客車車架結構有限元分析

張俊 文和平

摘要：客車車架是客車上非常重要的承載部件，車客車受到的各類載荷最終都作用在車架上，因此，車架的結構好壞可以直接影響整車的性能。本研究以某種客車車架為研究對象，運用有限元分析軟件ANSYS對客車車架的結構進行三維建模、對車架的靜態特性進行了分析研究，最后得到車架的變形情況和應力分布，同時提出了幾種車架結構上的改進方案。

關鍵詞：車架 有限元 靜力學分析 ANSYS

中圖分類號：U463 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）10（b）-0082-01

伴隨著計算機技術的發展，有限單元法越來越成為一種重要的工程計算方法。當前在工程研究和設計領域得到了相當廣泛的運用，再加上原理算法的優越性，有限元法在車輛、船舶、飛機、等機械工程領域都得到了極為廣泛的應用。我們把有限元法作為一種先進的設計手段運用再車架設計上，通過有限元計算，可以尋找出原始設計中存在的一些問題，為今后的車架改進設計提供重要的參考依據。因此，運用有限單元法對客車車架分析靜力學情況并進行優化設計對指導車架設計工作有著重要的意義。

1 建立客車車架有限元模型

分析對象我們選定為某型號客車車架，其縱梁間寬為700mm，長11000mm，牛腿長度700mm，最高車速為90km/h，車架簧上重量包括發動機1100kg，離合器加變速器280kg，水箱70kg，備胎90kg，蓄電池150kg，油箱250kg，方向機50kg，3個儲氣筒50kg，空氣過濾器20kg，乘客每人按65kg計算，共60人，平均分布到橫梁、縱梁和牛腿上，加載等效壓強。

我們通過對客車車架結構的分析可知，車架大部分是薄板和薄壁結構，所以有限元模型可選用beam單元或者shell單元。但是因為beam單元不能有效的反映車架縱梁與橫梁連接處應力變化的情況，故而我們選用shell單元完成建模。客車車架的材料性能參數如表1所示，最終建立的客車車架模型如圖1所示。

2 客車車架靜力學分析

客車車架的剛度是其自身所固有的特性，它反映了車架抵御變形的能力，是評價客車車架結構性能的重要指標之一，我們針對車架滿載時靜態彎曲工況，利用有限元軟件ANSYS對客車車架進行如下變形以及應力的分析。

客車車架有限元靜力學分析的過程主要分為以下幾個步驟：選擇單元類型、定義實常數、網格劃分、添加約束和添加載荷等。本論文所研究的車架載荷的處理方法為：忽略車架自身的質量；發動機、油箱蓄電池、水箱、空氣過濾器、變速器和離合器、備胎、儲氣筒是以分布力的形式加在各個單元上；車身和乘客的重量是以分布載荷的形式平均的加到縱梁上。本研究中的約束施加位置為前懸2500mm處，后懸3200mm處，為了使車架不能移動，縱梁在四個車輪的位置各個方向進行全約束即節點位移為零。施加完載荷與約束的車架模型如圖2所示。

3 客車車架靜力學分析結果

根據上述，再通過分析可知，因為蓄電池和水箱的重量較大，使得這一側的縱梁比另一側應力要大，所以最大應力則發生在這一側車架彈簧的后支撐處，σmax=186MPa。對比40Cr材料的強度極限可知這個值遠遠小于額定的強度極限980MPa，車架滿足強度要求。客車車架前端和后端有較大的變形，而最大的變形為車架后端安裝水箱的橫梁處，δmax=26.89mm。這個變形量在車架最大變形要求的范圍之內。針對車架的應力集中現象，可通過增加縱梁厚度或再添加其他橫梁等方法來降低最大應力。

4 結語

本研究通過采用shell93單元創建有限元模型，然后對車間模型進行了詳細的靜力學分析，最后得到客車車架的變形情況和應力分布，對車架最大位移以及最大應力處出現的情況進行了原因分析，對照40Cr材料屬性校核了客車車架的強度和剛度，并提出了降低客車車架應力和變形的方法，最終結果顯示通過增加接觸面積的方法可以減小最大應力和最大變形。

參考文獻

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