客车车身结构件对整车刚度的影响

Ｊ￣００２年（第２４卷）第２期　汽车　ｌ＿程　Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　２００２（Ｖｏ１．２４）Ｎｏ　２　２ｏ０２Ｏ３１　客车车身结构件对整车刚度的影响　兰凤崇　李涛　（吉林大学）　（泛亚汽车技术中　有限公司）　ｌ摘要ｌ　客车车身刚度对客车车身性能有很大的影响，满足车身刚度要求是客车车身结构初步设计的一个重　要目标　客观地ｒ解客车车身各结构件对整车刚度的影响，对指导的客车车身结构初步设计有重要的实际意义　本文就客车车身各结构件对刚度的影响作了系统的探讨　叙词：客车车身结构分析刚度　Ｔｈｅ　Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　Ｂｏｄｙ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｐａｒｔｓ　ｏｎ　Ｂｕｓ　Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　Ｉｊ　１ｒａ０　Ｐａｎ　Ａｓｉａ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｔ　Ａｕｔｏｍｏｔｉｏｅ　Ｃｅｎｔｅｒ　Ｌａａ　Ｆｅｎｇｃｈｏｎｇ　ｆ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ＩＡｂｓｔｒａｃｔｌ　Ｔｈｅ　ｓｔｉｆｎｅｓｓ　ｏｆ　ｂｕｓ　ｂｏｄｙ　ｈａｓ　ａ　ｔｒｅｍｅｎｄｏｕｓ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ　ｏｆ　ｂｕｓ　ｂｏｄｙ．　Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ　ｉｔ　ｉｓ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｔｏ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｉｆｎｅｓｓ　ｉｎ　ｉｎｉｔｉａｌ　ｂｕｓ　ｂｏｄｙ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ．　Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｐａｒｔｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔｉｆｎｅｓｓ　ｏｆ　ｂｕｓ　ｂｏｄｙ　ａｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｓｙｓｔｅｍａ‘　ｔｉｃａｌｌｙ　ｆｏｒ　ａｃｈｉｅｖｉｎｇ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ　ｄｅｓｉｎ．ｇ　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｂｕｓ—ｂｏｄｙ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　车车身结构件对整车刚度的影响做了系统的探讨，　１　引言　客车车身刚度是评价客车车身性能的一个重要　指标，而且车身刚度对车身其它性能，如强度、疲劳　耐久性和ＮＶＨ性能，也有很大影响。满足车身的　刚度要求是客车车身结构初步设计的一个重要目　标。　并根据客车车身结构件对刚度影响的大小进行了分　类，为客车车身结构初步设计提供依据。　２分析目标和评价指标的选定　１评价指标的确定　车身剐度主要指车身弯曲刚度和扭转刚度。在　分析过程中将车身结构件对车身刚度影响的评价指　标分为绝对评价指标和相对评价指标。绝对评价指　在客车车身结构初步设计中，因为不能通过样　车和实验来评价车身的刚度性能。因此客观地了懈　客车车身各结构件对车身刚度的影响，对在初步　设计中合理地布置车身骨架、提高材料的利用　率、实现轻量化设计，有着重要的意义。　在以往的研究中，国外通过分析结构件对车身　刚度的影响来指导车身设计有很多成功的例子【ｌ一，　国内也曾就客车车身的个别结构件（如侧围蒙皮）　标是指该结构件对车身刚度影响的绝对数值大小：　相对评价指标足指对于同一单位质量的结构件对车　身刚度影响的大小，即刚度对该结构件变化反应的　灵敏程度。　车身各部分结构件对弯曲刚度影响的绝对评价　指标定义为底架纵梁的中部和后悬两处最大挠度的　变化量Ａ　和Ａｄ　Ａｄ　＝ｄ　－ｄ　０　对客车车身刚度的影响做过研究¨一，但就客车整车　结构件系统的研究还未见报道。本文对半承载式客　原机械工业部重点学科资助项目，　原稿收到日期为２岫１年４月１０日，修改稿收到日期为２００１年６月２６日。　维普资讯 http://www.cqvip.com

汽△ｄ　一ｄｍ　车Ｊ一程　２ＯＩＪ２年（第　卷）第２期　表１　客车车身分析所选结构件质量比重　部什总　部件总质苗　变化　部件质量娈　部件名称　质量　／　顶盖蒙应　叶Ｊ问纵粱　顶盖部分　侧边纵梁　两边纵攀　式中ｄ　为车身结构变化后纵梁中部的最大挠　度ｍｍ；ｄ　为原车车身结构纵粱中部的最大挠　度ｍｍ，ｄ　为车身结构变化后纵梁后悬处的最大　占椹车质　分比　％　７　７２　ｆｌ　５８４　１　６６　１　５１　质揖　化占整车质　！ｋｇ　垃百骨比ｆ　１９０．００　１４４０　４０　９０　３７　３０　挠度ｍｍ；ｄ　，为原车车身结构纵粱后悬处的最大挠　度ｔｈｉｎ　１９０．００　１４４０　４０　）　３７　３０　７　７２　幔５８４　１　６６　１　５ｊ　将不同方案车身结构件质量的改变量Ａｍ考虑　进来，引入底盘纵粱中部和后悬两处最大挠度变化　量的相对评价指标△　种Ａ￣，（ｍｍ／ｍｍ）。　△　＝Ａｄ　／Ａｔ／Ｉ　Ａｄ，　Ａ　／Ａｍ　扭转刚度的绝对评价指标由车身轴问扭转角和　车身轴间扭转刚度变化量Ａ０和Ａｋ的来评价，为　了将不同方案的车身结构件质量改变量Ａｍ考虑　进来，引入车身轴间扭转刚度变化量的相对评价指　标△ｉ。　Ａ０＝０　６—０　Ａｋ＝ｋ６一ｋ　Ａｋ＝（　５一ｋ０）／△ｍ　式中０　为车身结构改变后的车身轴问扭转角（。）；　０。为原车车结构车身轴问扭转角（。）；ｋ　为车身结　构改变后的车身轴间扭转刚度Ｎ、ｍ　・（。）　；ｋ　为原车车结构车身轴问扭转刚度Ｎ、ｍ２、（。）－Ｉ。　２．２　分析目标的选定　客车车身骨架结构由底架、前后围、顶盖和　左右侧围六大部分组成。在分析过程中将整车车　身结构分为以上六个部分进行，车身的三维几何模　型如图ｌ。浚车车身前、后围为内置金属骨架的玻　璃钢件，分析中选取玻璃钢蒙皮为分析对象　车身　顶盖上三排对称的纵梁从里到外定义为中问纵梁、　倒边纵粱和两边纵梁来分析　车身侧围选定所有斜　撑件为一组，因为该车侧围为应力蒙皮，将蒙皮单　独分析。将顶盖的上大边和侧窗下的长纵粱定义为　侧窗上下长纵梁分析　车身底架按牛腿、底盘纵梁　和横粱分组进行分析。六部分中独立考虑的结构件　如表１。　图１　客车车身三维ＪＬ何模型　所有斜撑件　２６　４０　１　０７　２６　４０　１　０７　侧围宙柱　３７　５０　１　５２　７　５０　０　３０４　侧围部分　茸体　ｒ长纵桀　１＿４∞　４　６２　２２舯　哑９２５　侧围蒙皮　１】６∞　４　７２　】］６　００　４　７２　前国部分　前罔玻璃钢件　２３　００　０　９３３　２３　００　ｎ９３３　后田部分　嗣玻璃钢件　５６　５０　２　２９　５６　５０　２　２９　・底架纵粱　５８８　００　２３＋８　ＩＩ８　００　４　７７　底架部分　・底架横桀　Ｉ３５　００　５　４７　玎００　１　０９　・底架牛腿　２２ｏ　００　８　９２　４４　００　１　７８　注：・表示陵方案是对所选结构减弱２０％后分析：　泉表，　谚方　案是对所选结构完个去除后分析　３　边界条件和工７兑选择　为了便于分析，建立的有限元模型是粱单元为　主，结合板壳单元的简化模型，整个有限元模型共　３７９６个单元（见图２）。通过实验工况模拟计算结果　和实验数据的对比，验证了该有限元模型是合理　的　本次分析是对车身结构件的比较，因而分析中　没有考虑钢板弹簧种轮胎弹性的影响。选择的分析　工况为满载时的弯曲工况（考虑动荷系数Ｋ　＝２．５）　和左前轮悬空的扭转工况。　４扭转刚度分析　不同分析方案车身扭转工况下的分析结论如表　２所示　通过表２的分析结果可以看出，客车车身　各结构对整车扭转刚度的影响如下　幽２　大　车车身有晕兀模型　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００２年（第Ｍ卷）第２期　汽车ｌ『ｌ程　表２　车身各结构件对车身扭转刚度的影响　轴问扭　轴间扭　轴间扭　轴问扭　站构调整部位　转角　转角变　转刚度　转刚座　化　Ａ０　义　（７）倒围贯穿前后的侧窗Ｅ、下纵梁作为纵向构　件对整车扭转刚度的影响也很明显。　Ａ＾　ｋ＾　坐化量　Ａｋ　原车站构　顶盖蒙皮　叶１间纵桨　０　５１４４８１　０Ⅲ２ｌ５７２｛｝９　３　—７２００３　５　ｍ　２　７　６８　５弯曲刚度分析　不同分析方案下车身弯曲工况的分析结论如表　３所示。由表３的分析参数△　显示，客车车身各　结构件对车身中部的弯曲刚度影响描述如Ｆ。　１ｍ　Ｉ１　０　２３２４３　１４３　０　５ｌ３２７４　０　００ｌ２ｌ　２ｌ５∞侧边纵粱　两边纵梁　０　５ｌ２８４１　０　００ｌ６４　２ｌ４７４２　６　一９｛ｌ６　２７ｌ　０　５ｌⅢ　０　００１４２６　２ｌ３４６６．１　一２２６　７２　斜撑件　・侧目窗柱　０　５２　０　００７５３９　２ｌ∞１　９　—３７ｌ６　表３　车身各结构件对整车弯曲刚度的影响　中间最　中间最＾　结构蒯整　部位　０　５２肿７６　０　０ｌ３５９５　∞９８１５，３　一毋Ｂ毋　７８８　后悬最　后悬晶　一　Ａ　・窗体上Ｆ长辙粱　０　５２９２ｌ２　０　０１４７３１　鹤８９　３　一６８３９　５４　』＝挠度　挠度变　化量　Ａｄ　＾挠度　＾挠度　变化亘　ｌ３　４０７８　０　Ａ　劁嘲蒙皮　０　７３５　０ｌ４２８６９　ｌ６　９　１　—４９８３　７　原车结构　顶盖蒙皮　中间纵梁　前　玻璃钢件　０　ｓ４０　２８　０（１２５７４７　２０２％７　一ｌ３ｌ６　２　后围玻璃钢件　０　５５９５４　・底架纵梁　・底架横梁　・底架牛腿　莅：’ｌ司表ｌ　０　９２６３４　Ｏ　０　８３０２４　０　０９６ｌ　０　９２３０３　一０　００３３１　０　０　００，１５０５９　∞１２２５　９　ｌ４　９　２５６　ｌ８　８　—５８ｌ０∞　５　０６　ｌ６　０６５８　２　６５８　１３９．９　２　３０　一ｌ３　４１５　０　０４｝７２５　５　０　０　５ｌ６５４７　０Ｏ０２Ｏ６６　姗０　５２０４４６　０￣０５９６５　２ｌ２蛳６　一３４８５　２９　ｌ２９　０　５２０９５　０００６４６９　２１１１８ｌ　０　—４５４７　８９　捌边纵梁　—０　９０９ｌ７　一ｎ０ｌ７１７　—４　２０　—１３４８０５　咀（１７２７５　１７　８　两边纵梁　斜撑什　・倒圈窗柱　Ｏ　９２ｌ４　一ｎ００４９４　—１　３２　—１３．４７３　咀０６５９＿５　１７　５　Ｏ　９００４７　一ｎｏ２５｛｝７　—９　８０　—１３　６４７３　０　２３９５　９０　７　ｎ８９９４４　一ｎ０２６９　—３５　８６　—１３　咀ｌ４２　１８９　３　（１）横向布置的结构件对扭转刚度的影响明显　高于纵向布置的结构件。　（２）前、后围玻璃钢件对整车扭转刚度的影响非　・宙体上下纵桀　一ｎ７跎８１　一咀１４３　一砬９５　一１３．６｛｝６　２７８２５　ｌ２２　０　侧　蒙皮　一ｌ１４４１　拘围玻璃锕件　一ｍ９４８５１　ｍ２１ｍ　『８　７７　—１５　３８６　１　９７８２５　ｌ　５　０　２１７　６４　—１３　４６３５　０　０５５７５　２４　２　常大，这是由于客车车身结构近似一个六而体，没　有前后围结构的客车车身犹如一个两头没有封口的　盒子，显然会大大降低整车扭转刚度。　（３）对整车扭转刚度的影响最大的车身结构件　足侧窗立柱。而客车在静弯曲和扭转工况中车身的　大应力点也大都集中在车窗立柱与上下纵粱连接处　和车门立柱上角。由于目前大客车造型多为直角的　大侧窗．车窗立柱的数量很难增加，如在本车中车　后田琏璃锕抖　一ｍ７６９４６　—０１　８　—２７．７７　一ｌ３　８９ｌ　０　４８３２５　８５　５　底架纵梁　一ｌ－】舞５８　０　２３２　１　６８　—Ｉ４　ｌ　２８２７５　ｌ憾７　底架横梁　一ｎ９２５４６　一ｎＯ０ｏ８８　一ｎ３３　一ｌ３　５６玎　０１５４５　底架牛腿　一ｎ９５２Ｏ６　０　０ｅ５７２　５　８５　一Ｂ　５８２８　０ｌ７５　２　３９．８　往：　＋　表　设结构件提商车身的该项刚度；…表　该结构件　降低车身的该项刚度　（１）客车车身结构窗框以上的结构件变弱时，纵　梁中部处的变形量反而变小。由于发动机后置的大　客车后悬长，而且后部发动机以及乘员的质量相对　窗立柱的质量仅占整车结构件质量的１．５２％。因而　在车身设计中要处理好车窗立柱与上下结构的连　接，避免应力集中，造成强度破坏。　（４）顶盖骨架对整车扭转刚度的影响很小．而且　越靠近顶盖中部．结构件对刚度的影响越小　（５）底架部分的结构件对整车扭转刚度的影响　相对小一　。这可能是因为底架部分的结构件已经　集中，其弯曲工况的主要变形区域也在后悬。由侧　围的弯曲变形图３可以看出，顶盖变形时．在后桥区　的第四侧窗立柱犹如一个支点。当顶部结构件变弱　时，由于后悬处变形加大，而顶盖部分并没有直接　的载荷作用，从而拉动顶盖中部有一个向上的趋　很强、刚性大，对它们削弱一部分后，相对于车身的　其他结构件，它们的刚性仍很高．所以该部分结构　件变化后对整车的刚度影响数值小一些。　（６）顶盖及侧围蒙皮对整车扭转刚度的影响相　当大，分别使整车扭转刚度提高３３．４％和２３％。而　势．而顶盖部分的上升也带动了纵梁中部向上移　动，使纵梁中部的变形量变小。　且其质量占车身构件总质量也分别达到７　７２％和　４．７２％，这对设计中提高整车扭转刚度有很大的意　图３侧目的弯曲变形图　维普资讯 http://www.cqvip.com

汽车上程　３￣ＸＩ２年（第　港１第２朝　（２）客车车身结构窗框以下的结构件变弱时，纵　桨中部处的变形嚣变大。但从数据看出，除了侧围　蒙皮之外，侧围构件对变形的绝对影响都很小＝由　此可见，对于半承载式的客车车身结构，车身的抗　弯能力主要还是底架结构提供　（３）前、后刚玻璃钢蒙皮对车身中部弯曲刚度基　本无影响　但由于去除之后，质量分布变化，也对　车身中部变形产生了作用。　（４）客车车身的纵向布置的结构件对车身的弯　ｆｆｆ『刚度的影响大于横向布置的结构件的影响　从表３的分析参数△　显示，对于弯曲工况中　客车车身各结构件对车身后悬部弯曲刚度影响的描　述如下。　构件的变化反应敏感；绝对评价指标高，说明该类　结构件对车身刚度数值影响大，在车身总质最中所　占的比例也相当大。　在客车车身结构设计中，改变这类车身结构什　的数箭和连接布置形式足提高客车车身刚度的主要　手段　例如将侧围的张拉蒙皮改为应力蒙皮就可以　极大地提高车身的弯曲和扭转刚度　６．２　Ｂ类件　这类车身结构件的相对评价指标极高　绝对评　价指标较低。相对评价指标极高说明车身刚度对这　些结构件的变化反应非常敏感；绝对评价指标较　低，说明占车身总质量的比例小，对车身刚度数值　影响不大。　（１）客车车身的所有构件对车身的后部的弯曲　刚度都有增强作用　车窗立柱对后悬挠度绝对值影　响最大。　极高的相对评价指标意味着它在车身中是一高　应力部件，也足随它是一个危险部件　在车身结构　设计中，对这类结构件应格外加以重视，虽不要求　它们对整车的刚度有犬的改善，但它们的布置和尺　寸变化往往足车身强度失效的根源　６．３　Ｃ类件　（２）对后悬挠度绝对值影响大的结构件包括：底　架纵梁、侧围蒙皮、顶盖蒙皮、侧围斜撑、车窗上下　长纵梁及后围玻璃钢蒙皮　（３）客车车身纵向布置的结构件对车身的弯曲　刚度的影响大于横向布置的结构件的影响。　这类车身结构件的相对评价指标和绝对评价指　标都较低　在车身结构设计中只需考虑它们的功能　要求。　６　客车车身结构件分类　７结论　通过上述分析，根据客车车身各结构件对车身　刚度的贡献，把客车车身的结构件分为三类（表　４），不同类的结构件在车身中所起到的作用不同，　在车身结构初步设计中要分别进行考虑　了解不同承载形式客车的车身各结构件对车身　刚度的影响，是指导客车车身结构初步设计的基　础。本文通过对半承载式大客车的分析，总结了半　承载式大客车车身各结构件对整车刚度的影响，并　对车身结构件作了分类　表４　客车车身结构件分类　类型　结构件名称　分娄　弯曲刚度　摊转刚度　参考文献　ｌ　Ｔｈｏｍｐｓｏｎ　Ｌｏｎｎｙ】．Ｒａｊｕ　Ｓｒｉｋａｎｔｈ．Ｌａｗ　Ｅ　Ｈａｒｒｙ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　Ｗｉｍｔｏｎ　Ｃｕｐ　Ｃｈａｓｓｉｓ　ｆｏｒ　Ｔｏｒｓｉｒａｌ　Ｓｔｉｆｎｅｓｓ．ＳＡＥ　９８３０５３　２　Ｔｈｏｍｐｓｏｎ　Ｌｏｎｎｙ】，Ｓｏｎｉ　Ｐｉｐａｓｕ　Ｈ．Ｒ　ｕ　Ｓｒｉｋａｎｔｈ．Ｌａｗ　Ｅ　Ｈａｍ－），　顶盖蒙皮，倒围蒙皮．后匿玻　顶盖蒙皮．侧目囊皮．底架牛艟　Ａ类什　璃铜蒙皮、ｒ氐架纵粱　底架横粱　后囤玻璃铜蒙皮，　围玻璃铜蒙皮，倒宙上下长纵彝　倜窗立柱，傅围斜撑，．嘲窗上　侧窗立柱，侧围斜撑　Ｂ类件　下氏纵粱　顶盖纵桨｛所有），前围玻璃　顶盖纵梁（所有）　ｃ类件　铜蒙皮，底槊牛腿，底架横粱　Ｔｈｅ　Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　Ｃｈａｓｓｉｓ　Ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｎ　Ｒｏｌｌ　Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　ｏｆ　ａ　Ｗｉｎｓｔｏｎ　Ｃｕｐ　Ｒａｃｅ　Ｃａｒ．ＳＡＥ　９８３０５Ｉ　３　黄天泽大客车车身．长沙：瑚南大学出版杜，】９８８　４　黄盘陵．客车的承载式车身结构分析．汽车１　程，１９９０．　６．１　Ａ类件　这类车身结构件的相对评价指标和绝对评价指　标都很高　相对评价指标高说明车身刚度对该类结　５　｛涛．客车并行设计中结构分析的研究及应用：ｆ学位论文】长　春吉林太学，２００１