一种仿加勒比僧海豹的低风阻客车骨架结构及其设计方法与流程

本发明涉及一种客车车身结构和设计方法，更具体地说，本发明涉及一种仿生加勒比僧海豹的具有低阻力特性的客车骨架及其设计方法。

背景技术：

客车作为交通运输的一大主体，具有机动灵活，载客量多的特点。随着城市人口的与日俱增，人们的出行要求和频率也大大增加，日益紧张的交通现状对客车质量提出了更加严苛的要求。

目前的客车大多采用方正的箱型结构，风阻系数较大，不利于燃油消耗和节能减排。

仿生方法通过了解生物的结构和功能原理，研制新的机械和新技术，或解决机械技术的难题。目前，仿生技术在高速列车以及概念汽车的应用较多，但在客车特别是在客车整车外形和结构上的应用较少。

加勒比僧海豹是海豹科、僧海豹属的一种海洋哺乳动物。在自然环境中，加勒比僧海豹的体长可超过2米，体重可达200公斤，对比12米客车的重量，两者具有较好的相似性。

在水下时，加勒比僧海豹浑圆、流线型的身体，在水中产生很小的阻力，能够灵活地游动，躲避掠食者。

技术实现要素：

在这些背景下，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于仿生仿加勒比僧海豹的具有低阻力特性客车骨架结构及其设计方法，使客车具有优良的低风阻空气动力学特性，同时，客车车体结构基于仿生外形确定，具有很好的类生物结构力学特征。

本发明的具体技术方案结合附图说明如下：

一种仿加勒比僧海豹外形的低风阻客车骨架结构，主要由驾驶舱、乘员舱、客车车身和车门组成，所述驾驶舱骨架由曲梁通过焊接连接，驾驶舱前部有类似海豹前颚的凸出结构，用于安装发动机；所述的乘员舱由纵梁、横截面环形梁和地板构成；所述客车车身的横截面的形状由其横截面的宽度w和高度h形成的抛物线所构建，表达式为y1＝40h/(81w^2)-1h/2,y2＝95/(16h^2)；所述的车门布置在驾驶舱，逃生门布置在车体尾部，货舱布置在地板以下，中间由隔板分成前部货舱，中部货舱和尾部货舱。

所述驾驶舱由两根前风窗横梁、三根向前凸出的曲梁、底部大梁以及连接梁组成，所述车门位于驾驶舱右部，并设置有两级踏步，发动机布置于驾驶舱前部的凸出位置，安装在驾驶舱底部的大梁上；

所述乘员舱有7根环形梁，环形梁与车身侧面的腰梁共同构成圆滑的侧围，同时，环形梁与左、右两侧风窗上纵梁间的上部区域作为车顶区域，车顶成弧形，向上凸出；环形梁与车身底部的纵梁构成底架结构。

所述底架采用斜撑，特别是在前后悬的位置采用斜撑，以增加结构的刚度。

所述横截面环形梁由两条开口方向相互垂直的抛物线构成，抛物线公式为y1＝40h/(81w^2)-1h/2,y2＝95/(16h^2)，w为横截面的宽度，h为高度；考虑每一个环形梁所处位置的受力情况不同，其加强的形式会有所不同，环形梁中垂向布置的杆件主要承受垂向载荷，斜向布置的杆件主要用来分担垂向和横向的载荷，并加强局部结构的刚度。

所述乘员舱地板中间有两根矩形的大梁，9根横梁，上面铺设地板，其中7根横梁的位置对应环形梁的位置，另外2根横梁对应后悬处的两根板环形梁，纵梁与横梁起主要的支撑作用；

所述乘员舱地板平面布置于车体垂向中线以下，以保证乘员舱内乘客具有舒适的乘坐空间并能够在乘员舱通道内站立行走，地板安装于大梁上，以保证支承的刚度；所述的侧窗下纵梁、侧窗上纵梁由曲形梁焊接而成，并与驾驶舱骨架相连接；依照地板的位置及50百分位人体身高及人机工程学比例，确定侧窗下纵梁、侧窗上纵梁的位置，侧窗上、下纵梁应与侧面轮廓一致；

前、后悬位置，均有斜撑增加局部的刚度，使传力结构稳定。另外前悬有两个垂直布置的杆件，后悬左右两侧别用两根斜向支承承受并传递该位置可能出现的载荷。

一种仿加勒比僧海豹外形的低风阻客车骨架结构设计方法，仿加勒比僧海豹的头部和身体分别外形设计客车的驾驶舱外形和乘员舱外形，并依照外形设计与之贴合的骨架，依照客车总布置设计客车地板，进而构成客车的上、下车身结构；结合客车功能及总布置要求，设计其他骨架梁结构，进而获得仿加勒比僧海豹外形的客车骨架，主要设计步骤包括：

(1)选取海豹身体的侧面轮廓图，海豹身体的长度为l，分别在距离头部3l/14，5.5l/14，7l/14,10l/14长度的位置确定四个参考线ⅰ，ⅱ，ⅲ，ⅳ，参考线ⅰ，ⅱ与侧面轮廓的上型线的交点为a1，b1，参考线ⅱ与海豹身体的侧轮廓的下型线的交点为b2，b1和b2之间的距离设为h，过b1作参考线ⅳ的垂线，垂足为d0，d1在d0下方1h/20处；过b2作垂线垂直于参考线ⅰ和ⅳ，垂足分别为a0和d00，a2和d2分别在a0和d00上方1h/20，完全贴合参考线ⅰ，ⅱ，ⅲ之间的上型线设计客车车体的侧面轮廓的上型线，考虑车内空间及整车总体布置的长、高方向的尺寸要求，某些型线会做适当调整：自参考线ⅲ后，采用平滑的外凸曲线连接c1和d1；采用平滑的外凸曲线连接a2，b2和d2构建客车侧面轮廓的下型线，连接a1,和a2；连接d1与d2，从而构建了客车的侧面轮廓；

(2)设客车的最大横截面的宽度为w，高度为h，参考海豹浑圆身体轮廓，综合考虑客车车身内孔家及整车总体布置的宽、高方向的尺寸要求，在长为w，高为h的矩形内，通过回归分析利用上下，左右的抛物线来构建客车的横截面轮廓，上下轮廓的抛物线表达式为y1＝40h/(81w^2)-1h/2,y2＝95/(16h^2)；根据抛物线形状，构建出客车的横截面轮廓，适当圆整曲线避免局部曲率过大，根据此横截面轮廓进行等比例的缩放得到其他横截面轮廓；

(3)选取海豹头部的图作为客车驾驶舱的仿生设计基础，依照加勒比僧海豹头部外形轮廓特别是其前颚的特征轮廓设计驾驶舱的俯视轮廓和侧面轮廓，海豹向前突出的前颚对应发动机舱位置，其眼眶至鼻子位置对应驾驶舱风窗玻璃位置，综合考虑驾驶舱与车体后部杆梁的连接以及驾驶员的视野，在0.5l/14和1.5l/14两个横断截面处位置利用步骤(2)建立的横截面轮廓结合俯视轮廓和侧面轮廓构建驾驶舱外形轮廓，在偏移b1点下方1h/5距离从第一个横截面位置开始设计驾驶舱的侧梁和前风窗上横梁，上横梁一直延伸到驾驶舱的侧面型线；

(4)依照步骤(1)所建立的侧面轮廓型线与步骤(2)所建立的横截面轮廓型线构建整车车身的外形轮廓，并与步骤(3)构建的驾驶舱骨架拼接形成整车的轮廓型线，对轮廓线进行适当光顺避免局部曲线的曲率过大，获得具有加勒比僧海豹身体固有的流线型特性。

(5)以客车车体的仿生外轮廓为基础，按照客车总布置要求，确定乘员舱地板平面位置，乘员舱地板平面原则上应布置于车体垂向中线以下，以保证乘员舱内乘客具有舒适的乘坐空间并能够在乘员舱通道内站立行走，根据地板的位置设计大梁和纵梁，地板安装于大梁上，以保证支承的刚度。

(6)依照地板的位置及50百分位人体身高及人机工程学比例，确定侧窗下纵梁、侧窗上纵梁的位置，侧窗上、下纵梁应与侧面轮廓一致；两块侧面风窗玻璃之间布置侧窗立柱梁，立柱梁与车体的横截面型线一致，侧窗的上、下纵梁与驾驶舱的纵梁连通保证车身整体的刚度。

(7)左、右两侧风窗上纵梁间的上部区域作为车顶区域，在车顶区域沿车身侧向轮廓的方向设计车顶纵梁，车顶纵梁的曲率与车顶的外形轮廓一致。

(8)依照地板的位置及客车总体布置要求，设计悬架安装结构，发动机安装结构及其他功能部件安装结构。

(9)依照客车总体布置要求，并考虑前后悬架及车轮的安装，设计货舱地板纵梁，由于前后车辆悬架的影响，货舱分为前部货舱，中部货舱，后部货舱，各货舱内部按照客车功能要求设置横向间隔结构，也可适当设置纵向间隔结构，以提高整车的刚度特性。

(10)依照客车的型线，赋予各个型线截面，形成具体的梁结构，横截面环形梁与车身顶部纵梁，地板纵梁，侧围的纵梁一起构成整个车身的基本骨架。

(11)基于车体的整体外形协调驾驶舱、乘员舱、货舱的比例关系，同时运用拓扑优化和灵敏度分析技术对所设计的纵梁与横梁进行调整，同时在蒙皮覆盖的、且不影响结构布置的空间布置斜向支撑梁，以获得承载均匀、刚度合理的客车骨架。

(12)设计包裹悬架连接车轮的轴突部分的仿生结构，尽可能将车架与悬架包裹在车体内。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种外形类似于海豹的具有低风阻特性的客车结构形式及设计方法。驾驶舱和乘员舱的轮廓线分别依据海豹的头部和身体的外形建立，其骨架由曲梁焊接而成，因此具有与海豹在水中游泳时的低阻力特性。有利于节省燃油消耗，实现节能减排，通过空气动力学计算得到，该低阻力的客车的风阻系数为0.32，与一般的客车相比，风阻系数降低了20％。

附图说明

图1为本发明的车身骨架的主视图。

图2为本发明的车身骨架的俯视图。

图3为本发明的车身骨架的侧视图。

图4为本发明的车身骨架的轴测图。

图5为本发明的地板结构示意图。

图6-8为本发明的横截面环形梁结构。

图9-10为加勒比僧海豹的轮廓图。

图11-17为本发明的车身建模过程图。

图18为本发明的空气动力学计算流场图。

图19为一般客车的空气动力学计算流场图。

图中：1.乘员舱2.驾驶舱3.发动机4.车门踏步5.前悬架6.前部货舱7.中部货舱8.后悬架9.后部货舱

具体实施方式

结合附图，以一辆长12.5米，最大宽度为2.5米，骨架最大高度为3.2m的城际客车的骨架结构作为实例，进一步说明一种仿生海豹的低风阻的客车车身结构及其设计方法。

该车身结构如图1-4所示，主要由驾驶舱、乘员舱和货舱三大部分组成。

其中驾驶舱仿生海豹的头部建立，其前风窗上横梁由一根圆管经过预弯工艺形成，下横梁由2根圆管组成，下横梁右侧末端与布置在驾驶舱右侧的车门立柱梁焊接。车门踏步为2级踏步。驾驶舱前部有三个外凸的圆形弯管构成类似海豹前颚的空间结构用来布置发动机，发动机安装在驾驶舱的大梁上。

乘员舱是由7根横截面环形梁通过贯穿前后的纵梁相连接形成的框架式结构。横截面环形梁的形状仿生海豹的身体横截面轮廓，其形状是对称结构，可由两条开口方向相互垂直的抛物线相交得到，如图6-7所示。为了减小车身的风阻系数，需要保证横截面轮廓的圆滑。因此这两条抛物线需要在交点处的切线斜率一致。经过计算，公式为y1＝40h/(81w^2)-1h/2,y2＝95/(16h^2)的两条抛物线符合要求。

如图5所示，所述的乘员舱地板将除驾驶舱外的车体分为乘员舱和货舱。为了保证乘员舱内的乘客拥有舒适的乘坐空间并能够在乘员舱通道内站立行走，地板平面原则上应布置于车体垂向中线以下。结构中间有两根矩形的大梁，9根横梁，上面铺设地板。其中7根横梁的位置对应环形梁的位置，另外2根横梁对应后悬处的两根板环形梁。纵梁与横梁其主要的支撑作用。

所述的侧窗下纵梁、侧窗上纵梁由曲形梁焊接而成，与横截面环形焊接梁构成客车车身的侧围，并与驾驶舱骨架相连接以增强整体的刚度。为了乘员乘坐的舒适性。

优选的是，依照地板的位置及50百分位人体身高及人机工程学比例，确定侧窗下纵梁、侧窗上纵梁的位置。

所述的前、后悬位置可能与7根横截面环形梁的位置有所干涉，为了增加悬架位置的刚度，采用的技术方案是，对于前悬，由于其悬架位置刚好位于两根横截面环形梁的中间，所以不做调整；对于后悬，由于其悬架位置不可避免的与环形梁有干涉，所以只保留地板以上的那一部分环形梁。地板以下则重新构建两个新的半环形梁用来支承和安装悬架，如图8所示，前半个环形梁相对于原来的位置向前移动了785mm，后半个环形梁相对于原来的位置向后移动了695mm。

为使传力结构更稳定，采用斜撑来增加局部的刚度。其中，前悬有两根垂向布置的杆件连接两根斜撑，后悬位置左右两侧分别用两根斜向支撑承受并传递该位置可能出现的各种方向的力。对于环形梁的加强，有两种，一种如图6，用两根垂向布置的杆件连接环形的上下部分，这种加强方式主要放在客车的尾部，便于布置逃生门；另一种如图7，在环形梁的下部采用斜撑加强，主要用在车体中部。

该仿生海豹的低风阻客车车身骨架的具体设计步骤为：

如图11，选取海豹在水中向前游泳时的姿态图作为客车车身仿生设计的基础，将加勒比僧海豹的侧视图及在水中姿态的图片导入三维设计软件中作为构建客车外形型线的参考。考虑海豹的身体较为细长，只选取海豹身体的一部分作为最终仿生设计的基础。选择的方法是：测量出该海豹身体的总长l，分别在距离头部3l/14，5.5l/14，7l/14,10l/14长度的位置确定四个参考线ⅰ，ⅱ，ⅲ，ⅳ，参考线ⅰ，ⅱ与侧面轮廓的上型线的交点为a1，b1，参考线ⅱ与海豹身体的侧轮廓的下型线的交点为b2。b1，b2之间的距离设为h，过b1作参考线ⅳ的垂线，垂足为d0，d1在d0下方1h/20处；过b2作垂线垂直于参考线ⅰ和ⅳ，垂足分别为a0和d00，a2和d2分别在a0和d00上方1h/20。完全贴合参考线ⅰ，ⅱ，ⅲ之间的上型线设计客车车体的侧面轮廓的上型线，考虑车内空间及整车总体布置的长、高方向的尺寸要求，某些型线会做适当调整：自参考线ⅲ后，采用平滑的外凸曲线连接c1和d1；采用平滑的外凸曲线连接a2，b2和d2构建客车侧面轮廓的下型线，连接a1,和a2；连接d1与d2，由此构建了客车的侧面轮廓。

如图13所示，建立客车的横截面环形梁，其宽度为w，高度为h。参考海豹浑圆身体轮廓，综合考虑客车车身内孔家及整车总体布置的宽、高方向的尺寸要求。在长为w，高为h的矩形内，通过回归分析利用上下，左右的抛物线来构建客车的横截面轮廓。上下轮廓的抛物线表达式为y1＝40h/(81w^2)-1h/2,y2＝95/(16h^2)；根据抛物线形状，构建出客车的横截面轮廓，适当圆整曲线避免局部曲率过大。根据此横截面轮廓进行等比例的缩放得到其他横截面轮廓。本设计中一共设计了7个横截面。

如图14，选取海豹头部的图作为客车驾驶舱的仿生设计基础。依照加勒比僧海豹头部外形轮廓特别是其前颚的特征轮廓设计驾驶舱的俯视轮廓和侧面轮廓，海豹向前突出的前颚对应发动机舱位置，其眼眶至鼻子位置对应驾驶舱风窗玻璃位置。综合考虑驾驶舱与车体后部杆梁的连接以及驾驶员的视野，在0.5l/14和1.5l/14两个横断截面处位置利用前面步骤中建立的横截面轮廓结合俯视轮廓和侧面轮廓构建驾驶舱外形轮廓。在偏移b1点下方1h/5距离从第一个横截面位置开始设计驾驶舱的侧梁和前风窗上横梁，上横梁一直延伸到驾驶舱的侧面型线。

如图15，依照所建立的侧面轮廓型线横截面轮廓型线构建整车车身的外形轮廓，并与驾驶舱骨架拼接形成整车的轮廓型线。对轮廓线进行适当光顺避免局部曲线的曲率过大，获得具有加勒比僧海豹身体固有的流线型特性。具体的做法是，以第1个和第7个横截面轮廓为参考曲线，以侧向轮廓的上、下型线为引线进行扫掠形成整车的的外轮廓曲面。

如图16-17，以客车车体的仿生外轮廓为基础，按照客车总布置要求，确定乘员舱地板平面位置，乘员舱地板平面原则上应布置于车体垂向中线以下，以保证乘员舱内乘客具有舒适的乘坐空间并能够在乘员舱通道内站立行走。本设计中所获得的乘员舱空间，车顶与地板的最小距离在第一个横截面处，最小高度为1760mm，最大高度在第三个横截面处，为1898mm。依照地板的位置设计地板纵梁和大梁。地板安装于大梁上，以保证支承的刚度。发动机位于驾驶舱前部，用于支承动力总成的骨架。

依照地板的位置及50百分位人体身高及人机工程学比例，确定侧窗下纵梁、侧窗上纵梁的位置，侧窗上、下纵梁应与侧面轮廓一致，上纵梁距离地板，最终的设计结果为；两块侧面风窗玻璃之间布置侧窗立柱梁，立柱梁与车体的横截面型线一致。侧窗的上、下纵梁与驾驶舱的纵梁连通保证车身整体的刚度。

左、右两侧风窗上纵梁间的上部区域作为车顶区域。在车顶区域沿车身侧向轮廓的方向设计车顶纵梁，车顶纵梁的曲率与车顶的外形轮廓一致，本设计中有5根车顶纵梁。

依照地板的位置及客车总体布置要求，设计悬架安装结构，发动机安装结构及其他功能部件安装结构。具体设计悬架安装时，悬架位置可能与前面所建立的横截面位置冲突，本设计采取的做法是，在地板位置打断第5个横截面，将位于地板下部的横截面分别向前偏移760mm，向后偏移720mm，中间空出的位置用于悬架的安装。具体设计发动机安装时，为了保证驾驶舱空间及室内空间的舒适性，将发动机安装于车头前部位置的支承梁上。

依照客车总体布置要求，并考虑前后悬架及车轮的安装，设计货舱地板纵梁。由于前后车辆悬架的影响，货舱分为前部货舱，中部货舱，后部货舱。各货舱内部按照客车功能要求设置横向间隔结构，也可适当设置纵向间隔结构，以提高整车的刚度特性。本设计中，前部货舱的长度为1440mm，中部货舱的长度为1380mm，后部货舱的长度为1600mm。具体设计时，可能会因为悬架位置的不同，各个货舱的长度会有所不同。

依照前面建立客车的型线，对各个型线赋予截面，形成具体的梁结构。横截面环形梁与车身顶部纵梁，地板纵梁，侧围的纵梁一起构成整个车身的基本骨架。

基于车体的整体外形协调驾驶舱、乘员舱、货舱的比例关系，同时运用拓扑优化和灵敏度分析技术对所设计的纵梁与横梁进行调整，同时在蒙皮覆盖的、且不影响结构布置的空间布置斜向支撑梁，以获得承载均匀、刚度合理的客车骨架。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种外形类似于海豹的具有低风阻特性的客车结构形式及其设计方法。驾驶舱和乘员舱的轮廓线分别依据海豹的头部和身体的外形建立，其骨架由曲梁焊接而成。因此具有与海豹在水中游泳时的低阻力特性。

客车的空气阻力公式为

其中，ρ为空气的密度，cd为客车的风阻系数，v为行驶的车速，a为客车横向的最大投影面积。通过空气动力学计算得到，该低阻力的客车的风阻系数为0.32，其对标客车的风阻系数为0.42，风阻系数降低了23.8％，有利于节省燃油消耗，实现节能减排。

申请人已根据本发明设计了一款一辆长12.5米，最大宽度为2.5米，骨架最大高度为3.2m的城际客车。其中驾驶舱长为3650mm，乘员舱长度为8850mm。该客车的车身结构示意图详见图1-4所示。车身结构性能的cae分析结果如下：

车身弯曲刚度为：k＝9.3*10⁶n/m。

同类车型参考值为k＝(5.99-10.41)*10⁶n/m。

车身扭转刚度为:k＝9.51×10⁴n·m/deg。

同类车型参考值为k＝(3.37-4.12)*10⁶n/m。

车身一阶弯曲振动模态频率为：16.08hz。

同类车型参考值为：15.193-16.514hz。

车身一阶扭曲振动模态频率为：10.182hz。

同类车型参考值为：7.813-9.122hz。

材料(q345)的屈服极限：345mpa。

风阻系数为0.32

同类车型参考值为0.4-0.55。

以上分析结果表明该低阻力客车的各项性能指标都与同类车型相近，但其风阻系数降低了近20％左右。