轻量化是传统客车和新能源客车的关键共性技术,是当前世界客车工业技术发展的重要方向之一。开展客车轻量化技术的研究和应用是实现节能减排、调整产业结构以及提高自主创新能力的需要。其主要技术实现途径有:结构优化设计、轻质材料应用与先进制造工艺的实施等。以结构尺寸优化方法为主流的先进结构优化设计手段在客车轻量化领域起到关键的指导作用。本课题选取客车骨架的轻量化设计作为研究主题。骨架结构是大型城市客车的主要承载部件,必须在保证强度、刚度以及疲劳性能的前提下实现减重。过往仅考虑静刚度、强度的尺寸优化方法具有一定的局限性,难以实现材料的最佳布局。因此,对客车骨架结构尺寸优化的理论和方法提出创新性要求。针对上述需求,本课题提出等疲劳寿命轻量化设计方法理论并针对某款城市客车开展骨架轻量化设计应用研究,主要的工作内容包括:(1)建立整车多体系统动力学仿真模型,并铺设B级行驶路面模型。针对某款城市客车提炼在各工况下骨架结构关键点处动态峰值力信息,作为骨架有限元分析的载荷边界条件。绘制结构三维几何模型,借助有限单元法理论,划分骨架网格,并进行各行驶工况下有限元分析,提取骨架各部件的疲劳寿命数据,为轻量化设计提供技术支撑。(2)骨架等疲劳寿命优化设计方法结合材料疲劳损伤机理与p-S-N疲劳曲线,准确评价结构在对称循环载荷谱作用下的寿命特性,有效地表征结构各部件的疲劳寿命性能,搭建结构等疲劳寿命计算模型,并针对单一工况条件下等疲劳寿命轻量化模型进行描述,进而构建全工况下等疲劳寿命轻量化设计数学模型,为后续轻量化设计应用研究提供理论基础。(3)以某款客车为例,分别对考虑危险工况骨架轻量化方法和等疲劳寿命骨架优化方法进行实例分析。基于危险工况骨架的设计优化,质量减轻8.84%;基于全工况等寿命骨架设计优化,该方法质量减轻11%,轻量化效果明显优于前者。(4)对两种方法下的客车骨架模型进行静、动态特性校验。基于危险工况轻量化骨架模型最大应力为283MPa,安全系数为1.22,符合设计要求;骨架最大变形小于50mm,满足骨架刚度设计要求。骨架最小疲劳寿命为6.21×105次,小于客车骨架期望寿命,不能满足客车使用要求,且各部分危险点疲劳寿命差值接近1,骨架各部分疲劳寿命分布不均,骨架材料未得到充分利用。对全工况等疲劳寿命骨架模型和基于危险工况轻量化骨架模型进行性能对比校验。首先建立考虑动态峰值力的骨架有限元模型,通过分析得出全工况等疲劳寿命骨架模型过减速带工况下最大应力为259MPa,安全系数为1.3,符合设计要求;骨架最大变形均小于50mm,满足骨架刚度要求。五部分疲劳寿命相对差值小于0.5,骨架疲劳寿命分布较为均匀,使得骨架材料利用率更佳,且各最危险点疲劳寿命均小于全工况等疲劳寿命模型最危险点的疲劳寿命为9.21×105次,大于客车期望疲劳寿命满足客车行驶要求。最后对车身骨架进行模态分析,得出车身骨架前10阶模态的固有频率均在5~12Hz范围内,能够有效避开激励源频率以免发生共振。综上所述,利用全工况等疲劳寿命优化方法进行客车骨架优化设计可以使得骨架轻量化效果更佳的同时,骨架的性能也能达到较好水平,骨架不仅能满足强度,刚度以及疲劳寿命的要求,骨架各部分疲劳寿命分布较为均匀,使得骨架材料利用率更为充分,骨架结构能有效避开激振源频率。基于全工况等疲劳寿命的车身骨架轻量化分析方法对于客车轻量化具有良好的适用性和价值。