客车车身结构的刚度匹配方法改进与局部精细化设计研究
本文关键词：客车车身结构的刚度匹配方法改进与局部精细化设计研究 出处：《吉林大学》2017年博士论文 论文类型：学位论文
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【摘要】：环境污染、能源枯竭以及道路拥堵等诸多社会问题一直是制约我国汽车工业发展的重要因素。客车作为一种最为常见的公共交通工具,在缓解城市交通拥挤及节能减排等方面均发挥了非常重要的作用。近年来,我国的客车产业进入了一个快速的发展阶段,激烈的市场竞争对客车企业的产品研发提出了更高的要求,其中客车的车身设计是整车产品开发流程中的关键部分,代表了客车的形体语言,更是企业自主研发水平的直接体现。客车车身的设计流程一般可以分为概念设计、详细设计、以及样车的试制与实验等阶段,其概念设计更加关注车身的整体布置,而详细设计则更加强调对车身中关键局部的进一步优化。相比于国外,车身的正向设计一直是我国客车企业的薄弱环节,设计人员由于缺乏科学的有效指导而过分依赖于以往的设计经验,且“并行工程”与“CAE分析”等先进的设计理念与设计方法没有得到充分的发挥和利用,进而导致车身的结构设计方案往往不甚理想,许多结构上的缺陷与问题只能通过局部加强的方式进行补救,在增加研发成本的同时也不利于产品质量的提升。近年来,全承载式客车车身以其结构重量轻、承载性能好等优点逐渐成为了客车车身的发展方向。相比于传统的非承载式车身,承载式客车车身在结构形式与载荷传递等方面均发生了较大改变,针对承载式车身特点的产品开发也同时带来了一些新的研究课题。在此背景下,本文结合多款承载式客车车身的研发项目,对客车车身在正向设计过程中的刚度匹配方法进行改进,并进一步对车身局部精细化设计中的部分关键技术进行研究。在客车车身的概念设计阶段,根据承载式客车车身的结构特点,分别以整车弯曲刚度与扭转刚度为设计目标对车身结构进行合理的模块分解与刚度匹配设计,初步探讨并总结车身结构在概念设计阶段的设计方法与流程;在此基础上,本文还针对客车结构中关键接头的局部优化问题展开进一步研究,力求能在兼顾轻量化要求的同时进一步提升车身的承载性能:首先以十字接头为研究载体,对接头局部在不同焊接工艺方案下的焊接变形进行测量与分析;再结合有限元仿真方法考察不同工艺参数下的焊接变形对接头局部强度的影响,并通过强度对比,对接头局部的焊接工艺进行优化;最后在某款车型中提取一处高应力接头,对接头焊角的参数优化问题展开探讨,对其设计规律进行归纳与总结。根据上述研究路线,本文主要完成了以下几方面内容:一、提出了一种基于刚度特性匹配的车身结构设计方法。根据承载式客车车身的结构特点,在设计初期以刚度为目标对车身中主要杆件的布置形式进行合理优化,以获得兼顾性能与轻量化的车身概念设计方案。首先对传统的车身整体刚度计算方法(包括车身垂向弯曲刚度与车身纵向扭转刚度)进行了分析与改进,通过曲线拟合、坐标变换以及数理统计等方法大大降低了加载位置以及局部刚度等因素对计算结果的影响,并基于Fortran语言对改进后的计算方法进行编程处理;在此基础上,初步提出了一种车身局部模块的刚度评价方法,通过改变各局部模块中材料的杨氏模量来对各模块的刚度进行等比例的调整,再利用“小变形的车身结构类似一个线性系统”这一特点,通过计算各模块刚度改变量占整车刚度改变量的比重来评价各局部模块对整车刚度的贡献情况;最后结合上述方法,以某企业待开发车型为载体,分别对其左右侧结构以及纵向结构进行模块分解与刚度匹配,并对该匹配方法的流程进行了总结。二、分析研究了客车骨架接头在不同焊接工艺方案下的焊接变形规律。首先参考现有的研究基础,在客车结构中提取较为典型的十字接头作为研究对象,再根据十字接头的结构特点确定了接头试件的尺寸规格与材料参数,并分别完成了点固夹具与测量工装的设计与加工;在此基础上,参考现有的焊接规范制定了详细的试验方案,分别以焊接顺序与焊接电流为试验变量,对接头试件在各个方向的焊接变形进行测量;最后,通过对试验数据进行归纳处理,总结得到了不同焊接工艺参数对接头局部焊接变形的影响规律,为客车骨架接头在焊接过程中的夹具设计以及工艺参数优化提供参考。三、提出了一种客车骨架接头在焊接变形应力影响下的局部强度校核方法,并在此基础上对接头局部的焊接工艺优化问题展开研究。在焊接变形数据的基础上,将焊接工艺与结构设计有机地结合在一起,初步提出了一种考虑焊接变形应力的接头强度校核方法。首先基于接头的焊接变形数据建立了变形后的接头局部模型,并利用反向加载的方法对接头局部的焊接变形应力进行仿真计算;在此基础上,采用单元应力分量提取的方法将焊接变形应力与接头模型在实际工况下的仿真应力进行叠加,并根据叠加后的综合应力对接头的局部强度进行校核。基于上述校核方法,通过对比不同焊接工艺方案下的接头局部强度,对接头局部的焊接工艺方案进行优选,初步提出了一种客车骨架接头的焊接工艺优化方法,并对该优化方法的具体流程进行了总结。四、对接头焊角的参数优化问题进行探讨,考察并对比了不同边长、不同形状以及不同厚度焊角对接头局部强度的影响规律。首先在某车型的底架龙骨处选择一处高应力接头作为研究对象,并采用梁壳混合的建模方法分别在该接头局部建立了不同规格的焊角模型;然后通过仿真分析,计算获得不同规格焊角的接头结构在三种实车典型工况下的局部强度;最后通过对仿真数据进行对比,初步获得了焊角的形状及尺寸参数对接头局部强度的影响规律,为接头焊角的优化设计提供参考。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：U463.82
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，本文编号：1326779
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