某客車車架結構分析與優化

戚葉烽++謝鑫++馬苗

摘 要：客車車架作為整車的承載件，在設計之初有必要對其進行仿真分析，發現潛在的缺陷，為下一步的優化提供指導。本文從強度、剛度及模態三方面綜合考量了車架的結構特征，其中強度及剛度選取了彎曲、扭轉、轉彎和制動這4大典型工況。最后對分析的結果進行了匯總和分析，提出可行的改進方案。

關鍵詞：車架；仿真分析；結構特征

中圖分類號：U463.82+2 文獻標識碼：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

現就讀于武漢理工大學車輛工程專業碩士研究生，主要研究方向為汽車CAD/CAE/ CAM。

引 言

為了縮短汽車的研發周期、盡早的發現可能的設計缺陷、減少開發成本、提升效費比，當今汽車工業對整車以及各個子系統的研發手段、研發過程和評估手段等各個環節都提出了更嚴苛的要求。隨著計算機的快速發展，運用CAE （ Computer Aided Engineering）對車輛進行仿真分析，為新產品研發階段提供了理論依據與指導，有效地解決了大量實際工程問題[1]。其中有限元方法，可分析新產品的結構強度、剛度和模態等，發現設計缺陷，提供可視化的優化參考方案，從而提高了產品的可靠性。

本文運用CATIA按設計要求建立了某客車車身骨架的三維模型，并運用HyperWorks選取強度、剛度和自由模態進行整體評價，根據分析結果，提出了可行性的改進方案。具體的實施步驟如圖1分析流程所示，該方法簡便易行，能夠為下一步的優化設計和實際生產提供指導。

1 模型的建立

將CATIA中建立的三維模型導入HyperWorks， 在進行網格劃分之前，需要對模型進行處理。在如實的體現車架結構主要力學性能以及保障分析結果準確性的前提下，應盡量簡化車身骨架結構的幾何模型。這就要求在簡化車架的過程中區分承載件、輔助承載件和工藝裝飾件三種構件。對重要的承載件盡量不做處理，輔助承載件可適當的簡化，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，均為薄壁結構，因此可以對其抽取中面，并劃分中面網格。劃分網格是十分重要的內容之一，網格質量的好壞直接關系到分析結果的準確與否。利用Hypermesh強大的網格劃分功能，能根據需求劃分出理想的網格，該車架模型的網格質量參數如表1所示。最后劃分的車架網格模型單元數量為742553，其中三角形單元2118，節點數量為738364。

網格模型的桿與桿之間會存在間隙，需要按照車身骨架的實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。其中發動機、變數箱和傳動軸等組件在其空間質心可用reb3單元與實際安裝點定義螺栓連接。

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，賦予對應桿件的厚度和材料特性。

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

2 模型加載與約束

準確施加模型載荷及約束是保證求解結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量件的質心與其安裝位置相連，以此來模擬實際工況下各質量件對車架的作用力[3]。影響該客車車架的質量件主要有：發動機、變速箱、備胎、座椅及乘員等，數據匯總如表3所示：

在進行強度、剛度和模態分析的時候，各部件的數據信息匯總于表2-4。

本文選取了強度、剛度及模態對車架進行了分析，其中強度分析選取彎曲工況、扭轉工況、轉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變形、彎曲剛度及扭轉剛度三種典型工況；模態分析選取了車架的自由模態進行分析，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：

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

3 分析結果

3.1 強度分析結果

強度主要指材料抵抗破壞的能力，車架是整車的承載件，要求在車輛的運行過程中保證不會斷裂，滿足安全性的設計要求[4]。強度分析選取了彎曲工況、扭轉工況、轉彎工況和制動工況進行了分析，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，對各工況下的強度分析結果進行了匯總如表6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。分析顯示應力集中的區域都集中在底盤，這也與預測相符，所有部件完全處于材料允許范圍之內。而且分析未考慮蒙皮等覆蓋件，這些部件的加裝會進一步提高車身的強度水平，該車架的強度滿足設計要求。

3.2 剛度分析結果

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

根據相關國家標準和舒適性的要求，在設計之初廠家提出車架的最大位移量應小于10mm。而且分析未考慮蒙皮等覆蓋件，這些部件的加裝會進一步提高車身的剛度水平，該車架的剛度滿足設計要求。

3.3 模態分析結果

分析自由模態主要是來評估車身骨架是否具有較好的動態特性，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：

前六階模態的頻率和振型分析結果匯總于表8：

該車搭載新光華晨491QMB型號發動機，其怠速頻率接近26HZ。分析顯示車架的5階頻率接近發動機的怠速，在后續的改進中應予以高度關注。

4 總結

文章對客車的白車身骨架設計進行了仿真分析，其結果可為工程師及研究人員提供一定參考。

強度分析方面，應力集中區域主要分布在后懸支架與立柱的焊接處。因此在實車試驗中要注意該部位的實際測試結果，進行重點分析。另外，構件雖然沒超出材料的屈服極限，但局部區域在4種工況下表現出了較大應力，建議進行加強處理。

剛度分析方面，4種工況下的計算結果都體現了車架具有較高的剛度水平，滿足廠家的設計要求。

模態分析方面，客車車身的低階頻率應處于11-33Hz范圍內，而由計算的結果完全處在要求的范圍內。但是，第五階頻率為26Hz，與發動機怠速頻率相近，為避免共振，建議適當調節怠速的轉速，并對發動機安裝支架做加強處理。

參考文獻：

[1]徐曉娜.微型客車車身有限元分析及車架結構優化[D].南京：南京航空航天大學，2009.

[2]馬迅，盛勇生.車架剛度及模態的有限元分析與優化[J].客車技術與研究，2009，（4）：8-11.

[3]李陽.基于Hypermesh有限元分析的輕型貨車車架的輕量化研究[D].武漢：武漢理工大學，2015.

[4]劉鴻文，林建興.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2010.

[5]司豪杰，田哲文.基于Workbench的客車車身骨架模態分析[J].北京汽車.2013（4）：9-12.

[6]李兵，何正嘉.Hyperworks設計仿真與優化[M].北京：清華大學出版社，2008.