斜撑对旅游客车中央骨架承载性能的影响

黄桂芬 陈铭年



斜撑对旅游客车中央骨架承载性能的影响

黄桂芬 陈铭年

福建农林大学机电工程学院

应用有限元法和ANSYS软件，对承载式旅游客车代表性结构进行承载性能的计算分析，探讨和归纳斜撑及其位置对承载式旅游客车中央骨架承载性能的影响规律。结果表明，斜撑能有效提高底面框架和中央骨架的抗扭能力。

斜撑；承载式旅游客车；中央骨架；底面框架

引言

近年来，随着旅游业的发展，人们对旅游出行的舒适度和安全性的要求日益增长[1-2]。承载式客车以其车身地板高、行李舱容量大、旅游观光视野开阔、舒适度好以及外形美观等优点，极大地满足人们旅游出行的享受型需求。尤其是其通过自身的车身参与整车承载，取消了笨重的车架，并通过车身结构的合理化节省材料、减轻客车整备质量、降低油耗，从而实现了车身轻量化的大跨步，符合节能减排的可持续发展战略。

承载式客车“鸟笼式”车身骨架结构形式配合斜撑的合理设计，能够在实现轻量化的前提下保证客车承载能力[3-6]。因此，研究斜撑对承载式旅游客车承载性能的影响，能够为承载式客车的骨架结构设计和客车的轻量化设计提供参考。

1 基本结构的选取

客车车身结构庞大且复杂，为突出主要矛盾和研究方便起见，本文选取某国产承载式旅游客车骨架中具有代表性的两格客车骨架进行研究分析。两格客车骨架模型如图1所示。

承载式客车骨架的下部为格栅式框架结构，承载了车身的大部分载荷，地面的冲击通过悬挂系统作用在该框架上。中央骨架位于该格栅式框架的中部，是客车结构的重要承载部件。而承载式旅游客车下部是行李舱，为便于行李放置和进出，中央骨架的侧面不设置斜撑，仅在底面和横截面位置布置斜撑。中央骨架的底面框架位于其底部，除了参与整车承载外，还直接承载着行李。为了分别考查中央骨架和底面框架的承载性能，分别选取二者进行研究和分析。中央骨架尺寸如图2所示。

图1 两格客车骨架

图2 中央骨架的尺寸

2 计算分析方法

为便于比较分析，对承载式旅游客车的两格中央骨架和其底面框架，进行弯曲和扭转两种载荷情况的计算分析。在弯曲载荷下采用单位载荷1 000 N进行加载,在扭转载荷下采用单位扭矩597×100 N·mm进行加载。两格中央骨架和底面框架在弯曲和扭转载荷下的约束和加载示意图如图3所示。

图3 结构的约束与加载方法

对底面框架和中央骨架，分别以结构中部上表面的两对称测点，'和，'的垂直位移平均值（本文以DIS表示）来评价结构的弯曲变形；分别以'和'在单位扭矩下的扭转角（本文以,弧度表示）来评价结构的扭转变形；均以结构的最大米赛斯应力（SMX)来评价结构的应力情况。结构扭转角如图4所示。

图4 结构扭转角

式中，—'点的垂直位移；—载荷；—底面框架的宽度。

为便于比较，定义位移变化系数、最大应力变化系数和重量变化系数公式统一为为：(,)=[（加斜撑的-无斜撑的）/无斜撑的 ]×100% （2）

3 斜撑对底面框架和中央骨架承载性能的影响

为探讨和归纳斜撑对承载式旅游客车基本结构承载性能的影响规律，先分析2种斜撑情况下底面框架的承载性能，这2种情况是：无斜撑、有斜撑。再分析4种斜撑情况下中央骨架的承载性能，这4种情况分别是：无斜撑、只有横截面上的斜撑、只有底面上的斜撑、既有横截面上的斜撑也有底面上的斜撑。经过对比，研究原车中央骨架中的斜撑及其位置对刚度强度的影响。

3.1 斜撑对底面框架承载性能的影响

为便于分析，将无斜撑的底面框架定义为A0，将有斜撑的原底面框架定义为A。

在弯曲和扭转载荷单独作用下，底面框架A0和A的测点位移、最大米塞斯应力值分别如表1和表2所示，表中还列出了最大应力位置；应力分布如图5所示。

表1 弯曲载荷下结构A0和A的承载性能对比

表2 扭转载荷下结构A0和A的承载性能对比

图5 结构A的应力分布图

计算分析表明：弯曲载荷下，斜撑对底面框架的垂直变形影响很小；扭转载荷下，斜撑对底面框架的承载性能影响较大，能使最大应力降低23.42%，有效抵抗底部框架结构的扭转变形。

3.2 斜撑及其位置对中央骨架承载性能的影响

为了研究和归纳原中央骨架中的斜撑及其位置对中央骨架承载性能的影响，将无斜撑的中央骨架结构定义为B0，将只有横截面上的斜撑的中央骨架结构定义为B1，将只有底面上的斜撑的中央骨架结构定义为B2，将含有横截面上的斜撑和底面上的斜撑的原中央骨架结构定义为B。

在弯曲和扭转载荷单独作用下，中央骨架B0、B1、B2和B的测点位移、最大米塞斯应力值分别如表3和表4所示，表中还列出了最大应力位置；应力分布如图6所示。

表3 弯曲载荷下结构B0、B1、B2和B的承载性能对比

表4 扭转载荷下结构B0、B1、B2和B的承载性能对比

图6 结构B0和B在扭转载荷下的应力分布图

计算分析表明：

1）弯曲载荷下，横截面上的斜撑对中央骨架的承载性能影响不大，底面上的斜撑对中央骨架的承载性能影响很小。

2）扭转载荷下，横截面上的斜撑和底面上的斜撑对中央骨架的承载性能均影响不大，横截面上的斜撑使最大应力降低15.83%，底面上的斜撑使最大应力降低14.46%；但横截面上的斜撑和底面上的斜撑共同作用时，对中央骨架的承载性能影响较大，使最大应力降低23.18%，使扭转角减少25.02%。

以上分析结果说明原中央骨架中的斜撑能够有效地抵抗框架结构的扭转变形，但对垂直变形的作用不大。可知合理设计中央骨架处的斜撑能有效地提高承载式旅游客车在扭转载荷下的承载能力。

4 结论

弯曲载荷下，斜撑对底面框架和中央骨架的承载性能影响较小或不大；扭转载荷下，斜撑对底面框架的承载性能影响较大，增加斜撑使底面框架变形减少26.09%，使应力减少23.42%；横截面斜撑和底面斜撑单独作用对中央骨架的承载性能影响不大，但共同作用时使中央骨架的变形减少25.02%，使应力减少23.18%。

[1] 彭援军.旅游事业推动中国客车的发展[J] .城市车辆,2009(3):28-29.

[2] 邓腾树,陈铭年.加强研发,迎接承载式客车大发展[J] .福建省科协第五届学术年会数字化制造及其它先进制造技术专题学术年会论文集,2005:469- 472.

[3] 陈铭年,H.J.Beermann,庄继德.客车底架斜撑对箱形框架承载性能的影响[J].中国公路学报,1996,9(4):100-104.

[4] 林少玲.承载式旅游客车有限元分析及轻量化设计[D].福州:福建农林大学, 2005.

[5] 王雪.基础承载式客车车身强度的有限元分析[J].客车技术与研究,2006(3): 22-24.

[6] 姚成,朱铭.全承载式客车车身结构设计[J].客车技术与研究,2008(2):13-16.

Effect of Diagonal Bracing on Bearing Performance of the Central Skeleton of Tourist Bus

Huang Guifen, Chen Mingnian

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China)

Finite element method and the ANSYS software were used to analyze the bearing performance of representational structure of self-supporting body tourist bus. The effect of diagonal bracing and its position on bearing performance of the central skeleton of self-supporting body tourist bus was explored. The results indicate that diagonal bracing can effectively improve the anti-twist ability of the bottom frame and the skeleton.

diagonal bracing; self-supporting body bus; central skeleton; bottom frame