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摘 要：在铝合金客车车身骨架分析的基础上，针对十字形骨架连接接头进行全新设计，开发出两种接头方案，再利用HyperWorks对原有骨架连接结构和两种新型连接结构进行对比分析，基于保证性能的前提下对方案二连接接头进行尺寸优化分析，开发出质量更轻的铝合金连接接头。
关键词：客车；铝合金；HyperWorks；优化设计；接头
中图分类号：U463.83 1 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2015）04-0065-05
Abstract： On the basis of aluminum bus frame analysis， a new design for the Cross-shaped aluminum frame connectors， developed two connector programs， using HyperWorks to comparative analysis between the original skeleton connection structure and two new connection structure， finally validation of the performance using size optimization analysis of scheme 2 to develop a lighter aluminum connector.
1 前言
当今社会能源短缺，油价飞涨，而汽车燃油消耗又是能源消耗的重要组成部分[1]。据统计，汽车每减轻其总质量的10%，燃油消耗量可降低6%一8%[2]。因此，各大汽车设计和制造商都在从设计的角度考虑减轻汽车的质量，实现轻量化。
随着轻量化技术在客车上应用的推广，铝合金客车车身骨架技术也在不断提升。目前，铝合金客车车身骨架连接主要有焊接和铆接两种。铝合金焊接相较于钢结构的焊接而言，难度要大，需要操作人员掌握熟练的焊接技术，而且铝合金本身的性能导致骨架容易变形，不易实际操作。铆接相对焊接而言，工艺简单，设备、工装夹具成本低，且车身在装配时不易发生变形[3]，因此铝合金铆接技术更利于实际操作。国内铝合金客车车身骨架技术刚刚起步，铝合金铆接水平还有待提升，特别是骨架梁之间的连接接头还需要不断的创新，挖掘出质量更轻，连接更可靠的铆接接头。以十字形骨架连接接头为例进行全新设计，开发出两种接头方案，再利用HyperWorks对原有骨架连接结构和两种新型连接结构进行对比分析。
2 原有结构
原有的连接结构如图1所示，是采用六个角接头对支撑梁、横梁和纵梁进行组合连接，角接头连接在骨架梁的外侧，每个角接头通过6个铆钉连接着两根骨架梁，整体组合成十字形铝合金骨架支撑连接结构。
由于原有连接结构采用六个角接头对四根骨架梁进行组合铆接固定，接头之间互相孤立，没有统一成一体，接头部位的结构刚性相对较弱，易产生变形。
3 新型结构
一般而言，铝合金连接接头的制作主要采用铸造工艺或者挤压工艺。对于结构复杂的零部件需要采用铸造工艺进行制作，但铸造成本高，效率低，强度低。而挤压工艺具有操作简便，便于实现机械化和自动化，适合于较大批量零件的生产[4]。 考虑到这方面的原因，新型接头也需要采用挤压工艺制作。
本文根据十字形骨架梁支撑结构的特点建立了两种方案模型。方案一的连接结构如图2所示，其采用单个连接接头整体固定四根成十字形的铝合金骨架梁和一根支撑梁。方案一接头（见图3）包括一个套管和四个插入端，套管位于接头中间，为方管结构，其四个外表面的上端垂直分布着四个插入端，结构虽然复杂，但其仍然可以采用铝合金挤压型材经过切割加工制成。使用时，接头中间套管套住支撑梁的上端，在接触的四个面上各采用2个铆钉进行固定连接；而接头四个方向上的插入端分别插入到四根骨架梁内部，在骨架梁的侧面进行铆接固定，每面2个铆钉。
方案二的连接结构如图4所示，也是采用单个连接接头整体固定四根成十字形的铝合金骨架梁和一根竖向支撑梁。接头（见图5）包括一个套管和四对夹持板，套管位于接头中间，为方管结构，其四个外表面的上端垂直分布着四对夹持板。在使用时，接头中间套管套住支撑梁的上端，在接触的四个面上各采用2个铆钉进行固定连接；接头四个方向上的夹持板分别将四根骨架梁卡在中间，并在其侧面采用铆钉进行铆接固定。方案二的连接接头采用“井”字形铝合金挤压型材经过切割加工制成。
方案一与方案二连接结构的相同点在于都是采用接头中间的套管套住支撑梁的上端，并在支撑梁的侧面进行铆接固定，不同点在于方案一采用插入端插入到上方骨架梁的内腔中，而方案二采用两个夹持板卡在上方骨架梁的侧边，两者与骨架梁的位置关系是一个在内，而另一个在外。
4 静态对比分析
在静态应力分析时使用前处理工具HyperMesh进行网格划分，车身骨架的大部分都是薄壁件，于是采用壳单元进行建模，以四边形为主，三角形为辅。划分网格前先抽取薄壁零件的中面，再在中面上划分网格。考虑到连接接头的实际尺寸，有限元模型的精确度[6]，单元尺寸取2mm。
4.1 边界条件的确定
根据十字形铝合金骨架支撑连接结构，在进行静态应力分析时，对支撑梁的下端和三根水平骨架梁的外端进行位移约束，对右前方水平骨架梁的外端施加载荷，具体工况参见图6介绍如下：
工况一：在支撑梁的下端施加三个方向的位移约束，在左前（X负向）和右后（X正向）方水平骨架梁的外端施加X向位移约束，在左后（Y正向）方水平骨架梁的外端施加Y向位移约束，在右前（Y负向）水平骨架梁的外端施加1000N（设计经验值）的集中力，集中力方向竖直向下；
工况二：在支撑梁的下端施加三个方向的位移约束，在左前和右后方水平骨架梁的外端施加X向位移约束，在左后方水平骨架梁的外端施加Y向位移约束，在右前水平骨架梁的外端施加1000N的集中力，集中力方向与X轴相同； 工况三：在支撑骨架梁的下端施加三个方向的位移约束，在左前和右后方水平骨架梁的外端施加X向位移约束，在右前水平骨架梁的外端施加1000N的集中力，集中力方向与Y轴相同；
工况四：在支撑骨架梁的下端施加三个方向的位移约束，在左前和右后方水平骨架梁的外端施加X向位移约束，在左后方水平骨架梁的外端施加Y向位移约束，在右前水平骨架梁的外端施加一个方向（Y向）指向连接接头的力矩，大小为40000Nmm（设计经验值）。
4.2 分析结果对比
通过HyperWorks软件完成对三种结构的静态应力分析，分析结果介绍如下：
工况一的分析结果显示：
1、原结构的最大变形量为7.22mm（见图7），位于右前水平骨架梁的外端上边沿中间节点上，方案一的最大变形量为4.63mm，方案二的最大变形量为1.74mm，三个结构的最大变形所处位置相同；
2、原结构骨架梁的最大应力为422Mpa（见图8），最大应力位于水平骨架梁的铆钉孔处，方案一骨架梁的最大应力为177Mpa，最大应力位于支撑骨架梁侧面的铆钉孔处，方案二骨架梁的最大应力值为164Mpa，最大应力点与方案一的位置相同；
3、原方案连接接头的最大应力值为368Mpa， 方案一连接接头的最大应力值为385Mpa，方案二连接接头的最大应力值为137Mpa。
其它工况下的分析结果不再详述，相关数据如表2所示：
由以上对比分析结果可以看出：
（1）方案一在各工况下的最大变形量与原方案相比有高有低，优势不明显；方案二在前三个工况下的最大变形量都低于原方案的最大变形量，方案二在第四个工况下的最大变形量略微高于原方案的最大变形量，但其数值远低于其他三个工况下的数值，由此可见方案二的抗变形优势很明显。
（2）方案一和方案二的骨架梁在前三个工况下的最大应力值均低于原方案骨架梁的最大应力值，在第四个工况下的最大应力值略高于原方案骨架梁的最大应力值，但相差不大，可见方案一和方案二在此方面优势相当。
（3）方案一的连接接头在第三个工况下的最大应力值远低于原方案连接接头的最大应力值，但其他三个工况下的数据均高于原方案的数据；方案二的连接接头在四个工况下的最大应力值均低于原方案连接接头的最大应力值；由此可见方案二的优势凸显。
综合来看，方案二的结构形式更优，而方案一的效果不明显，因此可以参照原结构方案的分析结果对方案二的连接接头进行尺寸优化设计，通过减薄壁厚度来达到减重目的。
4.3 尺寸优化分析
在用有限元计算结构位移和应力时，尺寸优化过程不需要网格重新划分，直接利用灵敏度分析和合适的数学规划方法就能完成尺寸优化。对于具有连续性结构的板或壳，也只是把各单元厚度作为设计变量，优化结果是阶梯形分布的板厚度或壳厚度。在这类优化过程中，设计变量与刚度矩阵一般为简单的线性关系[7]。
参照原方案的分析结果对方案二连接接头进行尺寸优化，优化网格划分为2个集合（见图9），且考虑到该零件为铝合金挤压型材通过切割加工而成，需要保证在同一竖面内的网格料厚相同。
尺寸优化的设计约束要求对方案二结构在四个工况下的最大变形量进行约束，参照原结构的静态分析结果设定如下：
工况一：右前骨架梁外端上边沿中间点处节点的最大变形量约束为不大于7.22mm；
工况二：右前骨架梁外端右边沿中间点处节点的最大变形量约束为不大于3.91mm；
工况三：右前骨架梁外端上边沿右端点处节点的最大变形量约束为不大于3.24mm；
工况四：右前骨架梁外端下边沿左端点处节点的最大变形量约束为不大于0.27mm。
目标函数：设计目标为优化模型的总体质量，使其达到最小。
通过HyperWorks尺寸优化，经过多次迭代计算，函数达到收敛，优化计算结束[8]。新型连接接头的网格厚度云图见图10，由分析结果可以看出，方案二连接接头的优化壁厚为2.8mm和2.89mm。
根据尺寸优化结果确定方案二连接接头的壁厚：X1集合网格壁厚为3.0mm，X2集合网格壁厚亦为3.0mm。将材料壁厚重新导入CAE模型进行分析，分析结果如表3所示：
方案二连接接头优化后在前三个工况下的最大变形量和最大应力值均小于原结构的数值，第四个工况下的最大变形量和最大应力值高于原方案的数值，但相对于其他三个工况而言仍然偏小，可认为结果满足使用要求。
由此可见：方案二优化后的接头在性能与原接头相当的情况下，减重率可以达到37.9%，轻量化效果明显。
5 结语
原有连接结构通过六个彼此分开的角接头与骨架梁进行相互铆接连成一体，接头之间相互独立，在骨架梁侧面进行连接。方案一的连接结构是用一个连接接头的一个套管和四个插入端与骨架梁进行连接，套管与插入端之间组合成一个整体。方案二的连接结构是用一个连接接头的一个套管和8个夹持板与骨架梁进行连接，套管与夹持板之间组合成一个整体。
由CAE分析结果可知，方案一的连接结构与原结构在性能和质量上相差不大，其连接接头尽管为一个独立的整体，但优势不明显，不具有推广价值。方案二的连接结构在性能上有一定的提升，同时方案二的连接接头质量也远低于原方案的组合接头，其优势非常明显，具有推广应用的价值。
参考文献
[1] 杨小见，杨胜，宁忠翼，郝守海.基于HyperMesh的客车转向机支架的优化设计[J]. 客车技术与研究，2012（1）：14-16.
[2] Benedyk J.Light Metals in Automotive Applications[J].Light Metal Age。2000，58（10）：34—35.
[3]刘成虎，李飞鹏，余庆杰，尚厚延. 形变铝合金在客车车身上的应用[J].汽车工艺与材，2012（10）：39-41.
[4]王明哲，王麟平，张宝红，张治民. 铝合金锥壳体成形工艺分析[J].热加工工艺，2013，42（5）：24-26.
[5]潘复生，张丁非等.铝合金及应用[M].北京：化学工业出版杜，2007.
[6] 王松，严运兵，张胜兰. 客车车架有限元分析及尺寸优化[J].汽车科技，2012（4）：35-39.
[7] 卢建志，杨世文，李鹏，任子清. 基于拓扑和尺寸组合优化的ATV车身轻量化研究[J].中北大学学报（自然科学版），2012，33（2）：141-144.
[8]叶盛，辛勇. 基于灵敏度及尺寸优化的汽车车门轻量化[J].机械设计与研究，2013，29（6）：112-115，121.
关键词：客车；铝合金；HyperWorks；优化设计；接头
中图分类号：U463.83 1 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2015）04-0065-05
Abstract： On the basis of aluminum bus frame analysis， a new design for the Cross-shaped aluminum frame connectors， developed two connector programs， using HyperWorks to comparative analysis between the original skeleton connection structure and two new connection structure， finally validation of the performance using size optimization analysis of scheme 2 to develop a lighter aluminum connector.
1 前言
当今社会能源短缺，油价飞涨，而汽车燃油消耗又是能源消耗的重要组成部分[1]。据统计，汽车每减轻其总质量的10%，燃油消耗量可降低6%一8%[2]。因此，各大汽车设计和制造商都在从设计的角度考虑减轻汽车的质量，实现轻量化。
随着轻量化技术在客车上应用的推广，铝合金客车车身骨架技术也在不断提升。目前，铝合金客车车身骨架连接主要有焊接和铆接两种。铝合金焊接相较于钢结构的焊接而言，难度要大，需要操作人员掌握熟练的焊接技术，而且铝合金本身的性能导致骨架容易变形，不易实际操作。铆接相对焊接而言，工艺简单，设备、工装夹具成本低，且车身在装配时不易发生变形[3]，因此铝合金铆接技术更利于实际操作。国内铝合金客车车身骨架技术刚刚起步，铝合金铆接水平还有待提升，特别是骨架梁之间的连接接头还需要不断的创新，挖掘出质量更轻，连接更可靠的铆接接头。以十字形骨架连接接头为例进行全新设计，开发出两种接头方案，再利用HyperWorks对原有骨架连接结构和两种新型连接结构进行对比分析。
2 原有结构
原有的连接结构如图1所示，是采用六个角接头对支撑梁、横梁和纵梁进行组合连接，角接头连接在骨架梁的外侧，每个角接头通过6个铆钉连接着两根骨架梁，整体组合成十字形铝合金骨架支撑连接结构。
由于原有连接结构采用六个角接头对四根骨架梁进行组合铆接固定，接头之间互相孤立，没有统一成一体，接头部位的结构刚性相对较弱，易产生变形。
3 新型结构
一般而言，铝合金连接接头的制作主要采用铸造工艺或者挤压工艺。对于结构复杂的零部件需要采用铸造工艺进行制作，但铸造成本高，效率低，强度低。而挤压工艺具有操作简便，便于实现机械化和自动化，适合于较大批量零件的生产[4]。 考虑到这方面的原因，新型接头也需要采用挤压工艺制作。
本文根据十字形骨架梁支撑结构的特点建立了两种方案模型。方案一的连接结构如图2所示，其采用单个连接接头整体固定四根成十字形的铝合金骨架梁和一根支撑梁。方案一接头（见图3）包括一个套管和四个插入端，套管位于接头中间，为方管结构，其四个外表面的上端垂直分布着四个插入端，结构虽然复杂，但其仍然可以采用铝合金挤压型材经过切割加工制成。使用时，接头中间套管套住支撑梁的上端，在接触的四个面上各采用2个铆钉进行固定连接；而接头四个方向上的插入端分别插入到四根骨架梁内部，在骨架梁的侧面进行铆接固定，每面2个铆钉。
方案二的连接结构如图4所示，也是采用单个连接接头整体固定四根成十字形的铝合金骨架梁和一根竖向支撑梁。接头（见图5）包括一个套管和四对夹持板，套管位于接头中间，为方管结构，其四个外表面的上端垂直分布着四对夹持板。在使用时，接头中间套管套住支撑梁的上端，在接触的四个面上各采用2个铆钉进行固定连接；接头四个方向上的夹持板分别将四根骨架梁卡在中间，并在其侧面采用铆钉进行铆接固定。方案二的连接接头采用“井”字形铝合金挤压型材经过切割加工制成。
方案一与方案二连接结构的相同点在于都是采用接头中间的套管套住支撑梁的上端，并在支撑梁的侧面进行铆接固定，不同点在于方案一采用插入端插入到上方骨架梁的内腔中，而方案二采用两个夹持板卡在上方骨架梁的侧边，两者与骨架梁的位置关系是一个在内，而另一个在外。
4 静态对比分析
在静态应力分析时使用前处理工具HyperMesh进行网格划分，车身骨架的大部分都是薄壁件，于是采用壳单元进行建模，以四边形为主，三角形为辅。划分网格前先抽取薄壁零件的中面，再在中面上划分网格。考虑到连接接头的实际尺寸，有限元模型的精确度[6]，单元尺寸取2mm。
4.1 边界条件的确定
根据十字形铝合金骨架支撑连接结构，在进行静态应力分析时，对支撑梁的下端和三根水平骨架梁的外端进行位移约束，对右前方水平骨架梁的外端施加载荷，具体工况参见图6介绍如下：
工况一：在支撑梁的下端施加三个方向的位移约束，在左前（X负向）和右后（X正向）方水平骨架梁的外端施加X向位移约束，在左后（Y正向）方水平骨架梁的外端施加Y向位移约束，在右前（Y负向）水平骨架梁的外端施加1000N（设计经验值）的集中力，集中力方向竖直向下；
工况二：在支撑梁的下端施加三个方向的位移约束，在左前和右后方水平骨架梁的外端施加X向位移约束，在左后方水平骨架梁的外端施加Y向位移约束，在右前水平骨架梁的外端施加1000N的集中力，集中力方向与X轴相同； 工况三：在支撑骨架梁的下端施加三个方向的位移约束，在左前和右后方水平骨架梁的外端施加X向位移约束，在右前水平骨架梁的外端施加1000N的集中力，集中力方向与Y轴相同；
工况四：在支撑骨架梁的下端施加三个方向的位移约束，在左前和右后方水平骨架梁的外端施加X向位移约束，在左后方水平骨架梁的外端施加Y向位移约束，在右前水平骨架梁的外端施加一个方向（Y向）指向连接接头的力矩，大小为40000Nmm（设计经验值）。
4.2 分析结果对比
通过HyperWorks软件完成对三种结构的静态应力分析，分析结果介绍如下：
工况一的分析结果显示：
1、原结构的最大变形量为7.22mm（见图7），位于右前水平骨架梁的外端上边沿中间节点上，方案一的最大变形量为4.63mm，方案二的最大变形量为1.74mm，三个结构的最大变形所处位置相同；
2、原结构骨架梁的最大应力为422Mpa（见图8），最大应力位于水平骨架梁的铆钉孔处，方案一骨架梁的最大应力为177Mpa，最大应力位于支撑骨架梁侧面的铆钉孔处，方案二骨架梁的最大应力值为164Mpa，最大应力点与方案一的位置相同；
3、原方案连接接头的最大应力值为368Mpa， 方案一连接接头的最大应力值为385Mpa，方案二连接接头的最大应力值为137Mpa。
其它工况下的分析结果不再详述，相关数据如表2所示：
由以上对比分析结果可以看出：
（1）方案一在各工况下的最大变形量与原方案相比有高有低，优势不明显；方案二在前三个工况下的最大变形量都低于原方案的最大变形量，方案二在第四个工况下的最大变形量略微高于原方案的最大变形量，但其数值远低于其他三个工况下的数值，由此可见方案二的抗变形优势很明显。
（2）方案一和方案二的骨架梁在前三个工况下的最大应力值均低于原方案骨架梁的最大应力值，在第四个工况下的最大应力值略高于原方案骨架梁的最大应力值，但相差不大，可见方案一和方案二在此方面优势相当。
（3）方案一的连接接头在第三个工况下的最大应力值远低于原方案连接接头的最大应力值，但其他三个工况下的数据均高于原方案的数据；方案二的连接接头在四个工况下的最大应力值均低于原方案连接接头的最大应力值；由此可见方案二的优势凸显。
综合来看，方案二的结构形式更优，而方案一的效果不明显，因此可以参照原结构方案的分析结果对方案二的连接接头进行尺寸优化设计，通过减薄壁厚度来达到减重目的。
4.3 尺寸优化分析
在用有限元计算结构位移和应力时，尺寸优化过程不需要网格重新划分，直接利用灵敏度分析和合适的数学规划方法就能完成尺寸优化。对于具有连续性结构的板或壳，也只是把各单元厚度作为设计变量，优化结果是阶梯形分布的板厚度或壳厚度。在这类优化过程中，设计变量与刚度矩阵一般为简单的线性关系[7]。
参照原方案的分析结果对方案二连接接头进行尺寸优化，优化网格划分为2个集合（见图9），且考虑到该零件为铝合金挤压型材通过切割加工而成，需要保证在同一竖面内的网格料厚相同。
尺寸优化的设计约束要求对方案二结构在四个工况下的最大变形量进行约束，参照原结构的静态分析结果设定如下：
工况一：右前骨架梁外端上边沿中间点处节点的最大变形量约束为不大于7.22mm；
工况二：右前骨架梁外端右边沿中间点处节点的最大变形量约束为不大于3.91mm；
工况三：右前骨架梁外端上边沿右端点处节点的最大变形量约束为不大于3.24mm；
工况四：右前骨架梁外端下边沿左端点处节点的最大变形量约束为不大于0.27mm。
目标函数：设计目标为优化模型的总体质量，使其达到最小。
通过HyperWorks尺寸优化，经过多次迭代计算，函数达到收敛，优化计算结束[8]。新型连接接头的网格厚度云图见图10，由分析结果可以看出，方案二连接接头的优化壁厚为2.8mm和2.89mm。
根据尺寸优化结果确定方案二连接接头的壁厚：X1集合网格壁厚为3.0mm，X2集合网格壁厚亦为3.0mm。将材料壁厚重新导入CAE模型进行分析，分析结果如表3所示：
方案二连接接头优化后在前三个工况下的最大变形量和最大应力值均小于原结构的数值，第四个工况下的最大变形量和最大应力值高于原方案的数值，但相对于其他三个工况而言仍然偏小，可认为结果满足使用要求。
由此可见：方案二优化后的接头在性能与原接头相当的情况下，减重率可以达到37.9%，轻量化效果明显。
5 结语
原有连接结构通过六个彼此分开的角接头与骨架梁进行相互铆接连成一体，接头之间相互独立，在骨架梁侧面进行连接。方案一的连接结构是用一个连接接头的一个套管和四个插入端与骨架梁进行连接，套管与插入端之间组合成一个整体。方案二的连接结构是用一个连接接头的一个套管和8个夹持板与骨架梁进行连接，套管与夹持板之间组合成一个整体。
由CAE分析结果可知，方案一的连接结构与原结构在性能和质量上相差不大，其连接接头尽管为一个独立的整体，但优势不明显，不具有推广价值。方案二的连接结构在性能上有一定的提升，同时方案二的连接接头质量也远低于原方案的组合接头，其优势非常明显，具有推广应用的价值。
参考文献
[1] 杨小见，杨胜，宁忠翼，郝守海.基于HyperMesh的客车转向机支架的优化设计[J]. 客车技术与研究，2012（1）：14-16.
[2] Benedyk J.Light Metals in Automotive Applications[J].Light Metal Age。2000，58（10）：34—35.
[3]刘成虎，李飞鹏，余庆杰，尚厚延. 形变铝合金在客车车身上的应用[J].汽车工艺与材，2012（10）：39-41.
[4]王明哲，王麟平，张宝红，张治民. 铝合金锥壳体成形工艺分析[J].热加工工艺，2013，42（5）：24-26.
[5]潘复生，张丁非等.铝合金及应用[M].北京：化学工业出版杜，2007.
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[7] 卢建志，杨世文，李鹏，任子清. 基于拓扑和尺寸组合优化的ATV车身轻量化研究[J].中北大学学报（自然科学版），2012，33（2）：141-144.
[8]叶盛，辛勇. 基于灵敏度及尺寸优化的汽车车门轻量化[J].机械设计与研究，2013，29（6）：112-115，121.