广东工业大学学报  2018, Vol. 35Issue (6): 31-36.  DOI: 10.12052/gdutxb.180086.
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赵晶, 李家林, 熊锐, 郑达, 张盼望. 客车底盘结构安全性分析与轻量化设计[J]. 广东工业大学学报, 2018, 35(6): 31-36. DOI: 10.12052/gdutxb.180086.
Zhao Jing, Li Jia-lin, Xiong Rui, Zheng Da, Zhang Pan-wang. A Structure Safety Analysis and Lightweight Design for Coach Chassis[J]. JOURNAL OF GUANGDONG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, 2018, 35(6): 31-36. DOI: 10.12052/gdutxb.180086.

基金项目:

国家自然科学基金资助项目(51705084)

作者简介:

赵晶(1987–)，男，博士，主要研究方向为有限元分析、车辆系统动力学。

通信作者

熊锐(1962–)，男，教授，博士，主要研究方向为汽车节能与排放控制、车用发动机关键技术. E-mail：13556164150@163.com

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收稿日期：2018-05-10
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客车底盘结构安全性分析与轻量化设计
赵晶, 李家林, 熊锐, 郑达, 张盼望     
广东工业大学　机电工程学院，广东　广州  510006
收稿日期：2018-05-10
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51705084)
作者简介：赵晶(1987–)，男，博士，主要研究方向为有限元分析、车辆系统动力学。
通信作者：熊锐(1962–)，男，教授，博士，主要研究方向为汽车节能与排放控制、车用发动机关键技术. E-mail：13556164150@163.com
摘要: 传统车辆设计与优化依赖专家经验, 导致开发周期长、人力物力消耗大, 难以紧跟市场需求, 而有限元技术的发展为车辆结构设计与优化提供丰富的手段. 本研究以某客车底盘车架为对象, 以操稳及结构安全性为导向, 对车架进行轻量化设计. 首先, 对客车底盘进行了有限元模型建立与简化. 在此基础上, 进一步定义了载荷加载方式和计算工况. 其次, 结合工程实际, 对当前底盘车架进行改进后, 明确目标函数、约束条件与变量, 提出了优化方案对底盘进行轻量化设计. 通过模态分析、应力分析与变形分析, 对弯曲、制动及转弯工况下的优化方案进行了验证. 结果表明, 所提出的优化方案在满足车辆动态性能基础上, 有效实现了轻量化优化, 提升了操稳及结构安全.
关键词: 结构安全    轻量化设计    客车底盘    有限元法    
A Structure Safety Analysis and Lightweight Design for Coach Chassis
Zhao Jing, Li Jia-lin, Xiong Rui, Zheng Da, Zhang Pan-wang     
School of Electromechanical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China
Abstract: The traditional vehicle design and optimization relies on the expert knowledge which leads to long development cycle, mass consumption of human resources and materials. In addition, this kind of method also determines that it cannot meet the market demand. The development of the finite element method provides a solution for vehicle structure design and optimization. Aiming at improving the handling stability and the structure safety, this research focuses on the lightweight design of a coach chassis. Firstly, a finite element model and its simplified model are constructed based on the finite element method. In this connection, the loading mode and working condition are defined. By combining the practical engineering situation, the chassis structure is modified and the objective function, cost function and variables are defined, and the proposed scheme for lightweight design of the coach chassis is proposed. The modal analysis, stress analysis and deformation analysis of the proposed scheme under bending condition, braking condition and steering condition are verified. The results show that the proposed lightweight design scheme effectively solves the lightweight optimization of the coach chassis based on the dynamic performance of the vehicle, as well as improving the handling stability and the structure safety.
Key words: structure safety    lightweight design    coach chassis    finite element    

我国经济建设的迅速发展对公共交通运输业提出了更高要求. 其中，大型客车由于运载能力强，舒适可靠，逐渐占领中长途运输市场[1]. 除对车辆动力学性能、操纵稳定性及舒适性能需求外，大型客车的燃油经济性也是决定其市场竞争力及环境友好性的重要指标之一[2-3]. 对于大型客车而言，车辆车架与底盘的轻量化是从构造方面提升燃油经济性的最有效方法之一[4-5]. 传统的设计流程中，主要依赖专家经验进行设计，通过试样试制验证目标需求，进而提出改进方法并返回试制阶段，直至达成设计需求. 然而，传统开发方法设计周期长，人力物力消耗大，难以及时跟随不断变化的市场脚步[5-6].

计算辅助技术的进步为车辆车架与底盘的设计与生产提供了更多手段和方法，也引起了商用车辆车架设计的巨大变革[7]. 有限元方法在车辆结构优化设计中发挥重大作用，可以产品性能为导向进行结构化设计优化. 任可美等[8]运用有限元分析方法对底盘车架静力学进行了分析与优化，实现了客车底盘减重. 阮诚心等[9]结合实验设计与仿真模拟，在满足侧翻安全性的条件下对客车车身进行了轻量化优化. 刘雨畅[10]以客车侧翻安全为优化目标，对车身结构进行了轻量化设计. 然而，对于大型客车而言，轻量化的过程，应以安全性为前提，即在确保车身强度与刚度的情况下，进行轻量化设计[11-12]. 此外，在车辆制动、转弯过程中带来的车身扭转导致的操纵稳定性问题及安全性问题，也应在轻量化过程中作为考量之一[13-15]. 因此，本研究将面向车辆制动及转弯工况，对客车底盘车架进行轻量化设计.

当前客车通用底盘形式主要为三段式、大梁式及全桁架式底盘. 与前两者相比，全桁架式底盘结构上为由车身骨架与无车架底架组成的承载结构，在质量轻与载荷承受能力强的基础上，由于其异型钢管焊接的形式，使其尺寸结构灵活更便于总成布置，可有效增大客车行李舱空间. 但是，由于车架零部件较多，对技术及工艺提出了较高要求，需要在设计阶段施加更多考量. 随着旅游业发展，出行人数不断增加，对客车行李舱设计提出了挑战. 基于桁架式底盘的上述特点，本研究选取桁架式底盘对客车车架进行研究.

1 底盘有限元建模与简化

所使用的底盘车架空间结构复杂，主要经过铆焊方式连接而成. 结构上使用槽型截面作为前后端的大梁，并结合梁、板，使用矩形管组经过焊接形成桁架结构. 由于这三段车架局部存在干涉，在建模时将前板簧后吊耳上端横梁前移10 mm；后板簧前吊耳上端连接板前端截掉60 mm. 经过模型的前处理及相关简化，形成三维模型如图1所示.

图 1 车架三维结构模型 Figure 1 3-Dimentioanl structure modeling

得到三维模型后，需要进一步转换为有限元模型进行模型后续处理. 经过对模型及零部件进行网格划分，采用板壳单元进行建模，以便进行结构细化；采用四边形单元，辅以少量三角形单元；采用MPC单元进行焊点焊缝的处理. 其中，模型涉及的材料力学性能如表1所示.

表 1 模型所用材料力学性能 Table 1 Material mechanics properties of model
2 载荷加载与计算工况确定 2.1 载荷处理与加载

有限元分析前需要根据客车承载的实际情况进行载荷加载. 基于已有数据，本客车发动机500 kg，离合器16 kg，变速箱150 kg, 电瓶20 kg，备胎42 kg，方向机23 kg，油箱168 kg，水箱83 kg，最大乘客数量为50人(人均60 kg)及其他簧载质量4 000 kg. 基于上述数据，将对应的载荷以集中应力载荷的形式加载在相应位置.

2.2 计算工况确定

对底盘车架进行载荷加载后，需要明确主要计算工况以便进行有限元分析. 面向车辆的操纵稳定性及安全性问题，本研究主要设置弯曲、制动及转弯3个工况进行分析.

1) 弯曲工况. 弯曲工况作为最基本的分析工况，用于分析车辆行驶过程中的受力情况. 弯曲工况下的弯曲载荷R=K0×Fz，其中：K0为动载系数(K0=2.5). Fz为弯曲载荷，包括乘员、货物、设备及其他载荷. 此外，在边界条件上，需要将板簧的支座处节点自由度全部约束.

2) 制动工况. 制动工况用于分析车辆满载行驶时紧急制动直至车速降为零的受力情况. 制动载荷R=Fx+Fz，其中：Fx为纵向载荷，加速度取0.7 g. Fz为弯曲载荷，同弯曲工况. 边界条件选取上，同弯曲工况.

3) 转弯工况. 转弯载荷R=Fy+Fz，其中：Fy为侧向载荷，加速度取0.4 g. Fz为弯曲载荷，同弯曲工况. 边界条件选取上，同弯曲工况.

基于上述条件，对3种工况进行计算，结果如图2~4所示.

图 2 弯曲工况计算结果 Figure 2 Computation results of bending condition
图 3 制动工况计算结果 Figure 3 Computation results of braking condition
图 4 转弯工况计算结果 Figure 4 Computation results of steering condition

结合3种工况所对应的计算云图可见：图2所示弯曲工况下，底盘受弯曲载荷产生弯曲变形的最大应力出现在车架中段与后悬架连接的位置；图3制动工况下底盘受到制动产生的俯仰运动与垂直反力共同作用，该工况下最大应力出现在车架中段与前悬架连接的位置；图4中转弯工况下，底盘受到车辆转弯带来的侧向力作用带动车身扭转，最大应力出现在车身中段与后悬连接位置.

3 优化方案设计

基于图2~4的计算结果，可以发现，最大应力出现在车辆前后悬架位置较多. 根据原模型的计算结果和对原模型的结构进行分析，基于操稳及安全性考量，先对原模型进行改进：

1) 方案1：在原模型基础上，前后段车架与中段桁架组成一体，第四横梁在前板簧后支座上方. 模型骨架质量：662.3 kg.

2) 方案2：方案1基础上增加中部桁架的上部交叉梁，连在纵梁上. 模型骨架质量：682.2 kg.

3) 方案3：方案2基础上增加中部桁架的上部交叉梁，连在横梁上. 模型骨架质量：684.8 kg.

4) 方案4：方案3基础上在后悬处纵梁连接处增加两个斜拉梁. 模型骨架质量：688.7 kg.

5) 方案5：方案4基础上在桁架间加加强角. 模型骨架质量：690.1 kg.

6) 方案6：方案5基础上前后段纵梁与桁架立柱加斜撑梁，油箱托架下面增加贯通横梁. 模型骨架质量：697.7 kg.

基于上述方案，初步确定方案6为保证车辆操稳及安全性的最佳方案. 在此基础上，明确设计变量、目标函数与约束条件. 其中：

目标函数： $f(v) = f({v_1},\;{v_2},\;\cdots,\;{v_n})$ .

约束条件： ${g_u}(v) \leqslant 0,\;\;u = 1,\;\cdots,\;m$ .

其中，目标函数f(v)为车架质量，约束条件g(u)为车架的应力与变形. 目标函数中的 ${v_1},\;{v_2},\;...,\;{v_n}$ 为设计变量. 本研究中，将桁架与前后段车架的截面处交叉梁的厚度尺寸作为设计变量，以2 mm为等差，分别选取4~14 mm区间的厚度尺寸作为变量；以车架结构材料可以承受的最大允许应力与结构允许的最大形变量作为约束条件，对车辆结构质量最小这一目标函数进行优化. 通过多次迭代，对车辆进行轻量化寻优设计.

通过轻量化设计后，对上述方案的初始值、优化结果值及变形量进行分析，制定优化方案1与优化方案2，如下所述：优化方案 1：方案6基础上桁架与前后段车架的截面处交叉梁前部取消，后部取消一个. 模型骨架质量：687.5 kg；优化方案2：方案6基础上增加桁架与前后段的侧面连接板. 模型骨架质量：703.3 kg.

4 模态、应力与变形分析评价 4.1 模态分析与评价

车辆运行过程中，应充分考虑实际运行中所受到的激励进行模态分析，主要包括[7-8]：

1) 由于路面不平所引起的激励多属于20 Hz以下的垂直振动，此激励分量较大.

2) 发动机怠速运转(取怠速为500~700 r/min)引起的激振频率在16.6~23.3 Hz，此激励分量较大.

3) 非簧载质量固有频率一般为6~15 Hz.

4) 传动轴的激振频率：当常用车速为50~120 km/h时，传动轴不平衡的弯曲振动频率为33 Hz以上. 此激励分量较小.

5) 因车轮不平衡引起的激振频率一般低于11 Hz(最高车速取120 km/h，轮胎滚动半径为958 mm)，随着现在轮辋制造质量及检测水平的提高，此激励分量较小.

对模态的分析与评价应着重考量以下因素：(1) 对结构强度影响较大的振型应远离较大激励分量的激励频率；(2) 尽量提高前几阶模态的固有频率，以提高结构的动刚度；(3) 车架低阶频率(即一阶扭转和弯曲频率)应高于悬挂下结构的固有频率，而又低于发动机怠速运转时的频率，以避免发生整体共振现象；(4) 车架弹性模态频率应尽量避开发动机经常工作的频率范围；(5) 车架振型应尽可能光滑避免突变. 基于上述考量，对各方案下的1~14阶模态值分析如表2所示.

表 2 各方案各阶模态值对比表 Table 2 Modal values of each order

从表2中可以看出，各方案下前几阶的固有频率较为正常. 结合模态分析振型图，可知在底盘车架的悬架部分振型为非平滑状态，因为此处结构设计原因导致刚度变化大，且激励之间的耦合，也是导致该部分不平滑的主要原因之一. 确认模态分析正常后，可继续进行应力分析与评价.

4.2 应力分析与评价

按照优化方案的设计，方案6面向车辆操稳与结构安全性的需求，实现了改进设计. 在此基础上的两个优化方案，分别以突破式轻量化(优化方案1)或保守(优化方案2)为导向. 其中，优化方案1取消了部分结构件，使重量进一步优化. 据此，应力分析主要关注优化方案1的突破优化方案的效果，对应的应力分析如图5~7所示.

图 5 优化方案1弯曲工况应力云图 Figure 5 Stress contour for bending condition of optimization scheme 1
图 6 优化方案1制动工况应力云图 Figure 6 Stress contour for braking condition of optimization scheme 1
图 7 优化方案1转弯工况应力云图 Figure 7 Stress contour for steering condition of optimization scheme 1

除应力云图外，对各方案的最大应力值也进行了分析，如表3所示.

表 3 各方案最大应力值对比表 Table 3 Maximum stress of each scheme

从表3所示数据分析可见，优化方案1在实现方案6的架构进一步减重的基础上，还取得了在弯曲、制动及转弯各工况下与方案6基础持平的最大应力值. 优化方案2虽然比优化方案1保守，但是在最大应力值上比优化方案1有一定程度的降低. 但是，优化方案2所对应的车架质量甚至超过了原模型质量，与本研究中的轻量化意图相背. 通过计算，优化方案1对比方案1，在弯曲、制动及转弯工况下的最大应力值分别降低了30.4%、41.1%及32.8%.

4.3 变形分析与评价

完成应力分析后，继续对优化方案1涉及的车架变形情况进行分析. 通过加载，得到优化方案1在各工况下的变形如图8~10所示.

图 8 优化方案1弯曲工况变形图 Figure 8 Deformation contour for bending condition of optimization scheme 1
图 10 优化方案1转弯工况变形图 Figure 10 Deformation contour for steering condition of optimization scheme 1

为进一步分析优化方案1的优化效果，对各方案在各工况下的最大变形量进行数值统计，如表4所示.

图 9 优化方案1制动工况变形图 Figure 9 Deformation contour for braking condition of optimization scheme 1

从表4可见，在最大变形量上，优化方案2取得了最好的效果，但是该效果的取得，没有实现本研究的轻量化设计意图. 此外，在保证了减重基础上优化方案1在各工况接近优化方案2的前提下，在弯曲、制动及转弯工况下，相比方案1，分别提升了39.6%、40.4%及32.0%，变形量得到有效降低.

表 4 各方案最大变形量对比表 Table 4 Maximum deformation of each scheme
5 结论

本研究在原有底盘车架基础上，以提升车辆操稳及结构安全性为目标，对车架进行了改进. 基于此，设计弯曲、制动及转弯工况，在定义载荷加载及计算工况后，结合工程实际，提出了车架的结构改进及轻量化设计方案，并对各工况下的车架模态、应力及变形进行了有限元分析.

模态分析结果表明，优化方案1的各阶固有频率有效避开了路面、轮胎及传动轴的激振频率，并避开了发动机怠速及非簧载质量的固有频率. 此外，在实现成功减重10.2 kg的基础上，在给定3种工况的应力最大值与变形量最大值上得到有效降低. 所采用的轻量化优化方案，在满足车辆操稳及结构安全的情况下，也实现了车辆动态性能的最大化.

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