客车车身结构的有限元分析

2018-05-23田国富赵庆斌

机械工程师 2018年5期

田国富，赵庆斌

（沈阳工业大学机械工程学院，沈阳 110870）

0 引言

客车车架作为大型汽车的主要骨架之一，在客车行驶过程中，车架在各种复杂的载荷作用下，其安全性、舒适性、使用寿命以及稳定性将作为汽车性能指标的重要判定参数，因此车架的强度和刚度在车架的整个设计过程中显得尤为重要，而通过有限元的方法对客车车架进行分析研究，求解出客车的静态分析结果，可以更加透彻地了解客车车架的应力和变形分布情况，从而对车架整体及某些薄弱部位进行优化，进而提高客车车架的安全性、可靠性。

1 客车车架的模型建立

采用CATIA三维软件建立客车模型，并将模型导入到ANSYS Workbench18.1的静态分析模块中，建立车架的有限元分析模型。

1.1 客车车架的实体建模

根据车架的CAD图样，利用CATIA软件建立车架的结构模型，整个结构主要采用矩形管、方管、板材和型钢等焊接而成的三维立体结构，车架三维模型如图1所示。

1.2 客车车架有限元模型

图1 车架三维模型

将建立好的车架模型转换为X.T格式后，导入ANSYS Workbench18.1的静态分析模块中完成车架的有限元模型建立。整个车架的有限元模型采用实体单元，采用四面体和六面体网格进行网格划分，整体网格大小为30 mm网格划分后，单元总数553 652个，节点数量为491 916个,客车车架网格划分如图2所示。

图2 客车车架网格划分

2 客车车架四种工况下的静态分析

2.1 客车车架材料的确定

车架材料全部采用Q345材质，具体参数如表1所示。

表1 Q345材质参数

2.2 在水平弯曲状况下，客车车架材料的静态分析

客车车架在平稳的行驶过程中，客车车架主要承受车架自身重量、油箱、发动机、空调、乘客的重量，因此在进行水平弯曲状况下的静态分析时，主要分析客车车架在平稳状态下的强度和刚度情况。客车所受载荷分类和大小如表2所示。

2.2.1 在水平弯曲状况下，客车车架边界条件的施加

为了模拟客车平稳运动过程中车架的应力和变形情况，逐一对客车的顶部横梁施加来自于空调和乘客行李的重量对客车车架造成的载荷，并且在客车的其他相应部位分别施加油箱、后桥和发动机对客车车架的重力载荷，进一步在整个客车车架底框上表面施加乘客和相应座椅的重力载荷，在Workbench中施加一个重力加速度9.8 m/s2模拟客车车架自身的重力。

表2 客车所受载荷分类和大小

与此同时，在Workbench中采用固定约束的方式，约束客车车架底面与车轮连接处的部位，简化模拟客车受到的固定支撑作用。客车车架边界条件施加如图3所示。

图3 在水平弯曲状况下，客车车架边界条件施加

2.2.2 在水平弯曲状况下，客车车架应力和变形分布情况

从应力图（图4）中可以看出，客车车架底框焊接处出现了最大应力，其最大应力值为209.8 MPa，而整个客车车架采用的材料为Q345，其屈服强度为345 MPa，其安全系数为S=1.6，因此客车车架的强度满足了设计的要求；从位移图（图5）中可以看出，最大位移变形为2.6 mm，发生在车架底框中心部分，小于车身设计要求的变形量，因此车身的最大变形量满足设计的要求，综上所述，客车在平稳运动过程中，客车车架的强度和刚度都满足设计要求。

2.3 在极限扭转状况下，客车车架的静态分析

图4 水平弯曲状况下客车车架应力云图

图5 水平弯曲状况下客车车架变形云图

客车在行驶不平稳的情况下，4个车轮容易出现离开地面的现象，这样致使4个车轮高低不同，造成整个客车受力不均匀，在此恶劣的工况下，对客车进行静态分析是非常有必要的。

2.3.1 在极限扭转状况下，客车车架边界条件的施加

在极限扭转情况下与在水平弯曲状况下，客车所受的载荷情况相同，约束的方式不同，在极限扭转的情况下，假设左前轮存悬空状态，约束右前轮的X、Y、Z方向的位移，并且将约束后轮的竖直方向的自由度，使其能够在水平方向自由，客车车架边界条件施加如图6所示。

图6 极限扭转状况下客车车架边界条件的施加图

2.3.2 在极限扭转状况下，客车车架应力和变形分布情况

图7 极限扭转状况下客车车架应力云图

图8 极限扭转状况下客车车架变形云图

从图7中可以看出，客车车架底框焊接处出现了最大应力，其最大应力值为247.6 MPa，而整个客车车架采用的材料为Q345，其屈服强度345 MPa，其安全系数为S=1.4，因此客车车架在极其恶劣的环境下，其强度也基本满足了设计的要求；从图8中可以看出最大位移变形为8.8 mm，发生在车架左前方支撑杆处，但是最大变形量同样小于设计允许的变形量，因此车身的最大变形量满足设计的要求。

2.4 在紧急制动状况下，客车车架的静态分析

客车在正常行驶过程中，可能会遇到突发事件，这时需要客车紧急刹车制动，在这一过程中，客车主要以0.7g的制动加速度进行刹车制动，此时客车整体的应力和变形分布情况。

2.4.1 在紧急制动状况下，客车车架边界条件的施加

客车整体的受力状况与水平弯曲工况下的受力状况大体相同，紧急制动时，主要增加了一个与客车运动方向相反的水平制动加速度。在进行约束时，限制客车两前轮处的X、Y、Z方向的位移为0，限制客车两后轮X、Z方向位移为0，不限制Y方向的自由度。客车车架边界条件施加如图9所示。

图9 紧急制动状况下客车车架边界条件施加

2.4.2 在紧急制动状况下，客车车架应力和变形分布情况

从应力云图（图10）中可以看出，客车车架底框焊接处出现了最大应力，其最大应力值为216 MPa，，其安全系数为S=1.5,客车车架强度满足了设计的要求；从位移图（图11）中可以看出最大位移变形为2.7 mm，发生在车架底框中心处，车身的最大变形量满足设计的要求。

2.5 在紧急转弯状况下，客车车架的静态分析

图10 紧急制动状况下客车车架应力云图

图11 紧急制动状况下客车车架位移云图

紧急转弯是为了模拟客车在转弯时，出现的一种特殊工况，在这种情况下，车身出现倾斜现象，因此通过静态分析确认车架是否满足设计要求。

2.5.1 在紧急转弯状况下，客车车架边界条件的施加

客车在紧急转弯时，车架受力状况与水平弯曲工况下的受力状况大体相同，并且额外受到横向方向的横向加速度，大小为0.4 g,因紧急转弯为右转弯，因此约束左前轮X、Y、Z方向上的位移为0，同时约束右前轮X、Y方向的位移为0，Y方向自由，约束两后轮X方向位移为0，Y、Z方向自由。客车车架边界条件施加如图12所示。

图12 紧急转弯状况下客车车架边界条件施加

2.5.2 在紧急转弯状况下，客车车架应力和变形分布情况

从应力云图（图13）中可以看出，客车车架底框焊接处出现了最大应力，其最大应力值为158 MPa，其安全系数为S=2.2,客车车架强度满足了设计的要求；从位移图（图14）中可以看出最大位移变形为4.99 mm，发生在车架后框顶部，车身的最大变形量满足设计的要求。

图13 紧急转弯状况下客车车架应力云图

图14 紧急转弯状况下客车车架位移云图

2.6 4种状况下，客车车架的静态分析对比

通过上述的4种不同工况的客车车架分析，得到了客车的4种不同工况下的最大应力及相应的安全系数和最大位移，如表3所示。

通过以上4种工况对比分析，4种工况下，最大应力都发生在客车车架底框焊接处，其余部位应力相对较小，整个车身车架满足了设计要求的强度。在4种工况中，极限扭转工况是安全系数最低的，容易出现安全隐患的工况，其最大应力为246.7 MPa，安全系数为1.4，同时又是刚度位移最大的工况，大小为8.8 mm，但是满足车架刚度设计要求。