大客车车身骨架早期局部开裂分析

大客车车身骨架早期局部开裂分析

黄福全

珠海广通汽车有限公司

摘要：随着经济的发展，人员流动量越来越大，在人员流动的过程中，客车发挥着重要的作用，在此背景下，客车行业蓬勃发展。但是我国的客车设计仍然存在一定的问题，车身骨架早期局部开裂问题就是其中之一。一旦开裂，客车的质量会受到严重的影响，同时还会引发安全隐患，造成经济、人员等多方面的损伤。因此对大客车车身骨架早期局部开裂问题展开研究是十分必要且重要的。文中将对早期局部开裂的基本表现机械能分析，并通过有限元法进行建模，分析开裂出现的根本原因以及强度优化方法。

关键词：大客车；车身骨架；早期局部开裂

导致大客车车身骨架出现早期开裂问题的因素较多，及时对大客车进行修补与改造有着重要意义。在传统的问题研究中，客车厂家通常利用局部加强等方式提升客车质量，但事实上，这种做法缺乏理论基础，反而会增加车身重量，增加客车的油耗。有限元法是一种常用的建模方法，利用有限元法对骨架早期局部开裂展开分析可以为车身优化提供必要的理论依据。

一、大客车车身骨架早期局部开裂的基本表现

客车骨架一般由底架、顶盖、左右侧围、前后围、地板等部分构成，除底架外，各部分的骨架共同形成六面体结构，骨架的材料为角钢以及钢管，其形状较为规则，通过焊接的方式连接在一起；而底架在有加强板、内外横梁以及纵梁共同焊接而成。窗上下沿梁与窗立柱之间的结合处、窗立柱上端、后门前立柱等都是易发生早期局部开裂的位置。

导致早期局部开裂的原因较多，主要原因有三个，第一，我国自主研发的客车类型较少，大部分客车都是以国外技术为基础进行改装与仿制的，因此技术上可能存在一定的问题；第二，客车厂在设计、改进、制造客车时多将自身的经验作为依据，而这些经验可能已经不适应当前客车设计的实际需要，在经验基础上设计出来的客车可能存在强度分布、结构设计不合理等问题；第三，我国地大物博、地势辽阔，各地区的路面工况以及道路平整程度不一，如果客车行驶在较为崎岖的道路或者盘山公路上，客车的骨架就会受到强烈的震荡，且容易反复弯扭，长此以往，局部势必会出现开裂。

二、大客车车身骨架早期局部开裂的建模

（一）模型简化

在建模的过程中，将车架以及车身骨架都作为研究基础，研究对象载客量不超过59人，总质量达到12200千克，装备质量达到8350千克，车架为16Mn材质，骨架为Q235A材质。客车附件包括支架、前后轴总成、变速箱、钢瓶、发动机以及离合器等，悬架选用钢板弹簧。

为了提高建模的简便性与有效性，可以将对骨架影响较小的零件或者结构进行简化，在不影响建模结果的前提下，减少参数量。具体来说，模型简化过程包括五个方面，第一，要将装饰件以及非承重构件略去；第二，可以将不重合但较为接近的连接面视为同一个平面；第三，可以将曲率相对较小的构件当做直梁处理；第四，如果过渡位置的圆弧相对较小，则可以将其视为直角；第五，在保证截面性状等效的前提下，尽可能的简化台阶、翻边、孔以及凹槽，如果构件对界面的影响极小，则可以直接将其忽略。

（二）网格和单元划分

在划分网格时可以对板壳单元予以利用，要细化重点单元，如钢管连接点、应力大的构件、重要部分；而对于非连接点、应力较小的构建以及不重要的部分则可以尽量简化。这能够提高网格划分的准确性与实效性。通过对车身模型大小各异的单元进行反复对比，可以以15mm到20mm的标准对板壳单元进行划分。

（三）附件处理

附件可以通过质量点的方式模拟出来，如钢瓶、钢瓶支架、离合器、变速箱以及发动机等，骨架单元需要与质量点进行有效连接，在连接的过程中REB3会对单元做有效的约束处理。

（四）悬架处理

钢板弹簧的模拟可以通过悬臂梁单元来模拟，在竖直方向上，悬臂梁的等效刚度应当等同于板簧自身的刚度。为了使弹簧下质量能够与客车运行的实际情况保持一致，可以将集中质量点加设在桥上的节点当中。而对气囊以及轮胎用量单元的模拟则可以等效于轴向上的刚度。

（五）荷载处理

在模拟的过程中，可以利用PATRAN软件对数据做出分析与处理。要将骨架材料的重力加速度以及密度等数据资料输入到前处理程序当中，此时软件就可以根据实常数、单元形状等内容自动记录单元载荷因子信息，并将其计入到荷载总量当中。CNG钢瓶、蓄电池以及发动机等车架或车身总成等可以计入到集中荷载当中，需根据各个构件以及设备在车上的位置将其承担的重力情况，将其与节点对应到一起。座椅重力以及乘客的重力也可以在对应的节点表述出来。如果乘客在车内处于站立状态，那么则可以按每平米的人数分布情况展开计算，将其荷载归入均布荷载，这一作用力会直接作用在地板上，继而向底架中传递。当确定好材料模型、单元大小以及单元类型后，就可以划分整车骨架的网格，此次研究的客车在有限元模型中的单元数量为349484个，节点数量为371218个。

三、大客车车身骨架的强度分析与优化

大客车在运行的过程中最可能遇到两种不良工况，即垂直荷载工况与整车弯扭工况，这两种工况极有可能导致骨架开裂等不良问题的发生，因此要在此基础上对车身骨架强度进行分析，并以此为依据优化车身设计。有限元分析应当坚持三个原则，第一，如果区域的应力超过180MPa，则可认定其为危险区域；第二，危险区域用红色表示，颜色越白，则认定应力越小；第三，如果局部畸变是施加约束而引发的，且成为了危险点，那么这种危险是可以忽略的。

（一）垂直荷载工况

垂直荷载工况分析结果适用于满载情况，且四轮均着地。此时路面会对客车产生反作用力，车身所有的荷载既是垂直的，也是对称的，在荷载的作用下，车身极易因弯曲而出现变形。经过计算发现，前悬架前钢板脚所受应力为247MPa、前悬架后钢板脚所受应力为249MPa、后悬架前钢板脚所受应力为214MPa、后悬架后钢板脚所受应力为233MPa。由此可见应力较为集中，针对这种情况，第一，可在悬架钢板脚的纵梁侧面加设覆板，使应力可以有效分散；第二，可以横向布置后部钢瓶，保证左右重量的均衡。

（二）整车弯扭工况

垂直荷载工况分析结果适用于满载情况，且左前轮悬空。这种扭转较为严重，多发于低速通过起伏路面时，此时惯性荷载不高、动载变化相对较慢，车身发生的扭转较小，可将其等同于静态。此时窗立柱的的应力均在200MPa左右，而后门立柱下端所受应力则可以达到242MPa。这种情况下，首先，可以对窗洞进行调整，让顶盖横梁与窗立柱相对应；其次可以用两根焊接到一起的钢管代替沿梁的异型管；再次可以使位于沿梁之下的立柱对应窗立柱放置；最后可以取消止口梁，并将门立柱变为两根。

结语

客车是重要的交通运输工具，在社会经济发展中发挥着重要的作用。为了保证客车运行的安全性与可靠性，应当对骨架早期局部开裂问题予以高度关注。导致客车骨架开裂的因素较多，通过有限元模型建立分析，垂直荷载工况以及整车弯扭工况是最易发生早期局部开裂的工况，工作人员应当根据开裂发生的根本原因，对客车的设计与制造做出有效调整。

参考文献：

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