客车骨架接头结构的轻量化改进
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５ ７
《 电技术》２ １ 机 ０ ０年第 ２期
机 电研究及 设计制造
范 ・ 米塞 斯应 力是 采用 第 四强度 理论 计算 的等 效
应力 ，其 计算 公式 为：
的约束 和加 载情 况分 别如 图 ３和 图 ４ 示 。 所
Ｏ ＝／（ －＂ ＋ ２ ３＋ － Ｏ。 ＇ 、 ｌ０ （ 一 ） （ 一＂Ｊ ｅ Ｙ【 ２ ｏ １ ｑ 寺 ） 二 ３ ）
最大应力 出现在接头焊缝处，而各杆件其余地方
的强度 刚度 均有 富 余 。所 以，本 文拟 对 该 结构进 行 轻量 化 改进 。具体 方 法是 ：在立 柱 与纵 梁焊 接 接 头处 的两侧 各 加焊 两 个直 角 边长 为 ３ｒ 的等 ８ｍ ａ 腰 直角 三角 板 ，在 立柱 与 横梁 １的焊 接 接头 处加 焊 两个 直角 边 长 为 ３ ｒ ０ｍ的等腰 直 角三 角板 ， ａ 即一 共加 焊 ６个三 角板 。各矩 形 杆件 长度 不 变 ，而壁 厚均 减 小 ０ ５ｍ ．ｍ ，即 改进 后各 杆 的截 面参 数如 一 ： Ｆ
的 结构 有 了显 著 的提 高 ， 即在 该空 间接 头 结构 中 采用 减 少杆 件 壁 厚并 加焊 角 板 的方 法进 行 轻量 化
改进 是 可行 的 ，并 且效 果显 著 。
５ 结论
参 考 文献 ：
［］潘翔 ．角板对客车车身基本 结构静动态性能 的影 响［］ １ Ｄ ．福州 ：福建农林 大学 ，２ ０ ． ０９
ＤＸｍ） Ｍ （皿 ０４ ３ ． ８
位移 减小系数 ｄ（ ） ％
（Ｐ Ｍ
ａ ）
应力减小系数 Ｓ（） ％
４ ． ２ １７ ４
改进 前
２７７ ． ７
１６ ６ ． ９ ３ ．３ ８ ９
８ ． ３ ９６０
３ ． １ ９８７ ５．８ ５ ５
横 向载荷
改 进 后
按照 以上 的轻 量 改进 方案 ，减 重效 果 明显 ， 如表 ３所 示 ，质量 减 小 系数 ｍ达 到 １ ． ２ 。 ９ ２ ％
４ 计算结果
经 有 限元 计算 分析 ，可 得 改进前 及 改进后 的 接 头 结 构 分 别 在 纵 向和 横 向载 荷 下 的 最 大位 移
（ Ｄ Ｘ ，和最 大 范 ・ 塞斯 应力 值 （ Ｓ Ｘ 即 Ｍ） 米 即 Ｍ） 及 其所 在位 置 ，计算 结果 如表 １ 所示 。
模 型 。计 算时将 横梁 ｌ 、横 梁 ２的末 端 以及纵 梁 的两 端完全 约束 。 在立柱 末端 分别 沿汽 车纵 向 （ 平 行纵 梁方 向）和汽 车横 向 （ 平行横 梁 方 向 ）施 加 １０ ０Ｎ的单位载 荷 。为 便于叙 述 ，本文 前 者简称 纵 向载 荷 ，后者 简称 横 向载 荷 。纵 向及 横 向载荷 下
用 Ａ Ｓ Ｓ有 限元软件对其进行计算分 析，以 比较其轻量化 改进前后 的承载性能 。 ＮＹ
关键词 ：客车 结构；有 限元分析 ；轻 量化
中图分类号 ：Ｕ ６ ． ３ １ 文献标 识码 ：Ａ 文章编号 ： ４３８十
在 美 国 、欧洲 和 日本 ，轻 量化 都 是汽 车 节 能
为 ３ ＊ ０ ２ 长 度是 ４ ０ 斜杆 ２ 面 为 ３ ＊ ０ ２ ０４ ＊ ， ０； 截 ０ ４＊ ， 长 度 是 １３ 。 ３ ０
１ 接 头 模 型 示 意 图
接 头 模 型示 意 图如 图 １所 示 ，该模 型截 取 于 我 国某汽 车 公 司生 产 的承 载 式客 车 空 间骨架 行 李 仓 中一 处接 头 ，图 １ 改进 前 的接头 结 构 。 为
（ ０ ４ ．． ） 横 梁 ２ （ ０ ３． ． ） 斜 杆 ｌ ３ ．０ ｉ５ ， ５． ０ ｉ５ ，
Ｄ Ｘ ｆＩ Ｍ （ｆ 『） ｌ 『
改进 前 ０
．
Ｄ Ｘ删 ） Ｍ（ ２７７ ． ７ １６ ６ ．９
．
横 向载荷 Ｓ Ｘ Ｍ ａ 数值及位置 Ｍ （Ｐ ） ８ ９ ６０ 立 柱 、横 梁 及 纵梁 三者 焊 接 ３， 处右侧角 如 图 ６所示标记 Ｍ ｘ处
，
４３ ８
改进后
横 梁 ２截 面为 ５ ＊ ０ ２ ０ ３ ＊ ，长 度是 ８ ８ ６ ；斜 杆 １截面
及 其 所 在位 置 ， 并用 这两 个 计算 所得 参 数来 评 价 结构 的 刚度 和 强度 ，即结 构 的承 载 能力 。其 中，
＇ ｌ ｃ 基金项 目：泉州师范学 院校 级 自选项 目 （ ０９ Ｊ Ｏ 。 ２ ０ Ｋ ｌ ）
为便 于分 析 ，本文用 位 移减 小系 数来 评价 结 构 的刚度 变化 ，用 应力 减小 系数 来评 价结 构 的强 度变 化 ，用 质量 减 小系统数 来评 价减 重效 果 。
位 移减 小系数 ｄ的计算 公式 定义 为 ：
＝ Ｊ —
：
二
Ｄ Ｘ￣ Ｍ ｅ
ｌ０ｏ × ｌＹ Ｕ Ｕ
载 荷 下 结构 的最大 范 ・ 塞 斯应 力 值 （ Ｓ Ｘ 米 即 Ｍ）
该接 头 结构 全 部 由薄壁 矩 形 杆件 焊 接而 成 。 各 杆 的参 数 （ 姗 为单位 ）如 下 ：纵梁 （ 以 该梁平 行 于汽 车 纵 向 ）截 面 为 ５＊ ０３ ０ ３＊ ，长 度是 １０ ； ４ ０ 立 柱截 面 为 ４＊ ０ ３ ０ ３＊ ，长 度是 ５０ ４ ；横梁 １（ 该梁 平 行 于汽 车横 向）截 面为 ３＊ ０２ ０４ ＊ ，长度 是 ５ ０ ５；
表 ３ 空 间三 杆 结 构 改 进 后 减 重 效 果
通 过对 我 国某 汽 车 公 司生 产 的承载 式 客 车车 身骨 架 行 李仓 中的 一处 空 间接 头 结构进 行 轻量 化
改进 和 有 限元 分析 表 明，改 进 后该 结构 的应力 最 高 点有 了 明显 的转 移 ，而且 其 承载 性 能 比改进 前
（０ ４ ． ． ） ３ ． ０ １ ５ ，斜 杆 ２ （ ０ ４ ． ． ） 改进后 的 ３ ．０ １５ 。
具体 结 构如 图 ２ 图 ７及 图 ８所 示 。 、
图 ２ 改 进 后 的 接 头 结构
图 １ 改 进 前 的 接 头 结 构
２ 结 构 分 析 的 评 价 指 价
为研 究 方便 ，本文 以 １０ 为单 位载 荷 。采 ０Ｎ作 用 Ａ Ｓ Ｓ软件 计算 结 构受 载 的一端 在 单位 载荷 下 ＮＹ 平 行 于施 载 方 向 的最大位 移 （ ＤＸ ，以及单 位 即 Ｍ）
图 ８ 改进 后受横 向载荷 的最大应 力所 在位 置
将 改进 后 的结 构 与 改进 前 的结 构 的承 载 性 能
进 行对 比 ，对 比结果 如表 ２所示 。
ＳＸ Ｍ
表 ２ 横 向和纵 向载荷下 ，改进 后的结构与改进前结构 的承 载性能对 比
～ 改 进 前
纵 向载 荷
改 进 后 ０４ ５ ． ３ ９ ９ ．４ １ ． ４ ５３４ ６．３ ３ ２
和减 少 Ｃ ２排 放 的核 心措 施之 一 。对 我 国客 车工 ０ 业来 说 ，轻 量化 仍 将是 贯 穿 ２ ｌ世 纪 的主题 。 客车
经 有 限元 计 算 分析 可 知 ，该 接头 结 构 受载后
车身骨架是重要的承载件 ，其质量约 占整车质量
的三分 之 一 ，车 身骨 架 的轻 量 化对 于减 小客车 整
纵梁 （ ０ ３ ＊ ． ） ５ ＊ ０ ２ ５ ，立 柱 （ ０ ３ ＊ ． ） ４ ＊ ０ ２ ５ ，横 梁 １
车质量有着非常重要的意义。我 国客车 的车身骨
架 多采用 型钢 焊 接 而成 。 当客 车车 身骨 架 受载 后 ，
高应力出现在车身骨架接头处，即接头处成为 了
车 身骨 架 的薄 弱 点 。本文 采 用在 骨 架接 头 处加 焊 角板 的方式 以加强 结 构 的刚 度和 强度 ，并 在此 基 础上 对 车身 骨架 进行 轻 量化 改进 。
ｌ
图 ３ 约束及纵 向载荷
１
应 力减 小系数 Ｓ的计算 公式 定义 为
：
Ｉ ｓＸ Ｍ ｒ
Hale Waihona Puke 改前 进 ｌ ｌ０ ×％ ｌ ０
质量 减 小系数 ｍ的计 算 公式定 义为
：
ＩＭ
改前 ｌ 进
ｌ０ ｘ％ ｌ ０
图 ４ 约 束 及 横 向载 荷
３ 支 承 与载 荷
本文 采用 壳单 元 （ Ｈ Ｌ ６ ） 立 该接头 结构 Ｓ ＥＬ ３ 建
机 电研 究及 设计 制造
《 电技术 》２ １ 机 ０ ０年第 ２期
客车骨架接 头结构 的轻 量化改进宰
邓腾 树
（ 泉州 师范学院应用科技学 院，福建 泉州 ３ ２ ０ ） ６０ ０
摘
要 ：本文选用我 国某汽 车公司生产 的承载 式客 车车身骨架行李仓 中的一处空间接头结构进行轻 量化 改进 ，并利
作者简介 ：邓腾树 （９ ２年一 ，男 ，讲师 ，硕 士，研 究方 向：汽车车身计算机 辅助工程分析 、汽 车检测与维修 。 １８ ）
５ ９
０４５ ． ３
３． １， ９ ８ ７ 立柱与横梁 １ 之间左侧 角板 边缘 的中部，如图 ８所示标记 Ｍ Ｘ处
图 ５ 改进前受纵 向载荷的最大应力所在位 置
５８
图 ６ 改进前受横 向载荷 的最大应力所在位置
机 电研究及 设计 制造
《 电技术》２ １ 机 ０ ０年第 ２期
图 ７ 改 进 后 受 纵 向载 荷 的 最 大 应 力 所 在 位 置
表 １ 结构改进前 、后在纵 向载荷和横 向载荷下 ，测点 的 Ｄ Ｘ值和 Ｓ Ｘ 及位 置 Ｍ Ｍ值
纵 向载荷 Ｓ Ｘ Ｍ ａ 数值及位置 Ｍ （尸 ） ４．２， １７ ４ 立柱底部与纵梁焊接 处右侧角 ，如 图 ５所示 标记 Ｍ Ｘ处
１ ．４ ， 柱 与 纵 梁 之 间 左侧 ５３４ 立 角板边缘 的上部 ， 图 ７所示 如 标记 Ｍ Ｘ处
《 电技术》２ １ 机 ０ ０年第 ２期
机 电研究及 设计制造
范 ・ 米塞 斯应 力是 采用 第 四强度 理论 计算 的等 效
应力 ，其 计算 公式 为：
的约束 和加 载情 况分 别如 图 ３和 图 ４ 示 。 所
Ｏ ＝／（ －＂ ＋ ２ ３＋ － Ｏ。 ＇ 、 ｌ０ （ 一 ） （ 一＂Ｊ ｅ Ｙ【 ２ ｏ １ ｑ 寺 ） 二 ３ ）
最大应力 出现在接头焊缝处，而各杆件其余地方
的强度 刚度 均有 富 余 。所 以，本 文拟 对 该 结构进 行 轻量 化 改进 。具体 方 法是 ：在立 柱 与纵 梁焊 接 接 头处 的两侧 各 加焊 两 个直 角 边长 为 ３ｒ 的等 ８ｍ ａ 腰 直角 三角 板 ，在 立柱 与 横梁 １的焊 接 接头 处加 焊 两个 直角 边 长 为 ３ ｒ ０ｍ的等腰 直 角三 角板 ， ａ 即一 共加 焊 ６个三 角板 。各矩 形 杆件 长度 不 变 ，而壁 厚均 减 小 ０ ５ｍ ．ｍ ，即 改进 后各 杆 的截 面参 数如 一 ： Ｆ
的 结构 有 了显 著 的提 高 ， 即在 该空 间接 头 结构 中 采用 减 少杆 件 壁 厚并 加焊 角 板 的方 法进 行 轻量 化
改进 是 可行 的 ，并 且效 果显 著 。
５ 结论
参 考 文献 ：
［］潘翔 ．角板对客车车身基本 结构静动态性能 的影 响［］ １ Ｄ ．福州 ：福建农林 大学 ，２ ０ ． ０９
ＤＸｍ） Ｍ （皿 ０４ ３ ． ８
位移 减小系数 ｄ（ ） ％
（Ｐ Ｍ
ａ ）
应力减小系数 Ｓ（） ％
４ ． ２ １７ ４
改进 前
２７７ ． ７
１６ ６ ． ９ ３ ．３ ８ ９
８ ． ３ ９６０
３ ． １ ９８７ ５．８ ５ ５
横 向载荷
改 进 后
按照 以上 的轻 量 改进 方案 ，减 重效 果 明显 ， 如表 ３所 示 ，质量 减 小 系数 ｍ达 到 １ ． ２ 。 ９ ２ ％
４ 计算结果
经 有 限元 计算 分析 ，可 得 改进前 及 改进后 的 接 头 结 构 分 别 在 纵 向和 横 向载 荷 下 的 最 大位 移
（ Ｄ Ｘ ，和最 大 范 ・ 塞斯 应力 值 （ Ｓ Ｘ 即 Ｍ） 米 即 Ｍ） 及 其所 在位 置 ，计算 结果 如表 １ 所示 。
模 型 。计 算时将 横梁 ｌ 、横 梁 ２的末 端 以及纵 梁 的两 端完全 约束 。 在立柱 末端 分别 沿汽 车纵 向 （ 平 行纵 梁方 向）和汽 车横 向 （ 平行横 梁 方 向 ）施 加 １０ ０Ｎ的单位载 荷 。为 便于叙 述 ，本文 前 者简称 纵 向载 荷 ，后者 简称 横 向载 荷 。纵 向及 横 向载荷 下
用 Ａ Ｓ Ｓ有 限元软件对其进行计算分 析，以 比较其轻量化 改进前后 的承载性能 。 ＮＹ
关键词 ：客车 结构；有 限元分析 ；轻 量化
中图分类号 ：Ｕ ６ ． ３ １ 文献标 识码 ：Ａ 文章编号 ： ４３８十
在 美 国 、欧洲 和 日本 ，轻 量化 都 是汽 车 节 能
为 ３ ＊ ０ ２ 长 度是 ４ ０ 斜杆 ２ 面 为 ３ ＊ ０ ２ ０４ ＊ ， ０； 截 ０ ４＊ ， 长 度 是 １３ 。 ３ ０
１ 接 头 模 型 示 意 图
接 头 模 型示 意 图如 图 １所 示 ，该模 型截 取 于 我 国某汽 车 公 司生 产 的承 载 式客 车 空 间骨架 行 李 仓 中一 处接 头 ，图 １ 改进 前 的接头 结 构 。 为
（ ０ ４ ．． ） 横 梁 ２ （ ０ ３． ． ） 斜 杆 ｌ ３ ．０ ｉ５ ， ５． ０ ｉ５ ，
Ｄ Ｘ ｆＩ Ｍ （ｆ 『） ｌ 『
改进 前 ０
．
Ｄ Ｘ删 ） Ｍ（ ２７７ ． ７ １６ ６ ．９
．
横 向载荷 Ｓ Ｘ Ｍ ａ 数值及位置 Ｍ （Ｐ ） ８ ９ ６０ 立 柱 、横 梁 及 纵梁 三者 焊 接 ３， 处右侧角 如 图 ６所示标记 Ｍ ｘ处
，
４３ ８
改进后
横 梁 ２截 面为 ５ ＊ ０ ２ ０ ３ ＊ ，长 度是 ８ ８ ６ ；斜 杆 １截面
及 其 所 在位 置 ， 并用 这两 个 计算 所得 参 数来 评 价 结构 的 刚度 和 强度 ，即结 构 的承 载 能力 。其 中，
＇ ｌ ｃ 基金项 目：泉州师范学 院校 级 自选项 目 （ ０９ Ｊ Ｏ 。 ２ ０ Ｋ ｌ ）
为便 于分 析 ，本文用 位 移减 小系 数来 评价 结 构 的刚度 变化 ，用 应力 减小 系数 来评 价结 构 的强 度变 化 ，用 质量 减 小系统数 来评 价减 重效 果 。
位 移减 小系数 ｄ的计算 公式 定义 为 ：
＝ Ｊ —
：
二
Ｄ Ｘ￣ Ｍ ｅ
ｌ０ｏ × ｌＹ Ｕ Ｕ
载 荷 下 结构 的最大 范 ・ 塞 斯应 力 值 （ Ｓ Ｘ 米 即 Ｍ）
该接 头 结构 全 部 由薄壁 矩 形 杆件 焊 接而 成 。 各 杆 的参 数 （ 姗 为单位 ）如 下 ：纵梁 （ 以 该梁平 行 于汽 车 纵 向 ）截 面 为 ５＊ ０３ ０ ３＊ ，长 度是 １０ ； ４ ０ 立 柱截 面 为 ４＊ ０ ３ ０ ３＊ ，长 度是 ５０ ４ ；横梁 １（ 该梁 平 行 于汽 车横 向）截 面为 ３＊ ０２ ０４ ＊ ，长度 是 ５ ０ ５；
表 ３ 空 间三 杆 结 构 改 进 后 减 重 效 果
通 过对 我 国某 汽 车 公 司生 产 的承载 式 客 车车 身骨 架 行 李仓 中的 一处 空 间接 头 结构进 行 轻量 化
改进 和 有 限元 分析 表 明，改 进 后该 结构 的应力 最 高 点有 了 明显 的转 移 ，而且 其 承载 性 能 比改进 前
（０ ４ ． ． ） ３ ． ０ １ ５ ，斜 杆 ２ （ ０ ４ ． ． ） 改进后 的 ３ ．０ １５ 。
具体 结 构如 图 ２ 图 ７及 图 ８所 示 。 、
图 ２ 改 进 后 的 接 头 结构
图 １ 改 进 前 的 接 头 结 构
２ 结 构 分 析 的 评 价 指 价
为研 究 方便 ，本文 以 １０ 为单 位载 荷 。采 ０Ｎ作 用 Ａ Ｓ Ｓ软件 计算 结 构受 载 的一端 在 单位 载荷 下 ＮＹ 平 行 于施 载 方 向 的最大位 移 （ ＤＸ ，以及单 位 即 Ｍ）
图 ８ 改进 后受横 向载荷 的最大应 力所 在位 置
将 改进 后 的结 构 与 改进 前 的结 构 的承 载 性 能
进 行对 比 ，对 比结果 如表 ２所示 。
ＳＸ Ｍ
表 ２ 横 向和纵 向载荷下 ，改进 后的结构与改进前结构 的承 载性能对 比
～ 改 进 前
纵 向载 荷
改 进 后 ０４ ５ ． ３ ９ ９ ．４ １ ． ４ ５３４ ６．３ ３ ２
和减 少 Ｃ ２排 放 的核 心措 施之 一 。对 我 国客 车工 ０ 业来 说 ，轻 量化 仍 将是 贯 穿 ２ ｌ世 纪 的主题 。 客车
经 有 限元 计 算 分析 可 知 ，该 接头 结 构 受载后
车身骨架是重要的承载件 ，其质量约 占整车质量
的三分 之 一 ，车 身骨 架 的轻 量 化对 于减 小客车 整
纵梁 （ ０ ３ ＊ ． ） ５ ＊ ０ ２ ５ ，立 柱 （ ０ ３ ＊ ． ） ４ ＊ ０ ２ ５ ，横 梁 １
车质量有着非常重要的意义。我 国客车 的车身骨
架 多采用 型钢 焊 接 而成 。 当客 车车 身骨 架 受载 后 ，
高应力出现在车身骨架接头处，即接头处成为 了
车 身骨 架 的薄 弱 点 。本文 采 用在 骨 架接 头 处加 焊 角板 的方式 以加强 结 构 的刚 度和 强度 ，并 在此 基 础上 对 车身 骨架 进行 轻 量化 改进 。
ｌ
图 ３ 约束及纵 向载荷
１
应 力减 小系数 Ｓ的计算 公式 定义 为
：
Ｉ ｓＸ Ｍ ｒ
Hale Waihona Puke 改前 进 ｌ ｌ０ ×％ ｌ ０
质量 减 小系数 ｍ的计 算 公式定 义为
：
ＩＭ
改前 ｌ 进
ｌ０ ｘ％ ｌ ０
图 ４ 约 束 及 横 向载 荷
３ 支 承 与载 荷
本文 采用 壳单 元 （ Ｈ Ｌ ６ ） 立 该接头 结构 Ｓ ＥＬ ３ 建
机 电研 究及 设计 制造
《 电技术 》２ １ 机 ０ ０年第 ２期
客车骨架接 头结构 的轻 量化改进宰
邓腾 树
（ 泉州 师范学院应用科技学 院，福建 泉州 ３ ２ ０ ） ６０ ０
摘
要 ：本文选用我 国某汽 车公司生产 的承载 式客 车车身骨架行李仓 中的一处空间接头结构进行轻 量化 改进 ，并利
作者简介 ：邓腾树 （９ ２年一 ，男 ，讲师 ，硕 士，研 究方 向：汽车车身计算机 辅助工程分析 、汽 车检测与维修 。 １８ ）
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０４５ ． ３
３． １， ９ ８ ７ 立柱与横梁 １ 之间左侧 角板 边缘 的中部，如图 ８所示标记 Ｍ Ｘ处
图 ５ 改进前受纵 向载荷的最大应力所在位 置
５８
图 ６ 改进前受横 向载荷 的最大应力所在位置
机 电研究及 设计 制造
《 电技术》２ １ 机 ０ ０年第 ２期
图 ７ 改 进 后 受 纵 向载 荷 的 最 大 应 力 所 在 位 置
表 １ 结构改进前 、后在纵 向载荷和横 向载荷下 ，测点 的 Ｄ Ｘ值和 Ｓ Ｘ 及位 置 Ｍ Ｍ值
纵 向载荷 Ｓ Ｘ Ｍ ａ 数值及位置 Ｍ （尸 ） ４．２， １７ ４ 立柱底部与纵梁焊接 处右侧角 ，如 图 ５所示 标记 Ｍ Ｘ处
１ ．４ ， 柱 与 纵 梁 之 间 左侧 ５３４ 立 角板边缘 的上部 ， 图 ７所示 如 标记 Ｍ Ｘ处