利用CAE技術對某客車車架結構變更進行對標分析

張青

摘 要：文章應用Hypermesh軟件建立了某客車車架結構變更前后的有限元模型，利用Optistruct求解器，進行模態、剛度和強度等分析，對結構變更前后的結果進行比對，發現兩者間的差值很小，因此可以忽略這兩者間的結構差別，免去結構少許改動后還要去跑路試的環節，為公司產品的變更節省了經費及保證能及時把車交付給客戶。

關鍵詞：Hypermesh；模態分析；剛度分析；強度分析；對標分析

1 引言

我司研制生產的某12米半承載客車，在國內已經經過2萬公里的可靠性試驗后，其各項指標都符合設計要求及國內客戶反映其結構設計合理，可靠性好。但在出口海外目的地時，客戶覺得中門踏步臺階寬度較小，需要增加各臺階面的寬度，經協商決定把與中門踏步地板骨架連接的半承載車架處的中間縱梁打斷，并往內移動100mm。

由于這車型是典型的半承載結構，與后懸連接的部位在各路況下，其應力均較大，是比較容易破壞的區域，而打斷中間縱梁對此結構更加不利。在這情況下，如何設計這部位的結構變得更加重要。因此，在設計圖紙定版前進行CAE分析，對各種設計方案進行對比分析，找出最合理的方案使變更后的結構與原結構相比不會減弱很多即可。

2 有限元建模

此車是典型的三段式半承載結構，車架是主要的承載結構，因此只要對車架進行對比分析即可。為了真實地反映車架模型，采用殼單元來建立其車架等結構。在建模過程中遵循以下簡化規則[1]：（1）略去一些非承載件和各種小的功能件等；（2）忽略承載結構上的各種工藝特征，如工藝孔、凸臺及翻邊等；（3）以中面作為板殼單元的基準面，結構間的連接關系采用共結點、剛性連接等模擬；（4）忽略了懸掛系統和空氣彈簧和導向桿系；（5）將質量大且集中的零部件，如發動機、變速箱、緩速器等以集中質量單元的方式連接在各安裝部位上，其余為均布質量點；（6）忽略焊接過程中出現的變形和殘余應力；（7）有限元模型的總質量和重心位置與實車保證一致。

根據要求所建立的大客車車架的有限元模型如圖1所示，共有1D單元8176個，2D單元184922個，結點182982個。其中三角形單元數為5832個，約占3.15%<5%的要求。最后整個車架的簧上質量總重約為3.6噸，重心離地高度為965mm。

圖1 原車架有限元模型

3 原車架模態分析

由于車輛在行駛時同時受到來自路面和車橋的激振而產生振動，如果在設計時強度、抗彎剛度、扭轉剛度等不足的話就會出現汽車各部件間產生共振或疲勞破壞，導致某些部件較早損壞，降低使用壽命。本文通過解算200Hz以下的前20階固有頻率和振動形態（如表1所示），來查看某些激振過大的部件。

根據這次模態分析能使我們初步判斷車架的剛度及固有頻率，可以使設計人員清楚的了解哪些位置容易激振并改善其結構，避免結構破壞。

4 原車架剛度分析

車架是橫跨在汽車前后橋上的結構，是整車的主要承載件，車架的剛度與其上的支架及車身骨架的匹配對汽車的壽命及舒適性有重要的影響，故對車架進行剛度分析很有必要。由于汽車在行駛過程中主要工況有彎曲工況、制動工況、扭轉工況和轉彎工況[3]。其中彎曲、扭轉工況比較常見，故主要對其進行彎曲剛度及扭轉剛度的分析，其變形如圖2、3所示。

圖2 原車架的彎曲工況的位移云圖

左側縱梁測量點的Z向位移為0.445mm，右側測量點的Z向位移為0.458mm。

ΔZ=（Z左+Z右）/2=0.4515mm；彎曲剛度K=2000/0.4515=4430N/mm。

左側縱梁測量點的Z向位移為-0.896mm，右側測量點的Z向位移為0.896mm。

前懸加載點距離為S=1146mm，兩測量點距離為L=801mm。

θ=atan（|Z左|+|Z左|）/801=0.1278deg；

扭轉剛度K=M/θ=3000*1.146/2/0.1278=13451N·m/deg。

5 原車架強度分析

車架的受力工況主要為滿載彎曲、滿載扭轉、緊急制動和轉彎工況。根據車輛行駛中的受力分析可知：滿載彎曲工況為垂直載荷單獨作用的工況；滿載扭轉工況為垂直載荷和側向載荷的組合工況；緊急制動工況為垂直載荷和縱向載荷的組合工況；緊急轉彎工況為垂直載荷和側向載荷共同作用的組合工況。在這四種工況中，彎曲工況和扭轉工況最為常見和最惡劣，故只對這兩種工況進行CAE強度分析。

從圖5中可以看到，此車架無論在彎曲工況還是在扭轉工況，其大應力的部位均在后懸后部到發動機安裝部位之間的區域，并且在中部縱梁大斷部位的最大應力在53～115MPa，低于材料的屈服極限。

6 結構變更對標分析

為了滿足客戶對中門踏步骨架寬度的需求，經過協商決定在與踏步骨架連接處的縱梁打斷，并補上同規格的方鋼來連接打斷后的大梁，根據經驗及相關數據，把車架變更設計成如圖6所示：

根據上述方法，對變更后的車架進行模態、剛度、強度分析，同時與原結構進行對標分析，如表2、表3、表4所示。

從各表中可以看出，車架變更前后自由模態、剛度（除扭轉剛度外）及強度，無論在應力分布和打斷位置處的應力均無明顯的降低，故可以看做此車架經打斷補強后，與整體式車架一樣。

7 結束語

本文運用建模功能非常強大的HyperMesh軟件對車架變更前后的結構進行網格劃分、施加邊界條件等，極大地提升了前處理工作效率，再利用optistruct求解器對其結構進行模態分析、剛度分析及各工況下的強度分析，通過結構變更前后的數據相比，發現其數據變化較小，在合理的范圍之內，故可認為變更后的結構也能滿足要求，因而不要再去跑路試進行驗證，從而實現縮短產品開發周期、降低產品設計、修改的風險及驗證的成本。

參考文獻

[1]吳誥皂，吳湘燕.客車車身有限元強度分析載荷條件的確定[J].機械工程學報，1997.

[2]傅志方，華宏星.模態分析理論與應用[M].上海：上海交通大學出版社，2000.

[3]呂東升，王東方，蘇小平.基于HYPERWORKS的某客車車架有限元分析[J].南京工業大學， 2011（3）：11-12.

[4]周中堅，盧耀祖.機械與汽車結構的有限元分析[M].上海：同濟大學出版社，1997.

[5]聶毓琴，孟廣偉.材料力學[M].北京：機械工業出版社，2004.