1、全鋁客車鋁合金牛腿設計余慶杰，劉小明，郝守海（東風汽車有限公司商用車技術中心 湖北省武漢市 430056）摘要首先提出全鋁車身客車的鋁合金牛腿設計方案，將概念模型與傳統鋼結構牛腿進行對比分析，確定鋁合金牛腿方案的可行性及優化空間和方向；其次利用Optistruct的結構優化功能，對概念模型鋁合金牛腿進行拓撲優化，重構優化后的牛腿結構形式，尋求最優材料分布狀態，根據優化結果構建鋁合金牛腿的精細模型，最后通過HypeMesh有限元分析驗證，確認優化方案合理性，最終設計出滿足技術條件和工藝要求的輕量化鋁合金牛腿。關鍵詞全鋁車身；鋁合金；牛腿；拓撲優化0 前言近年來,隨著世界汽車保有量與日俱增以及人們

2、對汽車安全性、舒適性、環保性能要求的提高,節約資源、減少環境污染成為世界汽車工業界亟待解決的兩大問題。著眼于長遠的可持續發展,減輕汽車質量成為21 世紀汽車技術的前沿和熱點。應用鋁材料進行汽車輕量化是目前汽車輕量化技術中最有效可行的方法之一。全鋁車身客車的研究與實踐正在國內客車行業中逐步展開，目前的趨勢之一是半承載式全鋁車身客車，即采用全鋁的車身與傳統的鋼結構車架進行對接，由于鋼鋁材料不同，進行對焊時對設備、材料規格、焊條及工藝均有特殊要求，在國內規模使用尚需時日，因此通過鉚接或螺栓連接鋁合金牛腿完成車架與全鋁車身骨架的對接成為較實用的解決方案。1鋁合金牛腿概念模型設計思路鋼牛腿鋁合金牛腿圖1

3、 鋁合金牛腿概念模型與鋼牛腿對比現有的傳統半承載鋼結構客車產品，鋼牛腿采用鋼板沖壓形成U型結構，牛腿側面為矩形或梯形或組合形狀，開有減重孔，牛腿與車架通過螺栓進行連接。結合鋁合金材料的成型工藝，設計鋁合金牛腿概念模型采用閉合腔體，寬度與鋼牛腿相同，側豎面形狀與鋼牛腿基本一致，不開減重孔，牛腿一端與鋁合金L板焊接后與車架鉚接，另一端與全鋁車身骨架焊接，鋁合金牛腿及L板厚度均為7mm，鋁L板形狀與鋼L板相同，兩種牛腿的形狀對比如圖1所示。2初步分析利用HypeMesh軟件建立鋼結構牛腿和鋁合金牛腿有限元模型，約束L形支架上的螺栓孔的6方向自由度，約束L形支架的下方節點的y向自由度，以模擬車架對支架

4、的壓向約束。施加載荷時，在牛腿上平面的節點上施加向下0.5N的力，并在牛腿外側端頭處施加向下2000N的力。通過對兩種牛腿的靜態應力分析，可以得出有限元應力云圖和變形云圖，如圖2、圖3、圖4所示。圖2 牛腿對比變形云圖圖3 牛腿L形支架處對比應力云圖圖4 牛腿對比應力云圖查看對比變形情況發現（見圖2）：鋁合金牛腿變形層次均勻，端頭中心位移為Z向0.6088mm，端口形狀基本不變；鋼牛腿端頭中心位移為Z向0.7196mm，且牛腿外側變化劇烈，可見鋼牛腿端口形狀發生較大變化。鋁合金牛腿概念模型變形量和變形狀態均優于鋼結構牛腿。查看對比應力情況發現（見圖3、4）：鋁合金牛腿概念模型支架最大應力為5.

5、983Mpa，位于支架與牛腿端面下轉角連接處，鋁合金牛腿上應力最大點在內側端口中心附近為14.51 Mpa，側豎面上應力云圖顯示中部有一縱向長帶狀的較小應力區域；鋼牛腿支架的最大應力為108Mpa，位于支架與牛腿內側端面下轉角連接處，鋼牛腿最大應力為40.5Mpa，位于牛腿下翻邊轉角處，鋼牛腿根部應力變化也較劇烈。概念模型鋁合金牛腿及支架的應力情況優于鋼結構牛腿。分析判斷，鋁合金牛腿概念模型方案可行，并存在優化空間。3拓撲優化根據前述鋁合金牛腿靜態應力分析情況，對其進行拓撲優化計算，優化目標要求體積最小，優化約束為牛腿外側端口中心Z向位移，該位移約束值取鋼結構牛腿的分析結果近似值，即取0.72

6、mm，拓撲優化的網格為牛腿豎面單元。通過拓撲優化分析，結果顯示如圖5所示。圖5 不同isoface時單元密度云圖分析上述云圖結果發現，鋁合金牛腿側豎面優化后產生了與牛腿側豎面邊界近似平行的若干相鄰的三角形鏤空孔，之間為斜筋構成網狀形態，該結果為鋁合金牛腿的進一步設計提供了理論依據。4鋁合金牛腿深化設計結合鋁合金牛腿采用擠出成型的工藝要求和拓撲優化結果，細化鋁合金牛腿側豎面形狀及型腔處理，對概念模型鋁合金牛腿的側豎面進行優化減重。由于圓孔相對異型孔在工藝上易于實現，因此采取在鋁合金牛腿側豎面開圓形孔進行減重，圓形孔尺寸依次減小，外公切線與側豎面輪廓近似平行。側豎面輪廓可分為兩種，一種與鋁合金牛腿

7、概念模型相同，另一種在此基礎上加大與車身骨架焊接端口高度，增大整體剛度。結合成型工藝，設計牛腿內部加強筋，通過整理共形成以下八種鋁合金牛腿模型，如圖6所示。圖6 八種鋁合金牛腿模型5優化模型分析對比對八種鋁合金牛腿優化模型進行有限元分析，工況設定及分析如前所述，牛腿應力、端口變形的結果見圖7和圖8。圖7 鋁合金牛腿應力云圖圖8 鋁合金牛腿變形云圖根據最終分析結果列表整理八種優化模型對應的形態特征，質量、減重比、最大應力、最大變形等數據，便于后續設計確認。其對比結果如圖9所示。圖9 鋁合金牛腿優化模型分析對比6 優化分析結果經分析對比，八種鋁合金牛腿優化模型的最大應力為28.56Mpa，均滿足鋁

8、材料性能要求，端口最大位移為0.7124mm，均小于鋼牛腿變形量。加筋處理后的牛腿在加強筋附近的強度增加，相對未加筋的牛腿局部應力增大，均超過22Mpa，但其剛度有所提高。加豎直筋牛腿相對其他牛腿的變形量偏小，分別為0.5589mm和0.5614mm，效果較好。兼顧輕量化和牛腿性能的分析結果，確認形成設計文件的鋁合金牛腿有四種，分別為閉合梯形小端面牛腿、閉合梯形小端面加豎直筋牛腿、閉合梯形大端面牛腿和閉合梯形大端面加豎直筋牛腿，其中未加筋的適用于承載及連接相對偏低的區域，加豎直筋的適用于承載及連接相對較強的區域。7 結論本文提出全鋁車身鋁合金牛腿概念模型，并與傳統鋼牛腿進行對比分析，確定方案的可行性及優化方向和空間，利用Optistruct的結構優化功能，運用優化理論對概念模型鋁合金牛腿進行拓撲優化，重構了優化后的牛腿側豎面形態，尋求最優材料分布狀態，根據拓撲優化結果進行鋁合金牛腿的最終優化設計，并通過Hy