一種仿加勒比僧海豹的低風阻客車骨架結構及其設計方法與流程

2023-11-07 16:10:57 1

本發明涉及一種客車車身結構和設計方法，更具體地說，本發明涉及一種仿生加勒比僧海豹的具有低阻力特性的客車骨架及其設計方法。

背景技術：

客車作為交通運輸的一大主體，具有機動靈活，載客量多的特點。隨著城市人口的與日俱增，人們的出行要求和頻率也大大增加，日益緊張的交通現狀對客車質量提出了更加嚴苛的要求。

目前的客車大多採用方正的箱型結構，風阻係數較大，不利於燃油消耗和節能減排。

仿生方法通過了解生物的結構和功能原理，研製新的機械和新技術，或解決機械技術的難題。目前，仿生技術在高速列車以及概念汽車的應用較多，但在客車特別是在客車整車外形和結構上的應用較少。

加勒比僧海豹是海豹科、僧海豹屬的一種海洋哺乳動物。在自然環境中，加勒比僧海豹的體長可超過2米，體重可達200公斤，對比12米客車的重量，兩者具有較好的相似性。

在水下時，加勒比僧海豹渾圓、流線型的身體，在水中產生很小的阻力，能夠靈活地遊動，躲避掠食者。

技術實現要素：

在這些背景下，本發明所要解決的技術問題是提供一種基於仿生仿加勒比僧海豹的具有低阻力特性客車骨架結構及其設計方法，使客車具有優良的低風阻空氣動力學特性，同時，客車車體結構基於仿生外形確定，具有很好的類生物結構力學特徵。

本發明的具體技術方案結合附圖說明如下：

一種仿加勒比僧海豹外形的低風阻客車骨架結構，主要由駕駛艙、乘員艙、客車車身和車門組成，所述駕駛艙骨架由曲梁通過焊接連接，駕駛艙前部有類似海豹前顎的凸出結構，用於安裝發動機；所述的乘員艙由縱梁、橫截面環形梁和地板構成；所述客車車身的橫截面的形狀由其橫截面的寬度w和高度h形成的拋物線所構建，表達式為y1＝40h/(81w^2)-1h/2,y2＝95/(16h^2)；所述的車門布置在駕駛艙，逃生門布置在車體尾部，貨艙布置在地板以下，中間由隔板分成前部貨艙，中部貨艙和尾部貨艙。

所述駕駛艙由兩根前風窗橫梁、三根向前凸出的曲梁、底部大梁以及連接梁組成，所述車門位於駕駛艙右部，並設置有兩級踏步，發動機布置於駕駛艙前部的凸出位置，安裝在駕駛艙底部的大梁上；

所述乘員艙有7根環形梁，環形梁與車身側面的腰梁共同構成圓滑的側圍，同時，環形梁與左、右兩側風窗上縱梁間的上部區域作為車頂區域，車頂成弧形，向上凸出；環形梁與車身底部的縱梁構成底架結構。

所述底架採用斜撐，特別是在前後懸的位置採用斜撐，以增加結構的剛度。

所述橫截面環形梁由兩條開口方向相互垂直的拋物線構成，拋物線公式為y1＝40h/(81w^2)-1h/2,y2＝95/(16h^2)，w為橫截面的寬度，h為高度；考慮每一個環形梁所處位置的受力情況不同，其加強的形式會有所不同，環形梁中垂向布置的杆件主要承受垂向載荷，斜向布置的杆件主要用來分擔垂向和橫向的載荷，並加強局部結構的剛度。

所述乘員艙地板中間有兩根矩形的大梁，9根橫梁，上面鋪設地板，其中7根橫梁的位置對應環形梁的位置，另外2根橫梁對應後懸處的兩根板環形梁，縱梁與橫梁起主要的支撐作用；

所述乘員艙地板平面布置於車體垂向中線以下，以保證乘員艙內乘客具有舒適的乘坐空間並能夠在乘員艙通道內站立行走，地板安裝於大梁上，以保證支承的剛度；所述的側窗下縱梁、側窗上縱梁由曲形梁焊接而成，並與駕駛艙骨架相連接；依照地板的位置及50百分位人體身高及人機工程學比例，確定側窗下縱梁、側窗上縱梁的位置，側窗上、下縱梁應與側面輪廓一致；

前、後懸位置，均有斜撐增加局部的剛度，使傳力結構穩定。另外前懸有兩個垂直布置的杆件，後懸左右兩側別用兩根斜向支承承受並傳遞該位置可能出現的載荷。

一種仿加勒比僧海豹外形的低風阻客車骨架結構設計方法，仿加勒比僧海豹的頭部和身體分別外形設計客車的駕駛艙外形和乘員艙外形，並依照外形設計與之貼合的骨架，依照客車總布置設計客車地板，進而構成客車的上、下車身結構；結合客車功能及總布置要求，設計其他骨架梁結構，進而獲得仿加勒比僧海豹外形的客車骨架，主要設計步驟包括：

(1)選取海豹身體的側面輪廓圖，海豹身體的長度為l，分別在距離頭部3l/14，5.5l/14，7l/14,10l/14長度的位置確定四個參考線ⅰ，ⅱ，ⅲ，ⅳ，參考線ⅰ，ⅱ與側面輪廓的上型線的交點為a1，b1，參考線ⅱ與海豹身體的側輪廓的下型線的交點為b2，b1和b2之間的距離設為h，過b1作參考線ⅳ的垂線，垂足為d0，d1在d0下方1h/20處；過b2作垂線垂直於參考線ⅰ和ⅳ，垂足分別為a0和d00，a2和d2分別在a0和d00上方1h/20，完全貼合參考線ⅰ，ⅱ，ⅲ之間的上型線設計客車車體的側面輪廓的上型線，考慮車內空間及整車總體布置的長、高方向的尺寸要求，某些型線會做適當調整：自參考線ⅲ後，採用平滑的外凸曲線連接c1和d1；採用平滑的外凸曲線連接a2，b2和d2構建客車側面輪廓的下型線，連接a1,和a2；連接d1與d2，從而構建了客車的側面輪廓；

(2)設客車的最大橫截面的寬度為w，高度為h，參考海豹渾圓身體輪廓，綜合考慮客車車身內孔家及整車總體布置的寬、高方向的尺寸要求，在長為w，高為h的矩形內，通過回歸分析利用上下，左右的拋物線來構建客車的橫截面輪廓，上下輪廓的拋物線表達式為y1＝40h/(81w^2)-1h/2,y2＝95/(16h^2)；根據拋物線形狀，構建出客車的橫截面輪廓，適當圓整曲線避免局部曲率過大，根據此橫截面輪廓進行等比例的縮放得到其他橫截面輪廓；

(3)選取海豹頭部的圖作為客車駕駛艙的仿生設計基礎，依照加勒比僧海豹頭部外形輪廓特別是其前顎的特徵輪廓設計駕駛艙的俯視輪廓和側面輪廓，海豹向前突出的前顎對應發動機艙位置，其眼眶至鼻子位置對應駕駛艙風窗玻璃位置，綜合考慮駕駛艙與車體後部杆梁的連接以及駕駛員的視野，在0.5l/14和1.5l/14兩個橫斷截面處位置利用步驟(2)建立的橫截面輪廓結合俯視輪廓和側面輪廓構建駕駛艙外形輪廓，在偏移b1點下方1h/5距離從第一個橫截面位置開始設計駕駛艙的側梁和前風窗上橫梁，上橫梁一直延伸到駕駛艙的側面型線；

(4)依照步驟(1)所建立的側面輪廓型線與步驟(2)所建立的橫截面輪廓型線構建整車車身的外形輪廓，並與步驟(3)構建的駕駛艙骨架拼接形成整車的輪廓型線，對輪廓線進行適當光順避免局部曲線的曲率過大，獲得具有加勒比僧海豹身體固有的流線型特性。

(5)以客車車體的仿生外輪廓為基礎，按照客車總布置要求，確定乘員艙地板平面位置，乘員艙地板平面原則上應布置於車體垂向中線以下，以保證乘員艙內乘客具有舒適的乘坐空間並能夠在乘員艙通道內站立行走，根據地板的位置設計大梁和縱梁，地板安裝於大梁上，以保證支承的剛度。

(6)依照地板的位置及50百分位人體身高及人機工程學比例，確定側窗下縱梁、側窗上縱梁的位置，側窗上、下縱梁應與側面輪廓一致；兩塊側面風窗玻璃之間布置側窗立柱梁，立柱梁與車體的橫截面型線一致，側窗的上、下縱梁與駕駛艙的縱梁連通保證車身整體的剛度。

(7)左、右兩側風窗上縱梁間的上部區域作為車頂區域，在車頂區域沿車身側向輪廓的方向設計車頂縱梁，車頂縱梁的曲率與車頂的外形輪廓一致。

(8)依照地板的位置及客車總體布置要求，設計懸架安裝結構，發動機安裝結構及其他功能部件安裝結構。

(9)依照客車總體布置要求，並考慮前後懸架及車輪的安裝，設計貨艙地板縱梁，由於前後車輛懸架的影響，貨艙分為前部貨艙，中部貨艙，後部貨艙，各貨艙內部按照客車功能要求設置橫向間隔結構，也可適當設置縱向間隔結構，以提高整車的剛度特性。

(10)依照客車的型線，賦予各個型線截面，形成具體的梁結構，橫截面環形梁與車身頂部縱梁，地板縱梁，側圍的縱梁一起構成整個車身的基本骨架。

(11)基於車體的整體外形協調駕駛艙、乘員艙、貨艙的比例關係，同時運用拓撲優化和靈敏度分析技術對所設計的縱梁與橫梁進行調整，同時在蒙皮覆蓋的、且不影響結構布置的空間布置斜向支撐梁，以獲得承載均勻、剛度合理的客車骨架。

(12)設計包裹懸架連接車輪的軸突部分的仿生結構，儘可能將車架與懸架包裹在車體內。

本發明的有益效果：

本發明提供了一種外形類似於海豹的具有低風阻特性的客車結構形式及設計方法。駕駛艙和乘員艙的輪廓線分別依據海豹的頭部和身體的外形建立，其骨架由曲梁焊接而成，因此具有與海豹在水中遊泳時的低阻力特性。有利於節省燃油消耗，實現節能減排，通過空氣動力學計算得到，該低阻力的客車的風阻係數為0.32，與一般的客車相比，風阻係數降低了20％。

附圖說明

圖1為本發明的車身骨架的主視圖。

圖2為本發明的車身骨架的俯視圖。

圖3為本發明的車身骨架的側視圖。

圖4為本發明的車身骨架的軸測圖。

圖5為本發明的地板結構示意圖。

圖6-8為本發明的橫截面環形梁結構。

圖9-10為加勒比僧海豹的輪廓圖。

圖11-17為本發明的車身建模過程圖。

圖18為本發明的空氣動力學計算流場圖。

圖19為一般客車的空氣動力學計算流場圖。

圖中：1.乘員艙2.駕駛艙3.發動機4.車門踏步5.前懸架6.前部貨艙7.中部貨艙8.後懸架9.後部貨艙

具體實施方式

結合附圖，以一輛長12.5米，最大寬度為2.5米，骨架最大高度為3.2m的城際客車的骨架結構作為實例，進一步說明一種仿生海豹的低風阻的客車車身結構及其設計方法。

該車身結構如圖1-4所示，主要由駕駛艙、乘員艙和貨艙三大部分組成。

其中駕駛艙仿生海豹的頭部建立，其前風窗上橫梁由一根圓管經過預彎工藝形成，下橫梁由2根圓管組成，下橫梁右側末端與布置在駕駛艙右側的車門立柱梁焊接。車門踏步為2級踏步。駕駛艙前部有三個外凸的圓形彎管構成類似海豹前顎的空間結構用來布置發動機，發動機安裝在駕駛艙的大梁上。

乘員艙是由7根橫截面環形梁通過貫穿前後的縱梁相連接形成的框架式結構。橫截面環形梁的形狀仿生海豹的身體橫截面輪廓，其形狀是對稱結構，可由兩條開口方向相互垂直的拋物線相交得到，如圖6-7所示。為了減小車身的風阻係數，需要保證橫截面輪廓的圓滑。因此這兩條拋物線需要在交點處的切線斜率一致。經過計算，公式為y1＝40h/(81w^2)-1h/2,y2＝95/(16h^2)的兩條拋物線符合要求。

如圖5所示，所述的乘員艙地板將除駕駛艙外的車體分為乘員艙和貨艙。為了保證乘員艙內的乘客擁有舒適的乘坐空間並能夠在乘員艙通道內站立行走，地板平面原則上應布置於車體垂向中線以下。結構中間有兩根矩形的大梁，9根橫梁，上面鋪設地板。其中7根橫梁的位置對應環形梁的位置，另外2根橫梁對應後懸處的兩根板環形梁。縱梁與橫梁其主要的支撐作用。

所述的側窗下縱梁、側窗上縱梁由曲形梁焊接而成，與橫截面環形焊接梁構成客車車身的側圍，並與駕駛艙骨架相連接以增強整體的剛度。為了乘員乘坐的舒適性。

優選的是，依照地板的位置及50百分位人體身高及人機工程學比例，確定側窗下縱梁、側窗上縱梁的位置。

所述的前、後懸位置可能與7根橫截面環形梁的位置有所幹涉，為了增加懸架位置的剛度，採用的技術方案是，對於前懸，由於其懸架位置剛好位於兩根橫截面環形梁的中間，所以不做調整；對於後懸，由於其懸架位置不可避免的與環形梁有幹涉，所以只保留地板以上的那一部分環形梁。地板以下則重新構建兩個新的半環形梁用來支承和安裝懸架，如圖8所示，前半個環形梁相對於原來的位置向前移動了785mm，後半個環形梁相對於原來的位置向後移動了695mm。

為使傳力結構更穩定，採用斜撐來增加局部的剛度。其中，前懸有兩根垂向布置的杆件連接兩根斜撐，後懸位置左右兩側分別用兩根斜向支撐承受並傳遞該位置可能出現的各種方向的力。對於環形梁的加強，有兩種，一種如圖6，用兩根垂向布置的杆件連接環形的上下部分，這種加強方式主要放在客車的尾部，便於布置逃生門；另一種如圖7，在環形梁的下部採用斜撐加強，主要用在車體中部。

該仿生海豹的低風阻客車車身骨架的具體設計步驟為：

如圖11，選取海豹在水中向前遊泳時的姿態圖作為客車車身仿生設計的基礎，將加勒比僧海豹的側視圖及在水中姿態的圖片導入三維設計軟體中作為構建客車外形型線的參考。考慮海豹的身體較為細長，只選取海豹身體的一部分作為最終仿生設計的基礎。選擇的方法是：測量出該海豹身體的總長l，分別在距離頭部3l/14，5.5l/14，7l/14,10l/14長度的位置確定四個參考線ⅰ，ⅱ，ⅲ，ⅳ，參考線ⅰ，ⅱ與側面輪廓的上型線的交點為a1，b1，參考線ⅱ與海豹身體的側輪廓的下型線的交點為b2。b1，b2之間的距離設為h，過b1作參考線ⅳ的垂線，垂足為d0，d1在d0下方1h/20處；過b2作垂線垂直於參考線ⅰ和ⅳ，垂足分別為a0和d00，a2和d2分別在a0和d00上方1h/20。完全貼合參考線ⅰ，ⅱ，ⅲ之間的上型線設計客車車體的側面輪廓的上型線，考慮車內空間及整車總體布置的長、高方向的尺寸要求，某些型線會做適當調整：自參考線ⅲ後，採用平滑的外凸曲線連接c1和d1；採用平滑的外凸曲線連接a2，b2和d2構建客車側面輪廓的下型線，連接a1,和a2；連接d1與d2，由此構建了客車的側面輪廓。

如圖13所示，建立客車的橫截面環形梁，其寬度為w，高度為h。參考海豹渾圓身體輪廓，綜合考慮客車車身內孔家及整車總體布置的寬、高方向的尺寸要求。在長為w，高為h的矩形內，通過回歸分析利用上下，左右的拋物線來構建客車的橫截面輪廓。上下輪廓的拋物線表達式為y1＝40h/(81w^2)-1h/2,y2＝95/(16h^2)；根據拋物線形狀，構建出客車的橫截面輪廓，適當圓整曲線避免局部曲率過大。根據此橫截面輪廓進行等比例的縮放得到其他橫截面輪廓。本設計中一共設計了7個橫截面。

如圖14，選取海豹頭部的圖作為客車駕駛艙的仿生設計基礎。依照加勒比僧海豹頭部外形輪廓特別是其前顎的特徵輪廓設計駕駛艙的俯視輪廓和側面輪廓，海豹向前突出的前顎對應發動機艙位置，其眼眶至鼻子位置對應駕駛艙風窗玻璃位置。綜合考慮駕駛艙與車體後部杆梁的連接以及駕駛員的視野，在0.5l/14和1.5l/14兩個橫斷截面處位置利用前面步驟中建立的橫截面輪廓結合俯視輪廓和側面輪廓構建駕駛艙外形輪廓。在偏移b1點下方1h/5距離從第一個橫截面位置開始設計駕駛艙的側梁和前風窗上橫梁，上橫梁一直延伸到駕駛艙的側面型線。

如圖15，依照所建立的側面輪廓型線橫截面輪廓型線構建整車車身的外形輪廓，並與駕駛艙骨架拼接形成整車的輪廓型線。對輪廓線進行適當光順避免局部曲線的曲率過大，獲得具有加勒比僧海豹身體固有的流線型特性。具體的做法是，以第1個和第7個橫截面輪廓為參考曲線，以側向輪廓的上、下型線為引線進行掃掠形成整車的的外輪廓曲面。

如圖16-17，以客車車體的仿生外輪廓為基礎，按照客車總布置要求，確定乘員艙地板平面位置，乘員艙地板平面原則上應布置於車體垂向中線以下，以保證乘員艙內乘客具有舒適的乘坐空間並能夠在乘員艙通道內站立行走。本設計中所獲得的乘員艙空間，車頂與地板的最小距離在第一個橫截面處，最小高度為1760mm，最大高度在第三個橫截面處，為1898mm。依照地板的位置設計地板縱梁和大梁。地板安裝於大梁上，以保證支承的剛度。發動機位於駕駛艙前部，用於支承動力總成的骨架。

依照地板的位置及50百分位人體身高及人機工程學比例，確定側窗下縱梁、側窗上縱梁的位置，側窗上、下縱梁應與側面輪廓一致，上縱梁距離地板，最終的設計結果為；兩塊側面風窗玻璃之間布置側窗立柱梁，立柱梁與車體的橫截面型線一致。側窗的上、下縱梁與駕駛艙的縱梁連通保證車身整體的剛度。

左、右兩側風窗上縱梁間的上部區域作為車頂區域。在車頂區域沿車身側向輪廓的方向設計車頂縱梁，車頂縱梁的曲率與車頂的外形輪廓一致，本設計中有5根車頂縱梁。

依照地板的位置及客車總體布置要求，設計懸架安裝結構，發動機安裝結構及其他功能部件安裝結構。具體設計懸架安裝時，懸架位置可能與前面所建立的橫截面位置衝突，本設計採取的做法是，在地板位置打斷第5個橫截面，將位於地板下部的橫截面分別向前偏移760mm，向後偏移720mm，中間空出的位置用於懸架的安裝。具體設計發動機安裝時，為了保證駕駛艙空間及室內空間的舒適性，將發動機安裝於車頭前部位置的支承梁上。

依照客車總體布置要求，並考慮前後懸架及車輪的安裝，設計貨艙地板縱梁。由於前後車輛懸架的影響，貨艙分為前部貨艙，中部貨艙，後部貨艙。各貨艙內部按照客車功能要求設置橫向間隔結構，也可適當設置縱向間隔結構，以提高整車的剛度特性。本設計中，前部貨艙的長度為1440mm，中部貨艙的長度為1380mm，後部貨艙的長度為1600mm。具體設計時，可能會因為懸架位置的不同，各個貨艙的長度會有所不同。

依照前面建立客車的型線，對各個型線賦予截面，形成具體的梁結構。橫截面環形梁與車身頂部縱梁，地板縱梁，側圍的縱梁一起構成整個車身的基本骨架。

基於車體的整體外形協調駕駛艙、乘員艙、貨艙的比例關係，同時運用拓撲優化和靈敏度分析技術對所設計的縱梁與橫梁進行調整，同時在蒙皮覆蓋的、且不影響結構布置的空間布置斜向支撐梁，以獲得承載均勻、剛度合理的客車骨架。

本發明的有益效果：

本發明提供了一種外形類似於海豹的具有低風阻特性的客車結構形式及其設計方法。駕駛艙和乘員艙的輪廓線分別依據海豹的頭部和身體的外形建立，其骨架由曲梁焊接而成。因此具有與海豹在水中遊泳時的低阻力特性。

客車的空氣阻力公式為

其中，ρ為空氣的密度，cd為客車的風阻係數，v為行駛的車速，a為客車橫向的最大投影面積。通過空氣動力學計算得到，該低阻力的客車的風阻係數為0.32，其對標客車的風阻係數為0.42，風阻係數降低了23.8％，有利於節省燃油消耗，實現節能減排。

申請人已根據本發明設計了一款一輛長12.5米，最大寬度為2.5米，骨架最大高度為3.2m的城際客車。其中駕駛艙長為3650mm，乘員艙長度為8850mm。該客車的車身結構示意圖詳見圖1-4所示。車身結構性能的cae分析結果如下：

車身彎曲剛度為：k＝9.3*106n/m。

同類車型參考值為k＝(5.99-10.41)*106n/m。

車身扭轉剛度為:k＝9.51×104n·m/deg。

同類車型參考值為k＝(3.37-4.12)*106n/m。

車身一階彎曲振動模態頻率為：16.08hz。

同類車型參考值為：15.193-16.514hz。

車身一階扭曲振動模態頻率為：10.182hz。

同類車型參考值為：7.813-9.122hz。

材料(q345)的屈服極限：345mpa。

風阻係數為0.32

同類車型參考值為0.4-0.55。

以上分析結果表明該低阻力客車的各項性能指標都與同類車型相近，但其風阻係數降低了近20％左右。