论文摘要
目前,我国生产的客车大部分还是半承载式客车,其生产方式为购买成熟底盘,自己开发车身,然后进行组装。半承载式客车虽然成本低,易于设计制造,行李仓容积大,但是前后纵梁比较笨重且与行李仓的连接复杂,车身参与承载小,工艺要求高,而且这种生产方式对于整车的结构优化布置不利,难以达到动力总成、底盘系统乃至整车的合理匹配。因此如何在保持主机厂和底盘生产企业原有生产模式基本不变,改进半承载式客车的承载结构,提高车身的承载作用,保证整车良好的结构布局和性能非常值得研究。本文主要研究如何通过改进半承载式客车的结构,使得在满足目标性能的基础上提高车身的承载作用,实现材料的充分利用,并实现结构轻量化。为了对结构进行改进,通常依据提高客车基本性能、改善安全性、轻量化、提高疲劳寿命、优化材料分布等目标要求,采用拓扑优化法、应变能密度法以及一些经验方法对客车承载结构加以优化。但上述方法对于评价和优化客车车身结构时效果不理想。例如：拓扑优化法需要给出完备的几何和力边界条件,通常得到初步的材料分布方案,更适合单个零件的优化；应变能密度法能够得出每个零件对承担载荷的贡献,但不能从总体上反映出整个车身结构承担载荷的比重,而这是评价半承载式客车结构的重要指标。对于半承载式客车承载结构而言,车身结构承载度用于衡量车身承担的载荷占整个承载结构所承担载荷的比重。科学的车身结构承载度的评价方法不仅能较准确地反映底架材料的冗余程度,还对承载结构的改进方向具有宏观指导作用。因此,本文对半承载式客车车身结构承载度进行了研究,在参考了一些常用的车身结构承载度评价方法（如强度法、刚度法、变形比法和变形能法）后,提出一种新的半承载式客车车身结构承载度计算方法——界面力法。通过界面力法计算车身结构承载度,能够得到车身和底架的材料分配情况,为以提高车身结构承载度为目标的结构改进提供一定的指导,相比其它结构改进方法更为实用。本文利用界面力法对某半承载式客车的车身结构承载度进行了计算分析,并以提高车身结构承载度为目标,对该客车的承载结构进行了改进研究。首先,对该半承载式客车的车身结构承载度进行了计算,发现该客车的车身结构承载度在12%-14%之间,而通过计算客车结构应变能密度发现车身结构承担载荷很少,因此,车身结构12%-14%的承载度是很小的,没有充分发挥车身的材料性能；同时,不同环（定义参见正文）的承载能力不同,整车后部环的承载度大于前部的环,说明车身后部承担载荷较大,而前后部分骨架结构的截面尺寸是一样的,这也表明底架和骨架的结构设计不合理,需要进行改进。其次,对以提高车身承载度为目标的结构改进进行了研究。为了确定改进的部位,本文进行了应变能密度分析,然后针对找到的部位进行结构改进,目标是提高车身结构承载度。找到的需要优化的部位主要位于底架,包括前后纵梁和行李仓的结构。根据所制定的仿真实验方案,首先对前后纵梁进行了结构优化,优化的变量包括梁截面的长度、宽度和厚度,观察他们对于车身结构承载度影响趋势；再根据工程结构的要求,在满足客车基本性能的基础上,选取最优的参数组合,使车身承载度尽可能地提高。其次,对行李仓结构进行了改进,优化的变量同样是每个零件的截面尺寸,通过给予每个零件不同的截面尺寸进行仿真实验,最终选取一组最优的截面尺寸。最后,对改进后的结构性能进行了计算,并与原结构性能（弯曲刚度、扭转刚度、低阶模态、典型工况下的强度）进行对比发现,优化后的车身结构承载度大约提高了4%,整车弯曲刚度和扭转刚度略有下降（下降量分别是1.02%和0.13%）,低阶模态频率得到了提高,总质量大约减轻了263kg,表明优化的结果比较理想。本文提出的计算车身结构承载度的界面力法还处于探索阶段,今后需要大量的仿真与实验研究,获取理想情况下车身骨架各环的承载度和车身结构承载度的经验值,作为结构设计和优化的依据。