全鋁客車鋁牛腿設(shè)計

1、全鋁客車鋁合金牛腿設(shè)計余慶杰，劉小明，郝守海（東風(fēng)汽車有限公司商用車技術(shù)中心湖北省武漢市430056）摘要首先提出全鋁車身客車的鋁合金牛腿設(shè)計方案，將概念模型與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)牛腿進行對比分析，確定鋁合金牛腿方案的可行性及優(yōu)化空間和方向；其次利用Optistruct的結(jié)構(gòu)優(yōu)化功能，對概念模型鋁合金牛腿進行拓撲優(yōu)化，重構(gòu)優(yōu)化后的牛腿結(jié)構(gòu)形式，尋求最優(yōu)材料分布狀態(tài)，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果構(gòu)建鋁合金牛腿的精細模型，最后通過HypeMesh有限元分析驗證，確認優(yōu)化方案合理性，最終設(shè)計出滿足技術(shù)條件和工藝要求的輕量化鋁合金牛腿。關(guān)鍵詞全鋁車身；鋁合金；牛腿；拓撲優(yōu)化0前言近年來,隨著世界汽車保有量與日俱增以及人們對汽車

2、安全性、舒適性、環(huán)保性能要求的提高,節(jié)約資源、減少環(huán)境污染成為世界汽車工業(yè)界亟待解決的兩大問題。著眼于長遠的可持續(xù)發(fā)展,減輕汽車質(zhì)量成為21世紀汽車技術(shù)的前沿和熱點。應(yīng)用鋁材料進行汽車輕量化是目前汽車輕量化技術(shù)中最有效可行的方法之一。全鋁車身客車的研究與實踐正在國內(nèi)客車行業(yè)中逐步展開，目前的趨勢之一是半承載式全鋁車身客車，即采用全鋁的車身與傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)車架進行對接，由于鋼鋁材料不同，進行對焊時對設(shè)備、材料規(guī)格、焊條及工藝均有特殊要求，在國內(nèi)規(guī)模使用尚需時日，因此通過鉚接或螺栓連接鋁合金牛腿完成車架與全鋁車身骨架的對接成為較實用的解決方案。鋁合金牛腿概念模型設(shè)計思路圖1鋁合金牛腿概念模型與鋼牛腿

3、對比現(xiàn)有的傳統(tǒng)半承載鋼結(jié)構(gòu)客車產(chǎn)品，鋼牛腿采用鋼板沖壓形成u型結(jié)構(gòu)，牛腿側(cè)面為矩形或梯形或組合形狀，開有減重孔，牛腿與車架通過螺栓進行連接。結(jié)合鋁合金材料的成型工藝，設(shè)計鋁合金牛腿概念模型采用閉合腔體，寬度與鋼牛腿相同，側(cè)豎面形狀與鋼牛腿基本一致，不開減重孔，牛腿一端與鋁合金L板焊接后與車架鉚接，另一端與全鋁車身骨架焊接，鋁合金牛腿及L板厚度均為7mm，鋁L板形狀與鋼L板相同，兩種牛腿的形狀對比如圖1所示。初步分析利用HypeMesh軟件建立鋼結(jié)構(gòu)牛腿和鋁合金牛腿有限元模型，約束L形支架上的螺栓孔的6方向自由度，約束L形支架的下方節(jié)點的y向自由度，以模擬車架對支架的壓向約束。施加載荷時，在牛腿

4、上平面的節(jié)點上施加向下0.5N的力，并在牛腿外側(cè)端頭處施加向下2000N的力。通過對兩種牛腿的靜態(tài)應(yīng)力分析，可以得出有限元應(yīng)力云圖和變形云圖，如圖2、圖3、圖4所示。ContourPlotDisplacement(Z)Analysissystem-9.996E-01-8.885E-017.773E-01-6.662E-01-5.551E-01-4.440E-013.328E-012.2仃E01-1.106E-015.749E-04NoresultMin=-9.996E-01鋁半腿概念模型鋁牛腿概念模型支架5:9B3Mpa(30J,也.MiaMai*&5BS-CDr*#1QM?Ma2悼勺網(wǎng)MCw

5、tcwiPmEk-oii惡停94匿1乩Mn)鋼牛腿支架圖2牛腿對比變形云圖圖3牛腿L形支架處對比應(yīng)力云圖鋁牛腿慨念模型鋼牛腿14.5Mpa108Mpa圖4牛腿對比應(yīng)力云圖查看對比變形情況發(fā)現(xiàn)（見圖2）：鋁合金牛腿變形層次均勻，端頭中心位移為Z向0.6088mm，端口形狀基本不變；鋼牛腿端頭中心位移為Z向0.7196mm,且牛腿外側(cè)變化劇烈，可見鋼牛腿端口形狀發(fā)生較大變化。鋁合金牛腿概念模型變形量和變形狀態(tài)均優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)牛腿。查看對比應(yīng)力情況發(fā)現(xiàn)（見圖3、4）：鋁合金牛腿概念模型支架最大應(yīng)力為5.983Mpa,位于支架與牛腿端面下轉(zhuǎn)角連接處，鋁合金牛腿上應(yīng)力最大點在內(nèi)側(cè)端口中心附近為14.51Mp

6、a，側(cè)豎面上應(yīng)力云圖顯示中部有一縱向長帶狀的較小應(yīng)力區(qū)域；鋼牛腿支架的最大應(yīng)力為108Mpa，位于支架與牛腿內(nèi)側(cè)端面下轉(zhuǎn)角連接處，鋼牛腿最大應(yīng)力為40.5Mpa，位于牛腿下翻邊轉(zhuǎn)角處，鋼牛腿根部應(yīng)力變化也較劇烈。概念模型鋁合金牛腿及支架的應(yīng)力情況優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)牛腿。分析判斷，鋁合金牛腿概念模型方案可行，并存在優(yōu)化空間。拓撲優(yōu)化根據(jù)前述鋁合金牛腿靜態(tài)應(yīng)力分析情況，對其進行拓撲優(yōu)化計算，優(yōu)化目標要求體積最小，優(yōu)化約束為牛腿外側(cè)端口中心Z向位移，該位移約束值取鋼結(jié)構(gòu)牛腿的分析結(jié)果近似值，即取0.72mm，拓撲優(yōu)化的網(wǎng)格為牛腿豎面單元。通過拓撲優(yōu)化分析，結(jié)果顯示如圖5所示。lsoface=0.1lsofa

7、ce=0.3lsoface=0.6lsoface=0.9圖5不同isoface時單元密度云圖分析上述云圖結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鋁合金牛腿側(cè)豎面優(yōu)化后產(chǎn)生了與牛腿側(cè)豎面邊界近似平行的若干相鄰的三角形鏤空孔，之間為斜筋構(gòu)成網(wǎng)狀形態(tài)，該結(jié)果為鋁合金牛腿的進一步設(shè)計提供了理論依據(jù)。鋁合金牛腿深化設(shè)計結(jié)合鋁合金牛腿采用擠出成型的工藝要求和拓撲優(yōu)化結(jié)果，細化鋁合金牛腿側(cè)豎面形狀及型腔處理，對概念模型鋁合金牛腿的側(cè)豎面進行優(yōu)化減重。由于圓孔相對異型孔在工藝上易于實現(xiàn)，因此采取在鋁合金牛腿側(cè)豎面開圓形孔進行減重，圓形孔尺寸依次減小，外公切線與側(cè)豎面輪廓近似平行。側(cè)豎面輪廓可分為兩種，一種與鋁合金牛腿概念模型相同，另一種在

8、此基礎(chǔ)上加大與車身骨架焊接端口高度，增大整體剛度。結(jié)合成型工藝，設(shè)計牛腿內(nèi)部加強筋，通過整理共形成以下八種鋁合金牛腿模型，如圖6所示。圖6八種鋁合金牛腿模型5優(yōu)化模型分析對比對八種鋁合金牛腿優(yōu)化模型進行有限元分析，工況設(shè)定及分析如前所述，牛腿應(yīng)力、端口變形的結(jié)果見圖7和圖8。-1.556E+011.333E+01-1.111E+01-8.889E+006.667E+00|-4.444E+00I-2.222E+00aL1.334E-17Max=2.856E+01圖7鋁合金牛腿應(yīng)力云圖7.130E-016.337E-015.544E-014.751E-013.958E-013.166E-012.3

9、73E-011.580E-01&7.871E-025.749E-04越NoresultMin=-7.130E-01圖8鋁合金牛腿變形云圖根據(jù)最終分析結(jié)果列表整理八種優(yōu)化模型對應(yīng)的形態(tài)特征，質(zhì)量、減重比、最大應(yīng)力、最大變形等數(shù)據(jù)，便于后續(xù)設(shè)計確認。其對比結(jié)果如圖9所示。AECDEFGHIJK1牛腿類型鋼結(jié)構(gòu)牛腿鋁合金牛腿槨念模型閉合梯形小端面閉合梯形小端面加上平行筋閉合梯那小端面和豎直筋閉合梯形小端面協(xié)上折彎筋閉合梯形大端面閉合梯形大端面加下平行筋閉合梯形大端面加上平行筋閉合梯刑大端面加豎直筋2數(shù)據(jù)、aQ3密度7.832.72.72.72.72.72.72.72.72.74材料鋼鋁合金鋁合金鋁合

10、金鋁合金鋁合金鋁合金鋁合金鋁合金鋁合金5體積/立方mm1032T32.6332192627.T21982612.25121TTT20.2512499199.6562197286.8051948831.2482122T6T.2182121T91.3322416T15.886質(zhì)a/Kg8.086296525.9200948445.3530530785.8T98446T86.T478390T15.9326T43T45.2618443T5.T314T14885.T2883659T6.5251328TT7減重率（對比鋼）OX26.8X338%273X16.6X26.611349X29IX292X193X

11、8攝大應(yīng)力階a108.4014.5115.2528.5622.862T.8815.8924.9326.2322.199端面中心變形mm0.T1960.60880.64260.70410.55890.6T520.66320.T1240.71090.5614圖9鋁合金牛腿優(yōu)化模型分析對比6優(yōu)化分析結(jié)果經(jīng)分析對比，八種鋁合金牛腿優(yōu)化模型的最大應(yīng)力為28.56Mpa,均滿足鋁材料性能要求，端口最大位移為0.7124mm,均小于鋼牛腿變形量。加筋處理后的牛腿在加強筋附近的強度增加，相對未加筋的牛腿局部應(yīng)力增大,均超過22Mpa，但其剛度有所提高。加豎直筋牛腿相對其他牛腿的變形量偏小,分別為0.5589mm和0.5614mm，效果較好。兼顧輕量化和牛腿性能的分析結(jié)果，確認形成設(shè)計文件的鋁合金牛腿有四種，分別為閉合梯形小端面牛腿、閉合梯形小端面加豎直筋牛腿、閉合梯形大端面牛腿和閉合梯形大端面加豎直筋牛腿，其中未加筋的適用于承載及連接相對偏低的區(qū)域，加豎直筋的適用于承載及連接相對較強的區(qū)域。7結(jié)論本文提出全鋁車身鋁合金牛腿概念模型，并與傳統(tǒng)鋼牛腿進行對比分析，確定方案的可行性及優(yōu)化方向和空間，利用Optistruct的結(jié)構(gòu)優(yōu)化功能，運用優(yōu)化理論對概念模型鋁合金牛腿進行拓撲優(yōu)化，重構(gòu)了優(yōu)化后的牛腿側(cè)豎面形態(tài)，尋求最優(yōu)材料分布狀態(tài)，根