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1、全铝客车铝合金牛腿设计余庆杰，刘小明，郝守海（东风汽车有限公司商用车技术中心 湖北省武汉市 430056）摘要 首先提出全铝车身客车的铝合金牛腿设计方案，将概念模型与传统钢结构牛腿进行对比分析，确定铝合金牛腿方案的可行性及优化空间和方向；其次利用Optistruct的结构优化功能，对概念模型铝合金牛腿进行拓扑优化，重构优化后的牛腿结构形式，寻求最优材料分布状态，根据优化结果构建铝合金牛腿的精细模型，最后通过HypeMesh有限元分析验证，确认优化方案合理性，最终设计出满足技术条件和工艺要求的轻量化铝合金牛腿。关键词 全铝车身；铝合金；牛腿；拓扑优化0 前言近年来,随着世界汽车保有量与日俱增以及
2、人们对汽车安全性、舒适性、环保性能要求的提高,节约资源、减少环境污染成为世界汽车工业界亟待解决的两大问题。着眼于长远的可持续发展,减轻汽车质量成为21 世纪汽车技术的前沿和热点。应用铝材料进行汽车轻量化是目前汽车轻量化技术中最有效可行的方法之一。全铝车身客车的研究与实践正在国内客车行业中逐步展开，目前的趋势之一是半承载式全铝车身客车，即采用全铝的车身与传统的钢结构车架进行对接，由于钢铝材料不同，进行对焊时对设备、材料规格、焊条及工艺均有特殊要求，在国内规模使用尚需时日，因此通过铆接或螺栓连接铝合金牛腿完成车架与全铝车身骨架的对接成为较实用的解决方案。1 铝合金牛腿概念模型设计思路钢牛腿铝合金牛
3、腿图1 铝合金牛腿概念模型与钢牛腿对比现有的传统半承载钢结构客车产品，钢牛腿采用钢板冲压形成U型结构，牛腿侧面为矩形或梯形或组合形状，开有减重孔，牛腿与车架通过螺栓进行连接。结合铝合金材料的成型工艺，设计铝合金牛腿概念模型采用闭合腔体，宽度与钢牛腿相同，侧竖面形状与钢牛腿基本一致，不开减重孔，牛腿一端与铝合金L板焊接后与车架铆接，另一端与全铝车身骨架焊接，铝合金牛腿及L板厚度均为7mm，铝L板形状与钢L板相同，两种牛腿的形状对比如图1所示。2 初步分析利用HypeMesh软件建立钢结构牛腿和铝合金牛腿有限元模型，约束L形支架上的螺栓孔的6方向自由度，约束L形支架的下方节点的y向自由度，以模拟车
4、架对支架的压向约束。施加载荷时，在牛腿上平面的节点上施加向下0.5N的力，并在牛腿外侧端头处施加向下2000N的力。通过对两种牛腿的静态应力分析，可以得出有限元应力云图和变形云图，如图2、图3、图4所示。图2 牛腿对比变形云图图3 牛腿L形支架处对比应力云图图4 牛腿对比应力云图查看对比变形情况发现（见图2）：铝合金牛腿变形层次均匀，端头中心位移为Z向0.6088mm，端口形状基本不变；钢牛腿端头中心位移为Z向0.7196mm，且牛腿外侧变化剧烈，可见钢牛腿端口形状发生较大变化。铝合金牛腿概念模型变形量和变形状态均优于钢结构牛腿。查看对比应力情况发现（见图3、4）：铝合金牛腿概念模型支架最大应
5、力为5.983Mpa，位于支架与牛腿端面下转角连接处，铝合金牛腿上应力最大点在内侧端口中心附近为14.51 Mpa，侧竖面上应力云图显示中部有一纵向长带状的较小应力区域；钢牛腿支架的最大应力为108Mpa，位于支架与牛腿内侧端面下转角连接处，钢牛腿最大应力为40.5Mpa，位于牛腿下翻边转角处，钢牛腿根部应力变化也较剧烈。概念模型铝合金牛腿及支架的应力情况优于钢结构牛腿。分析判断，铝合金牛腿概念模型方案可行，并存在优化空间。3 拓扑优化根据前述铝合金牛腿静态应力分析情况，对其进行拓扑优化计算，优化目标要求体积最小，优化约束为牛腿外侧端口中心Z向位移，该位移约束值取钢结构牛腿的分析结果近似值，即
6、取0.72mm，拓扑优化的网格为牛腿竖面单元。通过拓扑优化分析，结果显示如图5所示。 图5 不同isoface时单元密度云图分析上述云图结果发现，铝合金牛腿侧竖面优化后产生了与牛腿侧竖面边界近似平行的若干相邻的三角形镂空孔，之间为斜筋构成网状形态，该结果为铝合金牛腿的进一步设计提供了理论依据。4 铝合金牛腿深化设计结合铝合金牛腿采用挤出成型的工艺要求和拓扑优化结果，细化铝合金牛腿侧竖面形状及型腔处理，对概念模型铝合金牛腿的侧竖面进行优化减重。由于圆孔相对异型孔在工艺上易于实现，因此采取在铝合金牛腿侧竖面开圆形孔进行减重，圆形孔尺寸依次减小，外公切线与侧竖面轮廓近似平行。侧竖面轮廓可分为两种，一
7、种与铝合金牛腿概念模型相同，另一种在此基础上加大与车身骨架焊接端口高度，增大整体刚度。结合成型工艺，设计牛腿内部加强筋，通过整理共形成以下八种铝合金牛腿模型，如图6所示。图6 八种铝合金牛腿模型5 优化模型分析对比对八种铝合金牛腿优化模型进行有限元分析，工况设定及分析如前所述，牛腿应力、端口变形的结果见图7和图8。图7 铝合金牛腿应力云图图8 铝合金牛腿变形云图根据最终分析结果列表整理八种优化模型对应的形态特征，质量、减重比、最大应力、最大变形等数据，便于后续设计确认。其对比结果如图9所示。图9 铝合金牛腿优化模型分析对比6 优化分析结果经分析对比，八种铝合金牛腿优化模型的最大应力为28.56
8、Mpa，均满足铝材料性能要求，端口最大位移为0.7124mm，均小于钢牛腿变形量。加筋处理后的牛腿在加强筋附近的强度增加，相对未加筋的牛腿局部应力增大，均超过22Mpa，但其刚度有所提高。加竖直筋牛腿相对其他牛腿的变形量偏小，分别为0.5589mm和0.5614mm，效果较好。兼顾轻量化和牛腿性能的分析结果，确认形成设计文件的铝合金牛腿有四种，分别为闭合梯形小端面牛腿、闭合梯形小端面加竖直筋牛腿、闭合梯形大端面牛腿和闭合梯形大端面加竖直筋牛腿，其中未加筋的适用于承载及连接相对偏低的区域，加竖直筋的适用于承载及连接相对较强的区域。7 结论本文提出全铝车身铝合金牛腿概念模型，并与传统钢牛腿进行对比分析，确定方案的可行性及优化方向和空间，利用Optistruct的结构优化功能，运用优化理论对概念模型铝合金牛腿进行拓扑优化，重构了优化后的牛腿侧竖面形态，寻求最优材料分布状态，根据拓扑优化结果进行铝合金牛腿的最终优化设计，并通过HypeMesh有限元分析验证产品设计的合理性，设计出满足技术条件和工艺要求的四种轻量化铝合金牛腿。参考文献1于开平，周传月，谭惠丰等，HypeMesh从入门到精通，科学出版社，2005作者简介：余庆杰/1982年4月/男/工程师/从事客车车身设计/yuqingjie
