[发明专利]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

权利要求书

1.一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，其特征在于：

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。

2.根据权利要求1所述的一种仿加勒比僧海豹外形的低风阻客车骨架结构，其特征在于：

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。

3.根据权利要求2所述的一种仿加勒比僧海豹外形的低风阻客车骨架结构，其特征在于：

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。

4.根据权利要求1所述的一种仿加勒比僧海豹外形的低风阻客车骨架结构，其特征在于：

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。

5.根据权利要求1所述的一种仿加勒比僧海豹外形的低风阻客车骨架结构，其特征在于：

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。

6.一种仿加勒比僧海豹外形的低风阻客车骨架结构设计方法，其特征在于：

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。