客车车身骨架用铝合金型材的结构优化设计【字数：13494】
摘 要车身骨架作为客车的主要承载件，其质量与机械特性是车身骨架的重要影响因素。为了满足人们对客车舒适性、稳定性的要求，以及考虑到客车本身的耗油量及排放污染物的因素的制约。本文以铝型材结构的客车车身骨架为研究对象，通过ABAQUS有限元分析软件分析研究客车车身骨架用铝合金型材代替钢的可行性，在分析的基础上对骨架铝型材进行结构优化，更好地完成了轻量化设计。首先，本文综合各类相关文献对实现汽车轻量化的原因有了较清晰的了解，在此基础上介绍了国内外目前对这方面的研究现状。其次，从现有的钢制客车车身骨架中抽取出一根车身骨架型材，通过CATIA建模后将部件导入ABAQUS软件就弯曲工况及扭转工况下对其分析，得到相关应力及变形情况，以确定本次课题的刚度指标。采用静力分析法通过改变铝合金型材的截面尺寸及壁厚，以此实现用铝合金替代钢的目标。最后对分析的型材结构进行优化设计，实现了客车车身骨架轻量化的目的。分析结果表明，用铝合金型材代替钢制型材具有可行性，在满足刚度的条件下，重量减轻了约29%，达到了预期目标。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题的目的及意义 1
1.2 客车车身骨架结构设计现状及趋势 1
1.3 课题研究的主要内容 2
2 ABAQUS软件的介绍及应用 4
2.1 ABAQUS软件基本介绍 4
2.1.1 ABAQUS简介 4
2.1.2 ABAQUS/CAE的基本特征 5
2.2 有限元分析流程概述 5
2.2.1 客车车身骨架型材建模 6
2.2.2 网格的划分 8
2.2.3 设置分析步 11
2.2.4 定义耦合约束 12
2.2.5 定义载荷及边界条件 12
2.2.6 分析作业 13
3 客车车身铝型材结构设计 14
3.1 客车车身骨架刚度和强度技术指标 14
3.1.1刚度指标 14
3.1.2强度指标 16
3.2 铝管结构尺寸分析 16
3.2.1 等壁厚变尺寸分析 17
3.2.2 等尺寸变壁厚分析 18
3.2.3 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
变壁厚变截面高度分析 19
3.3 铝型材结构优化分析 22
3.3.1 铝型材结构的改进方案 22
3.3.2 扭转刚度分析 23
3.3.3 弯曲刚度分析 26
4 总结与展望 29
4.1 总结 29
4.2 展望 29
参考文献 30
致谢 31
1 绪论
1.1 课题的目的及意义
国民经济的蓬勃发展以及大众对美好生活的不懈追求，带动了我国交通运输业的发展，加上我国人口基数大，公共运输成为我国开展的主流，客车作为首选出行方式，已彻底与人们的生活相融合，担负起城乡、城际等载客职责。为了顺应当代汽车工业前进的方向，满足节能和环保需求，客车车身轻量化已成为汽车学术研究的潮流。
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备质量，这样汽车就可以实现降低油耗，节能减排，以及提高汽车动力性能的目的。就轻质材料而言，铝合金材质已普遍地应用在各领域。在车辆部件中，结构模块和整车结构中使用铝的主要原因是与使用先进的高强度钢种设计的现代车身相比，实现了较大的减重比例。根据具体应用，重量减少范围在25％至50％之间。
本课题的目的是通过对不同结构的铝合金型材抵抗弯曲变形和扭转变形程度分析，研究客车骨架采用铝合金型材替代钢制方管的可行性，并结合CATIA对铝制型材骨架结构进行优化设计，预计减重约25%，为客车车身轻量化提供参考。
1.2 客车车身骨架结构设计现状及趋势
在交通工具飞速发展的今天，我国在汽车市场中居于首位。人们却也因为这一支柱产业的增长带来的环境问题及能源损耗问题堪忧。在如此严峻的局势下，汽车行业带动了汽车轻量化材料的不断进步，国外在汽车轻量化材料开发与应用方面取得了突破性进展。从新材料的开发、零部件的设计与制造到材料的回收再利用已形成完整的产业技术。由于车身骨架占客车总质量比例高，故轻量化研究空间较大。目前我国汽车新材料的研发在不断进步，已初步形成自己的体系。不仅在钢材的开发与应用方面发展迅速，钢板的国产化率从30%~50%提升至80%以上。随着轻量化的普及，在铝合金方面，我国的铝矿产资源丰富，经过几十年的发展，原铝产量已位居世界第一并形成了一个完整的铝工业体系，国内汽车工业用铝也呈现快速增长态势[1]。车身轻量化的研究除此之外，还需要更合理的车身结构，因此，用铝合金型材代替钢板型材也是一种车身轻量化的实现。
目前，国内外越来越热衷于客车车身骨架方面的研究，并取得了一定的成绩。但由于客车车身骨架的结构分析及轻量化技术涉及到多个领域，且各领域的发展良莠不齐，故还未能形成较完整的知识系统。客车车身由各类抗弯骨架、应用蒙皮、玻璃及地板等组成，根据结构需求，各骨架结构形状有所差异，且骨架型材之间的连接也略有差别。此外，车身骨架所受的载荷工况较复杂，尤其是我国相对较偏远落后地区路况较差，在低洼路面上行驶时，受到大幅度扭转的车身会产生的较大扭转应力，直接影响车身的结构性能，加大了结构分析的难度。
随着汽车设计计算机辅助工程的发展，有限元法在车身结构分析中得到了广泛的应用，对车身结构轻量化也开展了大量的研究工作[2]。利用CAE软件或程序对简化后的车身骨架进行建模，然后对其进行强度、刚度及模态分析，使其结构性能得到优化。
CAE技术已在国外大型汽车企业中广泛应用，用以降低成本，缩短新车开发周期[3]。比如由多个国家研发的ULSAB (ULTRA LIGHT STEEL AUTO BODYPROJECT)[4]项目采用ANSYS进行的静态分析（包括扭弯曲、扭转）和自由模态等分析，将分析结果与测试结果进行对比从而给出综合性评价。目前，随着汽车行业对结构提出越来越高的要求以及众多外资汽车企业的引入，我国对CAE技术的重视程度逐步加深。不仅与汽车行业相关的企业在研究，国内各大高校也进行了更深的探索。如吉林大学的兰凤崇[4]等人采用ANSYS有限元分析软件建立的梁板混合有限元模型，联系车身骨架结构的设计策略对起主要开口断面、纵梁挠度以及全身应力分布等进行研究，阐明了相关设计的结构思路和方法。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题的目的及意义 1
1.2 客车车身骨架结构设计现状及趋势 1
1.3 课题研究的主要内容 2
2 ABAQUS软件的介绍及应用 4
2.1 ABAQUS软件基本介绍 4
2.1.1 ABAQUS简介 4
2.1.2 ABAQUS/CAE的基本特征 5
2.2 有限元分析流程概述 5
2.2.1 客车车身骨架型材建模 6
2.2.2 网格的划分 8
2.2.3 设置分析步 11
2.2.4 定义耦合约束 12
2.2.5 定义载荷及边界条件 12
2.2.6 分析作业 13
3 客车车身铝型材结构设计 14
3.1 客车车身骨架刚度和强度技术指标 14
3.1.1刚度指标 14
3.1.2强度指标 16
3.2 铝管结构尺寸分析 16
3.2.1 等壁厚变尺寸分析 17
3.2.2 等尺寸变壁厚分析 18
3.2.3 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
变壁厚变截面高度分析 19
3.3 铝型材结构优化分析 22
3.3.1 铝型材结构的改进方案 22
3.3.2 扭转刚度分析 23
3.3.3 弯曲刚度分析 26
4 总结与展望 29
4.1 总结 29
4.2 展望 29
参考文献 30
致谢 31
1 绪论
1.1 课题的目的及意义
国民经济的蓬勃发展以及大众对美好生活的不懈追求，带动了我国交通运输业的发展，加上我国人口基数大，公共运输成为我国开展的主流，客车作为首选出行方式，已彻底与人们的生活相融合，担负起城乡、城际等载客职责。为了顺应当代汽车工业前进的方向，满足节能和环保需求，客车车身轻量化已成为汽车学术研究的潮流。
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备质量，这样汽车就可以实现降低油耗，节能减排，以及提高汽车动力性能的目的。就轻质材料而言，铝合金材质已普遍地应用在各领域。在车辆部件中，结构模块和整车结构中使用铝的主要原因是与使用先进的高强度钢种设计的现代车身相比，实现了较大的减重比例。根据具体应用，重量减少范围在25％至50％之间。
本课题的目的是通过对不同结构的铝合金型材抵抗弯曲变形和扭转变形程度分析，研究客车骨架采用铝合金型材替代钢制方管的可行性，并结合CATIA对铝制型材骨架结构进行优化设计，预计减重约25%，为客车车身轻量化提供参考。
1.2 客车车身骨架结构设计现状及趋势
在交通工具飞速发展的今天，我国在汽车市场中居于首位。人们却也因为这一支柱产业的增长带来的环境问题及能源损耗问题堪忧。在如此严峻的局势下，汽车行业带动了汽车轻量化材料的不断进步，国外在汽车轻量化材料开发与应用方面取得了突破性进展。从新材料的开发、零部件的设计与制造到材料的回收再利用已形成完整的产业技术。由于车身骨架占客车总质量比例高，故轻量化研究空间较大。目前我国汽车新材料的研发在不断进步，已初步形成自己的体系。不仅在钢材的开发与应用方面发展迅速，钢板的国产化率从30%~50%提升至80%以上。随着轻量化的普及，在铝合金方面，我国的铝矿产资源丰富，经过几十年的发展，原铝产量已位居世界第一并形成了一个完整的铝工业体系，国内汽车工业用铝也呈现快速增长态势[1]。车身轻量化的研究除此之外，还需要更合理的车身结构，因此，用铝合金型材代替钢板型材也是一种车身轻量化的实现。
目前，国内外越来越热衷于客车车身骨架方面的研究，并取得了一定的成绩。但由于客车车身骨架的结构分析及轻量化技术涉及到多个领域，且各领域的发展良莠不齐，故还未能形成较完整的知识系统。客车车身由各类抗弯骨架、应用蒙皮、玻璃及地板等组成，根据结构需求，各骨架结构形状有所差异，且骨架型材之间的连接也略有差别。此外，车身骨架所受的载荷工况较复杂，尤其是我国相对较偏远落后地区路况较差，在低洼路面上行驶时，受到大幅度扭转的车身会产生的较大扭转应力，直接影响车身的结构性能，加大了结构分析的难度。
随着汽车设计计算机辅助工程的发展，有限元法在车身结构分析中得到了广泛的应用，对车身结构轻量化也开展了大量的研究工作[2]。利用CAE软件或程序对简化后的车身骨架进行建模，然后对其进行强度、刚度及模态分析，使其结构性能得到优化。
CAE技术已在国外大型汽车企业中广泛应用，用以降低成本，缩短新车开发周期[3]。比如由多个国家研发的ULSAB (ULTRA LIGHT STEEL AUTO BODYPROJECT)[4]项目采用ANSYS进行的静态分析（包括扭弯曲、扭转）和自由模态等分析，将分析结果与测试结果进行对比从而给出综合性评价。目前，随着汽车行业对结构提出越来越高的要求以及众多外资汽车企业的引入，我国对CAE技术的重视程度逐步加深。不仅与汽车行业相关的企业在研究，国内各大高校也进行了更深的探索。如吉林大学的兰凤崇[4]等人采用ANSYS有限元分析软件建立的梁板混合有限元模型，联系车身骨架结构的设计策略对起主要开口断面、纵梁挠度以及全身应力分布等进行研究，阐明了相关设计的结构思路和方法。
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