基于CATIA的中型客车气瓶支架强度分析

袁绍华，陈　峰，李友良，左涛涛

（金龙汽车联合工业（苏州）有限公司，江苏苏州215123）

基于CATIA的中型客车气瓶支架强度分析

袁绍华，陈峰，李友良，左涛涛

（金龙汽车联合工业（苏州）有限公司，江苏苏州215123）

运用CATIA软件对一中型客车气瓶支架进行三维设计，对初步设计方案进行CAE静强度分析；在此基础上进行改进设计，并进行静强度以及振动、制动、转向三种工况下的强度分析。

中型客车；CATIA；气瓶支架；强度分析

CATIA是一款强大的三维建模软件，在飞机和汽车行业得到广泛应用。随着有限元分析在机械设计中的作用越来越重要，CATIA有限元分析模块也获得了较快的发展，其有限元分析模块完全可以满足一般机械设计有限元分析的要求［1-3］。运用CATIA可以将三维设计和有限元分析同步完成，避免了不同软件之间的相互转换，方便了操作［4-5］。随着市场对LNG车辆需求的增加，对整车气瓶的安装位置和气瓶支架的结构设计提出了要求。本文采用CATIA软件对一中型客车气瓶支架的结构设计进行静强度仿真分析。

1　初步设计和有限元分析

气瓶安装在整车中部车架右侧位置。初步设计使用两套气瓶支架固定于车架纵梁上，气瓶安放于两套支架上面［6］。初步设计具体三维模型见图1。

支架和车架纵梁之间使用螺栓固定，紧固后基本没有相对运动。为了方便分析，减少计算量，在应用CATIA进行有限元静应力分析时，使用“扣紧连接特（Fastened Connection Property）”模拟气瓶支架的连接特性。在“扣紧连接特”添加前需要建立结合面之间的“通用连接（General Analysis Connection）”作为“扣紧连接特”的添加承载基础［7］。有限元模型中车架纵梁和气瓶支架使用的材料和固有特性见表1。

表1　模型各个零部件的材料以及固有特性

气瓶支架采用四面体实体单元进行有限元网格划分［8］。气瓶在加满燃气后总质量约为405 kg。根据工程经验，采用1.5倍的安全系数，即对气瓶质量进行1.5倍放大处理。在两套支架上采用均布力来模拟气瓶重力对支架的作用。CATIA有限元分析后的部分结果见图2。

从静强度分析结果可知，支架的最大应力为267.2 MPa，已经大于材料屈服极限245 MPa；支架的最大位移为11.28 mm。该位移过大会造成气瓶歪斜，影响气瓶的正常使用。根据仿真结果可以确定，该初步设计方案不能满足使用要求。

2　改进设计和应力分析

2.1改进设计及静应力分析

为了减少支架的最大应力和变形位移，在支架与车架纵梁之间添加支撑，同时将两个支架通过连接支架连接在一起，最后使用连接支架将气瓶支架与车身侧围相连在一起。这样整个支架的支撑点就有纵梁和车身侧围前后三处。改进后的三维模型如图3所示。

按照前述方式对改进后的模型进行有限元前处理，其有限元静强度分析的部分结果如图4所示。

由分析结果可得，最大应力为87.43 MPa，远小于材料屈服极限245 MPa；最大位移为2.33 mm。该位移对气瓶平衡性基本不会产生影响。由此可知，优化后的结构满足设计要求。

2.2其它工况下的应力分析

为了进一步分析改进后的支架结构强度能否满足使用要求，在整车振动、制动和转向三种极限工况下对其进行有限元分析。在X、Y、Z三个方向分别加载加速度场来模拟振动、制动和转向三种工况。三种工况下支架的载荷分布和分析结果见表2。

表2　三种工况下加速度场数据和分析结果

由分析结果可知，三种工况下的最大应力远小于245 MPa，最大位移没有超过3 mm。改进后的悬置支架结构强度完全可以满足振动、制动和转向三种极限工况的使用要求。

3　结束语

本文介绍了使用CATIA软件进行中型客车气瓶支架结构设计和分析的一般过程。使用CATIA软件可以将结构的三维设计和有限元分析有效地结合在一起，做到设计和分析同步，并且设计、分析在同一个软件中进行，可以避免因为模型文件的转换而产生的误差和工作时间的损失。同时也降低了产品设计的盲目性，为产品的开发提供了理论依据，节约了成本，缩短了开发周期。

［1］黄博.CATIA有限元分析模块实例教程［M］.北京：交通出版社，2007.

［2］盛选禹，李明志.CATIAV5 R17有限元分析实例教程［M］.北京：机械工业出版社，2009.5.

［3］李明新.CATIAV5R21中文本基础教程［M］.北京：人民邮电出版社，2013.12.

［4］孙艳鹏.载重汽车车架有限元分析及优化［D］.重庆：重庆交通大学，2008.4.

［5］邵超城，刘强，龙飞永.纯电动汽车车架设计及有限元分析［J］.机械设计与制造，2011，（8）：39-40.

［6］卞学良.专用汽车结构与设计［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［7］曾攀.有限元分析及应用［M］.北京：清华大学出版社，2006.

［8］肖绪锦，黄桂芬，陈铭年.骨架式半挂车车架三维实体建模与静态分析［J］.福建工程学院学报，2008，（S1）

修改稿日期：2014-11-03

Analysis on Gas Cylinder Bracket Strength for a Medium-sized Bus Based on CATIA

Yuan Shaohua，Chen Feng，Li Youliang，Zuo Taotao
（Higer Bus Company Lim ited，Suzhou 215123，China）

CATIA is app lied in 3D design of a medium-sized bus gas cylinder bracket.Based on the static strength analysis of the preliminary design，the design of gas cylinder bracket is improved.Finally，the improved gas cylinder bracket strength is analyzed under the conditions ofstatic strength，bumping，braking and steering.

medium-sized bus；CATIA；gas cylinder bracket；strength analysis

U 463

B

1006-3331（2015）03-0028-02

袁绍华（1985-），男，助理工程师；主要从事客车底盘工艺技术问题分析工作。