新型电动观光车车架设计

新型电动观光车车架设计绪论1.1研究背景和意义目前国内企业迫于全球能源、污染等诸多方面的发展压力,已经逐渐开始高度重视小型电动公共交通设设计。随着中国的不断快速发展,人民群众生活品质水平的不断稳步提高,直接极大推动了中国的城市旅游服务行业,年游客和观光总量节节提高攀升,给国内的公共交通运输、环卫等公共服务行业发展带来了不小的发展压力,本研究课题将通过对国内城市小型电动公共交通工具的研发设计理念思维、功能及美观外形的深入研究,同时与城市旅游业的功能文化特色相有机结合,力图彻底构建一个系统的研发理论设计框架,从而彻底完成对城市旅游型电动公共交通工具的研发设计。电动家用交通工具车型是目前为止世界上唯一一款能够够达到完全零排量的家用机动车型,其中的低能耗技术能够完全达到环保的技术要求。从观光设计技术创新的国际角度考虑出发,本着美化和引导国际潮流,设计创新诱发国际市场的基本原则,设计制造出产品能够有效满足广大的游客对城市观光公共交通和替代步具的各种多层次的使用要求,其研究成果一定可以对整个观光产业的研发过程起到普遍的应用指导意义,也一定可以为其带来可观的社会经济效益和巨大社会效益。电动观光车有比较大发展潜力的原因是，在使用过程中是短距离行驶，而且使用时间不会太长，这就符合电池工作特点。虽然传统车优点是可以长距离行驶，补充燃料方便快捷，但是在观光车行业中，使用发挥不了这个优势，所以电动观光车在各种政策下会发展非常迅速，出现在我们日常生活中。1.2纯电动观光车研究现状在90年代之前，我国电动汽车基本上都是从其他国家进口[1]。随着国内一些车企慢慢发展，开始有多余资金进行电动观光车的探究和设计。由于车企数量众多，在这个领域很快取得了一些成就。到目前为止，国内车企已经积累了很多经验和实验数据。这都是设计人员们共同努力的结果。现在比较有实力的做电动观光车的厂家有北京新日、郑州林德科技有限公司等等。通过对厂家地址统计可以发现，电动观光车制造厂家和研发基地主要集中在东部沿海发达地区比如浙江和天津等等地方。目前中国是世界最庞大的电动载客观光车、电动观光小轿车生产市场[2]。这为中国观光电动车高新技术的推广发展应用创造了特殊的社会市场经济有利条件。相信在不久未来电动车会成为一个很大的行业，带动国家经济增长新的点。近年来由于境内国民经济不断快速发展,电动旅游观光车市场销量仍将以每年5%的平均增长率水平继续不断保持增长下去[3]。1.3本文主要研究内容（1）纯电动观光车车身的造型方案确定；（2）确定车身骨架结构参数；（3）利用CATIA建立纯电动观光车车身骨架的三维实体模型；（4）利用CAD建立纯电动观光车车身骨架的二维工程图；

2纯电动观光车车身骨架功能和设计原则2.1目前纯电动观光车车身骨架结构分析在日常行驶中,乘客在乘用观光时，车身中可以受到很好保护[5]。骨架周围的安装件隔绝汽车噪声以及振动等多种环境不利因素,良好的乘观车身整体结构设计不仅可以有利于有效提高车身动力性,更多还有利于有效提高民用燃油车的经济性以及行驶中的稳定性等多种不利因素。车身骨架与底盘结构配合程度还能提高车辆在高速行驶的时候的稳定性能。车架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[6]。（1）非承载式纯电动观光车车身非承载式支撑车身其实指的就是车身底盘在整个车架上进行组装,。这一类型汽车的车身底盘支撑车架很强,多个橡胶垫和衬垫把车身骨架牢牢地地固定在底盘车架上面,是一种承载弹性好的连接支撑方式,说整个车身不依靠承载其实连接是不严密的;但是由于底盘车架和其他弹性元件对整个车身结构起到的一定保护支撑作用,受载其实已经微乎其微了。（2）半承载式纯电动观光车车身承载式底架车身其实就是一种让一个车身与两辆车架具有刚性的整体连接共同承载的一种结构一体形式,车身与车辆底架连接成为两个一体共同承接受载。半承载式汽辆车身设计结构的主要优点:车身结构简单,可以对整个车辆内部进行简单的维修改装,满足当代加拿大纯电动车和观光车的车身设计应用需求;但是这种车身设计仍然在制造成本和技术开发周期上仍然存在诸多缺点。相信随着资金不断地投入，科研人员继续对其进行在结构上进行优化，会有一定的突破。这也为我们在未来提供一种在结构上设计的方向。（3）承载式纯电动观光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纯电动观光车生产。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”，便于乘观光上车和下车，“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）提高了纯电动观光车舒适性，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，在纯电动观光车的设计中：（1）应该根据底盘图上所给的主要参数来完成纯电动观光车骨架设计;（2）遇到冲突时，应该考虑纯电动观光车的相关汽车法律法规。2.2纯电动观光车车身骨架的主要功能和作用对于纯电动观光车来说，车身的功能十分强大。一方面，车身可以保护驾驶员和乘观光；一个好的设计的车身，对于纯电动观光车来说，不但可以带来优质的性能，还能给乘观光的出行带来心灵上的便捷。车身骨架就像是人体内的骨骼，支撑着人类进行各类体育活动，并且抵抗外来冲击[7]。骨架强度直接决定车辆在发生危险抗击外部的能力。也对保护乘客安全，发挥着决定性作用。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，这种电动观光车使用环境基本是在城市内部进行行驶，不会去在高速上行驶。这就不用考虑在高速时空气阻力，骨架因此设计要能提高驾驶者和乘观光的舒适性[8]。2.3设计原则纯电动观光车属于特种车，其设计过程应参考纯电动观光车的设计，根据使用环境，观光户定位等因素，本次设计应遵循以下几个原则[9]：（1）车身骨架要有足够强度和刚度去承载和抵抗意外冲击（2）便于加工（3）通过优化设计，尽量减少车身骨架的重量（4）在技术研究中和设计各种骨架材料总成整体结构的构造形式时,应充分地综合考虑其达到其对各种系列化材料变形的基本性能应用要求。设计师在对车体骨架结构设计中，要使车辆骨架的刚度应充分满足车身设计中对刚度和结构强度的基本要求。换就话说就是，能保证车辆抵抗一定的外部冲击，车身结构不发生巨大形变。为后续救援提供便利。大中型纯电动电力观光车一般都需要采用车体骨架式结构车体内部结构。这种骨架结构的主体骨架一般由一些带有较大扭转力的部件和结构刚性很高的圆形外蒙面表皮和有封闭的横断面的矩形管道所构成,因此其运动强度和结构刚度较高,外蒙面表皮只是直接起到了骨架装饰的重要部分作用。其主要技术优点之一可能就是:通过设计和制造改变纯电动动力观光车的车身外形比较容易;纯电动动力观光车的大门和窗的空间宽度以及车门开口部分也同样可以进行增大;电动动力观光车车身外蒙和漆皮内部无任何焊接铆钉,可以直接使用实现较漂亮的车形外观;对电动观光车车身采用合理的结构设计（经过优化）后在设计后也可以大大限度减轻电动车辆的载重量。缺点:所有的零件均由专业焊接人员进行装配,焊接零件质量不易准确掌握;型材的防腐处理难度较大。

3车身骨架主要尺寸及结构形式确定3.1本课题的主要设计依据本设计主要依据参考某电动观光车车型参数，主要尺寸如表3-1所示。主要控制尺寸（mm）长/宽/高（mm）5000/1700/1740轴距3000接近角≥7°离去角≥7°前后轮距1660/1660车架总质量800kg允许最大总质量2000kg表3-1某电动观光车车身参数3.2纯电动观光车车身骨架的材料选取查阅纯电动观光车用钢材特性表，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%[10]。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将汽车原定型的材料wwwl510改用为材料hc700/980ms(马氏半导体高温低强度冷连续热轧钢),这样这么做的最大好处之一是从今年汽车轻型质量化的设计角度向上进行总体设计。有关的数据分析显示2010年汽车的总燃油质量每一年下降10%便自然会大大减少6%~8%的汽车燃油投入消耗,也就是说,二氧化碳等汽车尾气中的污染也因此相应的就会大大减少,这对于"温室效应","酸雨"和"雾霾"来说都已经是非常有着重大的促进意义的,除此之外,一旦一辆车身内部重量大大减少之后,碰撞时需要吸收并快速转移的制动能量便大大减少了,再从车辆制动安全角度向上去进行考虑,轻的重型车辆其制动安全效果自然会变得更好,这也是很好的有利于主动安全的。3.3左右侧围骨架设计左右车门侧围侧窗骨架支撑是大型长途观光游览车主要车身内部结构的一个主体支撑部分,侧窗的骨架下沿支撑部分可作为主要车身承载支撑部件,作为外部接触可能撞击的位置，就要有足够强度，保证车内空间。它将整辆车身和侧窗底架两侧外围拉伸梁相互连接后构成一个整体。因此从设计理论上必须着手,以充分发挥这种材料最大应用潜力,就是最有可能将其设计成超出等级高强度的车体空间结构,使得的车身整体质量轻,而车体强度和结构刚度较大。左右轴两侧围绕式骨架的布置斜向支撑滑动结构大大度地改变了主体平行方向布置斜撑结构的主体滑移滑动变形和主体底架滑移变形。这一点在建筑工程桁架结构上采用三角形状的桁架上可以得到一个充分证明。左右及两侧围栏钢骨架架在受载时上下左右重力互相制约,可有效大幅提高整辆车身内部结构的支撑强度和运动刚度。3.4前、后围骨架设计由于生产本车的矩形管和曲面构件数量较多,对矩形管加工的工艺有一定的技术要求,在加工时确定了构件结构的长度和尺寸。但是要在加工时考虑尽可能多地采用统一半径规格的矩形管,并在圆弧的过渡上尽量保证构件采用符合统一曲率的半径[13]。前围骨架的俯视高度曲线设计主要的方法就是根据总布置的前部骨架俯视高度图和后部前围的骨架在侧视图上的高度曲线来设计并进行确定的。前围骨架断面尺寸的俯视高度和前部风挡车窗玻璃的两个俯视高度一样。前围骨架上两个横梁的俯视高度的设计也是主要根据纯电动前灯和柴油观光小客车前灯的两个俯视高度之间的曲线来设计并进行确定,必须在两个横梁间放置短立柱。后围观光车尾部骨架的尺寸选择和其设计工作主要是根据纯电动长途观光车的后围尾部骨架尺寸要求来设计和进行。根据前围的尾部车长,车架的长度和后围的尾部车悬长度,可以直接确定后围的尾部骨架轴距(y轴的长度和方向)。3.5顶盖骨架设计纯电动的观光车如果是属于纯电动观光车,顶盖部位的中间和纵梁上应同时设有独立的空调和一个安全窗口。因此,应将安全窗的纵梁留出其位置,使其能够安装到同时设有顶盖的纵梁上去。顶盖的侧窗高度设计也比较的复杂。由于电动观光车顶盖的横梁受力较大,顶盖横梁的断面高度尺寸可以选择较大值,它们的高度曲线和纯电动观光车顶部的曲线相同。顶部还要有足够强度，当车辆在行进过程中出现出现交通事故时候，能保证车内有足够空间，这就需要顶盖加在设计时有足够强度。3.6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。首先，从封闭环角度考虑，确定横梁数量，与侧围、顶盖形成闭合的“力环”，以有利于力的传递。

4前后围与底盘骨架三维模型建立与图纸制作4.1引言根据前几章的设计基础，前后围与顶盖骨架的具体形式已经确定，包括前后围的造型，顶盖骨架的布置形式，前后围具体结构的尺寸，结构形式，本章将进行以下几个工作，建立前围、后围、以及顶盖骨架的三维模型；提出前围、后围及顶盖骨架的装配要求；制作前围、后围以及顶盖骨架的工程图纸。三维模型的作用是提前发现在实际装配过程中可能会产生的零件之间相互干涉影响的不合理设计，避免在实际装配过程中资源的浪费，可以提前进行修改在软件当中。装配要求要保证各个部件之间合理的间隙，只有这样才能使各个部件在长时间使用过程中能够不影响设计使用寿命。图纸标注时候能够使一线安装人员迅速理解。4.2Catia软件简介Catia软件本设计是一款三维建模软件,适用面广,包含了创成式汽车造型(generativeshapedesign)、自由曲面(freestylesurface)、钣金设计(sheetmetaldesign)以及工程的制图、零件的设计、装配设计等几大模块。其在汽车设计领域已经等到了非常广泛的技术应用。Catia汽车设计软件在创成式汽车的设计应用领域方面可谓是具有独特的技术优势,主要是体现在其创成式汽车造型的模块。本汽车设计软件正是通过利用这一模块以及其工程制图、零件设计、装配设计共四大技术模块的应用来设计和实现前围、后围以及其顶盖骨架的三维建模、零件的装配以及二维建模等工程图纸的制作。4.3前围、后围及底盘骨架的三维模型建立本设计三维模型的建立主要运用到创成式造型以及零件设计模块。运行CATIA点击开始菜单，下拉找到形状菜单，找到如图4.1，图4.2，图4.3、4.4所示[16]。图4.1Catia创成式模块图4.2Catia零件设计模块图4.3创成式模块命令图4.4零件设计模块命令本设计零件装配主要运用到装配设计模块。运行CATIA点击开始菜单，下拉找到机械设计菜单，鼠标光标放在其上可显示二级菜单，下拉点击装配设计即可进入装配设计界面进行零件装配，如图4.5所示。该模块当中经常使用的命令如图4.6所示。图4.5catia装配设计模块图4.6装配设计模块命令本设计图纸的制作主要用到工程制图模块。运行CATIA点击开始菜单，下来找到机械设计菜单，鼠标光标放在其上即可显示二级菜单，下拉点击工程制图即可进入工程制图界面进行图纸制作，如图4.7所示。该模块当中经常使用的命令如图4.8所示。图4.7catia工程制图模块图4.8工程制图模块命令CATIA中创成式曲面和自由曲面两大模块来创建曲面的造型，大致的建模思路如下：（1）先利用创成式曲面模块创建曲面粗糙的造型，经过模块中一系列操作产生基本的曲面造型。；（2）利用CATIA混合设计的功能，进一步创建的造型曲面十分光滑美观。（3）此时的曲面只是一块完整片状曲面，利用自由曲面模块中的加厚命令，设置加厚的方向向内[17]。运用catia建立的前围骨架效果图如图4.9，4.10，4.11，4.12所示。图4.9前围骨架正视图图4.10前围骨架左视图图4.11前围骨架俯视图图4.12前围骨架轴测图运用catia建立的后围骨架效果如图4.13，4.14，4.15，4.16所示。图4.13后围骨架正视图图4.14后围左视图图4.15后围俯视图图4.16后围骨架轴测图运用catia建立的底盘骨架效果如图4.17，4.18所示。图4.17底盘骨架俯视图图4.18底盘骨架轴测图4.4前围、后围以及底盘骨架装配要求在我们完成主要骨架零件设计的时候就要就行装配，装配过程中要严格按照相关安装基本准则，只有这样才能保证安装完成之后各个零件之间装配精度，才能满足零件寿命在设计预期之内。装配时候大致按照下面几大步去装配。第一步：先通过MIG焊接技术，把主要大部件焊接起来。主要有前后围与骨架。只有保证大件之间的装配精度，才能进行其余部件继续安装。利用CATIA的装配图设计模块里面的接触和相合命令，约束每个零件的6个自由度从而完成装配。在软件中，通过模拟安装，检查是否有相互影响的部件。如果有，可以提前进行修改。避免在实际装配过程中造成资源的浪费。最终确定下来整体安装结构，通过软件，完成本次的设计工作。装配要求：(1)零件在装配前必须清理干净,不得有毛刺、飞边、氧化皮、锈蚀等。(2)零部件装配前必须对零部件的主要性能配合尺寸要求进行严格复查。(3)在在装配的进行过程当中不可以允许与装配人之间发生对装配零件的任何磕、碰、划伤等。(4)、在使用连接螺栓、螺母配件进行连接紧固时,必须正确地安装使用合适的连接工具和专用扳手,或者合适的连接工具,严禁用力进行打击。螺栓、螺母的任何头部部件不得因此受到严重损坏。装配后的总成图如图4.19，4.20，4.21，4.22，4.23所示。图4.19装配总成俯视图图4.20装配总成左视图图4.21装配总成仰视图图4.22装配总成后视图图4.23装配总成前视图图4.24装配总成轴测图4.5前围、后围以及底盘骨架工程图纸制作基于Catia工程制图模块，可以用来制作本设计的工程图纸，本设计绘制了前围总成图，后围总成图及顶盖骨架总成图[18]。前围骨架总成图：总成图由四大块组成，包含尺寸标注、视图、技术要求、零件清单。其中视图主要包含主视图、左视图、俯视图、等轴测视图，尺寸标注及其它视图具体请参见文件前围.pdf。尺寸标注方法可参考简明机械设计手册。技术要求如下[19]，零件清单如图4.25。技术要求：1.焊接工艺：点焊、弧焊、MIG焊；2.焊接要求：不允许虚焊、漏焊、凹坑、缩孔、夹渣、等等不良现象；3.焊接设备：MIG焊接采用福尼斯的焊接电源（具体采用CMT焊接技术）+ABB的机器人进行MIG焊接；4.有害物质要求：产品符合RoHS标准；5.密封尺寸要求：横纵梁密封面的平面度小于0.6mm；6.所有紧固件（螺栓、螺母）需具有防锈功能，电泳层为白色，电泳后的膜厚≥40um，满足中性烟雾试验要求（720h无红锈）；7.所有螺栓应确保拉强度可靠，不能出现不到位或者松动现象；8.未标注的尺寸参考3D数模；9.在装配过程中要保证表面干净；10.装配过程零件表面不能碰到尖锐物体，避免产生凹陷；11.各密封件装配前必须浸透油；12.零件分别按GB/T4169.1-2006和GB/4170-2006进行检验；13.连接工艺：塑料之间采用胶粘+螺栓连接,金属件之间采用MIG焊接。图4.25前围骨架总成图零件清单后围骨架总成图：总成图由四大块组成，包含尺寸标注、视图、技术要求、零件清单[20]。其中视图主要包含主视图、左视图、俯视图、等轴测视图，尺寸标注及其它视图具体请参见文件后围.pdf。尺寸标注方法可参考简明机械设计手册。技术要求如下，零件清单如图4.26.技术要求：与前面前围骨架技术要求一样，但是最后一步要进行校核后卫骨架总成关于XZ平面对称图4.26后围骨架总成图零件清单底盘总成图：总成图由四大块组成，包含尺寸标注、视图、技术要求、零件清单。其中视图主要包含主视图、左视图、俯视图、等轴测视图，尺寸标注及其它视图具体请参见文件后围.pdf。尺寸标注方法可参考简明机械设计手册。技术要求如下，零件清单如图4.27。技术要求：与前面前围骨架技术要求一样，但是最后一步要进行校核底盘总成关于XZ平面对称图4.27顶盖骨架总成图零件清单装配总成图：总成图由四大块组成，包含尺寸标注、视图、零件清单。其中视图主要包含主视图、左视图、俯视图、等轴测视图，尺寸标注及其它视图具体请参见文件后围.pdf。尺寸标注方法可参考简明机械设计手册。

5结论研究电动观光车车身骨架具有重要的现实意义。本文围绕纯电动观光车架的设计展开研究，具体工作归纳如下：（1）展示了电动观光车骨架的开发与研究状况，对其发展方面进行综述。（3）针对电动观光车骨架的关键结构组成原理与现在的开发现状等开展研究与介绍。（5）开展了电动观光车前后围和顶盖骨架的设计。（6）采用三维设计软件绘制了所设计电动观光车前后围和顶盖骨架的整体结构立体模型，又绘制出二维平面图纸。本论文针对电动观光车前后围和顶盖骨架的研究虽到达了一些目的，但对于其设计才刚刚起步，另一方面，因为本人机械基础有限与开发经验的缺乏，故离完成高要求、高标准的设计还是任重而道远，本设计还有以下不足之处：（1）本论文只是针对电动观光车车架开展了良好状态下的研究，并未针对它实际的应用工况开展更进一步的研究，故在实践方面，还有待再探究。（2）本设计中仅仅设计了电动观光车车架，而在车身中，还有蒙皮等部分，本设计还亟待开展更深层次的探究。

参考文献张金光.XMQ6139B型观光车车身设计[J].观光车技术与研究,Vol.31No.32009左洪燕.如何提升中国汽车产业的国际竞争力[D].首都经济贸易大学硕士学位论文,2006.3魏平涛.威海广泰WGBD08大型观光车解析[J].专用汽车与配件,Vol.30No.82010.8张佩颖.国产观光车抢占市场[J].中国企业报,Vol.31No.82008吕明光.6101观光车车身骨架的轻量化设计[D].东北大学硕士论文,2007.1李金月，赵维俊.我国大中型观光车行业现状观光车技术[J].观光车技术,Vol.11No.42000.4刘克进，杨沿平.车身骨架变形的有限元分析[J].湘潭大学自然科学学报,Vol.26No.22004ThomasD.Gillespie.FundamentalsofVehicleDynamics.WarrendalePA:SAE.Inc,1992刘向征，艾松树，杨荣山.有限元分析在改进观光车骨架设计中的应用[J].观光车技术与研究,Vol.30No.22008段晓坤.虚拟设计中的混合设计建模方法研究[J].机电工程,Vol.29No.92012.9邓亚东，佘翊妮，钟诗清.基于UG软件的观光车车身设计[J].观光车技术与研究,Vol.27No.12005刘言言.观光车车身骨架五大片结构及制作工艺[J].机械工程师,Vol.41No.62009周伟.观光车车身结构轻量化设计[D].吉林大学硕士论文,2011.6成耀龙.大观光车车身骨架结构轻量化研究[D].武汉理工大学硕士论文,2007陈晨.我们与国外先进观光车的制造工艺的差距在哪里[J].商用汽车,Vol.25No.102008.10李华香.观光车车身骨架有限元建模及轻量化研究[D].合肥工业大学硕士论文,2006左向南.大型观光车车身骨架研究分析与轻量化研究[D].哈尔滨工业大学硕士论文,2011.6龙江企.车身轻量化与钢铝一体化结构新技术的研究进展[J].机械工程学报,Vol.44No.62008张勇.基于近似模型的汽车轻量化优化设计方法[D].湖南大学博士论文,2008.12柴陆路.长途观光车车身骨架设计[J].城市车辆,Vol.27No.72009

附录（英文文献原稿+中文译稿）VARIABLECROSS-SECTIONRECTANGULARBEAMANDSENSITIVITYANALYSISFORLIGHTWEIGHTDESIGNOFBUSFRAMEWenjieZuo,JiaxinFang,MinghuiZhongandGuikaiGuoStateKeyLaboratoryofAutomobileSimulationandControl,JilinUniversity,Changchun130025,ChinaSchoolofMechanicalScienceandEngineering,JilinUniversity,Changchun130025,China(Received31January2018;Revised30April2018;Accepted8May2018)ABSTRACT−Timoshenkobeamelementofvariablecross-sectionrectangulartubeisdevelopedandappliedinthelightweightdesignofbusframeinthispaper.Firstly,thefiniteelementformulationsofvariablecross-sectionbeam(VCB)arederivedundertheloadstepsofaxialdeformation,torsionaldeformationandbendingdeformation.Secondly,bendingdeformationexperimentanditsdetailedshellfiniteelementmodel(FEM)simulationofvariablecross-sectionrectangulartubewereconducted;andtheproposedVCB,detailedshellFEMandexperimentalresultscanbehighlyconsistent.Thirdly,VCBsareusedtosubstituteforpartsoftheuniformonesinabusframe.Aninnovativelylightweightbusframeisobtainedandalltheperformanceresponsesareimprovedsimultaneously.Finally,rolloveranalysisfurthershowstheadvantageofvariablecross-sectionbusframeincrashworthinessdesign.KEYWORDS:Variablecross-sectionbeam,Beamelement,Lightweightdesign,Busframe1.INTRODUCTIONLightweightdesignofvehiclecanbeconductedbymaterialselection(Mayyasetal.,2011;ZuoandSaitou,2017),processinnovation(Wangetal.,2008a,2008b)andstructuraloptimization(BalesdentandChriette,2012;Zouetal.,2015,2016).Intermsofstructuraloptimization,lightweightdesigncanbecompletedby:topologyoptimization(ZuoandSaitou,2017),shapeoptimization(Baietal.,2017;Zuo,2013;ZuoandBai,2016)andsizeoptimization(Zuo,2015;Zuoetal.,2014).Topologyoptimizationisgenerallyusedatconceptualdesignstage.Multi-componentbeamstructure(Lyuetal.,2006;LyuandSaitou,2005),frameelementsconsideringcross-sectionalproperties(Takezawaetal.,2007),andboxbeamframe(TorstenfeltandKlarbring,2007)weretopologicallyoptimizedandappliedinautomobilebodystructures.Shapeandsizeoptimizationareoftenintroducedatthedetaileddesignstage.Firstly,optimallytopologicalresultsaretransformedintothin-walledstructureswitharbitrarilycross-sectionalshapes,whichbelongstoashapeoptimizationproblem(Baietal.,2017;Zuo,2013,2015).Then,theoptimizedcross-sectionalshapeisusuallyequivalenttoboxsection,whichonlyhasthreedesignvariables:height,width,andthickness.Therefore,thisprocedurecanlargelyreducethenumberofdesignvariablesandpromotethefollowingsizeoptimizationmorefeasible(ChenandZuo,2014;Zuoetal.,2016).Forautomobilebodystructure,theobtainedthin-walledstructureisfurthermeshedbyshellFEM,sothethicknessofshellcomponentsisoptimizedtosearchtheoptimalsize(Thomasetal.,2002).Forabovestudies,moreattentionhasbeenfocusedonstructuraloptimizationofframestructureconsistingofuniformcross-sectionbeams,butfewstudieshavebeendoneonVCB.Infact,VCBwasproposedfrom1960s.Gainesetal.hadresearchedthetransversevibrationsofcantileverofVCB(GainesandVolterra,1966).Eisenbergeretal.deducedtheexactstaticanddynamicstiffnessmatricesonlyforvariablecrosssectionbars(ArbabiandLi,1991;Eisenberger,1990,1991,1995).Ronaghetal.(2000a,2000b)furtherinvestigatedthenonlinearanalysisofthin-walledVCB.Recently,Kim’sgroupproposedhigher-orderbeamtheoryforthin-walledbeam(KimandKim,1999,2000),andfurtherextendeditintotheresearchofVCB(Choietal.,2016;KimandJang,2017).Moreover,inthefieldsofcommercialfiniteelementsoftware,VCBcanbemodeledandanalyzedbyANSYSandMIDASsoftwares.Inbusframe,thick-walledbeamarewidelyused,andsomethicknessesinload-bearingpartsevenreachupto510mm.Asaresult,researchonthick-walledbeamismeaningfulinengineering,andTimoshenkobeamtheoryissufficienttodescribethedeformationofthick-walledbeamaccurately.Therefore,finiteelementformulationsofVCBcanbederivedbyusingTimoshenkobeamtheory,comprehensivelyconsideringtensional,bendingandtorsionaldeformations.Besides,lightweightdesignby*Correspondingauthor.e-mail:zuowenjie@WenjieZuo,JiaxinFang,MinghuiZhongandGuikaiGuostructuralmodificationdependsonthesensitivitysequencesofresponseswithrespecttodesignvariables.However,thereisnocommercialsoftwaretoachievethistask.Accordingly,thecontributionofthispaperisnotonlythedevelopmentofTimoshenkoVCBbutalsothestructuralmodificationbysensitivityanalysis,whichisacompletesolutiontothelightweightdesignofbusframe.2.FINITEELEMENTFORMULATIONSOFVCB112.1.Cross-sectionalPropertiesRectangulartubewithvariablecross-sectionisshowninFigure1.Thesmallsectionislocatedattheleftend,wherewidth,heightandthicknessareb,handt,respectively;andinclinationanglesoffourlateralfacesareθ1,θ2,θ3andθ4,respectively.Includingthelengthofthebeamelementl,therearetotally8designvariablestodescribethisbeam.Accordingtothesevariables,thecross-sectionalproperties,areaA,bendingmomentsofinertiaIyandIz,andtorsionalmomentsofinertiaIx,canbecalculatedasAx()=2thxβbxα+++Iyx()=thαx+()26hαx+()+3bβx+()Izx()=tbβx+()26bβx+()+3hαx+()Ix=2tbxα+()2hxβ+()2bhαβ+()whereand.2.2.FiniteElementFormulationsUsingLagrangianinterpolation,axialdeformationuisexpressedbynodaldisplacementuiasu=Nuewhereue=u1u2[]TN=1xl--–xl–andthelengthofthebeamelementisl.SostiffnessmatrixofaxialdeformationcanbeformulatedasFigure1.Rectangulartubewithvariablecross-section.Kaxial=0l∫EAx()BTBdxwherestrainmatrixSince,θ=θ1+θ2+θ3+θ4≈tanθ1+tanθ2+tanθ3+tanθ.Accordingly,EquationcanbesimplifiedAsKaxial=2tEθ2--hb+l+⎝⎠⎛⎞11Likewise,substitutingEquation(4)intothestiffnessmatrixoftorsionaldeformationKtorsional=0l∫BTGIxx()BdxWecanobtaintheexplicitexpressionKtorsional=2tGl211–1–1A14l4+B1A1m–3l3WhereA1=α2β2αβ+B1=2αβhαbβ+()αβ+C1=h2α2bβ24bhαβ++αβ+D1=2bhhαbβ+()αβ+E1=b2h2αβ+m=bh+αβTimoshenkobeamtheoryisusedtodescribethebendingandshearingdeformation,whicharebothindependentlyinterpolated.Therefore,thecorrespondingstrainmatrixareBb=01l--01l–Bs=1l-–xl--1–1l--xl–SubstitutingEquations(13)and(14)intoEquations(15)and(16),respectivelyKbe=E0l∫Iyx()BbTBbdxKse=Gk0l∫Ax()BsTBsdxWecanobtaintheexplicitexpressionofandrespectively,asfollowsVARIABLECROSS-SECTIONRECTANGULARBEAMANDSENSITIVITYANALYSISFORLIGHTWEIGHT1035KKwhereandarethecross-sectionalareaattwoendsofVCB,i.e.A3.VERIFICATIONOFVCBELEMENT3.1.ExperimentalVerificationThesizesofspecimen,correspondingtoFigure1,arel=387mm,b=33.3mm,h=33.5mm,t=1.13mm,b=33.3mm,h=33.5mm,t=1.13mm,θθ==241.25θθ==1.25，respectively.ThetestsetupsandVCBareshowninFigure2.Theloadingratewas10mm/minandclosetoquasi-staticcondition.Thematerialofspecimenisausteniticstainlesssteel12Cr17Mn6Ni5NwithelasticmodulusE=203.7GPa.Force-displacementcurvesbetweenexperimentandtheoryarecomparedinFigure3,whereconsistentresultsareobtainedattheelasticstage,butlargeerrorisproducedattheplasticandfracturestage.ItisbecausethattheproposedmethodcanonlyconsiderthelinearstaticbehavioroftheVCB,whichissufficientforthestaticandmodalanalysisforthebusframe.Finally,fractureoccursatthefixedend,asshowninFigure4.Figure2.BendingdeformationexperimentFigure3.Comparisonofforce-displacementcurves.Figure4.FractureofVCB.3.2.ShellFEMVerificationInthissection,weuseddetailedshellFEM,asshowninFigure5,tosimulatetheaboveexperimentbycommercialsoftware−HyperMeshandOptiStruct.Geometry,materialproperties,boundaryconditionsandloadingswereappliedasthesameastheexperiment.TheenddeflectionsareFigure5.BendingofshellFEM.Table1.Deflectioncomparisonofthethreemethods.Deflection(mm)ErrorDeflection(mm)ErrorDeflection(mm)ErrorProposedVCB4.177/ProposedVCB4.177/ProposedVCB4.177/1036WenjieZuo,JiaxinFang,MinghuiZhongandGuikaiGuocomparedinTable1.ItcanbeseenthattheproposedVCB,detailedshellFEMandexperimentalresultsareallhighlyconsistent.4.STRUCTURALSENSITIVITYOFVCBBUSSensitivityanalysisisanefficientwaytofurtheracquirethelightweightdesignofVCBbusframe.Beforesensitivityanalysis,weneedtodefinethestructuralstaticstiffness.Inthefollowing,twotypesofloadstepsareusedtoevaluatethestaticstiffnessofbusframeinengineering,asshowninFigure6.Thetorsionalloadcaseoccurswhenoneofthefrontwheelsjumpsacrossapit.SothetorsionalstiffnesscanbedefinedasKwhereBisthewheelspan,anduisthedeflectioncausedbylumpedforceF.Bendingloadstepsustainsthefullloadwhensmoothlyrunning,sothebendingstiffnessisexpressedasKwhereuiisthedisplacementcausedbythecorrespondinglumpedforceFi,andnfisthenumberoflumpedforce.Besides,thefrequencyresponseofthebusframeisalsosolvedtoevaluatethetwobusframes.Inthefollowing,and,wherethesuperscriptkisthenumberofbeamelementandsubscriptmisthem-thdesignvariable,aredefinedascomponentsensitivitiesoftheframemasswithrespecttotorsionalstiffnessandbendingstiffness,respectively,i.e.Figure6.Loadstepsforbusframe.SSwhereisthem-thdesignvariableinthek-thelement.Firstly,thedenominatorcanbeobtainedby∂Mwherenisthenumberofbeamelements,ρandlarethedensityandlength,respectively.Thenconsiderthenumerators.AccordingtotheEquations(21)and(22),wecanobtainthederivatives(ChenandZuo,2014)∂∂Then,wecanobtainthedisplacementalsensitivitiesby∂and∂KwhereTiscoordinatetransformationmatrix,andK,,andarethestructuralstiffness,globalelementstiffnessandlocalelementstiffnessmatrixes,respectively.,sowecanobtainthefinalresultsbysolvingthederivativesofcompositefunctions(9),(11)However,becausetheexplicitexpressesofthesederivativesareextremelycomplex,wedonotlisttheseequationshereforthelimitedspace.5.ENGINEERINGAPPLICATIONTheproposedbeamelementisprogrammedandembeddedintoourpreviousCAEsoftware:CarFrame(Zuo,2013;Zuoetal.,2012),whichhasbeenprovedbyindustryapplication.5.1.StructuralDesignofVCBBusAmonocoquebus,asshowninFigure7,isservedasanexampleforthelightweightdesign.Thelength,widthandheightofthisbusare14m,3.3mand3.5m,respectively.VARIABLECROSS-SECTIONRECTANGULARBEAMANDSENSITIVITYANALYSISFORLIGHTWEIGHT1037Table2.Comparisonsbetweentheuniformandvariablecross-sectionalbusframes.Torsionalstiffness(N·mm/rad)3.061×109Torsionalstiffness(N·mm/rad)3.061×10Torsionalstiffness(N·mm/rad)3.061×109993.232×103.232×103.232×103.232×10Figure7.CarFramesoftwareandBusframe.Figure9.BusframewithVCB.Allthebeamelementsareuniformcross-sectionones.ByusingfiniteelementanalysisunderthebendingandtorsionalloadstepsinFigure6,forcesandmomentsatthetwoendsofeachbeamcanbeobtained.Accordingtothemagnitudeofmoments,theuniformcross-sectioncanbemodifiedasvariablecross-section,asshowninFigure8.Therefore,byusingthisdesigncriterion,uniformcrosssectionbusframeismodifiedasvariablecross-sectionbusframe,asshowninFigure9.AlltheresultsarecomparedinTable2.Structuralmassisdecreasedby11.5%,meanwhiletorsionalstiffness,bendingstiffnessandthefirstthreefrequenciesareallimproved5.2.StructuralSensitivityofVCBBusAcomponent-basedbusframewasusedtodemonstratetheFigure8.DesigncriterionofVCB.Figure10.Component-basedbuscedureofsensitivityanalysis.AsFigure10shown,thisbusframecanbedecomposedinto11components.Sixcomponentswererepresentativeselectedtooutputtheirsensitivities,asshowninFigures11and12.Designvariablescanbemodifiedbyusingthesensitivityinformation:increaseordecreasethesizeswhenFigure11.Sensitivityofbendingstiffness.Figure12.Sensitivityoftorsionalstiffness.thesensitivitiesarelargeorsmall,respectively.ThedetailedresultsarelistedinTable3,wherethebendingstiffnessandtorsionalstiffnessareincreasedby12%and8.4%,respectively,butframemassisdecreasedby10.2%.Accordingly,alightweightdesignofbusframeiseffectivelyobtainedbyusingsensitivityanalysisofVCB.5.3.ValidationofRolloverRolloveranalysisisemployedtovalidatethecrashworthinessofvariablecross-sectionbusframe.TheFEMofrollover,asshowninFigure13,isanintegratedbusstructurewithwheel,suspensionandframebody.RolloverdeformationisevaluatedbytheangleofinclinationinFigure14.Uniformcross-sectionbusframeisusedtocomparewiththevariablecross-sectionbusframe.Thetwobusstructuresaremeshedbyshellelements,andeachFEMhas320milliondegreesoffreedom,whichweresolvedbyusingLS-DYNAsoftware.TherolloverresultsofthetwomodelsaredemonstratedinFigure12.Sensitivityoftorsionalstiffness.Figure14.AngleofinclinationforevaluationofrolloverdeformationTable3.Structuralmodificationusingsensitivityinformation.ComponentsnamesCross-sectionsizesofbusframeInitialModifiedb/mmh/mmt/mmb/mmh/mmt/mmα/radβ/radCircle1Circle3Circle4UpperfloorCeilingSidepillar80100808065806080608060804644447090809070905070607006590354444.50.050.020.010.0050.030.010.050.010.0080.0050.030.01BendingstiffnessTorsionalstiffness1storderfrequency(Hz)2ndorderfrequency(Hz)3rdorderfrequency(Hz)Framemass56739.97×6.55012.3313.0740206354 +12.0%10.81×1097.001+6.9 %12.89+4.5 %13.87 +6.1 %3608 −10.2%.VARIABLECROSS-SECTIONRECTANGULARBEAMANDSENSITIVITYANALYSISFORLIGHTWEIGHT1039Figure15.DeformationofuniformFigure16.Deformationofvariablecross-sectionbusframe.cross-sectionbusframe.Figures15and16.Theanglesofinclinationforuniformcross-sectionbusandvariablecross-sectionbusare10.7°and9.6°.Therefore,variablecross-sectionbusframealsoshowanadvantageincrashworthinessdesign.6.CONCLUSIONTheaimofthisstudyistodevelopaVCBforthelightweightdesignofbusframe.FiniteelementformulationsofTimoshenkoVCBwerecompletelyderivedandverifiedbybendingexperiment.Consistentresultswereobtainedattheelasticstage,whichwassufficientforthestaticandmodalanalysisforthebusframe.Sensitivityanalysiscanprovideanefficientdirectiontomodifythedesignvariables.Moreover,torsionalstiffness,bendingstiffnessandthefirstthreefrequenciesareallimproved.Additionally,variablecrosssectionbusframealsoshowanadvantageincrashworthinessdesign变截面矩形梁和公交车框架轻量化设计的灵敏度分析左文杰1,2)∗，方嘉新2)1）吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，长春1300252）吉林大学机械科学与工程学院，长春130025（2018年1月31日收到;2018年4月30日修订;2018年5月8日接受）摘要本文研究变截面矩形管梁单元在公交车框架轻量化设计中的开发和应用。首先，在轴向变形，扭转变形和弯曲变形的载荷步骤下，推导了可变截面梁（VCB）的有限元公式。其次，进行了变截面矩形管弯曲变形试验及其详细壳体有限元模型（FEM）模拟;并且提出的VCB、详细的壳体FEM和实验结果可以高度一致。第三，VCB用于代替总线框架中均匀的部分。获得了创新轻巧的总线框架，同时改善了所有性能响应。最后，侧翻分析进一步显示了可变截面总线框架在耐撞设计中的优势。关键词：变截面梁，梁单元，轻量化设计，总线框架1引言车辆的轻量化设计可以通过材料选择（Mayyas等，2011;Zuo和Saitou，2017），工艺创新（Wang等人，2008a，2008b）和结构优化（Balesdent和Chriette，2012;Zou等人，2015年，2016年）。在结构优化方面，轻量化设计可以通过以下方式完成：拓扑优化（Zuo和Saitou，2017），形状优化（Baietal。，2017;Zuo，2013;ZuoandBai，2016）和尺寸优化（Zuo，2015;Zuo等，2014）。拓扑优化通常用于概念设计阶段。多分量梁结构（Lyu等，2006;Lyu和Saitou，2005），考虑横截面特性的框架单元（Takezawa等，2007）和箱梁框架（Torstenfelt和Klarbring，2007）在拓扑上进行优化并应用于汽车车身结构。通常会在详细的设计阶段引入形状和尺寸优化。首先，将最佳拓扑结果转化为具有任意横截面形状的薄壁结构，属于形状优化问题（Baietal。，2017;Zuo，2013,2015）。然后，优化的横截面形状通常是相当于箱形截面，只有三个设计变量：高度，宽度和厚度。因此，这程序可以大大减少设计变量的数量，并促进以下尺寸优化更可行（Chen和Zuo，2014;Zuoetal。，2016）。对于汽车车身结构，所得到的薄壁结构进一步通过壳体有限元法网格化，因此优化壳体组件厚度以寻找最佳尺寸（Thomas等，2002）。对于上述研究，更多的注意力集中在均匀横截面梁组成的框架结构的结构优化上，但很少有研究在VCB上。事实上，VCB是从20世纪60年代开始提出的。盖恩斯（Gaines和Volterra，1966）等人曾研究过VCB的悬臂梁的横向振动。艾森贝格尔（Arbabi和李，1991;Eisenberger，1990,1991,1995）等人推导出仅适用于变截面杆的精确静态和动态刚度矩阵。罗纳等人（2000a，2000b）进一步研究了薄壁VCB的非线性分析。最近，Kim的小组提出了薄壁梁的高阶梁理论（Kim和Kim，1999,2000），并进一步将其扩展到VCB的研究中（Choi等，2016;KimandJang，2017）。而且，在商业有限元领域软件，VCB可以通过ANSYS和MIDAS软件进行建模和分析。在母线框架中，厚壁梁被广泛使用，并且承重部件的一些厚度甚至达到5-10毫米。因此，对厚壁梁的研究是有意义的工程，以及Timoshenko梁理论足以准确描述厚壁的变形。因此，有限元配方VCB可以通过Timoshenko梁理论推导出来，综合考虑张力，弯曲和弯曲扭转变形。此外，轻量化设计结构修饰取决于灵敏度序列对设计变量的回应。然而，没有商业软件来完成这项任务。因此，本文的贡献不仅仅是TimoshenkoVCB的发展，也是通过灵敏度分析进