某客車車架結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

戚葉烽++謝鑫++馬苗

摘 要：客車車架作為整車的承載件，在設(shè)計(jì)之初有必要對其進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)潛在的缺陷，為下一步的優(yōu)化提供指導(dǎo)。本文從強(qiáng)度、剛度及模態(tài)三方面綜合考量了車架的結(jié)構(gòu)特征，其中強(qiáng)度及剛度選取了彎曲、扭轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)彎和制動這4大典型工況。最后對分析的結(jié)果進(jìn)行了匯總和分析，提出可行的改進(jìn)方案。

關(guān)鍵詞：車架；仿真分析；結(jié)構(gòu)特征

中圖分類號：U463.82+2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）01-0055-05

Analysis and optimization design of a bus frame structure

QI Ye-feng， XIE Xin， MA Miao

（Wuhan University of technology，institute of Automotive Engineering， Wuhan430070， China ）

Abstract： As the load bearing part of the whole vehicle， the bus frame is necessary to simulate and analyze it in the early stage of design， finding the potential defects， which provides guidance for the optimization of the next step. In this paper， the structural characteristics of the frame are comprehensively considered from three aspects of strength， stiffness and mode. The strength and stiffness of the 4 typical working conditions of bending， twisting， turning and braking are selected. Finally， summarizing the results of the analysis， and the feasible improvement plans are put forward.

戚葉烽

現(xiàn)就讀于武漢理工大學(xué)車輛工程專業(yè)碩士研究生，主要研究方向?yàn)槠嘋AD/CAE/ CAM。

引 言

為了縮短汽車的研發(fā)周期、盡早的發(fā)現(xiàn)可能的設(shè)計(jì)缺陷、減少開發(fā)成本、提升效費(fèi)比，當(dāng)今汽車工業(yè)對整車以及各個子系統(tǒng)的研發(fā)手段、研發(fā)過程和評估手段等各個環(huán)節(jié)都提出了更嚴(yán)苛的要求。隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，運(yùn)用CAE （ Computer Aided Engineering）對車輛進(jìn)行仿真分析，為新產(chǎn)品研發(fā)階段提供了理論依據(jù)與指導(dǎo)，有效地解決了大量實(shí)際工程問題[1]。其中有限元方法，可分析新產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和模態(tài)等，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，提供可視化的優(yōu)化參考方案，從而提高了產(chǎn)品的可靠性。

本文運(yùn)用CATIA按設(shè)計(jì)要求建立了某客車車身骨架的三維模型，并運(yùn)用HyperWorks選取強(qiáng)度、剛度和自由模態(tài)進(jìn)行整體評價，根據(jù)分析結(jié)果，提出了可行性的改進(jìn)方案。具體的實(shí)施步驟如圖1分析流程所示，該方法簡便易行，能夠?yàn)橄乱徊降膬?yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 模型的建立

將CATIA中建立的三維模型導(dǎo)入HyperWorks， 在進(jìn)行網(wǎng)格劃分之前，需要對模型進(jìn)行處理。在如實(shí)的體現(xiàn)車架結(jié)構(gòu)主要力學(xué)性能以及保障分析結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，應(yīng)盡量簡化車身骨架結(jié)構(gòu)的幾何模型。這就要求在簡化車架的過程中區(qū)分承載件、輔助承載件和工藝裝飾件三種構(gòu)件。對重要的承載件盡量不做處理，輔助承載件可適當(dāng)?shù)暮喕?，工藝裝飾件因簡化略去[2]。

該車架主要由矩形鋼和角鋼等組成，均為薄壁結(jié)構(gòu)，因此可以對其抽取中面，并劃分中面網(wǎng)格。劃分網(wǎng)格是十分重要的內(nèi)容之一，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到分析結(jié)果的準(zhǔn)確與否。利用Hypermesh強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能，能根據(jù)需求劃分出理想的網(wǎng)格，該車架模型的網(wǎng)格質(zhì)量參數(shù)如表1所示。最后劃分的車架網(wǎng)格模型單元數(shù)量為742553，其中三角形單元2118，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為738364。

網(wǎng)格模型的桿與桿之間會存在間隙，需要按照車身骨架的實(shí)際連接方式定義各個桿件之間的連接。該客車的連接方式主要是焊接和螺栓連接，可分別用reb2單元和螺栓單元連接來模擬，如圖2和圖3所示。其中發(fā)動機(jī)、變數(shù)箱和傳動軸等組件在其空間質(zhì)心可用reb3單元與實(shí)際安裝點(diǎn)定義螺栓連接。

客車主要采用的材料為Q235和L510，材料的屬性如表2所示，通過建立屬性卡片和材料卡片，賦予對應(yīng)桿件的厚度和材料特性。

三維模型經(jīng)過簡化處理、抽取中面、劃分網(wǎng)格、定義連接和賦予屬性后得到了有限元模型，相應(yīng)的有限元模型如圖4所示：

2 模型加載與約束

準(zhǔn)確施加模型載荷及約束是保證求解結(jié)果精確的重要步驟之一，要求對模型加載與約束因盡可能地符合實(shí)際情況。

2.1 模型加載

本文的客車載荷施加方法為使用剛性單元將各質(zhì)量件的質(zhì)心與其安裝位置相連，以此來模擬實(shí)際工況下各質(zhì)量件對車架的作用力[3]。影響該客車車架的質(zhì)量件主要有：發(fā)動機(jī)、變速箱、備胎、座椅及乘員等，數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示：

在進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和模態(tài)分析的時候，各部件的數(shù)據(jù)信息匯總于表2-4。

本文選取了強(qiáng)度、剛度及模態(tài)對車架進(jìn)行了分析，其中強(qiáng)度分析選取彎曲工況、扭轉(zhuǎn)工況、轉(zhuǎn)彎工況和制動工況四種典型工況；剛度分析主要選取了靜態(tài)變形、彎曲剛度及扭轉(zhuǎn)剛度三種典型工況；模態(tài)分析選取了車架的自由模態(tài)進(jìn)行分析，匯總于表4：

2.1 模型約束

模型的約束同樣選取了4種工況，各個工況下約束的自由度匯總于表5：

不同的工況下對應(yīng)著不同的載荷和約束，在彎曲工況下進(jìn)行強(qiáng)度分析時，加載和約束后的客車有限元模型如圖5所示：

3 分析結(jié)果

3.1 強(qiáng)度分析結(jié)果

強(qiáng)度主要指材料抵抗破壞的能力，車架是整車的承載件，要求在車輛的運(yùn)行過程中保證不會斷裂，滿足安全性的設(shè)計(jì)要求[4]。強(qiáng)度分析選取了彎曲工況、扭轉(zhuǎn)工況、轉(zhuǎn)彎工況和制動工況進(jìn)行了分析，受力云圖如下所示：

在各個不同的工況下，車架的受力情況不盡相同，但主要集中在了后懸，對各工況下的強(qiáng)度分析結(jié)果進(jìn)行了匯總?cè)绫?所示：

按照廠家要求，底盤以上的車身骨架采用的材料是Q235，底盤采用的材料為L510。分析顯示應(yīng)力集中的區(qū)域都集中在底盤，這也與預(yù)測相符，所有部件完全處于材料允許范圍之內(nèi)。而且分析未考慮蒙皮等覆蓋件，這些部件的加裝會進(jìn)一步提高車身的強(qiáng)度水平，該車架的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 剛度分析結(jié)果

剛度體表征了材料抵抗變形的能力，客車車架在設(shè)計(jì)之初對總變形提出了一定的要求[5]。與強(qiáng)度分析類似，同樣選取了四種工況，對車架的剛度進(jìn)行了分析，在此不累贅闡述，其結(jié)果匯總于表7所示：

根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和舒適性的要求，在設(shè)計(jì)之初廠家提出車架的最大位移量應(yīng)小于10mm。而且分析未考慮蒙皮等覆蓋件，這些部件的加裝會進(jìn)一步提高車身的剛度水平，該車架的剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 模態(tài)分析結(jié)果

分析自由模態(tài)主要是來評估車身骨架是否具有較好的動態(tài)特性，以避免共振，降低噪聲及振動[6]。對車架有限元模型不做任何載荷和約束處理，分析其固有頻率和振型，取前六階如下圖所示：

前六階模態(tài)的頻率和振型分析結(jié)果匯總于表8：

該車搭載新光華晨491QMB型號發(fā)動機(jī)，其怠速頻率接近26HZ。分析顯示車架的5階頻率接近發(fā)動機(jī)的怠速，在后續(xù)的改進(jìn)中應(yīng)予以高度關(guān)注。

4 總結(jié)

文章對客車的白車身骨架設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真分析，其結(jié)果可為工程師及研究人員提供一定參考。

強(qiáng)度分析方面，應(yīng)力集中區(qū)域主要分布在后懸支架與立柱的焊接處。因此在實(shí)車試驗(yàn)中要注意該部位的實(shí)際測試結(jié)果，進(jìn)行重點(diǎn)分析。另外，構(gòu)件雖然沒超出材料的屈服極限，但局部區(qū)域在4種工況下表現(xiàn)出了較大應(yīng)力，建議進(jìn)行加強(qiáng)處理。

剛度分析方面，4種工況下的計(jì)算結(jié)果都體現(xiàn)了車架具有較高的剛度水平，滿足廠家的設(shè)計(jì)要求。

模態(tài)分析方面，客車車身的低階頻率應(yīng)處于11-33Hz范圍內(nèi)，而由計(jì)算的結(jié)果完全處在要求的范圍內(nèi)。但是，第五階頻率為26Hz，與發(fā)動機(jī)怠速頻率相近，為避免共振，建議適當(dāng)調(diào)節(jié)怠速的轉(zhuǎn)速，并對發(fā)動機(jī)安裝支架做加強(qiáng)處理。

參考文獻(xiàn)：

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