基于ANSYS的長途客車車架有限元分析

王云飛

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

基于ANSYS的長途客車車架有限元分析

王云飛

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

隨著計算機技術的飛速發展，CAE技術被廣泛應用于汽車行業。長途客車車架是整車的主要承載結構，基于有限元方法的車架分析越來越被企業重視。本文首先利用CATIA軟件建立了三段式車架的三維實體模型，然后用ANSYS軟件對三段式客車車架進行了有限元分析，分別討論了該車架靜態強度、模態特性，為車架的改進設計提供了理論依據。

車架；有限元；ANSYS；靜態分析；模態分析

CLC NO.:U469.1Document Code:AArticle ID:1671-7988(2015)07-45-03

引言

車架將各總成零部件結合為一體，是汽車各個系統的承載基體，承受著車內外的各種載荷。車架的靜態特性和動態特性直接影響整車的安全系數、平順性、操縱穩定性和乘客舒適性[1]。通過仿真分析車架在各種工況下的靜、動態特性，驗證車架在給定的載荷下是否符合國標要求，對于車架結構的進一步優化設計，提高整車性能是非常重要的。

本文的研究對象是在宇通公司實習的基礎上，根據給定的底盤圖和整車參數及總布置的要求，利用CAD軟件建立車架的三維實體模型，然后應用有限元分析軟件對車架結構進行靜態分析和動態分析。利用計算機在計算速度方面的優勢，可以快速的模擬車架在各種行駛狀況下的響應，分析出薄弱環節并加以改進，縮短了設計周期。

1、客車車架模型的建立

本文首先運用CATIA R18軟件建立了車架三維實體模型圖，然后將其以stp的格式導入ANSYS 12.0中，得到車架的有限元模型。

1.1 車架三維實體模型的建立

根據給定的底盤圖和總布置要求，客車采用半承載式車身，車架的形式為三段式結構，車長為11200mm，車寬為2480mm，車高為3700mm軸距為5700mm，前懸2200mm，后懸3100mm，前后軸均采用空氣彈簧懸架；國標要求空載或滿載時，前軸軸載質量應不小于車輛總質量的25%；底架中段設置行李艙，乘客人數為50人，國標規定每個人的行李艙容積要不小于0.15立方米，因此行李艙總容積要大于7.5立方米。

在上述的要求下，建立車架各個部分的零件圖，然后裝配生成車架的三維實體模型，如下圖1所示。

1.2 車架有限元模型的建立

在ANSYS Workbench中不論進行靜態分析還是模態分析，導入幾何模型之前都要定義材料的屬性，本車架的材料均為16Mn，材料的性能參數如下表1所示，將材料的屬性賦予車架模型后，可以看出車架的總質量為1428kg。

表1 車架材料屬性

在Workbench中劃分網格時不用自定義單元類型，Workbench根據分析對象的結構形態自動生成一種類型的網格，它對實體默認的單元類型為solid187單元。solid187單元是四面體10節點單元，可以施加于任何幾何體，可以快速、自動生成，在關鍵區域容易使用曲度和近似尺寸功能自動細化網格[2]。單元長度取15mm，既滿足精度要求，計算速度也比較快，劃分完成后有307738個單元，617569個節點，局部的有限元模型圖如圖2所示。

2、車架有限元靜態分析

靜態分析就是要利用有限元軟件對車架結構在承受靜態載荷時各個部位的應力分布情況進行分析，然后對不合理的地方進行相應的改進以提高車架整體的靜態承載能力。客車車架的靜態分析通常只考慮彎曲工況和彎扭工況。客車的四個車輪處于同一水平面時的靜態工況稱為彎曲工況；當車輛的四個車輪不在同一水平面時的靜態工況稱為彎扭工況，尤其當左前輪和右后輪同時抬起的情況較為惡劣[3]，在這種工況下車架如果滿足要求，在彎曲工況下也肯定滿足要求。本文將對客車車架在彎扭工況下進行分析。

2.1 邊界約束及加載

車架處于彎扭工況時，約束客車右前輪和左后輪在垂直方向上的位移，同時給左前輪和右后輪垂直向上的位移，模擬出左前輪和右后輪同時抬起的狀況[3]。

各部分載荷的分布按照其作用部位來處理。乘客及座椅、地板骨架總成和空調按照集中載荷在中段車架的縱梁上平均分配。油箱和行李按其支撐位置分配在中段桁架的下部，并按集中載荷處理[4]。發動機和變速箱按照集中載荷加載到后段縱梁相應的支撐點上。各部分的重量如表2所示。

表2 客車各部分重量

2.2 計算結果及分析

靜態彎扭工況下，車架的位移分布如下圖3所示。車架的變形主要發生在車架的左前部分和右后部分，與客車車架的實際變形是相符的。最大位移值為8.3229mm，發生在車架左前方和右后方的牛腿上，但是仍滿足安全要求。

車架的應力分布如下圖4所示。彎扭工況下車架前段縱梁應力值較低，最大應力值為94.106MPa。中段車架應力較大，最大應力值為282.32MPa，發生在中段桁架通過肋板與前后縱梁連接的部位，但仍然滿足材料的屈服極限，行李架上下兩端斜撐鋼管的應力較小，僅有62.738MPa。后段車架大梁的應力水平比前段大梁的應力水平大，最大應力值為188.21MPa，集中在大梁左側的支撐鋼管處。

3、車架有限元模態分析

模態是機械結構固有的振動特性，每一個機械結構都具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型[5]。客車車架的模態反映車架在不同頻率下的振動形態。根據模態分析的結果可以發現客車車架的薄弱環節和不足之處，為車架的優化設計提供理論依據。

本文對車架的自由模態進行了研究，自由模態即在沒有約束的情況下計算得到的模態頻率和振型。三段式客車車架的自由模態分析結果如表3所示，表中去除了車架前六階剛體模態。各階的振型圖如圖5至10所示。

表3 車架前六階固有頻率和振型

此車架的低階固有頻率分布比較均勻，振型比較合理，主要特點是在車架的兩端振幅較大，原因是這些地方受到了較強烈的外部激勵。車輛在正常行駛中所受激勵主要包括路面激勵、車輪跳動激勵、發動機激勵和傳動軸激勵[6]。當這些激振頻率與車架的某一固有頻率相吻合時就會產生共振。因此要求客車車架的低階頻率避開這些激振頻率，以避免發生整體共振。

道路激勵一般小于3Hz；車輪跳動激勵一般小于5Hz[6]；長途客車車速在80Km/h左右時，傳動軸激勵會達到30HZ以上；而發動機的振動頻率隨著發動機轉速的變化而不同，可以通過以下公式計算發動機的振動頻率[7]:

本客車采用的是六缸四沖程發動機，怠速轉速一般為650r/min，由公式計算可得該發動機怠速時的振動頻率為32.5Hz。而在正常行駛時發動機的激振頻率遠高于怠速時的振動頻率。

模態分析計算結果顯示車架的低階固有頻率在14.958-28.274Hz之間，通過比較，其低階頻率避開了車輛在正常行駛中所受主要激勵的激振頻率，因此車架不會與整車發生共振。可見該車架滿足動態特性的條件，符合車架設計要求。

4、結論

本文根據宇通公司某型號客車底盤參數，應用CATIA和 ANSYS軟件完成了三段式車架的建模和靜、動態有限元計算，并對結果做了討論分析。結果表明，本文所建立的車架有限元模型合理，車架結構符合安全要求，基本反映了客車車架實際情況，但是為了減輕車重，可以對車架結構進行適當的改進，在此提出幾點建議[8]:

（1）在保證最大應力滿足材料屈服極限的前提下，車架的縱梁可以選擇較小的截面尺寸。

（2）車架中段的桁架可以選擇壁厚更小的方鋼。

（3）可以適當減少一些多余的加強肋板或減小其壁厚。

[l] 周中堅,盧耀祖.機械與汽車結構的有限元分析[M].上海:同濟大學出版社,1997.

[2] 凌桂龍, 丁金濱, 溫正. ANSYS Workbench 13.0 從入門到精通[J]. 2012.

[3] 曲昌榮, 郝玉蓮, 戚洪濤. 汽車車架的有限元分析[J]. 輕型汽車技術, 2008 (9): 9-12.

[4] 陳德玲. YBL6100C43aH 客車車架有限元分析與試驗研究[D].南京理工大學, 2003.

[5] 馬聰承. 三段式客車車架的 CAE 分析及減重優化研究[D]. 華南理工大學, 2009.

[6] 劉素紅, 李芳. 一種客車車架結構的有限元分析[J]. 機電工程, 2010, 27(004): 20-23.

[7] 馮國勝. 客車車身結構的有限元分析[J]. 機械工程學報, 1999, 35(1): 91-95.

[8] 薛大維, 趙雨嚦. 客車車架有限元靜力學分析[J]. 哈爾濱工業大學學報, 2006, 38(7): 1075-1078.

Coach frame based on ANSYS finite element analysis

Wang Yunfei
( Changan auto university college, Shaanxi Xi’an 710064 )

CAE technology is widely applied in automobile industry along with the rapid development of computer technology. For coach-body frame is main bearing part of whole car structure, car-body CAE method, which is based on the finite element method, gets company’s attention more. In this dissertation, the 3-section chassis-frames were designed by the software CATIA firstly. By the software ANSYS, FEM model of 3-section chassis-frames were set up, and then analyzed. The static stresses, mode characteristics of the vehicle frame were discussed, which provide a theoretical basis for frame’s further design.

frame; fem; ANSYS; static analysis; modal analysis

U469.1

A

1671-7988(2015)07-45-03

王云飛，長安大學汽車學院碩士研究生，車輛工程專業。