1.專案背景
現代道路工業的快速發展,為客車工業的崛起創造了良好的外部條件。客車車身是車輛結構的主體，車身的強度、剛度,關係到車輛執行的安全可靠性和舒適性;車身的防腐耐腐能力、表面保護和裝飾方法,關係到車輛的外觀、壽命;車身的重量,關係到能耗、加減速度;載客能力直接影響到運營質量和經濟效益。目前快速、輕量化不鏽鋼車輛已成為日、韓及歐美各國的應用先進工藝製造技術，而採用全承載技術的不鏽鋼車身因其較好的撞擊吸能特性、耐腐蝕性能、重量輕、維護成本低等特點,已成為國際出口車型重要的發展方向之一。
為創新完善自主工藝技術，縮小客車產品與發達國家差距，全面提高企業製造的競爭能力，開始對全承載不鏽鋼車身技術進行試製研究。其以全承載技術的不鏽鋼車身通過助於有限元分析優化車體設計,對產品設計結構進行了多項改變,車身骨架及車身蒙皮覆蓋件全部採用不鏽鋼材料，其製造工藝完全不同於傳統的碳鋼車身。同時借鑑近年來國外車身製造的新工藝成功經驗和焊接新技術的飛速發展,一些新的技術成果正逐漸應用到不鏽鋼車體的製造中來,從而極大地豐富了不鏽鋼車體的製造工藝手段。
2.專案技術方案的選擇
2.1不鏽鋼材料的選擇
不鏽鋼車體的材料應具有耐高應力、焊接性、輥軋成形性、沖壓性等加工效能良好。能符合上述條件的不鏽鋼通常有兩種:奧氏體系不鏽鋼的sus 301l、sus 304（見表1，表2）。
由於sus 301l具有通過軋制加工而易於增加硬度和抗拉強度的特性,故可根據使用部位選用適當等級的材料;它的含碳量在0.03%以下,能抑制電弧焊時碳化鉻的析出,是一種可以防止晶界腐蝕裂紋的材料, 國際上不鏽鋼車輛上採用的多為奧氏體系sus301l 類不鏽鋼材料。
結合全承載客車技術，在材料選擇上車身骨架採用的是各種不同規格的不鏽鋼sus301l冷拔的無縫方管，在強度要求不嚴格一些預埋件部位採用的sus304 板材. 其材料具有較高的抗拉強度,還具有良好的沖壓、點焊等效能。
圖1 全承載不鏽鋼車身骨架
2.2 焊接相關裝置的選擇：
由於不鏽鋼車身的整個結構與傳統的碳鋼車體有較大差異,因而其焊接工藝與傳統的車體焊接工藝（焊機裝置、焊絲材料、切割工藝）方面有很大不同。
2.3.1焊接裝置
不鏽鋼焊接一般採用氬弧焊（tig焊）、熔化極惰性氣體保護焊（mig焊）、不鏽鋼藥芯焊絲電弧焊等多種方式。針對客車製造行業目前是一種勞動密集型企業特點，結合產品質量和效率原則，我們選用了全數字igbt逆變控制直流脈衝mig自動焊接機，滿足包括碳鋼、不鏽鋼在內的最佳電弧特性的脈衝或非脈衝焊接，其不鏽鋼mig焊要點及注意事項如下：
1） 採用純氬氣（純度為99.99%）或ar+2%o2,流量以20~25l/min為宜。
2）電弧長度，不鏽鋼的mig焊接，一般都在噴射過渡的條件下來施焊，電壓要調整到弧長在4~6mm的程度。
3）防風。mig焊接容易受到風的影響，有時微風而產生氣孔，所以風速在0.5m/sec以上的地方，都應當採取防風措施。
圖2 數字igbt逆變控制直流脈衝mig自動焊接機
2.3.2 焊絲材料選擇
針對焊絲材料選用上，公司與省汽車產品質量監督檢驗站進行多樣對比抗拉強度試驗。在不鏽鋼-不鏽鋼焊接選用牌號er308l/1.0mm實芯焊絲，不鏽鋼-16mn異種材料焊接選用.
牌號er309/1.0mm實芯焊絲。其試驗結果依據gb/t228-2002,在溫度25℃、相對濕度55%條件下，抗拉強度在680-735n/mm2,其抗拉強度高於16mn材質，滿足了客車了產品質量要求。
2.3.3 不鏽鋼切割工藝選擇
不鏽鋼的振動氣割不鏽鋼在氣割時生成難熔的cr2o3，所以不能用普通的火焰切割方法進行切割。不鏽鋼焊接結構的製造中，如果厚度適宜，應盡量採用切割***、效率高的等離子弧切割及雷射切割工藝。結合公司裝置及條件在產品切割方面，矩形管下料採用了盤式鋸床、弓式鋸床下料；板材方面採用雷射切割方式；區域性切割採用等離子切割方式。
3. 專案車身結構的有限元分析
新型不鏽鋼車採用超低碳(c<0. 03% )的sus301l車輛專用經濟不鏽鋼,根據壓延率的不同分成lt、dlt、st、mt、ht共5個強度級。sus301l的改性壓延狀態機械效能代號ht的屈服點在961 n/mm2以上,拉伸強度在1 275 n/mm2以上,但其縱向彈性模量(e)卻只有鋼的85% (鋼的e=2.
06×105n/mm2以上,不鏽鋼的e=1. 76×105n/mm2),這意味著不鏽鋼車體比同樣結構(當然結構是有很大不同的)耐候鋼車剛度要小。因此車輛設計者在產品設計過程中,借助於電子計算機進行有限元計算方法(如ansys 軟體) ,來分析車體的受力、變形以及應力分布情況,充分地利用了材料的高抗拉強度,設計出薄壁矩形管（方管）構成的全承載車體，來盡量增大車身剛度。
3.1建立模型
在ug建模環境下建立整車的數學模型。客車骨架是一種焊接結構，它由前圍、後圍、頂蓋、底架、及左右側圍等六大部分構成，因此，根據車身的這個結構特點，對骨架三維幾何模型抽取中面，模型簡化：
（1）忽略蒙皮和玻璃對車身剛度的影響。
（2）忽略倉門及內飾件對車身剛度的影響。
（3）忽略其他非承載件對車身剛度的影響。
（4）將發動機與變速箱簡化成集中質量的形式。
（5）將座椅簡化成集中質量的形式。
（6）忽略懸掛對模態的影響。
圖3 整車骨架有限元模型
3.2 前處理
3.2.1模型連線：
客車骨架的零件間主要是通過縫焊連線，縫焊連線採用剛性單元（rbe2）模擬，縫焊連線採用以下方式處理：
（1）絕大部分縫焊採用邊面投影法和邊邊對應的方法，用剛性單元（rbe2或rbe3）連線；部分採用面面膠合連線。
（2）極少數縫焊，進行幾何縫合，使之一體化。
（3）車架上所有的鉚釘連線和螺栓連線採用剛性單元（rbe2或rbe3）模擬。
3.2.2材料屬性：
客車骨架薄壁件的厚度分別從1.5mm－16mm不等；材料為sus301l lt、dlt、st、mt、ht共5個強度級。
3.2.3網格劃分：
對車身的中面模型建立有限元模型，大部分採用二維四結點（quad4）和二維三結點（tria3）殼單元；少數的零件採用四面體（tria10）單元。單元總數約31萬（如表一）。
3.2.4載荷處理：
主要承載物包括整車骨架，空調，發動機，冷卻水箱，變速箱及緩速器，內裝飾，暖氣裝置，座椅，乘員，木地板，玻璃，油箱（加滿），衛生間，蓄電池等等。其中發動機、緩速器、座椅及乘員以質量點的形式載入，其餘以均部力的形式載入。
圖4 整車骨架有限元模型載入圖
3.2.5 約束條件
整個客車骨架結構主要是通過前後空氣彈簧與懸架連線，因此在靜力分析時，將根據不同工況對這些位置進行約束。
3.3 工況計算
進行靜態分析，是為了計算車身結構在極限載荷作用下的變形和應力，故採用滿載多工況計算。工況包括彎曲工況、扭轉工況。
3.3.1彎曲工況
汽車勻速行駛時車身受載發生彎曲變形，這與靜態彎曲工況相同，故使用彎曲工況對汽車在平直路面上行駛時的剛度和強度進行計算。邊界條件如下定義：
（1）考慮汽車行駛時受到路面衝擊載荷的影響，將所有的質量、載荷乘以k=1.5的動載係數。（2）將空氣彈簧支架進行全約束。
3.3.2扭轉工況
在實際情況下，汽車左前輪懸空，右前輪抬高，被認為是比較嚴重的扭轉工況。扭轉工況在模擬該工況時邊界條件如下：車身後空氣彈簧支架全約束；左前空氣彈簧支架懸空；右前空氣彈簧支架施加扭矩，大小為前軸負荷的一半乘以輪距。
3.3.3緊急制動工況：
緊急制動工況計算客車以最大制動加速度0.8g制動時，對車身施加縱向慣性力作用，以附加等效載荷的形式加到車身，來反映地面制動力對車身的影響。緊急制動工況的邊界條件為：
約束前輪裝配位置處節點的三個平動自由度ux、uy、uz，約束後輪裝配位置處節點的垂直自由度和縱向自由度，釋放其它自由度。
3.3.4緊急轉彎工況：
作為輕量化後的骨架驗算載荷，緊急轉彎工況計算當客車以最大橫向加速度0.4g轉彎時，對車身施加橫向慣性力作用，以附加等效載荷的形式加到車身，來反映地面附著力對車身的影響。緊急轉彎工況的邊界條件為：
約束前輪裝配位置處節點的三個平動自由度ux、uy、uz；約束後輪裝配位置處節點的三個平動自由度ux、uy、uz。
3.3 計算結果及分析
車身骨架高應力區主要在後圍，底架和地板等處。由於發動機後置，後橋軸荷較大，在後車架的載荷作用區存在有應力集中，最大應力110.8mpa，在後懸架處。
以下是車身骨架內力圖，由以下各內力圖可以全面了解整車的受力狀況，在進行整車受力分析和截面設計時作為依據。
圖5 該型樣車身整體彎曲工況應力分布圖
圖6 該型樣車側圍彎曲工況應力分布圖
圖7 該型樣車發動機處彎曲工況應力分布圖
圖8 該型樣車後懸架處彎曲工況應力分布圖
根據上述車身強度和剛度分析，該型原樣車車身整體彎曲和扭轉剛度稍大，開口變形小，彎曲和扭轉應力水平適中，強度儲備處在合理範圍。但車身骨架應力分布不均，區域性存在高應力區，有必要對相應結構作進一步改進設計。
4 該型骨架輕量化設計方案
4.1 輕量化設計方案
在充分了解和掌握該型車身骨架的受力狀況下，結合不鏽鋼材料高抗拉強度優勢，同時兼顧型材規格與裝配工藝，提出合理設計方案，不鏽鋼車體結構受力部件主要使用不同強度等級sus301l不鏽鋼,此外在底架關鍵部位還採用了的高強度鋼管，其底架採用的是由矩形管（方管）構成的格柵式結構，底架與前/後圍、左/右側圍、車頂五大片組成的封閉環的「 鳥巢」結構,由於沒有車架，故可降低地板和整車高度，整個車身參與載荷，上下部結構形成統一整體，在承受載荷時，使整個車身殼體達到穩定平衡狀態。其優點是：車身重量降低共減重295.
43kg，結構強度與剛度提高；簡化構件的成型過程，提高材料利用率.
4.2 輕量化方案對比分析
a)原車與不鏽鋼車車身變形對比分析
軌道客車不鏽鋼車體焊接工藝研究
摘要 本文對軌道客車不鏽鋼車體的焊接生產過程進行了深入而細緻的研究,選擇了先進合理的 成熟可靠的軌道客車不鏽鋼車體焊接工藝,確定了焊接生產工藝裝置,形成了系統的認識,用於指導生產實踐可形成軌道客車不鏽鋼車體焊接生產線,對軌道客車製造企業具有一定指導意義。關鍵詞 軌道客車不鏽鋼車體焊接工藝 1 前言 ...
鋅鋼 方鋼 不鏽鋼欄杆技術要求
樓梯欄杆 陽台欄杆 飄窗欄杆 施工技術要求 一 工程概況 二 欄杆主要技術引數 1 陽台欄杆 1 為方剛欄杆 方剛欄杆為方剛扶手，高1.1公尺，主杆為30 60 1.2，其他為40 40 1.2和30 30 1.2，顏色為黑灰色，欄杆樣式附後。空調外機處欄杆為方剛扶手，高0.6公尺，主杆為40 40...
不鏽鋼欄杆安全技術交底
表c2 2 施工單位 編號 工程名稱1.工程概況 新建單位工程平台及鋼爬梯的不鏽鋼欄杆安裝，不鏽鋼欄杆規格為202。根據施工圖紙要求，立桿及麵桿為 45，中間橫桿為 35，欄杆壁厚為2mm。根據新建單位工程施工圖紙要求，平台欄杆高度為1.2m，四道水平橫桿 其餘單位工程平台及鋼爬梯欄杆三道水平橫桿，...