原創(chuàng)整理，僅供參考-6-大型公路客車側圍結構設計分析1設計原則與受力研究

1.1設計原則在滿足總布置要求的前提下要遵循以下幾個原則[1]：1）必須協(xié)調解決側圍強度和總布置要求之間的矛盾；2）通過最優(yōu)化方法減少車身側圍的質量；3）保證良好的加工工藝性以減少加工難度；4）提升側圍結構標準化、系列化、整頓化程度。1.2受力研究大客車側圍在整車上起著“承上啟下”的作用。一方面，客車左右側圍與車架連接，當路面不平順時，側圍要承受來自車架的沖擊載荷，會受力變形。與此同時，側圍與頂蓋剛性連接，側圍上接受的動載荷會傳遞到頂蓋。另一方面，在客車行駛方向上，當客車加速行駛或緊急制動或正常勻速行駛時，由于空氣阻力的作用，側圍會在縱向壓縮變形。在實際行駛過程中，左右側路面高度不一致會使側圍產生縱向扭轉載荷。在客車轉彎的工況下，又會在側圍上產生橫向扭轉載荷。所以，側圍結構的受力情況是彎曲扭轉復合狀態(tài)[2]。

2材料選擇與總成配合

2.1材料選擇。與20碳素鋼、16Mn合金鋼、WL510大梁鋼相比，Q235碳素鋼是側圍質料首選，其具有機械性能好、性價比高等優(yōu)點，屈服極限為235兆帕。薄壁鋼管橫斷面形狀可分為閉口和開口，其橫斷面特征有較大差別。在材料面積和厚度一定時，閉口斷面抗彎性能次于開口斷面，而閉口斷面扭轉慣性矩比開口斷面大。為提升桿件和車身整體扭轉剛度，最好采用閉口斷面[3]?？紤]到組成截面的其他因素，如搭配關系、布局功效和工藝，實際側圍構件的零件圖不如想象中簡單。2.2總成配合?？蛙嚱Y構設計是整車設計時需要仔細斟酌的，其設計的優(yōu)劣將直接影響到平順性、操縱穩(wěn)定性、輕量化。為保證連續(xù)地傳遞力，要采用封閉設計，盡可能做成局部與整體封閉。提升側圍側傾穩(wěn)定性方法[4]：1）加大側窗立柱管材規(guī)格，籬笆型結構從上至下延伸至腰梁。2）若側立柱延伸到腰梁后不與同側立柱正對，需在此節(jié)點增加斜梁。3）提升側窗下邊梁的高度4）側圍斜梁有助于提升抗彎曲變形能力，其高度比不能小于0.6。

3結構設計與焊接方法

3.1右側圍結構設計。右前立柱由于承受較大載荷，所以選用截面尺寸較大的鋼材，下側梁以上部分采用80*40*1.5mm規(guī)格，下側梁以下部分采用80*50*2.0mm規(guī)格，下裙立柱與其并肩布置，采用50*50*2.0mm規(guī)格。本設計開設一個乘客門，由于門柱遭受的應力比較大，要選用規(guī)格為40*40*2.0mm的方形鋼。根據(jù)總布置要求右側門框寬度為800mm，側窗寬度分別是1416mm、1567mm、767mm、650mm、1567mm、1635mm，高度都為1088mm。支撐主體結構的側窗立柱采用60*40*3.0mm規(guī)格。腰梁是側圍布局的主要元件，考慮統(tǒng)一化設計制造，其截面尺寸采用50*50*2.0mm規(guī)格。在腰梁與下側梁之間設立立柱和斜梁，其之間的高度為537mm，斜梁選用40*40*2.0mm規(guī)格。第二與第三窗立柱之間和第六與第七窗立柱之間各布置一根采用50*40*1.5mm規(guī)格的橫梁，其與腰梁之間高度為629mm。第七與第八窗立柱之間布置一根20*40*1.5mm規(guī)格的橫梁，緊靠后止口位置布置一根40*30*2.0mm規(guī)格的縱彎梁和一張1.5mm厚的強化鋼板。乘客門兩側，距離下沿梁186mm高度上各布置一根座椅固定角鋼，截面尺寸為30*35*2.0mm，長度分別為2950mm、3770mm。右側圍下沿梁乘客門框處斷開，兩半長度分別為3930mm、4062mm。乘客門上橫梁距離下沿梁的高度是996mm。3.2左側圍結構設計。左側不設置乘客門，而設置安全門。左前立柱承受較大載荷，選用截面尺寸較大的鋼材。下側梁以上部分采用120*40*1.5mm規(guī)格，下側梁以下部分采用80*50*2.0mm規(guī)格，下裙立柱與其并肩布置，采用50*50*2.0mm規(guī)格。左側圍開設5塊側窗，寬度分別為1376mm、1567mm、1567mm、1599mm、1223mm，高度為1088mm，窗立柱采用60*40*3.0mm規(guī)格。安全門立柱采用強度較大的70*50*2.0mm規(guī)格鋼材，安全門框寬度為1000mm，其上橫梁與下側梁距離為1461mm。腰梁是左側結構主要承載單元，采用50*50*2.0mm規(guī)格。腰梁與下側梁之間設置立柱和斜梁，斜梁采用40*40*2.0mm規(guī)格。安全門之前的立柱采用40*40*2.0mm規(guī)格，安全門之后的立柱采用50*40*2.0mm規(guī)格。腰梁與下側梁之間的距離為537mm。第二與第三窗立柱之間和第三與第四窗立柱之間各布置一根橫梁，采用50*40*1.5mm規(guī)格，與腰梁之間高度為629mm。第六與第七窗立柱之間布置一根20*40*1.5mm規(guī)格的橫梁，緊靠后止口的位置布置一根40*30*2.0mm規(guī)格的縱彎梁和一張1.5mm厚的強化鋼板。安全門兩側，距離下側梁186mm高度上各布置一根座椅固定角鋼，斷面尺寸為30*35*2.0mm，長度分別為365mm、6169mm。左側圍下沿梁長度為6169mm。3.3焊接方法二氧化碳氣體保護焊在焊接效率、焊接形變、油銹敏感性、焊縫含氫量、弧光可見性和耗能量等方面比焊條電弧焊、埋弧焊更有優(yōu)勢[5]。采用二氧化碳氣體保護焊對側圍結構件進行焊接。

4有限元研究

Q235型材的密度7.85g/cm3、彈性模量（E/Gpa）：200-210、泊松比（v）：0.25-0.33、屈服強度：235Mpa。三種桿件的壁厚分別是1.5mm、2.0mm、3.0mm。使用CATIA慣量測量工具[6]計算出左側圍結構質量為191kg、右側圍結構質量為194kg。4.1網(wǎng)格劃分與材料屬性。打開HyperMesh軟件，選擇“Optistruct”，將建立好的CATIA側圍模型以幾何表面形式導入，刪除內表面，保留外表面。刪除重復線條和表面，使各個梁的接頭相交，為劃分網(wǎng)格做準備。使用“automesh”中的“智能優(yōu)化”，“單元尺寸”設置為20、“劃分類型”設置為“混合型”。返回面板，單擊“mesh”，得到初步的網(wǎng)格模型。選擇“工具”面板中的子面板“檢查單元”選項，檢查“長寬比”、“最大尺寸”、“最小尺寸”、“雅可比”和“翹曲度”中不滿足設定值的單元，對其重新進行劃分，保證所有單元滿足標準值。在材料選項卡中創(chuàng)建Q235鋼材材料，將以上準備的數(shù)據(jù)輸入對應對話框中。然后為鋼材創(chuàng)建屬性，將“type”設置為2D、并將每個梁的壁厚分別賦值。最后點擊“assign”按鈕進行賦值。4.2載荷與約束?？蛙囋跇O限工況下會使側圍產生極限動載荷，假設最大制動減速度為3G，垂向最大加速度為3G，橫向最大加速度為1G。三個方向極限載荷同時作用在側圍質心。根據(jù)側圍的質量換算為三維力值，在“forces”子面板中，將上述三維力值分別沿x、y、z方向加載到側圍質心。進入“constraints”子面板，勾選dof1、dof2、dof3，施加好線性靜態(tài)約束。4.3計算與結果。通過“Analysis”中的“OptiStruct”按鈕進行有限元計算。