大型公路客车侧围结构设计分析

原创整理，仅供参考-6-大型公路客车侧围结构设计分析1设计原则与受力研究

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）提升侧围结构标准化、系列化、整顿化程度。1.2受力研究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。为提升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。提升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）提升侧窗下边梁的高度4）侧围斜梁有助于提升抗弯曲变形能力，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厚的强化钢板。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厚的强化钢板。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有限元研究

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。