大型公路客车侧围结构设计分析

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摘要：文章主要介绍了某大型公路客车侧围结构设计方法，并简要说明侧围结构的设计原则、受力情况、材料选择、总成配合要求、结构形式设计、焊接方法，并使用HyperMesh工具对其强度进行有限元分析，最后对大客车侧围结构安全性进行评价。

关键词：大客车；侧围结构；设计分析

前言

随着我国城市规模扩大，长途出行的要求更高，交通运输日益繁忙，交通安全现状堪忧。因而，安全系数高的客车是我国长途客运的急迫需求。客车侧围结构是车身的关键部分，其设计好坏直接影响到客车安全性。本文介绍了如何构建一种安全性较高的客车侧围结构，并对其强度进行有限元分析。

1设计原则与受力分析

1.1设计原则

在满足总布置要求的前提下要遵循以下几个原则[1]：1）必须协调解决侧围强度和总布置要求之间的矛盾；2）通过最优化方法减少车身侧围的质量；3）保证良好的加工工艺性以减少加工难度；4）提高侧围结构标准化、系列化、规范化程度。

1.2受力分析

大客车侧围在整车上起着“承上启下”的作用。一方面，客车左右侧围与车架连接，当路面不平顺时，侧围要承受来自车架的冲击载荷，会受力变形。与此同时，侧围与顶盖刚性连接，侧围上接受的动载荷会传递到顶盖。另一方面，在客车行驶方向上，当客车加速行驶或紧急制动或正常匀速行驶时，由于空气阻力的作用，侧围会在纵向压缩变形。在实际行驶过程中，左右侧路面高度不一致会使侧围产生纵向扭转载荷。在客车转弯的工况下，又会在侧围上产生横向扭转载荷。所以，侧围结构的受力情况是弯曲扭转复合状态[2]。

2材料选择与总成配合

2.1材料选择

与20碳素钢、16Mn合金钢、WL510大梁钢相比，Q235碳素钢是侧围质料首选，其具有机械性能好、性价比高等优点，屈服极限为235兆帕。薄壁钢管横断面形状可分为闭口和开口，其横断面特征有较大差别。在材料面积和厚度一定时，闭口断面抗弯性能次于开口断面，而闭口断面扭转惯性矩比开口断面大。为提高杆件和车身整体扭转刚度，最好采用闭口断面[3]。考虑到组成截面的其他因素，如搭配关系、布局功效和工艺，实际侧围构件的零件图不如想象中简单。

2.2总成配合

客车结构设计是整车设计时需要仔细斟酌的，其设计的优劣将直接影响到平顺性、操纵稳定性、轻量化。为保证连续地传递力，要采用封闭设计，尽可能做成局部与整体封闭。提高侧围侧倾稳定性方法[4]：1）加大侧窗立柱管材规格，篱笆型结构从上至下延伸至腰梁。2）若侧立柱延伸到腰梁后不与同侧立柱正对，需在此节点增加斜梁。3）提高侧窗下边梁的高度4）侧围斜梁有助于提高抗弯曲变形能力，其高度比不能小于0.6。

3结构设计与焊接方法

3.1右侧围结构设计

右前立柱由于承受较大载荷，所以选用截面尺寸较大的钢材，下侧梁以上部分采用80*40*1.5mm规格，下侧梁以下部分采用80*50*2.0mm规格，下裙立柱与其并肩布置，采用50*50*2.0mm规格。本设计开设一个乘客门，由于门柱遭受的应力比较大，要选用规格为40*40*2.0mm的方形钢。根据总布置要求右侧门框宽度为800mm，侧窗宽度分别是1416mm、1567mm、767mm、650mm、1567mm、1635mm，高度都为1088mm。支撑主体结构的侧窗立柱采用60*40*3.0mm规格。腰梁是侧围布局的主要元件，考虑统一化设计制造，其截面尺寸采用50*50*2.0mm规格。在腰梁与下侧梁之间设立立柱和斜梁，其之间的高度为537mm，斜梁选用40*40*2.0mm规格。第二与第三窗立柱之间和第六与第七窗立柱之间各布置一根采用50*40*1.5mm规格的横梁，其与腰梁之间高度为629mm。第七与第八窗立柱之间布置一根20*40*1.5mm规格的横梁，紧靠后止口位置布置一根40*30*2.0mm规格的纵弯梁和一张1.5mm厚的加强钢板。乘客门两侧，距离下沿梁186mm高度上各布置一根座椅固定角钢，截面尺寸为30*35*2.0mm，长度分别为2950mm、3770mm。右侧围下沿梁乘客门框处断开，两半长度分别为3930mm、4062mm。乘客门上横梁距离下沿梁的高度是996mm。

3.2左侧围结构设计

左侧不设置乘客门，而设置安全门。左前立柱承受较大载荷，选用截面尺寸较大的钢材。下侧梁以上部分采用120*40*1.5mm规格，下侧梁以下部分采用80*50*2.0mm规格，下裙立柱与其并肩布置，采用50*50*2.0mm规格。左侧围开设5块侧窗，宽度分别为1376mm、1567mm、1567mm、1599mm、1223mm，高度为1088mm，窗立柱采用60*40*3.0mm规格。安全门立柱采用强度较大的70*50*2.0mm规格钢材，安全门框宽度为1000mm，其上横梁与下侧梁距离为1461mm。腰梁是左侧结构主要承载单元，采用50*50*2.0mm规格。腰梁与下侧梁之间设置立柱和斜梁，斜梁采用40*40*2.0mm规格。安全门之前的立柱采用40*40*2.0mm规格，安全门之后的立柱采用50*40*2.0mm规格。腰梁与下侧梁之间的距离为537mm。第二与第三窗立柱之间和第三与第四窗立柱之间各布置一根横梁，采用50*40*1.5mm规格，与腰梁之间高度为629mm。第六与第七窗立柱之间布置一根20*40*1.5mm规格的横梁，紧靠后止口的位置布置一根40*30*2.0mm规格的纵弯梁和一张1.5mm厚的加强钢板。安全门两侧，距离下侧梁186mm高度上各布置一根座椅固定角钢，断面尺寸为30*35*2.0mm，长度分别为365mm、6169mm。左侧围下沿梁长度为6169mm。

3.3焊接方法

二氧化碳气体保护焊在焊接效率、焊接形变、油锈敏感性、焊缝含氢量、弧光可见性和耗能量等方面比焊条电弧焊、埋弧焊更有优势[5]。采用二氧化碳气体保护焊对侧围结构件进行焊接。

4有限元分析

Q235型材的密度7.85g/cm3、弹性模量（E/Gpa）：200-210、泊松比（v）：0.25-0.33、屈服强度：235Mpa。三种杆件的壁厚分别是1.5mm、2.0mm、3.0mm。使用CATIA惯量测量工具[6]计算出左侧围结构质量为191kg、右侧围结构质量为194kg。

4.1网格划分与材料属性

打开HyperMesh软件，选择“Optistruct”，将建立好的CATIA侧围模型以几何表面形式导入，删除内表面，保留外表面。删除重复线条和表面，使各个梁的接头相交，为划分网格做准备。使用“automesh”中的“智能优化”，“单元尺寸”设置为20、“划分类型”设置为“混合型”。返回面板，单击“mesh”，得到初步的网格模型。选择“工具”面板中 的子面板“检查单元”选项，检查“长宽比”、“最大尺寸”、“最小尺寸”、“雅可比”和“翘曲度”中不满足设定值的单元，对其重新进行划分，保证所有单元满足标准值。在材料选项卡中创建Q235钢材材料，将以上准备的数据输入对应对话框中。然后为钢材创建属性，将“type”设置为2D、并将每个梁的壁厚分别赋值。最后点击“assign”按钮进行赋值。

4.2载荷与约束

客车在极限工况下会使侧围产生极限动载荷，假设最大制动减速度为3G，垂向最大加速度为3G，横向最大加速度为1G。三个方向极限载荷同时作用在侧围质心。根据侧围的质量换算为三维力值，在“forces”子面板中，将上述三维力值分别沿x、y、z方向加载到侧围质心。进入“constraints”子面板，勾选dof1、dof2、dof3，施加好线性静态约束。

4.3计算与结果

通过“Analysis”中的“OptiStruct”按钮进行有限元计算。在后处理部分得到的结果是：左侧围结构的峰值应力是99.9Mpa，右侧围结构的峰值应力是77.7Mpa。

5结论

本文建立的某大型公路客车侧围结构在极限载荷下产生的峰值应力值低于所用钢材的强度极限。因此，可以判断在极限工况下，所设计的侧围结构有足够强度抵抗外力作用，能够保证车身结构的安全性。

参考文献

[1]黄天泽.黄金陵.汽车车身结构与设计[M].北京:机械工业出版社,1997.

[2]黄天泽.大客车车身[M].湖南:湖南大学出版社,1988.

[3]刘素梅.CATIAV5基础教程及应用技术[M].北京:机械工业出版社,2015.

[4]王望予.汽车设计[M].北京:机械工业出版社,2005.

[5]尹冠生.理论力学[M].西安:西北工业大学出版社,2000.

[6]陈家瑞.汽车构造[M].北京:人民交通出版社,2004.

作者：邱欢 单位：长安大学