构。同时，供安装空调部件、通风窗、灯具、行李架等附件；车身顶盖的特点：（1）连接侧围，协同侧围一起工作；（2）车身受扭时，顶盖主要以剪切变形为主；（3）具有安装顶窗、行李架、顶灯、空调装置、扬声器、扶手等开口；（4）与侧围、前后围、地板一道构成车室空间整体。重视顶横梁的弧度。在其它条件不变时：适当的弧度可以改变车身横断面的扭心高度，降低车顶蒙皮所受到的剪力流，从而降低窗立柱弯矩；但弧度过大会使顶盖的水平抗剪刚度减小。侧围骨架客车左右车身的骨架，满足侧舱门、侧蒙皮等外饰件结构要求；左侧围骨架客车左侧面车身的骨架，供安装侧窗、司机门、行李舱门等；右侧围骨架客车右侧面车身的骨架，供安装侧窗、乘客门、行李舱门、厕所门等。车身的侧围，与车架结合，构成了保证车身必要的弯曲刚性的主元。特点：按结构需要必须开设车门、车窗及轮拱等开口； 主要承受弯曲和扭转载荷。要求：保证车身功能性门、窗等； 保证足够强度和刚度。车架车身下面的骨架，具有足够的强度和刚度以承受汽车的载荷和从车轮传来的冲击18。连结车身与悬挂系统、行驶系统，承载、固定发动机变速箱等汽车部件。综上，在车身设计时，以下几个原则是首要考虑的：（1） 六片式骨架，即前围、后围、车架、顶盖、左侧围和右侧围；（2） 尽量保证良好的加工工艺水平，不要过分增加加工难度；（3） 保证性能的同时，尽可能降低成本；（4） 轻量化设计，减少整车的重量，提高性能；第 3 章 车身骨架主要尺寸及结构形式确定3.1 本课题的主要涉设计依据本设计主要依据参考车身总布置图，主要尺寸如下：总长：14400mm总宽：3170mm总高：2960mm轴距：8210mm前悬：3270mm接近角：10后悬：3240mm离去角：8乘客门宽度：1430mm排放：欧燃料种类：柴油最大总质量：21000kg发动机位置：前置踏步：一级踏步，入口高340mm/280mm（屈膝时）车身结构：承载式骨架车窗：气动双扇外摆乘客门内饰：磨砂地板革，ABS成型前后项+风道+复合板覆PVC革座椅：2个司机座：左右、上下、前后可调，靠背可调，空气悬浮车内照明：豪华条形顶灯，台阶灯空调：36000kcal，非独立式顶置空调，三个换气扇暖风：非独立式强制散热水暖除霜在各种设计过程中，设计依据是必要的，必不可少的。因为任何设计都不可能凭空想象，所以车身骨架设计也应该有相应的设计依据：（1）依据底盘图所给的各种主要参数来完成车身骨架设计；（2）依据车身的总布置图和相关尺寸来完成车身骨架设计；满足客车的各种相关标准，法规和技术要求19。3.2 大型客车车身骨架的材料选取查阅客车用钢材特性表，如果同样结构，强度相同的情况下，那么使用WL510大梁钢与20碳素钢相比，其壁厚约为70%，若假设密度相同，那么应用优质钢材便可以减少30%。优点;（1）达到轻量化目标（2）侧翻时，上部结构重量越小越好 （3）钢结构车身，若刚度满足那么强度也必然满足附：MAN公司车身矩形管材料性能要求（哪些要求是重要的因素） （1）制造来源是酸洗的冷、热轧钢带 （2）焊缝在轧边中部 （3）棱圆角半径 （4）直角度偏差 （5）侧边允许翘曲t （6）直线度偏差 （7）断面扭转角 （8）无氧化层内外表面 （9）无氧化交货状态 （10）拉伸强度和屈服极限经过与指导老师协商，决定将原定材料WL510改用为HC700/980MS（马氏体高强度冷连轧钢），这样做的好处是从汽车轻量化的角度进行设计，有数据显示汽车的总质量每下降10%便会减少6%8%的燃油消耗，也就是说，二氧化碳等尾气污染也相应会减少，这对于“温室效应”，“酸雨”和“雾霾”来说都是有着重大的意义的，除此之外，一旦车身重量减少之后，碰撞时吸收并转移的能量便减少了，再从制动角度去考虑，轻的车制动效果会更好，这也是很有利于主动安全的2021。3.3 左右侧围骨架设计 左右侧围骨架是大型客车车身结构的主体部分，侧窗的下沿部分为主要承载部件，它将车身和底架两侧外伸梁连接成整体。因此从理论上着手，以发挥材料最大潜力，就有可能设计出等强度的空间结构，使车身质量轻，而强度和刚度较大。左右侧围骨架的斜撑结构大大改变了平行布置结构的滑移变形和底架变形。这一点在工程结构上三角形桁架上得到充分证明。左右侧围骨架受载时上下左右互相制约，可有效提高车身结构的强度和刚度。实践证明：斜撑结构可使斜撑弯矩下降85%94%，轴向力增加126%202%，窗立柱总应力下降40%，大大改善窗柱的强度。采用斜撑结构可使骨架式车身结构的侧围构件的弯矩减小，轴向力升高，窗立柱应力下降，可充分利用材料的力学特性，有效提高结构的强度和刚度。缺点是轴间开门的车身结构可使车身刚度不均匀升高，车门处应力升高，所以应注意对车门处的加强，从而保证车身扭转刚度分配均匀。需要补充的轮罩和乘客门区域，前后轮罩区域相对于整个侧壁，刚度削弱。所以此处更应加强。乘客门的设置，使侧壁强度和整车抗扭刚度大大削弱，所以建议将乘客门前立柱与前围立柱并焊，分散应力集中。在设计骨架区的结构时，其纵横短梁要分部匀称，间隙不能太大，否则受力太大，断裂的危险性随之增加，所以应正确设计骨架间的跨度。根据老师所给的底盘图纸中的参数综合分析，门立柱所受到的应力比较的大，要保证粘贴玻璃，所以门立柱要选用断面尺寸较大的矩形钢50401.75mm，同时前门立柱与底架的外撑梁连接。与前围的连接问题上，选用相同的型材50401.75mm来与前围的右立柱焊接，它的曲线和前围右立柱的曲线相同。侧窗立柱之间的距离是1430mm，为保证有封闭环，而使门立柱直接和轮拱立柱对齐，使得第一个窗户宽度为1485mm。窗立柱的放置和断面的选择要考虑玻璃的安装，把窗立柱的断面尺寸选择为50401.75mm，使窗立柱的里端与侧窗下边梁的里端平齐放置。侧窗下边梁是钢质材料的侧围骨架结构的主要承载单元，因此它的断面尺寸须要选择较大的50401.75mm。侧窗的上边梁要与顶盖相焊接，考虑使用的钢材50401.75mm。前后轮拱立柱的位置要考虑车轮的因素，从“封闭环”角度考虑，关键立柱与顶盖，车架相对应，其余部分焊接连接。前后轮立柱需要距轮胎外边缘水平7080mm,轮拱上横梁要求距轮胎外边缘垂直110120mm。(轮胎尺寸约为R520mm)。由于轮拱立柱的开度要放置斜撑，斜撑的断面尺寸为50401.75mm。侧围的第一横梁和第二横梁与底架连接，断面尺寸为40401.75mm。本文设计的侧围骨架如图3-1所示：图 31 侧围骨架CAD3.4 前、后围骨架设计由于本车的曲面构件较多，对加工工艺有一定的要求，在确定构件结构的尺寸是要考虑尽可能采用统一规格的矩形管，并在圆弧过渡上尽量采用统一曲率半径。前围骨架的设计主要是根据总布置的前视图和侧视图来确定的。根据车长14720，车架长度和前悬长度，可以确定前围为100mm（y方向）。前围的左右立柱要与左右侧围骨架的第一立柱相焊接，它们的断面尺寸选择40401.5mm，它们的曲线和前窗玻璃的曲线是一样的。前风窗上沿梁在俯视图上的曲线和风窗玻璃的俯视曲线的相同，在侧视图上的曲线和风窗玻璃的侧视曲线的相同，断面尺寸选择为40401.5mm，高度和风窗玻璃的高度一样。前围横梁的高度根据客车前灯的高度来确定，它的俯视曲线和客车前部外廓俯视曲线相同，断面尺寸选择为40401.5mm。风窗下沿梁与横梁之间为了增加结构强度，必须放置短立柱，短立柱的断面尺寸选择为40401.5mm。此外，横梁之间的短立柱要根据前车灯的宽度来确定，使的灯具能够放进去。风窗下沿梁与第二根横梁之间的短立柱则要考虑进风装置的宽度及位置和雨刮器的安装。后围骨架的设计要根据客车的尾部进行。根据车长14720，车架长度和后悬长度，可以确定后围为150mm（y方向）。从总布置画的尾部图分析可知，尾部上要放置后车窗、发动机舱门、车灯。后围左右立柱要与左右侧围尾立柱相焊接，断面尺寸选择为40401.5mm，它的曲线和客车整车侧围曲线相同。俯视的曲线和整车后部俯视曲线相同，侧视曲线和后窗上部曲线相同，断面尺寸选择为40401.5mm。后窗下横梁的位置在后窗玻璃下端低一点，水平放置，断面尺寸40401.5mm，它的曲线和整车尾部俯视曲线相同。后窗左右两边共设计三根立柱，端面尺寸选择为40401.5mm。 本文设计的前、后围如图3-2,3-2所示：图 32 前围骨架CAD图 33 后围骨架CAD3.5 顶盖骨架设计大型客车属于大型客车，顶盖部位应设有空调和一个安全窗口。因此，应留出其位置，使其能够安装上去，故在设计顶盖的中间纵梁时，可以根据安全窗和空调的尺寸确定。顶盖的设计比较的复杂。首先，顶盖根据侧窗立柱的数量，先确定为11根，位置和窗立柱的位置相对应，以形成一个环，以利于力的传递。由于顶盖的受力较大，顶盖横梁的断面尺寸选择较大的40401.5mm，它们的曲线和客车顶部的曲线相同。接着，考虑空调的安放，空调的尺寸设计为50002000，断面尺寸选择为40401.5mm。根据国家安全法规的要求，在顶盖上布置通风窗兼安全窗，本车车长为14720mm,根据要求至少应设计两个天窗（安全窗）。我根据各种资料选择了通风窗的尺寸为14001400mm。同时考虑灯的安装以及行李架。从力学角度为形成封闭环，先确定九条立柱，与侧围相对应。选用40401.5矩形钢，在前后围连接部分采用与之相同规格的40401.5矩形钢与之焊接。本文设计的顶盖如图3-4所示：图 34 顶盖骨架CAD3.6 车架骨架设计本设计为全承载车身，所以车架的设计至关重要。车架骨架设计主要依据总布置的主视图和俯视图来确定，首先，从封闭环角度考虑，确定十二根横梁，与侧围、顶盖形成闭合的“力环”，以有利于力的传递。前两根横梁与前门两根立柱相连，由于侧围所取的矩形钢断面尺寸为50401.75mm，而车架又是车身骨架六片之中最主要的承载部件，所以应选取断面尺寸较大的，80100的矩形钢，厚度要求为28mm,本文选取801005mm的矩形钢（HC700/980MS），在多处连接的地方增加斜撑，并增加焊接加强版于车架底部。本文设计的车架骨架如图3-5所示：图 35 车架骨架CAD3.7 本章小结综上，本文采用典型六片式车身，分为左右侧围、顶盖、车架、前围和后围六部分焊接而成。从安全性能考虑，主要考虑上部结构抗侧翻和下部结构的抗碰撞两方面。宏观布局的角度分析：要应用“封闭环”设计思路，尽量形成“大环”，如果不能形成“大环”，要尽量用“小环”，但是要注意并非“环”结构都可靠：a.环与车架连接方式 b.连接是否可靠；“篱笆型”结构；侧围斜撑高宽比应大于等于0.6；造型越圆润外形越美观，流线型更好；但造型越方正，则越有利于通过侧翻试验，所以应平衡好两者，以达到设计的最优化。设计时的注意事项： （1）对于薄壁杆件来说，闭口好开口是其两种的截面形式，相同面积和壁厚原则下，一般来说闭口的扭转惯性力矩更大，而开口的抗弯力矩性能好一些。 （2）杆件属于“难弯扭、易拉压”的特性材料，所以在设计的过程中，力学特性应优先于玻璃规格，也就是说，尽最大的可能性去让“力流”连续的传递：a.对齐原则，对不齐用斜撑梁连接 b.坚决除去“T形”的不合理结构，“点对点”c.微观角度将杆件的接头做成连接面等宽也可以 D.从结构力学角度分析，可以用单梁不要用双梁第 4 章 基于CATIA的三维建模以及对主要承载件车架的ANSYS分析4.1 基于CATIA对侧围、前围、后围、顶盖和车架进行建模在对侧围进行CATIA建模时，门立柱所受到的应力比较的大，要保证粘贴玻璃，所以门立柱要选用断面尺寸较大的矩形钢50401.75mm，同时前门立柱与底架的外撑梁连接。与前围的连接问题上，选用相同的型材50401.75mm来与前围的右立柱焊接，它的曲线和前围右立柱的曲线相同。侧窗立柱之间的距离是1430mm，为保证有封闭环，而使门立柱直接和轮拱立柱对齐，使得第一个窗户宽度为1485mm。窗立柱的放置和断面的选择要考虑玻璃的安装，把窗立柱的断面尺寸选择为50401.75mm，使窗立柱的里端与侧窗下边梁的里端平齐放置。侧窗下边梁是钢质材料的侧围骨架结构的主要承载单元，因此它的断面尺寸须要选择较大的50401.75mm。侧窗的上边梁要与顶盖相焊接，考虑使用的钢材50401.75mm。前后轮拱立柱的位置要考虑车轮的因素，从“封闭环”角度考虑，关键立柱与顶盖，车架相对应，其余部分焊接连接。前后轮立柱需要距轮胎外边缘水平7080mm,轮拱上横梁要求距轮胎外边缘垂直110120mm。(轮胎尺寸约为R520mm)。由于轮拱立柱的开度要放置斜撑，斜撑的断面尺寸为50401.75mm。侧围的第一横梁和第二横梁与底架连接，断面尺寸为40401.75mm。本文设计的侧围CATIA建模如图4-1所示：图 41 侧围骨架CATIA在对前围进行CATIA建模时，根据车长14720，车架长度和前悬长度，可以确定前围为100mm（y方向）。前围的左右立柱要与左右侧围骨架的第一立柱相焊接，它们的断面尺寸选择40401.5mm，它们的曲线和前窗玻璃的曲线是一样的。前风窗上沿梁在俯视图上的曲线和风窗玻璃的俯视曲线的相同，在侧视图上的曲线和风窗玻璃的侧视曲线的相同，断面尺寸选择为40401.5mm，高度和风窗玻璃的高度一样。前围横梁的高度根据客车前灯的高度来确定，它的俯视曲线和客车前部外廓俯视曲线相同，断面尺寸选择为40401.5mm。风窗下沿梁与横梁之间为了增加结构强度，必须放置短立柱，短立柱的断面尺寸选择为40401.5mm。此外，横梁之间的短立柱要根据前车灯的宽度来确定，使的灯具能够放进去。风窗下沿梁与第二根横梁之间的短立柱则要考虑进风装置的宽度及位置和雨刮器的安装。本文设计的前围如图4-2所示：图 42 前围骨架CATIA对后围骨架的CATIA建模要根据客车的尾部进行。根据车长14720mm，车架长度和后悬长度，可以确定后围为150mm（y方向）。从总布置画的尾部图分析可知，尾部上要放置后车窗、发动机舱门、车灯。后围左右立柱要与左右侧围尾立柱相焊接，断面尺寸选择为40401.5mm，它的曲线和客车整车侧围曲线相同。俯视的曲线和整车后部俯视曲线相同，侧视曲线和后窗上部曲线相同，断面尺寸选择为40401.5mm。后窗下横梁的位置在后窗玻璃下端低一点，水平放置，断面尺寸40401.5mm，它的曲线和整车尾部俯视曲线相同。后窗左右两边共设计三根立柱，端面尺寸选择为40401.5mm。本文设计的后围如图4-3所示：图 43 后围骨架CATIA在对顶盖进行CATIA建模时，根据侧窗立柱的数量，先确定为11根，位置和窗立柱的位置相对应，以形成一个环，以利于力的传递。由于顶盖的受力较大，顶盖横梁的断面尺寸选择较大的40401.5mm，它们的曲线和客车顶部的曲线相同。接着，考虑空调的安放，空调的尺寸设计为50002000，断面尺寸选择为40401.5mm。根据国家安全法规的要求，在顶盖上布置通风窗兼安全窗，本车车长为14720mm,根据要求至少应设计两个天窗（安全窗），本文选择了通风窗的尺寸为14001400mm。同时考虑灯的安装以及行李架。从力学角度为形成封闭环，先确定九条立柱，与侧围相对应。选用40401.5矩形钢，在前后围连接部分采用与之相同规格的40401.5矩形钢与之焊接。本文建立的顶盖CATIA模型如图4-4所示：图 44 顶盖骨架CATIA在对车架进行CATIA建模时，车架骨架设计主要依据总布置的主视图和俯视图来确定，首先，从封闭环角度考虑，确定十二根横梁，与侧围、顶盖形成闭合的“力环”，以有利于力的传递。前两根横梁与前门两根立柱相连，由于侧围所取的矩形钢断面尺寸为50401.75mm，而车架又是车身骨架六片之中最主要的承载部件，所以应选取断面尺寸较大的，80100的矩形钢，厚度要求为28mm,本文选取801005mm的矩形钢（HC700/980MS），在多处连接的地方增加斜撑，并增加焊接加强版于车架底部。本文设计的车架如图4-5所示：图 45 车架骨架CATIA4.2 骨架装配以及运用ANSYS对主要承载件车架有限元分析在使用CATIA将前围骨架、后围骨架、顶盖骨架、左侧围骨架、右侧围骨架和车架装配时，有以下两点需要注意：（1） 明确六大片的边界和片与片之间在边界处的工作状态，其实这些在车身总布置时就应确立下来。由于车身骨架绝大多数选取的为矩形方管钢材结构，所以片与片之间的工作状态其实也就是方管与方管之间的装配面差。这个面差是由蒙皮、舱门、玻璃和骨架的装配关系决定的，是在车身总布置时就必须要给出来的，所以车身布置也是结构总布置。骨架的装配主要包括：前围与侧围、前围与顶盖、后围与侧围、后围与顶盖、顶盖与侧围以及车架和侧围、前围和后围的装配。这几种面差与蒙皮的安装结构、玻璃的安装结构以及上部结构强度有关。（2） 车身骨架与底盘车架的连接方式。这是整车结构强度的基础，因为即使车身骨架这个笼子做的结构很好、很强，但其与车架的连接方式处理不好，整车强度也会下降。因为我们知道，车架不论是直大梁结构、三段式结构还是全承载式，都是承受整车载荷的基础件，悬架系统所受的作用力和反作用力都要通过车架扩散到整个骨架，使车身骨架参与承载。本文设计的车身骨架装配图如图4-6，图4-7所示：图 46 车身骨架CATIA装配图1图 47 车身骨架CATIA装配图2（1）本设计主要承载件为车架，首先将CATIA V5图(零件图)导入ANSYS；（2）选取元素类型（在尝试中发现solid20node186应用更广泛，使得分网格容易些）,元素定义如图4-8所示：图 48 ANSYS元素定义图（3）定义材料：查资料可得材料弹性模量206GPa，泊松比为0.25。如图4-9所示：图 49 ANSYS材料定义图（4）划分网格：由于尺寸很大，size最好选择20，注意要勾选smart size。网格划分如图4-10所示：图 410 ANSYS网格划分图（5）施加位移约束，如图4-11所示：图 411 ANSYS位移约束定义图（6）施加均布载荷：(计算可得：施加的为0.015)，如图4-12所示：图 412 ANSYS Pressure定义图（7）查看结果：A：变形结果如图4-13所示：图 413 ANSYS 形变图B：应力结果如图4-14所示：图 414 ANSYS应力图（8）分析对比： 本文对车架进行有限元分析时，考虑车架自重以及最大载客质量，本文中所选取的材料为HC700/980MS，其屈服应力极限为700960MPa,大于最大应力，所以选才符合要求，结构设计合理。4.3 本章小结综上，本文运用CATIA对左右侧围、顶盖、车架、前围和后围六部分完成建模以及装配，并对主要承载件车架进行ANSYS有限元分析，在建模过程中，要坚持对齐原则，对不齐用斜撑梁连接，坚决除去“T形”的不合理结构，“点对点”连接；在微观角度将杆件的接头做成连接面等宽也可以，从结构力学角度分析，可以用单梁不要用双梁。而宏观布局的角度分析：要应用“封闭环”设计思路，尽量形成“大环”，如果不能形成“大环”，要尽量用“小环”，但是要注意并非“环”结构都可靠：环与车架连接方式；连接是否可靠；“篱笆型”结构；侧围斜撑高宽比应大于等于0.6；造型越圆润外形越美观，流线型更好；但造型越方正，则越有利于通过侧翻试验，所以应平衡好两者，以达到设计的最优化。这些设计理论都要在建模过程中注意，如果发现建立不合理的情况，一定要进行修改，并重新建立模型。第 5 章 车身骨架制造工艺过程5.1 车身骨架的制造大型客车车身骨架制造主要考虑矩形管剪切切断和组焊两方面。矩形管的剪切切断是指采用矩形管冲断模剪切切断矩形管。矩形管下料一般采用锯片切割机切割和矩形管冲断模剪切两种方法。目前，国内使用手动送给的砂轮锯片切割机，基本上能满足生产需要，但存在着噪音大，粉尘污染严重，切口毛刺比较多等缺陷。所以，需要寻找矩形管切断工艺新方法。因此，产生了利用矩形管冲断模剪切矩形管工艺。 矩形管冲断模是利用剪切原理剪切矩形管的。矩形管在切割刀、活动凹模和固定凹模共同作用下被剪切切断。矩形管冲断模剪切速度快，没有环境污染，经济效益好，但矩形管剪切断面容易产生变形。因此，减小剪切断面变形是冲断模剪切工艺的关键。 矩形管的剪切切断过程中，矩形管的放置有水平放置和对角放置两种形式。由于放置位置不同，其剪切过程各有特点。对于对角放置的矩形管，剪切过程包括形成切口、剪切矩形管上两边和剪切下两边三个阶段 在冲载力的作用下，切割刀刀尖在矩形管上冲出与切割刀厚度等长的切口。切割刀与活动凹模刃共同作用，剪切矩形管上两边。此时，活动凹模的主要作用是夹持矩形管，减小剪切断面的变形，活动凹模刃对材料的剪切作用比较小。在这个阶段中，与切割刀厚度等宽的废料在切割刀的作用下，向内弯曲。随着剪切过程的进行，切割刀和固定凹模刃共同作用，剪切矩形管下两边。此时，固定凹模刃对材料的剪切作用很大，并且在外侧支承剪切断面，使剪切断面不产生变形。 剪切断面变形包括局部产生凹陷和剪切断面被压扁两种情况。通过剪切过程的分析，可以知道剪切断面变形产生在形成切口和剪切上两边阶段。在剪切矩形管上两边阶段中，通过减小切割刀夹角，可有效地减小剪切断面变形。所以，剪切断面变形主要产生在形成切口阶段。 剪切断面的变形决定于矩形管的支承刚度、剪切速度和冲载力等因素。矩形管支承刚度大，切割刀尖锋利，剪切速度快，冲力小，剪切断面变形小。矩形管的支承刚度与矩形管放置位置和切口的位置有关。矩形管对角放置的支承刚度比水平放置大；水平放置的矩形管，切口在两侧的支承刚度比切口在中间的大。5.2 车身骨架六大片的组焊车身骨架分为前围骨架、后围骨架、左侧围骨架、右侧围骨架、顶盖骨架和车架骨架六大片。车身骨架的组焊是先进行各大片的组焊，然后六大片联装组焊，形成整车车身骨架。骨架六大片的划分是骨架设计阶段需要解决的问题，在车身骨架结构形式的基础上，根据车身造型、焊接工艺和变形控制等方面的要求，合理划分车身骨架六大片。从焊接工艺和变形控制方面来看，骨架六大片应为封闭结构。这样在各大片组焊时，骨架的变形能得到最有效的控制，减小定位误差和六大片联装组焊时的焊接变形，减小骨架移动时的变形。并且骨架六大片联装组焊时，焊缝少，容易施焊，装配间隙比较容易保证，平面内焊接收缩变形方向基本一致。由于车首部分为整体组焊，前部造型能得到保证，圆角部分的处理达到更好的效果，但是对组焊胎具要求较高。由于车身骨架结构形式的不同，骨架六大片的划分有多种型式。但不论哪种划分型式，都应与当前工艺水平相适应，在现有工艺水平上，合理划分车身骨架六大片，并且推动工艺水平的提高。 车身骨架采用CO2气体保护焊焊接。焊缝质量对骨架强度有重要影响。焊接规范参数的选择是影响焊缝质量的关键。影响焊缝质量的焊接缺陷有未爆透、焊缝加强高过大、气孔和金属飞溅严重。而焊接规范参数合理的选择能有效地防止和减小焊接缺陷，获得良好的焊接工艺性。CO2气体保护焊的焊接规范参数包括焊丝直径、焊接电压、焊接电流、焊接速度和保护气体流量等工艺参数。这些参数对焊接工艺性和焊缝质量均有影响，其中影响最大的是焊接电压与焊接电流的匹配。焊接电压和焊接电流根据焊丝直径选择，如对于一定直径的焊丝，焊接电流决定于送丝速度。在焊接电流确定的基础上，通过试焊选择最佳匹配的电弧电压。一般情况下，焊接电流最佳匹配的焊接电压只有12V之差，试焊时应仔细调节。由于外界因素的影响，最佳匹配点会发生漂移。焊丝直径与焊接电流、焊接电压之间的关系如表5-1所示：表 51 焊丝直径与焊接电流、焊接电压的关系焊丝直径（mm）焊接电流（A）焊接电压（V）0.6307017190.85010018211.07012018221.29020019231.614030024285.3 本章小结综上，骨架构件在组焊胎具上定位、夹紧和焊接，组焊成骨架各大片。骨架组焊质量包括焊缝质量和骨架变形程度两部分，组焊时应注意减小焊接变形和减少焊接缺陷。（1）合理选择焊接规范参数。骨架构件在组焊胎具上组装时，焊缝应保留0.30.5mm的装配间隙，这样有利于减小焊缝加强高，加大焊缝的熔深。避免了为加大焊缝熔深而增大焊接电流，使焊接变形和热影响区增大。并注意焊丝质量对焊缝机械性能的影响。关于焊接规范参数的选择，对焊接变形和焊缝质量的影响。（2）胎具的夹紧力。组焊胎具加紧装置主要作用是防止骨架结构的角变形和扭曲变形。对其平面收缩变形，如任其自由收缩变形，有利于减小焊件的残余应力，提高车身骨架的疲劳强度。因此，胎具的夹紧力应适当。（3）如果各大片骨架能划分成若干个小组焊件组焊，不但能缩短生产周期，利于新车型开发，而且可以使那些不对称的或收缩力较大的焊缝能自由收缩，而不影响骨架组焊精度，从而减小了焊接变形。（4）选择合理的焊接顺序。合理的焊接顺序能使骨架的焊接变形和残余应力达到最小，焊接顺序的选择要根据具体骨架结构，在控制整个骨架误差的条件下，保证骨架配合部分的精度，而适当降低非配合部分的精度。（5）对焊缝的加强高进行打磨。焊缝加强高不仅影响骨架的外观质量，也降低骨架的疲劳强度。磨去焊缝的加强高，可以降低接头的应力集中。打磨方向应与接头受力方向一致。如果焊缝内部没有显著的缺陷，接头的疲劳强度可以提高到和母材强度相同。整车骨架联装组焊质量主要决定于骨架六大片的正确定位。骨架的定位形式有内定位和外定位两种。内定位采用内定位架定位，外定位采用组装胎定位。内定位架为前后各一个，分别横向安装在车架前后桥附近，侧围骨架组焊高度和整车宽度由内定位