宋明亮，鄭國(guó)君,靳春寧，胡 平

(1.大連理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院，大連 116024； 2.大連理工大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，大連 116024)

2016130

基于車(chē)頂抗壓強(qiáng)度的房車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化*

宋明亮1,2，鄭國(guó)君1,靳春寧1，胡 平1

(1.大連理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院，大連 116024； 2.大連理工大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，大連 116024)

針對(duì)目前房車(chē)設(shè)計(jì)缺少相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)依據(jù)的現(xiàn)狀，首先根據(jù)市場(chǎng)定位選定基礎(chǔ)車(chē)型，進(jìn)行車(chē)身造型和車(chē)廂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；參考GB 26134—2010和FMVSS 216a等標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)頂部結(jié)構(gòu)進(jìn)行正中施壓和偏置施壓的仿真分析，進(jìn)行框架布局和板件厚度多目標(biāo)優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行自由模態(tài)和剛度的驗(yàn)證。結(jié)果表明：該方法不僅對(duì)房車(chē)改型設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)房車(chē)頂部承壓結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，具有較高的工程實(shí)用性。

房車(chē)；車(chē)頂抗壓強(qiáng)度；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

前言

房車(chē)是現(xiàn)代人旅游、度假的交通與居住手段的結(jié)合體。在美國(guó)和歐洲，房車(chē)已經(jīng)成為人們休閑旅游甚至日常生活中的重要設(shè)施。隨著我國(guó)旅游業(yè)的蓬勃發(fā)展，房車(chē)在國(guó)內(nèi)也逐步得到了重點(diǎn)關(guān)注[1]。房車(chē)主要可分為兩大類(lèi)，即自行式房車(chē)和拖掛式房車(chē)。其中自行式房車(chē)擁有完整的發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤(pán)，兼顧了住宿和運(yùn)輸；而拖掛式房車(chē)則需要專(zhuān)門(mén)的機(jī)械車(chē)輛進(jìn)行牽引。自行式B型房車(chē)也被稱(chēng)為“廂式露營(yíng)車(chē)”，是在中小型廂式車(chē)的基礎(chǔ)上改裝而成的。該型房車(chē)在經(jīng)濟(jì)性、通用性和操作性等方面具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，目前在我國(guó)得到了大量改裝廠的青睞，并形成了一定的規(guī)模。

由于車(chē)輛在公路上行駛時(shí)，有可能會(huì)因?yàn)槁访媲闆r或者高速轉(zhuǎn)彎發(fā)生翻車(chē)事故，其車(chē)架頂部受沖擊載荷發(fā)生大變形，從而對(duì)乘員構(gòu)成嚴(yán)重傷害[2-3]。為了保護(hù)乘員在翻車(chē)事故中的安全，國(guó)內(nèi)外針對(duì)車(chē)頂強(qiáng)度進(jìn)行了大量研究[4-6]。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上出現(xiàn)的廂式房車(chē)，幾乎都屬于改裝車(chē)輛，針對(duì)其進(jìn)行的車(chē)頂抗壓強(qiáng)度研究還比較少，且沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)房車(chē)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，因此本文主要參考GB 26134—2010《乘用車(chē)頂部抗壓強(qiáng)度》[7]和FMVSS 216a(美國(guó)聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車(chē)標(biāo)準(zhǔn))對(duì)房車(chē)的頂部抗壓進(jìn)行分析，并以頂部抗壓強(qiáng)度為約束條件對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文中闡述了國(guó)內(nèi)首臺(tái)承載式車(chē)身底盤(pán)自動(dòng)擋自行式房車(chē)的研制過(guò)程。首先通過(guò)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)需求和市場(chǎng)定位選定基礎(chǔ)車(chē)型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行房車(chē)造型設(shè)計(jì)和車(chē)身框架結(jié)構(gòu)原型設(shè)計(jì)；然后基于頂部抗壓分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)的輕量化與可行性設(shè)計(jì)；最后選擇優(yōu)化后的車(chē)身框架設(shè)計(jì)方案，結(jié)合玻璃鋼材料制作房車(chē)車(chē)廂表皮完成了樣車(chē)試制。

1 房車(chē)原始車(chē)型選擇與造型設(shè)計(jì)

通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外房車(chē)產(chǎn)品，結(jié)合我國(guó)房車(chē)市場(chǎng)產(chǎn)品現(xiàn)狀，考慮車(chē)輛舒適性和車(chē)體長(zhǎng)度等因素制定研發(fā)目標(biāo)為：C駕駛證可駕駛的承載式車(chē)身底盤(pán)、自動(dòng)擋自行式房車(chē)。首先根據(jù)我國(guó)駕駛證準(zhǔn)駕規(guī)范，C駕駛證人員駕駛車(chē)輛車(chē)長(zhǎng)≤6m，乘坐人員≤9人，車(chē)輛載質(zhì)量≤4 500kg，選擇某款商務(wù)車(chē)為改裝原型，如圖1所示。

根據(jù)我國(guó)道路相關(guān)法規(guī)及原車(chē)數(shù)據(jù)，綜合考慮車(chē)內(nèi)人機(jī)空間和車(chē)輛質(zhì)心等問(wèn)題，最終制定房車(chē)尺寸為5 990mm×2 120mm×2 755mm，整車(chē)整備質(zhì)量定為2 525kg。保持原始車(chē)型的底盤(pán)和駕駛室部分不變，截掉廂式車(chē)廂，根據(jù)房車(chē)內(nèi)部空間需求進(jìn)行房車(chē)車(chē)廂的設(shè)計(jì)，圖2為改裝后原車(chē)保留下來(lái)的主要結(jié)構(gòu)框架，圖3為房車(chē)車(chē)身外形的設(shè)計(jì)示意圖。

2 房車(chē)車(chē)廂骨架初始設(shè)計(jì)

車(chē)廂和內(nèi)部家居的布置，必然要對(duì)原車(chē)身后部進(jìn)行重大修改。為確保整車(chē)性能與剛度，使用鋁合金方管構(gòu)成車(chē)廂骨架，與原車(chē)身駕駛室的B柱后端接頭處采用鉚接與結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行緊固連接，底部框架與原車(chē)地板和地板下部支撐橫梁采用結(jié)構(gòu)膠與螺栓的混合連接方式，從而使原車(chē)身與改裝骨架構(gòu)成一體連接。該方案一方面利于與房車(chē)外表面造型保持一致，另一方面也有利于形成堅(jiān)固的車(chē)廂、駕駛室一體化結(jié)構(gòu)。圖4為幾種連接方案的示意圖。

為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方案，可初步設(shè)定鋁合金矩形管截面尺寸均為30mm×30mm，厚度均為2mm。圖5為房車(chē)車(chē)廂框架結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)。

3 房車(chē)頂部強(qiáng)度仿真分析

3.1 房車(chē)有限元模型

車(chē)身外表面采用了較薄的玻璃鋼以利于快速成形，首先按照表1所示的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。

表1 單元?jiǎng)澐謽?biāo)準(zhǔn)

最終得到的模型共有354 922個(gè)單元，359 071個(gè)節(jié)點(diǎn)，采用BEAM(LSDYNA-MAT100號(hào)材料)單元模擬原始骨架間的焊接，采用RIGID(*CONSTRAINED_NODAL_RIGID_BODY)單元模擬鋁合金框架與原車(chē)框架間的螺栓連接。

原車(chē)底盤(pán)框架結(jié)構(gòu)采用低碳鋼鋼板，車(chē)廂框架采用鋁合金管材，車(chē)身外殼采用玻璃鋼，各部分材料參數(shù)如表2所示[8]。

表2 房車(chē)主要的材料參數(shù)

3.2 頂部抗壓分析

根據(jù)GB 26134—2010，試驗(yàn)時(shí)將車(chē)輛剛性固定在剛性平面上，同時(shí)將活動(dòng)車(chē)頂或可拆卸車(chē)頂固定在乘員艙頂部，拆除車(chē)頂行李架或其它不屬于車(chē)頂結(jié)構(gòu)的部件。

3.2.1 頂部正中施壓仿真分析

車(chē)身頂部承壓能力與車(chē)輛頂部結(jié)構(gòu)直接相關(guān)。為綜合考察車(chē)頂結(jié)構(gòu)性能，保持車(chē)身頂部結(jié)構(gòu)完整，采用剛性壓力板沿著垂向緩慢均勻的下移，對(duì)車(chē)頂施加載荷。仿真過(guò)程中，在不考慮材料應(yīng)變率的前提下，可通過(guò)提高加載速度縮短仿真時(shí)間[9-10]，剛性壓力板下壓速度為1m/s，加載時(shí)間為0.15s，壓力板總位移為150mm，圖6為車(chē)頂和框架變形云圖，圖7為車(chē)身頂部正中施壓試驗(yàn)的位移載荷曲線。

3.2.2 頂部偏置施壓仿真分析

按照GB 26134—2010要求定位加載裝置：裝置下表面為1 829mm×762mm的平整矩形表面；剛性板的縱軸與穿過(guò)汽車(chē)縱向中心線的垂直面平行，并且在側(cè)視圖中，縱軸前傾角為向下5°；在正視圖中，剛性板橫軸的外傾角為水平向下25°；剛性板縱軸的最前端比剛性板與汽車(chē)車(chē)頂加載的初始點(diǎn)向前254mm。為消除車(chē)身側(cè)向移動(dòng)，對(duì)其框架底部施加剛性固定約束。與車(chē)頂正中施壓一樣，仿真過(guò)程中剛性壓力板下壓速度為1m/s，加載時(shí)間為0.15s，壓力板總位移為150mm，圖8為車(chē)頂偏置施壓的變形云圖，圖9為車(chē)頂偏置施壓的位移載荷曲線。

從圖9可見(jiàn)，在頂部被壓至127mm時(shí)，頂部接觸力始終低于22 240N，這說(shuō)明車(chē)頂前段結(jié)構(gòu)不滿(mǎn)足GB 26134—2010的要求。從圖8所示的變形云圖可見(jiàn)，參與頂部受壓變形的頂部框架結(jié)構(gòu)主要集中在與B柱相連接的車(chē)廂頂部前部區(qū)域，說(shuō)明該區(qū)域的強(qiáng)度需要進(jìn)行有效加強(qiáng)。同時(shí)，從圖9可見(jiàn)，受壓變形的前60mm的接觸力很低，這主要是因?yàn)檐?chē)廂前部區(qū)域的玻璃鋼外殼與鋁合金框架之間具有較寬的距離，而玻璃鋼車(chē)身外殼抵抗變形的能力較低，在鋁合金框架未參與變形之前，其抵抗變形能力非常有限。因此，后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是改進(jìn)車(chē)身造型和框架的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和尺寸。

4 房車(chē)頂部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)前面分析結(jié)果可知，該房車(chē)的原始框架不能滿(mǎn)足車(chē)頂抗壓強(qiáng)度需求，因此，需要針對(duì)車(chē)身造型、框架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和鋁合金管材尺寸、厚度等進(jìn)行優(yōu)化。

首先從圖9的分析結(jié)果可知，為提高受壓變形量60mm之前的承載力，需要縮小外殼與骨架之間的間隙，考慮到車(chē)身外殼造型的美觀需求，只能通過(guò)調(diào)整鋁合金框架的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)縮小該間隙的要求。然后還需要通過(guò)改變框架結(jié)構(gòu)厚度的匹配進(jìn)一步優(yōu)化，以承載系數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)，其計(jì)算公式為

(1)

式中：K為承載系數(shù)；F為車(chē)頂最大承載力；M為整車(chē)整備質(zhì)量；g為重力加速度，取9.8m/s2。

按照受力情況和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將車(chē)廂框架鋁合金管劃分為共6大類(lèi)，如圖10所示，圖中不同線型表示不同厚度。

4.1 優(yōu)化模型

優(yōu)化分析的目的在于讓車(chē)頂強(qiáng)度滿(mǎn)足GB 26134—2010的情況下，盡可能少地增加框架質(zhì)量，其優(yōu)化模型定義如下：

1.2.9 高頻聽(tīng)力損失診斷標(biāo)準(zhǔn)純音聽(tīng)閾測(cè)定結(jié)果參照 《職業(yè)性噪聲聾診斷標(biāo)準(zhǔn)》(GBZ49—2007)表A.1進(jìn)行年齡、性別修正。雙耳3000 Hz、4000 Hz、和6000 Hz高頻頻段平均聽(tīng)閾≥25 dB(HL)者定為高頻聽(tīng)力損失。

(2)

式中：MFrm為鋁合金框架總質(zhì)量；Ti為鋁合金管厚度；K1為正中施壓承載系數(shù)，此處可按照FMVSS 216a取值3.0；K2為偏置施壓承載系數(shù)，綜合考慮到目前法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)需求，可按照GB 26134—2010取值為1.5。為提高優(yōu)化分析效率，本文中采用代理模型法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化求解，即通過(guò)對(duì)試驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)值模擬，擬合目標(biāo)、約束與設(shè)計(jì)變量之間的函數(shù)關(guān)系式(響應(yīng)面函數(shù))，進(jìn)而將仿真優(yōu)化轉(zhuǎn)化成回歸函數(shù)的優(yōu)化[11-12]。

4.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行6因素4水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共32組，表3為部分試驗(yàn)點(diǎn)取點(diǎn)分布。

4.3 近似模型與優(yōu)化結(jié)果分析

對(duì)MFrm和K采用二次多項(xiàng)式回歸模型：

表3 正交試驗(yàn)表格

(3)

式中：f(x)為目標(biāo)函數(shù)；m為設(shè)計(jì)變量個(gè)數(shù)，取m=6；β為多項(xiàng)式系數(shù)；xi為第i個(gè)設(shè)計(jì)變量，在本文中為各鋁合金管不同厚度。

對(duì)其回歸模型用決定系數(shù)和調(diào)整系數(shù)進(jìn)行精度檢查，然后通過(guò)遺傳算法對(duì)近似模型進(jìn)行優(yōu)化并求得優(yōu)化解，如表4所示?？紤]到鋁合金管材的實(shí)際厚度，還需要對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。

表4 優(yōu)化分析結(jié)果 mm

將表4所得的實(shí)際優(yōu)化值代入上述有限元模型，對(duì)優(yōu)化分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖11和圖12所示。

由圖可見(jiàn)，正中承壓載荷同時(shí)滿(mǎn)足GB 26134—2010和FMVSS 216a的要求，偏置承壓載荷滿(mǎn)足GB 26134—2010要求，但略低于FMVSS 216a要求。由于房車(chē)的頂部空間比通常的乘用車(chē)頂部空間大，在頂部受壓過(guò)程中，其內(nèi)部剩余空間相當(dāng)充裕，因此目前的優(yōu)化結(jié)果基本符合頂部抗壓強(qiáng)度的要求。另外，從圖13的能量吸收情況可見(jiàn)，沿Z向分布的鋁合金管(圖中的側(cè)邊框架)在受壓變形中吸收能量遠(yuǎn)高于頂部和底部框架，其強(qiáng)度和厚度對(duì)于車(chē)頂抗壓具有非常重要的影響，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意加強(qiáng)Z向分布鋁管的強(qiáng)度。

表5為鋁合金框架優(yōu)化前后的質(zhì)量變化情況。

表5 鋁合金車(chē)身框架質(zhì)量統(tǒng)計(jì) kg

同時(shí)，為進(jìn)一步考察房車(chē)框架的靜態(tài)性能，分別對(duì)其進(jìn)行了自由模態(tài)分析、扭轉(zhuǎn)剛度分析和彎曲剛度分析，其結(jié)果如表6和表7所示。

表7 剛度分析結(jié)果

從表5～表7可看出，優(yōu)化之后車(chē)身結(jié)構(gòu)的剛度和低階模態(tài)基本上與原始結(jié)構(gòu)相當(dāng)，但總質(zhì)量有一定程度上的降低。

5 樣車(chē)試制

玻璃鋼由樹(shù)脂、增強(qiáng)材料和多種輔助成份組合而成，其具有的質(zhì)量輕、成形性能好、防腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，使其在客車(chē)車(chē)身，比如前后圍等[13-14]已經(jīng)得到了大量的應(yīng)用。本次樣車(chē)試制根據(jù)頂部抗壓分析結(jié)果，選擇優(yōu)化后的車(chē)身框架設(shè)計(jì)方案，結(jié)合玻璃鋼材料制作房車(chē)車(chē)廂表皮完成了樣車(chē)試制，如圖14所示。

6 結(jié)論

本文中闡述了承載式車(chē)身底盤(pán)自動(dòng)擋自行式房車(chē)的研制過(guò)程，在房車(chē)框架設(shè)計(jì)過(guò)程中，參考GB 26134—2010和FMVSS 216a等標(biāo)準(zhǔn)，利用有限元數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)房車(chē)頂部抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了詳細(xì)分析和有效優(yōu)化。

(1) 采用玻璃鋼車(chē)身需要考慮車(chē)身外殼與結(jié)構(gòu)框架之間的間隙，尤其是車(chē)頂部分，過(guò)大的間隙會(huì)嚴(yán)重影響到車(chē)頂抗壓強(qiáng)度。

(2) 沿Z向分布的鋁合金管厚度對(duì)于車(chē)頂抗壓結(jié)果具有非常重要的影響，框架設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮通過(guò)提高Z向分布的強(qiáng)度，以更好地滿(mǎn)足車(chē)頂抗壓強(qiáng)度。

(3) 自行式房車(chē)車(chē)廂可供乘員乘坐，但目前尚無(wú)房車(chē)相關(guān)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，本文中參考GB26134—2010和FMVSS 216a對(duì)其頂部抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，自行式房車(chē)的頂部空間較大，能夠很好地滿(mǎn)足頂部抗壓需求，但未結(jié)合側(cè)面碰撞防護(hù)、尾部碰撞防護(hù)來(lái)綜合考慮整車(chē)耐撞性，同時(shí)針對(duì)玻璃鋼的斷裂失效模式及仿真參數(shù)的精確標(biāo)定，也是下一步研究工作的重點(diǎn)內(nèi)容。

[1] 寧文祥.我國(guó)房車(chē)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及問(wèn)題[J].專(zhuān)用汽車(chē),2015(2):51-53.

[2] 曹立波,顏凌波.汽車(chē)翻滾安全性研究及試驗(yàn)概覽[J].汽車(chē)工程學(xué)報(bào),2012,34(4):235-248.

[3] DIETMAR O, CHRISTIAN K. Rollover accidents of cars in the german road traffican in-depth analysis of injury and deformation pattern by GIDAS[J]. International Journal of Crashworthiness,2005,10(1):75-86.

[4] 彭倩.轎車(chē)準(zhǔn)靜態(tài)頂蓋抗壓及動(dòng)態(tài)翻滾虛擬試驗(yàn)研究[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2012.

[5] JEYA P, MOFFATT E A, MARTH D R. Factors influencing the likelihood of fatality and serious/fatal injury in single-vehicle rollover crashes[J]. SAE Transactions,2005,114(6):1072-1085.

[6] 劉爽,高云凱,張?chǎng)H鵬.轎車(chē)車(chē)頂結(jié)構(gòu)的綜合性能分析與評(píng)價(jià)[J].汽車(chē)技術(shù),2012(1):17-22.

[7] 中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心.GB 26134—2010乘用車(chē)頂部抗壓強(qiáng)度[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011.

[8] 張小蘋(píng),謝小芳,邵蘇達(dá),等.玻璃鋼復(fù)合材料密度的測(cè)試與真實(shí)值范圍[J].玻璃鋼,2012(2):6-9.

[9] 魏顯坤,楊晶晶,米林.鋁合金保險(xiǎn)杠準(zhǔn)靜態(tài)壓潰仿真與試驗(yàn)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2013,27(8):14-17.

[10] 王青春,范子杰.利用Ls-Dyna計(jì)算結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜態(tài)壓潰的改進(jìn)方法[J].力學(xué)與實(shí)踐,2003,25(3):20-23.

[11] 陳新.基于頂壓及側(cè)碰安全性的B柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2012.

[12] 季楓,王登峰,陳書(shū)明,等.轎車(chē)白車(chē)身隱式全參數(shù)化建模與多目標(biāo)輕量化優(yōu)化[J].汽車(chē)工程,2014,36(2):254-258.

[13] 蘭鳳崇,鐘陽(yáng),莊良飄,等.基于自適應(yīng)響應(yīng)面法的車(chē)身前部吸能部件優(yōu)化[J].汽車(chē)工程,2010,32(5):404-408.

[14] 陳再霖,陳成海,郝守海.客車(chē)玻璃鋼前后圍開(kāi)發(fā)[J].汽車(chē)科技,2012(3):35-39.

Design and Optimization of Recreational VehicleStructures Based on Roof Crush Resistance

Song Mingliang1,2, Zheng Guojun1, Jin Chunning1& Hu Ping1

1.SchoolofAutomobileEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024;2.SchoolofArchitecture&FineArt,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024

In view of the present situation that the design of recreational vehicle lacks standard or regulation basis, a base vehicle model is selected first according to market positioning, and its body styling and structural design are conducted. Then simulations are performed on roof structure under both central and offset crushing conditions with GB 26134—2010 and FMVSS 216a as references. Multi-objective optimizations on skeleton layout and panel thicknesses are performed with their free-mode frequencies and stiffness verified. The results show that the method adopted not only has certain guiding significance for retrofit design, but can also achieve the optimization of load-bearing roof structure of recreational vehicle, with rather high engineering practicality.

recreational vehicles; roof crush resistance; structure optimization

*國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金(51405060)資助。

原稿收到日期為2015年4月27日，修改稿收到日期為2015年7月13日。