利用CAE技術(shù)對(duì)某客車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)變更進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析

張青

摘 要：文章應(yīng)用Hypermesh軟件建立了某客車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)變更前后的有限元模型，利用Optistruct求解器，進(jìn)行模態(tài)、剛度和強(qiáng)度等分析，對(duì)結(jié)構(gòu)變更前后的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)兩者間的差值很小，因此可以忽略這兩者間的結(jié)構(gòu)差別，免去結(jié)構(gòu)少許改動(dòng)后還要去跑路試的環(huán)節(jié)，為公司產(chǎn)品的變更節(jié)省了經(jīng)費(fèi)及保證能及時(shí)把車(chē)交付給客戶。

關(guān)鍵詞：Hypermesh；模態(tài)分析；剛度分析；強(qiáng)度分析；對(duì)標(biāo)分析

1 引言

我司研制生產(chǎn)的某12米半承載客車(chē)，在國(guó)內(nèi)已經(jīng)經(jīng)過(guò)2萬(wàn)公里的可靠性試驗(yàn)后，其各項(xiàng)指標(biāo)都符合設(shè)計(jì)要求及國(guó)內(nèi)客戶反映其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，可靠性好。但在出口海外目的地時(shí)，客戶覺(jué)得中門(mén)踏步臺(tái)階寬度較小，需要增加各臺(tái)階面的寬度，經(jīng)協(xié)商決定把與中門(mén)踏步地板骨架連接的半承載車(chē)架處的中間縱梁打斷，并往內(nèi)移動(dòng)100mm。

由于這車(chē)型是典型的半承載結(jié)構(gòu)，與后懸連接的部位在各路況下，其應(yīng)力均較大，是比較容易破壞的區(qū)域，而打斷中間縱梁對(duì)此結(jié)構(gòu)更加不利。在這情況下，如何設(shè)計(jì)這部位的結(jié)構(gòu)變得更加重要。因此，在設(shè)計(jì)圖紙定版前進(jìn)行CAE分析，對(duì)各種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比分析，找出最合理的方案使變更后的結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)相比不會(huì)減弱很多即可。

2 有限元建模

此車(chē)是典型的三段式半承載結(jié)構(gòu)，車(chē)架是主要的承載結(jié)構(gòu)，因此只要對(duì)車(chē)架進(jìn)行對(duì)比分析即可。為了真實(shí)地反映車(chē)架模型，采用殼單元來(lái)建立其車(chē)架等結(jié)構(gòu)。在建模過(guò)程中遵循以下簡(jiǎn)化規(guī)則[1]：（1）略去一些非承載件和各種小的功能件等；（2）忽略承載結(jié)構(gòu)上的各種工藝特征，如工藝孔、凸臺(tái)及翻邊等；（3）以中面作為板殼單元的基準(zhǔn)面，結(jié)構(gòu)間的連接關(guān)系采用共結(jié)點(diǎn)、剛性連接等模擬；（4）忽略了懸掛系統(tǒng)和空氣彈簧和導(dǎo)向桿系；（5）將質(zhì)量大且集中的零部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、緩速器等以集中質(zhì)量單元的方式連接在各安裝部位上，其余為均布質(zhì)量點(diǎn)；（6）忽略焊接過(guò)程中出現(xiàn)的變形和殘余應(yīng)力；（7）有限元模型的總質(zhì)量和重心位置與實(shí)車(chē)保證一致。

根據(jù)要求所建立的大客車(chē)車(chē)架的有限元模型如圖1所示，共有1D單元8176個(gè)，2D單元184922個(gè)，結(jié)點(diǎn)182982個(gè)。其中三角形單元數(shù)為5832個(gè)，約占3.15%<5%的要求。最后整個(gè)車(chē)架的簧上質(zhì)量總重約為3.6噸，重心離地高度為965mm。

圖1 原車(chē)架有限元模型

3 原車(chē)架模態(tài)分析

由于車(chē)輛在行駛時(shí)同時(shí)受到來(lái)自路面和車(chē)橋的激振而產(chǎn)生振動(dòng)，如果在設(shè)計(jì)時(shí)強(qiáng)度、抗彎剛度、扭轉(zhuǎn)剛度等不足的話就會(huì)出現(xiàn)汽車(chē)各部件間產(chǎn)生共振或疲勞破壞，導(dǎo)致某些部件較早損壞，降低使用壽命。本文通過(guò)解算200Hz以下的前20階固有頻率和振動(dòng)形態(tài)（如表1所示），來(lái)查看某些激振過(guò)大的部件。

根據(jù)這次模態(tài)分析能使我們初步判斷車(chē)架的剛度及固有頻率，可以使設(shè)計(jì)人員清楚的了解哪些位置容易激振并改善其結(jié)構(gòu)，避免結(jié)構(gòu)破壞。

4 原車(chē)架剛度分析

車(chē)架是橫跨在汽車(chē)前后橋上的結(jié)構(gòu)，是整車(chē)的主要承載件，車(chē)架的剛度與其上的支架及車(chē)身骨架的匹配對(duì)汽車(chē)的壽命及舒適性有重要的影響，故對(duì)車(chē)架進(jìn)行剛度分析很有必要。由于汽車(chē)在行駛過(guò)程中主要工況有彎曲工況、制動(dòng)工況、扭轉(zhuǎn)工況和轉(zhuǎn)彎工況[3]。其中彎曲、扭轉(zhuǎn)工況比較常見(jiàn)，故主要對(duì)其進(jìn)行彎曲剛度及扭轉(zhuǎn)剛度的分析，其變形如圖2、3所示。

圖2 原車(chē)架的彎曲工況的位移云圖

左側(cè)縱梁測(cè)量點(diǎn)的Z向位移為0.445mm，右側(cè)測(cè)量點(diǎn)的Z向位移為0.458mm。

ΔZ=（Z左+Z右）/2=0.4515mm；彎曲剛度K=2000/0.4515=4430N/mm。

左側(cè)縱梁測(cè)量點(diǎn)的Z向位移為-0.896mm，右側(cè)測(cè)量點(diǎn)的Z向位移為0.896mm。

前懸加載點(diǎn)距離為S=1146mm，兩測(cè)量點(diǎn)距離為L(zhǎng)=801mm。

θ=atan（|Z左|+|Z左|）/801=0.1278deg；

扭轉(zhuǎn)剛度K=M/θ=3000*1.146/2/0.1278=13451N·m/deg。

5 原車(chē)架強(qiáng)度分析

車(chē)架的受力工況主要為滿載彎曲、滿載扭轉(zhuǎn)、緊急制動(dòng)和轉(zhuǎn)彎工況。根據(jù)車(chē)輛行駛中的受力分析可知：滿載彎曲工況為垂直載荷單獨(dú)作用的工況；滿載扭轉(zhuǎn)工況為垂直載荷和側(cè)向載荷的組合工況；緊急制動(dòng)工況為垂直載荷和縱向載荷的組合工況；緊急轉(zhuǎn)彎工況為垂直載荷和側(cè)向載荷共同作用的組合工況。在這四種工況中，彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況最為常見(jiàn)和最?lèi)毫樱手粚?duì)這兩種工況進(jìn)行CAE強(qiáng)度分析。

從圖5中可以看到，此車(chē)架無(wú)論在彎曲工況還是在扭轉(zhuǎn)工況，其大應(yīng)力的部位均在后懸后部到發(fā)動(dòng)機(jī)安裝部位之間的區(qū)域，并且在中部縱梁大斷部位的最大應(yīng)力在53～115MPa，低于材料的屈服極限。

6 結(jié)構(gòu)變更對(duì)標(biāo)分析

為了滿足客戶對(duì)中門(mén)踏步骨架寬度的需求，經(jīng)過(guò)協(xié)商決定在與踏步骨架連接處的縱梁打斷，并補(bǔ)上同規(guī)格的方鋼來(lái)連接打斷后的大梁，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)數(shù)據(jù)，把車(chē)架變更設(shè)計(jì)成如圖6所示：

根據(jù)上述方法，對(duì)變更后的車(chē)架進(jìn)行模態(tài)、剛度、強(qiáng)度分析，同時(shí)與原結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析，如表2、表3、表4所示。

從各表中可以看出，車(chē)架變更前后自由模態(tài)、剛度（除扭轉(zhuǎn)剛度外）及強(qiáng)度，無(wú)論在應(yīng)力分布和打斷位置處的應(yīng)力均無(wú)明顯的降低，故可以看做此車(chē)架經(jīng)打斷補(bǔ)強(qiáng)后，與整體式車(chē)架一樣。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)用建模功能非常強(qiáng)大的HyperMesh軟件對(duì)車(chē)架變更前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分、施加邊界條件等，極大地提升了前處理工作效率，再利用optistruct求解器對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析、剛度分析及各工況下的強(qiáng)度分析，通過(guò)結(jié)構(gòu)變更前后的數(shù)據(jù)相比，發(fā)現(xiàn)其數(shù)據(jù)變化較小，在合理的范圍之內(nèi)，故可認(rèn)為變更后的結(jié)構(gòu)也能滿足要求，因而不要再去跑路試進(jìn)行驗(yàn)證，從而實(shí)現(xiàn)縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)、修改的風(fēng)險(xiǎn)及驗(yàn)證的成本。

參考文獻(xiàn)

[1]吳誥皂，吳湘燕.客車(chē)車(chē)身有限元強(qiáng)度分析載荷條件的確定[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，1997.

[2]傅志方，華宏星.模態(tài)分析理論與應(yīng)用[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2000.

[3]呂東升，王東方，蘇小平.基于HYPERWORKS的某客車(chē)車(chē)架有限元分析[J].南京工業(yè)大學(xué)， 2011（3）：11-12.

[4]周中堅(jiān)，盧耀祖.機(jī)械與汽車(chē)結(jié)構(gòu)的有限元分析[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1997.

[5]聶毓琴，孟廣偉.材料力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.