新材料与工艺手册

[轻量化客车] 客车车身骨架用铝合金型材的结构设计

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发表于 2020-6-11 16:18:46 | 显示全部楼层 |阅读模式

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客车车身骨架用铝合金型材的结构设计
冯遇坤,黄绍丽,左克生(常熟理工学院 汽车工程学院,江苏 常熟 215500)
摘要:车身骨架作为客车的主要承载件,其轻量化对客车节能减排具有重要作用. 本文以客车骨架用铝合金型材为研究对象,以车身骨架用型材的弯曲刚度和扭转刚度为指标,利用CAE分析技术分析铝合金型材代替钢的可行性. 结果表明:增加壁厚和增大截面尺寸均能提高铝合金型材的弯曲刚度和扭转刚度. 客车车身骨架选用截面尺寸为52 mm×56 mm,壁厚为2.4 mm的铝合金型材,其刚度能够达到40 mm×40 mm×2 mm钢制方管的刚度指标,且实现减重27.5%. 计算结果可为客车车身骨架用型材设计提供参考.
关键词:车身骨架;铝合金;刚度;轻量化
铝合金具有密度小、比强度高等优点,被广泛应用于汽车、航空航天等领域,展现了轻质材料的广泛应用前景. 汽车轻量化是在确保汽车强度和安全性能的条件下,通过采用轻质型材或改变车身骨架结构设计的方法尽可能减轻汽车的整车质量,从而实现降低油耗、节能减排以及提高汽车动力性能的目标[1-3].车身骨架作为客车的主要承载件,其轻量化对客车节能减排具有重要作用. 在客车车身骨架中采用铝合金材料替代钢铁材料时,由于两种材料的弹性模量、密度和强度均不同,故需要对车身骨架结构件进行优化设计,以使车身骨架结构的刚度保持不变或有所增加.
本文利用有限元分析软件ABAQUS对铝合金型材的弯曲刚度和扭转刚度进行分析,研究客车骨架采用铝合金型材替代钢制方管的可行性,以达到客车车身轻量化的目的.
1 模型建立1.1 客车车身骨架型材的建模
在钢制客车车身骨架中,大量采用了Q345材质的钢制方管. 本文即以截面尺寸为40 mm×40 mm,壁厚为2 mm,长度为500 mm的钢制方管作为参考,考察不同截面尺寸与壁厚的6082-T6铝合金矩形管的弯曲刚度与扭转刚度. 管材的三维模型均在三维造型软件CATIA中创建.
1.2 网格的划分
在ABAQUS/CAE中,先将管材的三维模型导入并创建相应的截面属性(section),再定义材料,然后把该截面属性给予管材. 所研究材料的力学性能如表1所示.
考虑到矩形管截面形状规则且简单,将其划分为三维的8节点减缩积分单元C3D8R[4]. 划分的网格如图1所示.
1.3 载荷工况与边界条件设置
弯曲工况可以模拟客车在静止和匀速直线行驶时的应力分布和变形情况;扭转工况可模拟客车在不平路面行驶时的应力分布和变形情况[1]. 因此,在考察铝合金型材替代钢管的可行性时,可将管材的弯曲刚度和扭转刚度作为衡量指标.
在弯曲工况下,将管材的两端面固定约束,并在管材中间施加2000 N的载荷,如图2所示. 弯曲刚度(EI)为所施加的载荷(F)除以垂直方向的变形量(Δl),即EI=F/Δl.
在扭转工况下,将管材的一端面设置固定约束,并对另一端面设置200 N·m的扭矩,如图3所示. 扭转刚度(MI)为所施加的扭矩(M)除以端面上的扭转角(θ),即MI=M/θ.
表1 不同材料的力学性能



图1 矩形管的网格划分


图2 钢管弯曲工况下的受力图

2 计算结果与分析2.1 钢管的弯曲刚度与扭转刚度计算结果
图4为钢制方管在弯曲刚度时的应力云图和弯曲挠度. 从图中可看出,在管材中间部位的应力最大(106.1 MPa),最大弯曲挠度为0.117 5 mm,相应的弯曲刚度为17 021.3 N/mm. 图5所示为钢制方管在转刚度分析时的应力云图和扭转角. 从图中可以看出,在管材端部的最大应力为85.18 MPa,最大扭转角为 0.011 08°,相应的扭转刚度为18 050.5 N·m/°.
2.2 不同壁厚对铝合金矩形管刚度的影响
假设铝合金矩形管的外截面尺寸与钢制方管的相同,其壁厚分别为2.0,2.6,3.2,3.8,4.4和20 mm(即实体),相应的质量分别为0.41,0.525,0.636,0.743,0.846和2.16 kg.
当铝合金矩形管的壁厚不同时,其质量与弯曲挠度及扭转角如图6所示. 从图6中可以看出,在铝合金管质量小于1.2 kg时,其弯曲挠度和扭转角均超过了钢制方管的要求,表明其弯曲刚度和扭转刚度均达不到目标刚度要求,说明仅增加方管壁厚难以达到轻量化的效果.
2.3 不同截面尺寸对铝合金矩形管刚度的影响
假设壁厚与钢管保持不变(2.0 mm),铝合金矩形管的截面尺寸分别为40×40,48×48,56×56,64×64和72 mm×72 mm,相应的质量分别为0.41,0.497,0.583,0.670和0.756 kg.

图3 钢管扭转工况下的受力图


图4 钢管弯曲刚度分析云图

当铝合金方管截面尺寸不同时,方管质量与弯曲挠度及扭转角的关系如图7所示. 从图7中可以看出,若要满足钢管的刚度设计要求,在壁厚保持不变的情况下,铝合金方管的质量需要在0.685 kg以上,即壁厚为2.0 mm,横截面边长在70 mm左右的铝型材结构设计最佳,此时可实现减重43%.

图5 钢管扭转刚度分析云图


图6 壁厚变化对铝合金管刚度的影响


图7 截面尺寸变化对铝合金管刚度的影响

2.4 壁厚与截面尺寸综合因素对铝合金矩形管刚度的影响
为考察壁厚和截面尺寸综合因素对铝合金矩形管刚度值的影响,铝合金矩形管壁厚分别为2.0,2.6和3.2 mm,同时改变铝型材截面高度,使其截面高度与底边的比值分别为0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,2.0和2.2. 在壁厚不变的情况下,将不同高度与宽度比所对应的质量与弯曲挠度和扭转角的关系绘制成图8.
从图8可以看出,在壁厚恒定不变时,随着铝合金管材截面高度的增加(质量增加),其弯曲挠度和扭转角逐渐减小. 在不同壁厚条件(2.0~3.2 mm)下,为满足钢制方管的刚度设计要求,所需要的截面高度分别为86,72和64 mm,相应的减重率分别为44%,39%和21%.

图8 不同壁厚下截面高度/底边比对铝合金矩形管刚度的影响

由此可见,管材壁厚和截面尺寸均为刚度指标的重要影响因素. 即当管材壁厚越薄时,需要较高的截面高度才能符合要求;当管材壁厚较厚时,截面高度也需要适当增加,但减重效果就会有所降低.
2.5 客车车身骨架用铝合金型材的结构优化
钢制客车车身骨架中一般采用焊接方法将各钢制方管连接成一体,而铝合金由于焊接组织缺陷较严重,导致MIG焊接强度损失高达40%~50%[5-6]. 因此,为获得较高的连接强度,铝合金型材宜采用螺栓连接. 考虑到这一因素,需对铝合金矩形管的结构进行优化设计.
为方便螺栓连接,将铝合金矩形管的侧面设置两个“羊角”结构,如图9所示. 将该型材结构的底边设为56 mm,壁厚设为2.4 mm,改变其高度至40 ,48,52和56 mm. 相比于弯曲刚度,型材结构的扭转刚度更难实现,其计算结果如图10所示. 从图10中可以看出,当铝合金型材截面尺寸增大至52 mm×56 mm后,其扭转角小于钢制方管的扭转角,即扭转刚度达到设计要求,相应的减重率为27.5%.

图9 铝合金型材的截面结构

3 总结
本文以客车车身骨架的结构件为研究对象,采用ABAQUS软件对结构件进行了有限元分析及截面优化设计,分析了铝合金型材壁厚与截面尺寸对结构弯曲刚度和扭转刚度的影响. 结果表明:增加壁厚和增大截面尺寸均能提高铝合金型材的弯曲刚度和扭转刚度;客车车身骨架选用截面尺寸为52 mm×56 mm、壁厚为2.4 mm的铝合金型材,其刚度能够达到40 mm×40 mm×2 mm钢制方管的刚度指标,且实现减重27.5%. 计算结果可为客车车身骨架用型材设计提供参考.

图10 铝合金型材截面高度对扭转刚度的影响




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