基于有限元的客車車架輕量化設計

摘要：客車在生活中發揮著極其重要的作用，而車架作為客車的重要組成部分，它承載著客車總成，為其提供安裝位置的功能。為了提高客車整車性能，本文基于有限元分析，提出了客車車架輕量化設計。通過軟件CATIA和SOLIDWORKS建立幾何模型，利用ANSYS對車架進行了靜態特性的有限元分析，并提出切實可行的優化模型方案。結果表明，該優化方案能使客車車架在滿足性能要求條件下，質量減少9.75%，可實現輕量化目的。

關鍵詞： 客車車架;CATIA;SOLIDWORKS;ANSYS;有限元分析;輕量化

中國分類號：U462 文獻標識碼：A

0 引言

車架是客車的重要組成部分，在車輛行駛過程中，會受到汽車發動機總成和各組成部分的質量以及行駛時懸架傳遞的沖擊、扭曲與慣性的共同作用，其安全性、舒適性、使用壽命以及穩定性是重要的判定參數[1]。通過有限元的方法對客車車架進行分析，得出客車的靜態分析結果，可以更加透徹地了解車架的應力和變形分布情況，從而提出優化設計方案，實現輕量化的目的。

1 客車車架的模型建立

1.1 車架CATIA三維模型建模

采用CATIA三維軟件建立車架模型，采用邊梁式結構，該車架結構由2根主縱梁為主要支撐、2根前后橫梁、12根中間橫梁和2根邊梁組成。車架的長度和寬度分別為9015.000 mm和2 770.000 mm，參數如表1所示。

1.2 車架有限元模型

將建立好的車架模型導入ANSYS的靜態分析模塊中，設置有限元單元類型為殼單元，將車架離散為255 831個單元，共415 016個節點。車架的材料參數如表2所示。

車架在靜止和行駛時都受到各種載荷、載重及自身質量的作用，在不同的工況下受到不同的復雜力[2]。本文對車架進行靜態分析，將車架本身的質量和載重的質量簡化為車架上的均布載荷，加載02 N/mm2，車架的有限元模型加載情況如圖1所示。

2 車架的靜態分析

2.1 純彎曲靜力分析

滿載彎曲工況下，車架承受的載荷是最大的，這種工況下車架所受的應力和變形都相對較大。如圖2和圖3所示的有限元模型圖可知，最大應力值為199.87 MPa，遠小于車架的屈服強度，發生在車架前后車輪約束的位置。最大變形量為19.820 mm，發生在車架的后橫梁上，此處缺少好的剛度支撐，變形較大，但仍符合剛度要求，此工況下車架安全。

2.2 緊急制動靜力分析

滿載情況下車架可能受到較大的應力和變形，在此情況下緊急制動，車架的受力會更加復雜。由圖4和圖5可知，緊急制動情況下最大應力值為200.41 MPa，在吊耳與車架相接的位置，大于簡單的滿載彎曲工況。最大變形量為19.800 mm，出現在車架的后橫梁上，與滿載彎曲工況相差不大，變形幅度較小，在合理范圍之內，此工況下車架安全。

從分析結果來看，最大應力為200.4-1 MPa，未超過安全系數為1.5時的最大應力值233.00 MPa;車架有輕微變形，但符合剛度要求，車架變形的最大位移為19.800 mm。綜上所述，該車架結構滿足剛度和強度要求，且有很大的輕量化空間，可進行輕量化設計。

3 車架輕量化設計

3.1 車架尺寸優化

先用車架的主縱梁進行優化設計。取主縱梁的厚度和寬度作為設計變量，得到2個優化設計變量，并對其進行上下限的限制。優化設計變量的初始值和變化范圍如表3所示。

3.2 車架主縱梁的優化

最優解主縱梁寬為82.000 mm，主縱梁的厚度為182.000 mm，受到最大應力值為245.80 MPa，車架質量減少6 500 kg，減少了5.8%。將最優解參數代入純彎曲工況時驗證（圖6），最大應力為245.87 MPa，車架的剛度和強度滿足要求，經優化后較好地實現了輕量化。

3.3 車架的整體優化

主縱梁經過優化后，整個車架的強度和剛度發生變化，但仍滿足要求，且達到輕量化的目的。故對整體車架進行優化設計，變量如表4所示。

經過優化后整車架最大應力為217.23 MPa（圖7），發生在鋼板彈簧與車架的接觸點上，最大變形為20.916 mm（圖8），發生的位置為后橫梁。整個車架滿足安全系數為1.5的強度要求，也滿足剛度要求。車架的質量由6 970 kg減少為6290 kg，減少了9.75%，達到輕量化目的。

4 結束語

本文對運用ANSYS對車架結構有限元模型進行了分析研究，分析純彎曲工況和緊急制動工況下的強度和剛度特性。掌握了車架結構特性，各個部分受力和變形的特點，并進行了車架的優化設計。車架質量由6 970 kg減少為6 290 kg，車架整體減少了9.75%，達到了輕量化的目的，有效提高了客車的油耗及整車性能，對于車架結構的輕量化設計研究具有非常重要的價值。

【參考文獻】

[1] 田國富，趙慶斌.客車車身結構的有限元分析[J]機械工程師，2018（05）：41-44.

[2] 陳德鈴.YBL6100C43aH客車車架有限元分析與試驗研究[D].南京理工大學.2002，12.