客车车身轻量化分析
沈　浩1，陈昌明1，姚晓冬1，周正飞1，赵吉文2
(11同济大学，上海　200092;21中通客车控股股份有限公司，山东聊城　252000)摘　要：以某车型为例，分别从优化流程、优化分析模型、分析工况等方面研究车身轻量化方法，提出一套切实可行的技术路线。
关键词：车身；结构；轻量化；优化技术
Abstract:T ak ing a bu s as an examp le,the body w eigh t2ligh ten ing m ethod is researched including op ti m izing p ro2 cesses,analyzing models,analyzing loadcases etc1A s a resu lt,a w eigh t2ligh ten ing app roch fo r the bu s body is p ro2 po sed1
Key words:Bu s body;Structu re;W eigh t2ligh ten ing;Op ti m al techno logy
中图分类号:U463182    文献标识码:A    文章编号:100623331(2003)0320008203
  轻量化设计是当今汽车设计中的主题之一，它可以提高车辆的动力性，降低成本，减少能源消耗并相应降低污染。然而，轻量化结构是一双刃剑，不仅对车辆强度和刚度将产生影响，也对结构寿命有影响，
这两方面需要协调处理。目前关于这方面研究大多集中于采用轻型材料，但由于成本、加工工艺、环保等方面的问题[1,2]，这些材料还很难用于一般车辆，而从结构角度方向优化却更具有实际意义。
结构轻量化本质上是一优化问题，现有优化技术已大规模应用于工程设计领域，但客车结构的特殊性使现有优化方法必须加以改进才具有可行性，其中优化流程、控制工况、约束条件、优化模型等均是非常关键的技术问题，在现有可参考的文献中，关于这方面的系统研究很少。
1　优化流程确定
释小龙王宝强颁奖优化分析模型一般由目标函数、约束方程、优化设计变量三个方面组成。如果能将这三个方面以解析数学函数的形式书写，在现有计算机技术和优化理论的条件下可以借助相关软件，能比较简单地完成，但由于客车结构轻量化设计的许多特殊条件，这种方法不适用。
首先，在轻量化分析过程中，一般选取目标函数为车身总质量最小。对于现有的分析软件可以实现此目标函数的定义，前提是在分析环境中建立参数化几何模型，但是现有分析用几何模型大多来自于CAD软件，其通过一定格式进入分析软件中，丧失了一些特征参数，从而无法实现优化。若在分析软件中进行几何建模，对于梁单元尚可，对于板壳单元则不现实。所以，基于车身近似建模的梁单元模型是这种优化方法的唯一模型。其次，约束条件主要包括合理的车身动刚度(主要指前几阶振型对应的固有频率控制在一定范围之内)、各工况下车身结构件应力不大于屈服极限、在扭转工况下各车窗的变
形控制在一定范围之内等，这些方程在软件中可以定义。最后，优化设计变量可以选择板件壁厚、杆件长度等，此优化数值是连续变量。
从上述这些因素分析可知，使用软件中提供的算法可以在理论上完成梁单元模型的客车结构优化工作，但在实际使用过程中无法实现，主要有以下几方面的原因:
(1)此优化计算量极大，现有的硬件条件还不足以完成这样的优化工作。即使对计算机技术发展速度充满信心，在短期内完成这些优化工作还相当困难;
(2)不能进行拓扑优化，只是在现有结构基础上改变型材的厚度;
(3)优化结果一般不具有实际意义，如型材的厚度是离散的且规格较少，优化结果值一般在实际型钢中很难选取;蒋欣捐款惹怒韩红
(4)很难考虑工艺因素，不能充分运用工程师的经验等，这是软件提供优化方法的致命弱点。
所以对现有的优化分析过程加以改进，用于客车车身的轻量化分析：采用基于传统经验的优化流程，即总布置优化、拓扑结构优化、几何形式优化、截面参数优化等，其目标函数、约束条件和上述软件优化方法相同，设计变量主要基于客车制造企业较通用的型材库。其具体优化流程如下:
(1)总布置优化。通过改变部分部件的连接位置，减少集中出现双重力矩(弯矩和扭矩)并导致局部应力较大的可能，在能够实现总布置的情况下，使载荷分布均匀化。
客车技术与研究
第25卷　第3期BUS　TECHNOLOG Y　AND　RESEARCH V o l125　N o13　2003
作者简介：沈　浩(1977—)，男，同济大学博士研究生；研究方向为汽车系统动力学。
(2)拓扑结构优化，进行功能件、加强件分类。
功能件主要指为满足结构布置需要及工艺需要所使用的构件；加强件指为满足强度需要而额外添加的构件。在优化过程中，分别采用加法设计和减法设计的方式。所谓加法设计即在功能件结构的基础上添加加强件，而减法设计即在原有车辆结构的基础上减少构件，最终使结构在少构件数、最小质量的基础上，满足约束条件，从中选取较优方案。理论上讲，这两种方法得到的结果应该相似。
(3)截面几何形式优化。在较优方案中，提取各构件的变形情况，以列表形式表示，确定各构件的危险工况，确定选取抗弯型、抗扭型或抗拉压型，从而选取截面几何形式;
(4)截面参数优化。从建立的截面库中，选取相应型材进行试算。
2　优化模型建立
在车身梁单元有限元模型建立时，主要需要研究组合梁模拟、变截面梁模拟、焊接铆接模拟等。在本模型中，和一般参考文献相同，略去蒙皮的影响。由于梁单元在计算中的应力和变形取决于截面形状、惯性矩和外部边界条件的相互作用，因此，组合梁简化后截面的截面形状和惯性矩应保证相同。文中对车身骨架结构中紧密相邻的多根梁进行合并，用一根梁代替，图1所示为两根相互焊接、截面尺寸不同的矩形管；对于变截面梁，可以通过多段等截面梁模拟；对于焊接模拟，文中主要采用主从节点法，这样可以避免采用节点重合时所带来的模型几何误差(变长)，但需考虑刚度等效和强度等效。基于上述简化原则，本文基于某豪华车CAD 模型，建立了车身梁单元有限元模型，所得简化模型如图2所示
。
图1
　组合梁截面定义
图2　梁单元有限元模型
发动机、压缩机等重量质量利用主从节点方法将其分摊到各受载节点上；电瓶、电视机等对整车刚度影响较小的重量 质量被平均分配至车身结构中与其相连的节点上。
本文以行驶工况和试验工况作为分析工况，行驶工况包括直线行驶、驱动、制动、转向等4个工况；试验工况为单轮悬空的扭转工况和弯曲试验工况。约束条件主要是行驶工况下各构件的强度不超过屈服极限；前2阶车身扭曲、弯曲模态固有频率相对原车型变化不超过10%(此约束条件仅从技术可行性考虑，不一定有实际意义)；试验工况下车窗变形不超过5mm 。设计变量基于客车制造企业较通用的型材库。
3　优化结果
在优化工作开展前，首先要对分析模型进行确认。由于本车型为新开发车型，尚无足够的数据积累，文中采用类比方法，与已公开数据的同等车型结果比较及不同单元形式(板壳单元和梁单元)模型比较，其结果显示此模型仿真结果可信，在此不详细叙述。寇静模特
按照上述优化流程，进行整车结构优化，具体优化结果如下:
(1)侧围中考虑工艺因素，窗框顶梁处不作修改，窗框底梁用50×50×115型钢代替原来50×50×215型钢，窗边梁用折弯件代替原有型钢;
(2)顶盖中纵梁选用30×30×1.5型钢代替原有结构;
(3)底架中去除中部交叉梁、纵梁竖向支撑间的斜撑、后部台阶上部分竖向支架，添加一纵梁间的竖向
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支撑、一连接后端底架与纵梁的支撑梁、后排座椅支座处一40×40×1.75横梁。
(4)后围中去除纵向梁、后围与侧围连接板件，加四根侧围与后围底部连接梁特性相同的连接梁。
改进前后车身最大应力比较见表1。从表中可知，车身轻量化改进后，结构应力最大值为168M Pa ，在所选材料的许用范围内；另外，原始结构中
　第3期沈　浩等：客车车身轻量化分析9　
部分应力较大部位在改进后应力下降较多，部分应力较小部位在改进后应力显著增大，说明结构应用水平得到了较大提高。由于型材型号有限，即工艺方面的要求，许多在理论上可以实施轻量化的结构没有改进，如底架、侧围等结构的应力水平很低。
表1  改进前后最大应力比较
总　成
应力值(M Pa)
改进前改进后变化(%)
底盘74188311底架242168-31侧围941291173顶盖601491-50后围30154918-66
表2  各阶模态信息表
振　型
频率(H z)
改进前改进后变化(%)
1阶扭转612611116
1阶弯曲141914167115
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2阶弯扭161916134311
三天能去哪旅游改进前后车身模态特性比较见表2。从上面分析可知，改进后结构的主要振型对应的频率变化较小，且符合设计要求。在标准试验工况中，门框、前后围风窗框对角线长度变化均不超过5mm，符合客车设计要求。
通过计算得到，整车的质量减小了150kg。
4　结束语
(1)梁单元模型对客车轻量化分析实用可行，板壳单元模型分析耗费较大，不适合作为轻量化设计用模型;
(2)基于总布置优化、拓扑结构优化、几何形式优化、截面参数优化的优化流程，对于客车轻量化有效且可取得较好的优化效果;
(3)文中采用行驶工况和试验工况作为评价工况并将其分析结果作为约束条件，此法计算耗费较大。设定强度控制工况是下一步工作研究的关键。
参考文献:
[1]　刘书城1汽车的轻量化和冲压成形[J]1轻型汽车技
术,1997(1)
[2]　李红玉1新车新材料[J]1轻型汽车技术,1997(2)
收稿日期:2002209206
30万公里保修　25%的降价幅度
——东风日产柴亮出竞争“杀手锏”
  据报导，以生产中高档重型车、客车底盘为主打产品的我国首家重型汽车底盘合资企业——东风日产柴汽车有限公司，目前正式向全国各服务站下达最新的《东风日产柴汽车有限公司保修规定》，大幅度延长一些关键总成的保修里程，并对部分常用配件下调25%。其中发动机保修里程达到30万km，大大超过国内同类车型动力保修和同类进口车保修，创下我国重型车保修里程最高“吉尼斯”记录。据了解，东风日产柴这次被延长保修里程的总成还包括变速器、车桥和转向器。
据东风日产柴汽车有限公司销售公司领导介绍，目前该企业主要生产高档的UD品牌，即15t重型货车和高档豪华客车底盘，产品涵盖了牵引车、自卸车、混凝土搅拌车、载货车、油罐车等各类专用车及大型高一级和大型高二级豪华客车系列。作为与日本日产柴油汽车工业株式会社等外企合资的东风日产柴，其产品主要以进口CKD组装而成，与国际现行同类产品保持着同步发展，并具有可靠的性能质量保证，正是这种“国外品牌、本土生产”的优势，再加上与母公司东风集团、日本日产柴并网的强大售后服务体系，使其产品成为我国高档重型车的王牌，特别是混凝土搅拌车、豪华客车底盘成为原装进口车强劲的竞争对手，无论在价格、服务还是在符合国情的设计方面都胜人一筹。其替代原装进口车的优势近几年来更是日趋凸现，这几年来，凭借着东风日产柴人的不懈努力，其产品销售取得了令人瞩目的成就，去年销售收入突破4亿元大关，实现东风日产柴发展史上连续两年成倍翻番。
不俗的业绩并不代表不俗的市场。据销售公司有关负责人坦言，年销售收入4亿元对企业而言已有突破性的进展，但就其产品应有的市场而言，份额还太少，市场面还太窄，特别是东风日产柴在市场竞争中，面对的不仅仅是原装进口车，国内的同类中低档产品，包括中外合资的，诸如重汽斯太尔、东风重卡、一汽重卡、五十铃等重型车也以其价格优势带来了不小的市场冲击，东风日产柴要想在这“夹板式”的竞争环境中求得生存和发展，必须要充分发挥自己独特的优势，那就是目前只有东风日产柴能做到的高质保服务保证。只有这样，才能使之转化为竞争优势，即对原装进口车而言，东风日产柴不仅有价格优势，更有服务优势；对国产车而言，东风日产柴大幅度提升保修里程，从而大幅度降低用户使用成本。以性价比来比拼价格，从而走出单纯从价格看市场的传统观念，在服务的竞赛中赢得市场。
据销售公司负责人介绍，东风日产柴这次对一些关键总成保修里程的新承诺，显示了东风日产柴对自己产品质量和服务有着充分的自信。从这几年企业生产经营情况来看，东风日产柴的产品质量和服务也经受住了考验，不少车辆已经达到了100万km无大修，因此，这次质保服务承诺的推出只是东风日产柴在质量与服务的竞争中迈出的第一步，今后随着产品的进一步成熟和发展，东风日产柴不断推出相应新举措，包括继续适时地提高相关配套总成的保修里程，不断拉大国内外同类产品与东风日产柴的距离。
另外，为配合30万km保修承诺，东风日产柴将部分常用配件和易损件的价格全面下调，平均降价幅度
达25%，以回报用户，降低用户的使用成本。
据了解，目前国内同类车型动力保修里程最高为18万km，国外原装进口车同类车型动力保修里程也只有10万km。这次东风日产柴推出发动机保修里程30万km并大幅度提升其它总成件保修里程和常用配件25%的降价举措，无疑对我国目前重卡的市场竞争带来猛力的冲击。(东风日产柴汽车有限公司)　10客车技术与研究第25卷