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以质量最小为目标，
汽车轻量化、电动化和智能化是汽车工业的发展方向[1]
。大
量研究表明，采用新材料、新工艺外，车身轻量化是汽车实现节能减排的重要途径之一。在车身轻量化的设计过程中，车身结构必须满足强度特性要求。目前车身轻量化设计主要采用有限元
的方法[2-3]
，因此本文利用H y p e r Me s h 软件对客车车身骨架进行
强度分析和轻量化研究。
1.有限元分析1.1有限元模型的建立
由于车身骨架以钣金和管材为主，厚度大多在2mm 左右，因此采用s h e l l 单元划分网格比较合适。网格尺寸为10mm，零件之间缝焊采用s e a m w e l d 单元模拟，车身骨架单元总数为1024506，其中三角形网格为24503，占比2.39%，车身有限元模型如图1所示。
图1客车车身骨架有限元模型
1.2材料属性
客车骨架材料主要采用Q 235、Q 195和T 52，其密度、弹性
模量和泊松比均为7800K g /m 3，2.1×105MP a 和0.3，许用应力
为160MP a ，135MP a 和270MP a 。
1.3边界条件1.3.1载荷条件
客车车身骨架载荷由骨架质量、非结构质量、设备质量及乘客质量。根据材料的密度，可以通过有限元软件计算出车身骨架质量；非结构件质量可以采用质量单元以均布在车身结构相应的位置；设备质量在其质心处施加质量单元，然后施加于车身骨架连接节点上；乘客质量均布在车身底盘车架上。
1.3.2边界条件
客车在正常行驶时经常遇到四种典型工况，分别是匀速行驶、极限扭转、紧急转弯和紧急制动。假设汽车前进方向为X 向，汽车横向为Y 向，汽车高度方向为Z 向。汽车在匀速行驶过程
中，约束约束前后轮Y 向和Z 的平动自由度，车身骨架整体施加重力加速度；极限扭转工况，约束任意三个轮胎X 向，Y 向和Z 向移动自由度，施加重力加速度；紧急转弯工况约束同水平弯曲，施加重力加速度和横向加速度；紧急制动工况约束释放后轮Y 方向自由度，施加重力加速度和向前惯性加速度。
1.4计算结果分析
匀速行驶工况下，车身骨架应力分布状况如图2所示。最大应力为143.5MP a 出现在车架下横梁上，横梁材料为Q 235，小于许用应力，其他零部件应力较小，满足设计要求。
图2匀速行驶工况下应力云图
极限扭转工况下，车身骨架应力分布状况如图3所示。最大应力为180.6MP a 出现在车架大梁上，横梁材料为T 52，小于许用应力，其他零部件应力较小，满足设计要求。
图3极限扭转工况下应力云图
紧急转弯工况工况下，车身骨架应力分布状况如图4所示。最大应力为139.8MP a 出现在车架上，满足设计要求。
图4紧急转弯工况下s 应力云图客车车身骨架强度分析及轻量化设计
文/姚春革
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紧急制动工况工况下，车身骨架应力分布状况如图5所示。最大应力为105.2MP a出现在连接板上，其材料为Q235，满足设计要求。
图5紧急制动工况下应力云图
从分析结果可以看出，车身骨架在四种典型工况下，强度留有了足够的安全余量，可以进行轻量化设计。
2.轻量化设计
客车车身轻量化原则：（1）部件的质量在整车质量中占较大比重；（2）部件对整车的强度影响较小[4]。
根据选择原则，结合四种典型工况下相对应力分布图，可以看出顶棚应力相对较小，其应力如图6所示。最大应力值60.32MP a，其安全系数较大，因此对顶棚结构进行轻量化。
图6扭转工况下顶棚应力云图
由于客车的空调系统和紧急逃生装置设在顶棚上，客车在翻滚工况下要承担一定的强度和刚度，所以在保持原结构不变的前提下，减小型钢的厚度。将50mm×40mm×2mm改为50mm×40mm×1.5mm。
从2-5图上可知，左围、右围在四种典型工况应力值很小，但客车的车窗集中在左右两围，需要保留一定的刚度，防止玻璃在振动中发生破裂，因此玻璃框架尺寸由50mm×40mm×2mm改为50mm×40mm×1.75mm。
从2-5图上可知，前围在四种状况下受力较小，但前围需要保留足够的强度和刚度，防止发生事故时车门发生严重变形。故前围主要减轻加强筋厚度。将后围主要连接件截面尺寸由50×40mm×2mm改为50mm×40m m×1.5mm。
中国汽车模型网车架及其附件占车身总质量的60%以上，属于重点轻量化的部件。由于客车发动机和变速箱置于车架后部，导致应力集中严重，从图2-5可以看出，四种典型工况下车架后部应力较大，前部应力较小，因此车架及其附件的轻量化主要集中在前端。，
以减小零部件的厚度为主。
通过对顶棚、前围、后围，左围、右围和车架及其附件轻量化，使车身骨架质量由原来的2613.4k g降为2337.37k g，减轻为276.3k g。
3.轻量化前后强度对比
以轻量化后的车身骨架为三位模型，建立有限元模型，根据轻量化前的载荷条件和约束条件，计算四种典型工况下新模型的强度。表1为轻量化前后强度应力对比。
表1轻量化前后车身骨架强度对比
从表2可以看出：轻量化模型在四种典型工况下，车身骨架应力均有增大，其增加值不大，均小于材料许用应力，满足强度要求，从而检验了轻量化设计方案的可行性。
5.结论
本文以某公司客车车身骨架强度设计为基础，提出轻量化设计方案。对顶棚、前围、后围，左围、右围和车架及其附件的厚度进行优化，减轻了车身质量。通过轻量化前后强度分析结果对比发现，轻量化后应力有所增加，但小于材料许用应力，从而验证了方案可行。C
（作者单位：桂林电子科技大学信息科技学院）
基金项目：广西高校中青年教师科研基础能力提升项目（2018K Y0833）；广西高等教育本科教学改革工程项目（2018J G A337）
参考文献
[1]王登峰，毛爱华，牛妍妍等.基于拓扑优化的纯电动大客车车身骨架轻量化多目标优化设计[J].中国公路学报,2017(2): 136-143.
[2]李红，张海峰，王忆望等．基于H y p e r m e s h的电动汽车车架结构优化设计[J]．扬州大学学报(自然科学版),2012,15(1): 38-41,51．
[3]高伟，邓召文，方超.E Q6110P F客车车身骨架静动态分析与轻量化设计[J].重庆交通大学学报,2011,38(1):36-40.
[4]龙江启，兰凤崇，王金轮等.半承载式客车骨架有限元建模与轻量化研究[J].中国机械工程2012,23（4）：449-503
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