[发明专利]一种基于高强钢的全承载客车车架轻量化方法

说明书

本发明公开一种基于高强钢的全承载客车车架轻量化方法，通过屈服700MPa级高强度钢材的使用，结合合理的壁厚替换公式与有限元仿真方法，结构的屈服强度得到了有效得提高，对方管壁厚的减薄实现了车架质量的降低，降低了整车的能耗，提高了整车的续驶里程。仅对方钢壁厚的改变而不改变方钢外截面的尺寸，对原有的结构设计变更小，几乎没有影响，钢结构的通用性更佳，有利于批量化生产。高强钢相比铝合金价格更优，工艺性更好，有利于降低调整生产工艺的成本。通过基于方钢壁厚的刚度灵敏度仿真计算，有针对性地在保证车架刚度性能的前提下进行轻量化。

技术领域：

本发明涉及一种客车轻量化方法，特别涉及一种基于高强钢的全承载客车车架轻量化方法。

背景技术：

客车轻量化技术作为客车设计中一项关键核心通用技术，有利于实现降低能耗、提高续驶里程、实现节能减排的重要目标；同时可提升产品竞争能力，提高企业的自主创新能力。轻量化技术对推动新能源客车发展意义重大。其次，屈服强度为700MPa级的高强度钢已逐步在客车行业得到应用。

目前客车轻量化技术主要通过结构、材料两个方面开展，并且也取得一定的进展，例如发明专利CN205345039U申请公开了一种中心电动客车底盘轻量化车架结构，其结构主要由中央龙骨与矩形钢管焊接而成，并通过优化动力电池布置来实现车架减重；专利CN102815338A申请公开了一种由全铝材质制作的轻量化客车车身结构，铝型材结构代替原有的钢车身，时车身重量得到降低。然而，目前传统的结构优化方法已经使整车骨架质量达到了比较极限的状态，进一步的轻量化空间有限；使用铝材进行整车的轻量化可实现较大的减重量，但是铝材价格昂贵，后期加工制造所需的工艺设备与钢车身相比也截然不同，生产制造成本投入较大，此外铝合金的强度与模量较钢材低，结构强度的保证需更加严格。针对车身骨架，专利CN106021668A提出了一种轻量化方法，其主要通过有限元分析，在明确结构应力承载的情况下改变梁的截面形状来实现车身骨架的减重。此方法较为可靠，但是使用了多种异形截面梁，对原材料方钢做出了更多的型号要求，通用性较差；结合现有的产业结构，不利于大批量的生产应用。

因此，如何根据现有的客车产业结构，应用有效的轻量化方法进行减重，并且又能最小程度地改变现有的生产、工艺状态，同时保证材料的通用性、实现批量化制造是客车轻量化面对的主要问题。

发明内容：

本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种基于高强钢的全承载客车车架轻量化方法，通过高强钢替代普通钢的方法来实现车架的轻量化，从材料角度解决轻量化的问题，且较铝合金材料成本更低；通过结构CAE分析及刚度灵敏度分析，开展的轻量化工作在减重的同时又很好地保证车架的结构强度与刚度性能；高强钢替换进行方钢壁厚减薄的法方法简单易行，对原设计结构无改变，无需重新设计。

本发明所采用的技术方案有：一种基于高强钢的全承载客车车架轻量化方法，包括如下步骤：

(1)根据原普通钢设计的车架，建立有限元模型，进行基于静态弯曲、制动、转弯及扭转四种典型工况的结构静强刚度有限元分析；

(2)根据整车静强刚度分析结果，明确整车骨架在弯曲、制动、转弯及扭转四种工况下的受力特点，考查整车骨架的等效应力与位移变形大小；

(3)开展基于方钢壁厚的整车刚度灵敏度仿真计算，计算节点位移相对于方钢壁厚参数变化的灵敏度，再通过节点位移和车身刚度之间的联系，得到整车弯曲扭转刚度的灵敏度；

(4)根据分析得到的应力与位移变形结果，明确车架高强钢的替换区域及替换规格，对于原结构应力未超过原材料屈服强度的杆件进行高强钢方管的替换，其中，方管的截面长宽不变，仅替换成壁厚更小的高强钢方管，替换公式按照进行，其中t₁为高强钢壁厚；t₂为原设计方管壁厚；σ₁为原设计方管屈服极限；σ₂为高强钢屈服极限；