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[轻量化材料] 基于轻量化与模块化的铝合金车体结构设计

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发表于 2020-7-27 09:52:21 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】基于轻量化与模块化的铝合金车体结构设计

谢明智,覃星云

(南宁华数轻量化电动汽车设计院有限公司,南宁 530000)

摘 要:轻量化、模块化是汽车车体结构发展的重要趋势,采用铝合金车体结构能有效达成这一控制目标,并降低后期运行消耗和维护成本。本文基于轻量化与模块化设计思想,指出铝合金车体结构设计要点,期望能为车体结构的优化提供有效支撑。

关键词:轻量化;模块化;铝合金;车体结构

城市化背景下,公交车、物流车、观光车等公共车辆的需求不断增加,人们对于这些车辆车体机构的设计和应用也提出了更高要求。现阶段,铝合金车体成为一种全新的车体结构形式在公共车辆设计中得以广泛应用,其有效地实现了车辆设计的轻量化和模块化发展。

1 轻量化与模块化设计思想

轻量化设计是当前车辆体形结构设计的基本要求。在实际设计中,轻量化设计能通过减轻车辆的质量,提升车辆加速度和最高速度,这有利于改善车辆的操控性能,降低车辆能源消耗。实际设计中,车辆结构较为复杂,若将车辆个单元作为一个整体进行设计,则设计过程难度较大,对此,模块化设计理念应运而生。所谓车体结构模块设计,是指将车辆结构分解为若干个具有相同功能和结合要素的互换单元,这些单元性能、规格、结构各不相同,其中每个单元对应车辆的一个功能,系统组合这些单元,即可完成车体结构整体设计,并确保组合后的功能满足车辆应用需要[1]。

2 轻量化与模块化视角下的铝合金车体结构设计2.1 车体设计依据及尺寸

结合车辆设计依据,规范合理地进行车辆结构尺寸设计,能为公共车辆的运营管理创造奠定有效基础。在公共车辆设计中,车体设计技术要求应符合国家现行相关标准的规定,具体而言,基于轻量化与模块化角度,进行铝合金车体设计需遵守《城市公共汽电车客运服务》GB/T22484、《城市客车分分等级技术要求与配置》CJ/T162 等文件的具体要求。在铝合金车体结构尺寸设计中,车辆分级是影响车辆结构尺寸的重要因素,级别不同,其具体的尺寸结构也有所差异,另外,车体的结构尺寸还受到车辆类型影响,譬如,中大汽车外形尺寸多为7980×2400×3100mm,而海格KLQ6129GQ1 型客车外形尺寸为12000×2550×3250mm。


2.2 车体总体布局和划分

铝合金车体总体布局中,采用整体承载闭口型材铝合金全焊接结构,这种设计方式具有以下优势:其一,其结构设计较为简单,同时荷载能力突出;其二,进行型材与隔音材料的搭配使用,能有效地降低车辆运行中的噪音和振动,提升车辆运行舒适性;其三,铝合金型材生产方便,减少了焊接对车体质量的影响,整体效益突出。

在对各单元进行模块划分时,按照各个模块的实际功能,将车体分为底架、顶棚、侧墙、端墙和司机室五个模块,各个模块又包含了若干个子模块,根据具体的模块内容,进行设计要点把控。譬如在侧墙模块设计中,重点关注车窗和乘客门数量设计,就乘客门设计而言,依据车辆的长度设计具体数量(见表1)。

表1






2.3 车体型材模块化设计

采用闭口型材进行车体结构设计时,型材的插口形式、宽度公分等因素对于车体焊接的熔透型具有较大影响,同时,受壁厚偏差、筋板位置等因素的影响,部件装配后的尺寸公差、焊接刚度、车体结构强度等因素也存在较大差异。可见,车体型材设计对于铝合金车体设计具有深刻影响。现阶段,针对车体形态模块化设计,主要还是从底架、顶棚、侧墙、端墙和司机室五个模块进行具体设计,在实际设计中,应尽可能地采用宽幅型材,这样不仅能减少型材开模具的数量,降低模具成本,而且,其能有效减少焊缝的数量,对于铝合金焊接质量具有深加大影响。需注意的是,不论是那个模块的焊接设计,铝合金纵向焊接时都会产生一定的收缩,以此应注重收缩缝隙量的严格管理,确保焊接完成后,各模块结构尺寸合理。


2.4 有限元下的强度计算

车体结构强度计算分析是车辆结构设计的重要环节。在车体强度计算中,车体而机构的形状各异,同时荷载和边界条件变化多端,这使得车体强度计算过程极为复杂,此时,建立有限元模型,能有效地提升计算结构的精度。具体而言,有限元结构模型不仅实现了车辆形体结构一致性的有效把控,而且在模型支撑下,实现了车辆结构边界一致性、荷载等因素与实际情况的统筹,为后期的强度计算提供了有效支撑。在实际计算中,应关注车辆垂直静载荷、垂直总载荷、拉伸载荷和垂直静载荷组合等工况的有效考虑,确保车辆强度计算的精确性。需注意的是,针对实际的计算结果,还需要采用第四强度理论进行评定,确保在任何应力状态下,铝合金材料均不会屈服破坏,确保车辆运行的安全性、稳定性。


3 车体轻量化优势评估

现阶段,铝合金车体在城市公交车、物流车、观光车等公共车体结构设计中的应用不断深入,从材料应用形态来看,其包含了5000 系、6000 系和7000 系三种形态,通常,铝合金的相对体积质量为钢材的1/3,采用铝合金车体替代传统钢材车体,能有效地达到车辆轻量化设计的目的,车辆成型后,铝合金车体的质量可减少为普通钢材车体质量的1/2。当车辆自重质量降低时,其在制定和牵引过程中的能量消耗就会降低,这使得车辆运行成本降低,保证了车辆运行的经济性。此外,随着车身质量降低,车辆在加减速控制中更加灵活,其在一定程度上提升了车辆的载客能力,保证了列车运行品质,可见,采用铝合金进行车体轻量化设计,能有效地实现高运能、低成本的控制目标,这对于城市公共交通工具的进一步发展具有积极的促进作用,有效地保证了人们交通出行的效率与安全。

4 结论

采用铝合金车体结构能有效地实现车体轻量化、模块化发展。新时期,车辆设计人员只有重复认识到车体结构轻量化、模块化设计的必要性,并在实际设计中,注重铝合金车体结构设计要点的把控,才能有效地提升车体设计质量,满足车辆高运能和低成本控制需要。

参考文献:

[1]赵春花,黄垂刚,王康.浅谈乘用车车身钢铝搭接两种表面处理应用[J].涂层与防护,2019(02):5-9.


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