摘要：客车运营过程中行驶的安全性、舒适性及环保性能会对客车的运营质量产生直接影响，因此客车中安装的各种功能设备也越来越多，虽然油耗是客车运营的主要成本，但是客车的车身质量会对油耗产生直接影响，据相关统计数据客车总质量每下降10%可降低7%左右的油耗，且轻量化的车身也可以降低整车制造成本，因此研究客车车身骨加轻量化的设计问题具有重要的现实意义。文章提出一种客车车身骨架轻量化设计方案，采用Hyperworks分析软件建立车身骨架有限元模型，优化车身结构。
关键词：客车；车身骨架；轻量化设计
一、建立有限元模型
（一）建立整车骨架模型
在实际的结构设计过程中可以根据各构件的不同承载情况对整车有限元模型进行简化处理，以缩短客车的开发周期。设计时主要承载件要保证其原有结构形状、位置及真实的材料力学特性，适当简化辅助承载件并删除非承载构件即可。具体设计时，客车的悬架部分无需考虑，简
化底盘变截面梁，结构中一些安装其它部件预埋的垫板、固定板均可忽略不计，车身蒙皮多焊接于车身骨架起到加强骨架的作用，该部分简化后可提高车身结构的安全性。鉴于上述考虑，本研究提出的某型号客车采用承载车身，通过Hypermesh模块划分整车骨架网格，建立整车骨架模型。
（二）边界条件分析
客车行驶过程中所受到的载荷非常复杂且多变，其大部分时间处于多工况运行状态，这种条件下车身骨架很容易发生断裂破坏、变形过大等问题，因此对于车身的静强度、疲劳强度要求更高。首先，分析车身的载荷条件可知，车身骨架承载包括骨架质量、车载设备质量、非结构件质量、乘员质量等几部分，车身实际质量即为车身骨架质量，并根据车辆中相关辅助结构的质量确定质心H的位置，并在对应节点上均匀设置行李架、乘客行李、备胎、车内地板等构件的质量。其次，确定客车动载系数。车辆行驶过程中，不平整的路面会对车身产生瞬态冲击载荷，在这种条件下车身骨架、零部件极易出现疲劳缺隐，因此需要考虑动载荷系数。本研究中主要考虑弯曲工况、弯扭工况等两种典型工况，客车以高速行驶于平坦的道路时会产生对称动载荷，静载荷的大小由静载荷作用处的垂直加速度及车架静载荷的分布；客
车以低速行驶于不平坦的道路时由于车轮可能未处于同一平面会产生非对称动载荷，道路的平坦程度、车身、车架及悬架的刚度等会对非对称动载荷的大小产生决定性作用。设计时如果动载系数取值过大，梁截面积过大会增加车身自重，取值过小则地导致梁弯曲变形，无法保证行车安全。本研究中选择的客车行驶状态较稳定，车速不高载荷较大，因此弯曲工况条件下动载系数取2.5，弯扭工况下取1.5。最后，约束条件分析。根据客车动载荷系数分析可知，本研究主要考虑弯曲工况及弯扭工况两种，弯曲工况条件下载荷包括自重及装载质量，约束条件需要满足车身骨架在横向纵向的变形，但又不能存在欠约束的问题；弯扭工况条件下，由于发动机前置，前轮载荷大于后轮，左前轮载荷大于右前轮，此时需要考虑左前轮悬空的极限工况条件。
二、结构强度分析及轻量化设计
（一）车身结构强度分析
分析本研究中某型号客车的原始结构可知，当客车处于弯曲工况条件下，后排座椅骨架一级阶梯与底架连接处为车身结构的最大应力点，因为该处主要传递后排乘客及座椅的载荷，易产生应力集中，存在一定的失效风险；客车处于弯扭工况条件下，左后轮前吊耳处为最大应
力点，由于其大于车身材料的屈服应力，故车身存在材料屈服应变而导致失效的风险，因此主要对上述两处结构进行优化。优化结构力学传递路径的关键在于确定最佳的力学传递规律，该车型主要采用异型钢管拼焊组成车身结构，杆件截面尺寸小，无法保证良好的抗扭弯曲与抗扭变形能力。优化结构设计时采用杆件承受轴向应力状态，以形成受力可传导的封闭环结构。即在原始纵梁悬臂梁下增设两个斜撑，并在客车左后轮前吊耳处改变底架中部与悬架立柱连接的斜撑方向，原结构中两个连接斜撑的立柱删除。
（二）轻量化分析
本研究案例中遵循等强度优化原则采用尺寸优化设计方法优化截面厚度。
首先，轻量化方案。设计变量选择梁的厚度，优化变量可用下式表达：
X=[x1，x2，…，xn]
中国汽车模型网上式中，x1：第1根梁的厚度
xn：第n根梁的厚度
结构优化的目的是在满足强度性能条件下保证车身骨架质量最小，因此优化目标函数选择车身体积V(x)。为保证各部件优化后强度满足安全需求，采用第四强度理论约束整车应力，约束条件可采用下式表示：
σn max(x)≦[σ]
上式中，σn max(x)：Von Mises平均等效应力
[σ]：方钢材料的许用应力
由上述各式构造具有约束的最小化问题数学模型如下：
求：X=[x1，x2，…，xn]
Min V(x)
s.tσn max(x)≦[σ]
取原车对应部件的板厚为设计变量参数的初始值，优化过程中厚度以0.5mm为单位变化，经过多次迭代计算得出结构的最优厚度解。
三、结语
总之，车身结构车量化设计的主要途径主要包括两个，一是选择诸如高强度钢材、铝合金等高强度、轻质量的新型材料，目前客车车身制造中轻质材料的应用已经十分广泛；二是通过零部件薄壁化、中空化、复合化等方法提高车身结构设计的合理性，或者改进车身的零部件结构及生产工艺等，比如利用有限元分析法优化车身结构，减少车身骨架及车身钢板的质量。实际设计过程中，两种方法相辅相成，在保证客车整体质量及正常性能的基础上降低各零部件的质量，实现轻量化的设计目标。本研究以某型号客车为例，采用Hypermesh软件建立有限元分析模型，设计出具体的设计方案，以供各同行参考。
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