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【摘 要】针对目前我司之前为满足上部结构强度法规的要求，主要采用加大骨架材料规格的做法，并由此造成整车重量严重超重的现状，本项目通过研究高强度钢材料在车身骨架上的有效应用，以车身轻量化为优化目标，对某客车的车身骨架结构进行了优化设计。采用有限元分析的方法对优化的骨架模型进行侧翻碰撞的仿真模拟，并通过侧翻安全要求。对优化后的骨架进行的侧翻试验，结果表明，客车车体在满足ECE R66法规对生存空间要求的情况下，通过高强度钢材料的应用，在侧围立柱和顶横梁优化材料规格后的结构比原结构质量减轻了13.7%，实现了车身结构轻量化。
【Abstract】Abstract： In the past， in order to meet the requirements of the superstructure strength regulation， we mainly adopt the method of increasing the specification of framework material， which has caused a serious overloading of the whole vehicle. In view of this status， through studying the effective application of the high strength steel material on the body framework， and taking body lightweight as the optimization object， the project optimizes the body frame structure of bus. The method of finite element analysis is used to simulate the rollover collision of the optimized framework mode， and the rollover test of the optimized framework is carried out according to the safety requirements of the rollover. The results show that under the condition that the bus body meets the requirements of living space in ECE R66 regulations， through the application of high strength steel materials， the weight of the structure of the side pillar and the top cross beam after the optimization of material specifications is reduced by 13.7% compared with the original structure. It shows that the light weight of body structure is realized.
【關键词】骨架；侧翻；轻量化；高强钢
【Keywords】framework； rollover；lightweight；high strength steel
【中图分类号】U466 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）06-0170-03
1 引言
安全节能和环保是当今汽车发展的主题，车辆安全性与轻量化设计是各车企生产商重点研究的对象[1-2]。尤其对于客车生产厂商，由于历史原因，大部分客车车身骨架设计得都非常保守，造成车身骨架超重特别严重，这给我们留下了非常大的减重空间；但是由于客车本身的特点，比较高，承载人数比较多，容易在路况或车况不好的情况下发生侧翻，而一旦发生侧翻都是造成群死、群伤，造成严重的社会影响。
所以现在相关部门对客车的安全性能，特别是侧翻安全性能要求非常严格，并引入欧盟ECE R66 上部结构强度的强制标准。目前，为提高整车的侧翻安全性能，大都采用加大材料规格的方法，但是这会极大增加整车重量，一方面增加成本，另一方面重量增加也不利于侧翻安全。
本项目主要是通过研究高强度钢材料在对侧翻安全影响较大的地方（如侧围立柱、顶盖横梁等位置）的有效使用，减小材料规格，对骨架结构进行优化，并对优化后的骨架模型进行有限元模拟，达到侧翻安全要求之后，再通过试验对优化的骨架进行试验验证。得到一种在保证侧翻安全性的同时，实现整车骨架的轻量化的方法。
2 前期准备
2.1 中段骨架模型的建立
客车侧翻主要是参考客车上部结构以及侧围的强度，因此截断模型可以直接在整车模型中直接截取。本项目是在我司6129Y8侧围处，选择具有客车结构代表性的部位（如图1所示）。
2.2 乘员生存空间要求
ECE R66法规修订于2006年2月底于载客多于22人的客车 该法规规定的客车侧翻碰撞安全性试验要求客车停放在一个水平的翻转平台上 翻转起始水平面与下方的撞击面高度相差800mm，客车在没有摇晃和不受其他外力影响的情况下侧倾直至翻倒 侧倾角速度不应超过5°/s（0.087rad/s），如图2所示，图中CG、CG′、CG″为客车不同位置时的重心位置，B为旋转轴到客车纵向垂直中心平面的距离，t为客车重心到纵向垂直中心平面的距离，h0为客车在翻转平台上的重心初始高度，h1为客车临界侧翻时重心高度[3]。
ECE R66法规要求，客车侧翻碰撞试验时须确保侧翻变形后车身结构不得侵入生存空间内的任何部件也不得侵入生存空间之外，乘员生存空间尺寸的定义如图3所示：[4] 3 中段骨架有限元模型的建立及分析
有限元建模的中心任务是结构离散，即划分网格。但是还是要处理许多与之相关的工作：如结构形式处理、集合模型建立、单位特性定义、单元质量检查、编号顺序以及模型边界条件的定义等[5-6]。
3.1 材料及单元属性
本项目研究车型的骨架结构方钢采用20#钢、车架骨架采用Q345B。模型中绝大部分网格采用壳单元，长度选择15mm，有些局部结构较复杂的选择10mm。
3.2 焊点处理
本研究均采用节点重合和刚性连接（RBE2单元）模拟焊点。其恰好可以显示出焊缝处的应力集中现象，但这样处理的结果可能会使刚度降低。
3.3 网格质量检查
主要通过检查warpage（均大于5.0）、aspect（均大于4.0）、jacobian（均小于0.6）确定其合理性。
3.4 施加载荷及约束根据法规要求翻转
原始中段骨架有限元模拟侧翻碰撞结果如图5所示，是不合格的。
4 采用高强钢优化模型建立及计算分析
4.1 材料的选择
随着全球环境和能源危机的日益加剧，节能、减排已成为客车制造业面临的重大问题。客车轻量化技术已成为汽车行业的发展潮流，得到广泛关注。高强度钢在客车减重、提高安全性等方面效果显著，在车身制造中应用越来越多。本项目在客车侧翻中的高强度钢应用（两种高强度钢分别为1180#和980#），其材料参数来自于国内某钢铁公司所提供的。[7-10]
4.2 骨架结构的优化
依据轻量化设计指导思想，该车的轻量化设计方案如下：①侧围的纵梁方钢由Q345B的Q345B的60mm*40mm*3mm改为980#的50mm*40mm*2.5mm的高强钢，所有侧围的斜撑由Q345B的50mm*35mm*2mm改为980#的35mm*35mm*
2mm。②侧围行李舱下立柱由Q345B的40mm*40mm*2mm改为980#的40mm*40mm*1.5mm。③侧围立柱由Q345B的40mm*30mm*2mm和30mm*30mm*2mm杆梁相应改为980#的40mm*30mm*1.5mm和30mm*30mm*1.5mm；斜撑由Q345B的60mm*30mm*3mm改为980#的60mm*30mm*2mm。④顶盖横梁中由Q345B的50mm*40mm*2mm改为980#的50mm*30mm*2mm或50mm*
35mm*2mm。
上述方案是对现有车型改动量最小时的轻量化设计方案，依据此方案可减轻250kg，相对于原始中段骨架减轻13.7%。
4.3 模拟分析侧翻碰撞结果
同2.2所用的方法对优化后的骨架模型进行侧翻碰撞模拟，结果如图7所示，可以满足侧翻安全要求。
5 中段侧翻试验
5.1 试验骨架配载过程
目标值：总重3.2t，重心离地高度为1440 mm，x方向位于中段中点位置，y为偏右31.3mm（与原型车基本相同），估计骨架及托架重量为1.15t，预计配重2.05t。
称重后骨架重1087kg ，需配载铁块2113kg，加载后实际总重3201kg
5.2 试验结果
骨架最大侧翻稳定角为38.0度，骨架侧翻后，轻度变形，泡沫标记的安全区域没有被侵占。后端泡沫木筷触及车身，木筷外露长度由Q345B的100mm变为62～70mm，后端泡沫木筷有三根长度变为95mm，其余未触及车身骨架，如图8-10所示。
故判定此骨架侧翻结果为：合格。
6 结语
采用增大客车侧围骨架壁厚及其材料规格的方法都可有效提高客车的侧翻安全性，然而仅仅通过增大材料规格的方法来提高客车的侧翻安全性，往往会导致客车车身骨架的质量增大，不利于整车的轻量化要求。本文提出了在车身骨架关键立柱和横梁上合理的利用高强度钢材料，并对材料规格进行优化，来提高客车的侧翻安全性和满足轻量化要求的方法。研究结果表明，优化后的车体强度和刚度满足ECE R66法规对乘员生存空间的要求，客车侧翻碰撞安全性得到了改善，同时，侧围立柱和顶横梁的质量比优化前共减小了13.7%，实现了车身结构轻量化。
【参考文献】
【1】田芳，王涛，石琴. 全承载式客车车身结构有限元分析 [J]. 客车技术与研究，2012，17（1）： 17-19.
【2】崔新濤.多材料结构汽车车身轻量化设计方法研究[D].天津：天津大学，2007.
【3】FANG L，et al. The Relationship Between Weight Reduction and Force Distribution for Thin Wall Structures[J]. Thin -Walled Structures，2005 （43）： 591-616.
【4】龙江启，兰凤崇，陈吉清.车身轻量化与钢铝一体化结构新技术的研究进展[J] .机械工程学报，2008，44（6）：28-35.
【5】LEE H， et al. Design Enhancements for Relaxation in Automotive shell structures[J]. International of Solids and Structure，2003 （40）： 5319-5334.
【6】KIM Y Y，et al. Topology Optimization of Beam Cross Sections[J] International Journal of Solids and Structures， 2000（43）：477-493.
【7】龚沁华，李硕.钢铝组合截面杆件的设计[J] .钢结构， 2003， 18（63）： 7-8.
【8】谷叶水.客车车身骨架结构有限元分析与研究[D] .合肥：合肥工业大学， 2005.
【9】冯国胜.汽车车架动态特性分析及应用[J] .汽车技术， 1994 （8）：9-10.
【10】那景新，何洪军，闫亚坤，等.基于构件内力优化的车身结构轻量化设计[J] .吉林大学学报，2010，40 （6）：1492-1496.
【Abstract】Abstract： In the past， in order to meet the requirements of the superstructure strength regulation， we mainly adopt the method of increasing the specification of framework material， which has caused a serious overloading of the whole vehicle. In view of this status， through studying the effective application of the high strength steel material on the body framework， and taking body lightweight as the optimization object， the project optimizes the body frame structure of bus. The method of finite element analysis is used to simulate the rollover collision of the optimized framework mode， and the rollover test of the optimized framework is carried out according to the safety requirements of the rollover. The results show that under the condition that the bus body meets the requirements of living space in ECE R66 regulations， through the application of high strength steel materials， the weight of the structure of the side pillar and the top cross beam after the optimization of material specifications is reduced by 13.7% compared with the original structure. It shows that the light weight of body structure is realized.
【關键词】骨架；侧翻；轻量化；高强钢
【Keywords】framework； rollover；lightweight；high strength steel
【中图分类号】U466 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）06-0170-03
1 引言
安全节能和环保是当今汽车发展的主题，车辆安全性与轻量化设计是各车企生产商重点研究的对象[1-2]。尤其对于客车生产厂商，由于历史原因，大部分客车车身骨架设计得都非常保守，造成车身骨架超重特别严重，这给我们留下了非常大的减重空间；但是由于客车本身的特点，比较高，承载人数比较多，容易在路况或车况不好的情况下发生侧翻，而一旦发生侧翻都是造成群死、群伤，造成严重的社会影响。
所以现在相关部门对客车的安全性能，特别是侧翻安全性能要求非常严格，并引入欧盟ECE R66 上部结构强度的强制标准。目前，为提高整车的侧翻安全性能，大都采用加大材料规格的方法，但是这会极大增加整车重量，一方面增加成本，另一方面重量增加也不利于侧翻安全。
本项目主要是通过研究高强度钢材料在对侧翻安全影响较大的地方（如侧围立柱、顶盖横梁等位置）的有效使用，减小材料规格，对骨架结构进行优化，并对优化后的骨架模型进行有限元模拟，达到侧翻安全要求之后，再通过试验对优化的骨架进行试验验证。得到一种在保证侧翻安全性的同时，实现整车骨架的轻量化的方法。
2 前期准备
2.1 中段骨架模型的建立
客车侧翻主要是参考客车上部结构以及侧围的强度，因此截断模型可以直接在整车模型中直接截取。本项目是在我司6129Y8侧围处，选择具有客车结构代表性的部位（如图1所示）。
2.2 乘员生存空间要求
ECE R66法规修订于2006年2月底于载客多于22人的客车 该法规规定的客车侧翻碰撞安全性试验要求客车停放在一个水平的翻转平台上 翻转起始水平面与下方的撞击面高度相差800mm，客车在没有摇晃和不受其他外力影响的情况下侧倾直至翻倒 侧倾角速度不应超过5°/s（0.087rad/s），如图2所示，图中CG、CG′、CG″为客车不同位置时的重心位置，B为旋转轴到客车纵向垂直中心平面的距离，t为客车重心到纵向垂直中心平面的距离，h0为客车在翻转平台上的重心初始高度，h1为客车临界侧翻时重心高度[3]。
ECE R66法规要求，客车侧翻碰撞试验时须确保侧翻变形后车身结构不得侵入生存空间内的任何部件也不得侵入生存空间之外，乘员生存空间尺寸的定义如图3所示：[4] 3 中段骨架有限元模型的建立及分析
有限元建模的中心任务是结构离散，即划分网格。但是还是要处理许多与之相关的工作：如结构形式处理、集合模型建立、单位特性定义、单元质量检查、编号顺序以及模型边界条件的定义等[5-6]。
3.1 材料及单元属性
本项目研究车型的骨架结构方钢采用20#钢、车架骨架采用Q345B。模型中绝大部分网格采用壳单元，长度选择15mm，有些局部结构较复杂的选择10mm。
3.2 焊点处理
本研究均采用节点重合和刚性连接（RBE2单元）模拟焊点。其恰好可以显示出焊缝处的应力集中现象，但这样处理的结果可能会使刚度降低。
3.3 网格质量检查
主要通过检查warpage（均大于5.0）、aspect（均大于4.0）、jacobian（均小于0.6）确定其合理性。
3.4 施加载荷及约束根据法规要求翻转
原始中段骨架有限元模拟侧翻碰撞结果如图5所示，是不合格的。
4 采用高强钢优化模型建立及计算分析
4.1 材料的选择
随着全球环境和能源危机的日益加剧，节能、减排已成为客车制造业面临的重大问题。客车轻量化技术已成为汽车行业的发展潮流，得到广泛关注。高强度钢在客车减重、提高安全性等方面效果显著，在车身制造中应用越来越多。本项目在客车侧翻中的高强度钢应用（两种高强度钢分别为1180#和980#），其材料参数来自于国内某钢铁公司所提供的。[7-10]
4.2 骨架结构的优化
依据轻量化设计指导思想，该车的轻量化设计方案如下：①侧围的纵梁方钢由Q345B的Q345B的60mm*40mm*3mm改为980#的50mm*40mm*2.5mm的高强钢，所有侧围的斜撑由Q345B的50mm*35mm*2mm改为980#的35mm*35mm*
2mm。②侧围行李舱下立柱由Q345B的40mm*40mm*2mm改为980#的40mm*40mm*1.5mm。③侧围立柱由Q345B的40mm*30mm*2mm和30mm*30mm*2mm杆梁相应改为980#的40mm*30mm*1.5mm和30mm*30mm*1.5mm；斜撑由Q345B的60mm*30mm*3mm改为980#的60mm*30mm*2mm。④顶盖横梁中由Q345B的50mm*40mm*2mm改为980#的50mm*30mm*2mm或50mm*
35mm*2mm。
上述方案是对现有车型改动量最小时的轻量化设计方案，依据此方案可减轻250kg，相对于原始中段骨架减轻13.7%。
4.3 模拟分析侧翻碰撞结果
同2.2所用的方法对优化后的骨架模型进行侧翻碰撞模拟，结果如图7所示，可以满足侧翻安全要求。
5 中段侧翻试验
5.1 试验骨架配载过程
目标值：总重3.2t，重心离地高度为1440 mm，x方向位于中段中点位置，y为偏右31.3mm（与原型车基本相同），估计骨架及托架重量为1.15t，预计配重2.05t。
称重后骨架重1087kg ，需配载铁块2113kg，加载后实际总重3201kg
5.2 试验结果
骨架最大侧翻稳定角为38.0度，骨架侧翻后，轻度变形，泡沫标记的安全区域没有被侵占。后端泡沫木筷触及车身，木筷外露长度由Q345B的100mm变为62～70mm，后端泡沫木筷有三根长度变为95mm，其余未触及车身骨架，如图8-10所示。
故判定此骨架侧翻结果为：合格。
6 结语
采用增大客车侧围骨架壁厚及其材料规格的方法都可有效提高客车的侧翻安全性，然而仅仅通过增大材料规格的方法来提高客车的侧翻安全性，往往会导致客车车身骨架的质量增大，不利于整车的轻量化要求。本文提出了在车身骨架关键立柱和横梁上合理的利用高强度钢材料，并对材料规格进行优化，来提高客车的侧翻安全性和满足轻量化要求的方法。研究结果表明，优化后的车体强度和刚度满足ECE R66法规对乘员生存空间的要求，客车侧翻碰撞安全性得到了改善，同时，侧围立柱和顶横梁的质量比优化前共减小了13.7%，实现了车身结构轻量化。
【参考文献】
【1】田芳，王涛，石琴. 全承载式客车车身结构有限元分析 [J]. 客车技术与研究，2012，17（1）： 17-19.
【2】崔新濤.多材料结构汽车车身轻量化设计方法研究[D].天津：天津大学，2007.
【3】FANG L，et al. The Relationship Between Weight Reduction and Force Distribution for Thin Wall Structures[J]. Thin -Walled Structures，2005 （43）： 591-616.
【4】龙江启，兰凤崇，陈吉清.车身轻量化与钢铝一体化结构新技术的研究进展[J] .机械工程学报，2008，44（6）：28-35.
【5】LEE H， et al. Design Enhancements for Relaxation in Automotive shell structures[J]. International of Solids and Structure，2003 （40）： 5319-5334.
【6】KIM Y Y，et al. Topology Optimization of Beam Cross Sections[J] International Journal of Solids and Structures， 2000（43）：477-493.
【7】龚沁华，李硕.钢铝组合截面杆件的设计[J] .钢结构， 2003， 18（63）： 7-8.
【8】谷叶水.客车车身骨架结构有限元分析与研究[D] .合肥：合肥工业大学， 2005.
【9】冯国胜.汽车车架动态特性分析及应用[J] .汽车技术， 1994 （8）：9-10.
【10】那景新，何洪军，闫亚坤，等.基于构件内力优化的车身结构轻量化设计[J] .吉林大学学报，2010，40 （6）：1492-1496.