基于有限元法的客車(chē)制動(dòng)工況整車(chē)情況分析

蔣冬清，李三雁，代春香

（四川大學(xué)錦城學(xué)院，四川 成都 611731）

基于有限元法的客車(chē)制動(dòng)工況整車(chē)情況分析

蔣冬清，李三雁，代春香

（四川大學(xué)錦城學(xué)院，四川 成都 611731）

針對(duì)某一具體型號(hào)的大型公交汽車(chē)，利用有限元法對(duì)其在緊急制動(dòng)工況下車(chē)身、車(chē)架、地板骨架等整車(chē)重要部件進(jìn)行強(qiáng)度、擾度和變形量分析。采用MSC-Nastran2010有限元分析軟件，以殼單元為單元類(lèi)型，按前后各一個(gè)吊耳的實(shí)際結(jié)構(gòu)定義邊界條件。建模完成之后對(duì)車(chē)身、車(chē)架等8個(gè)主要部件進(jìn)行剎車(chē)工況的強(qiáng)度分析，然后對(duì)車(chē)身X、Z向進(jìn)行撓度分析，完成風(fēng)窗變形量的有限元分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：整車(chē)強(qiáng)度和變形量都在設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)，整車(chē)強(qiáng)度最薄弱位置出現(xiàn)在車(chē)輛左側(cè)與前衛(wèi)交接裙邊處，而撓度最大值位置在頂蓋處，風(fēng)窗變形量較大位置在左右側(cè)圍的風(fēng)窗，結(jié)論可為后續(xù)車(chē)輛設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供仿真依據(jù)。

有限元法；緊急制動(dòng)；強(qiáng)度；撓度；風(fēng)窗變形量

0 引 言

車(chē)身是由許多薄壁結(jié)構(gòu)元件組成的多自由度的彈性系統(tǒng)，在外界工況的激勵(lì)作用下將產(chǎn)生各種變形。當(dāng)汽車(chē)在不平路面上行駛遇到緊急情況突然制動(dòng)時(shí)，車(chē)身除了受到自身重力，還受到因制動(dòng)作用而產(chǎn)生的水平作用力，在這種綜合受力情況下，車(chē)身各部件的受力和變形與正常行駛工況有較大區(qū)別，針對(duì)公交車(chē)等大型車(chē)輛，在城市道路運(yùn)行時(shí)各種突發(fā)情況較多，因此該類(lèi)車(chē)輛經(jīng)常會(huì)遇到緊急制動(dòng)的情況。

此外，大型公交客車(chē)由于視野及美觀等方面的具體要求使得其開(kāi)窗口徑較大，在剎車(chē)工況的復(fù)合載荷作用下，如果發(fā)生了較大的受力和嚴(yán)重變形時(shí)，會(huì)直接導(dǎo)致車(chē)窗玻璃破碎，對(duì)人身和財(cái)產(chǎn)造成極大的危害[1-3]。現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)緊急剎車(chē)工況的分析主要集中在中小型汽車(chē)上，對(duì)于大型客車(chē)在緊急制動(dòng)工況各重要部件的有限元分析并不多。

本文以車(chē)型CDK6610CABEV純電動(dòng)公交車(chē)為研究對(duì)象，對(duì)其緊急制動(dòng)工況下車(chē)身情況和重要部件進(jìn)行有限元分析。除對(duì)車(chē)身強(qiáng)度和擾度分析外，文章還把有限元結(jié)果分析重點(diǎn)放在剎車(chē)工況風(fēng)窗對(duì)角線(xiàn)變形量的分析上，以保證在緊急制動(dòng)工況下不會(huì)因車(chē)身變形導(dǎo)致窗戶(hù)玻璃的破碎[4]。

1 車(chē)身有限元模型

1.1 幾何模型的建立

本文有限元分析工具采用MSC-Nastran2010軟件[5]。建立車(chē)身結(jié)構(gòu)有限元模型時(shí)，為避免問(wèn)題過(guò)于復(fù)雜，需要在盡可能如實(shí)反映車(chē)身結(jié)構(gòu)主要力學(xué)特征的前提下，根據(jù)車(chē)身結(jié)構(gòu)和承載特點(diǎn)對(duì)模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，如圖1所示。

圖1 客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)有限元模型

1.2 車(chē)身有限元單元建立

在建立車(chē)身結(jié)構(gòu)有限元模型過(guò)程中，為避免問(wèn)題過(guò)于復(fù)雜，根據(jù)車(chē)身結(jié)構(gòu)和承載特點(diǎn)對(duì)模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化。在本文有限元模型中，簡(jiǎn)化如下[6-8]：

1）略去一些功能件和非承載件，忽略車(chē)身蒙皮以及玻璃對(duì)總體強(qiáng)度和剛度的作用，準(zhǔn)確獲得承載結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型。

2）為提高計(jì)算精度建模采用殼單元建模，如實(shí)反映車(chē)身結(jié)構(gòu)細(xì)微之處。

3）焊接點(diǎn)通過(guò)節(jié)點(diǎn)耦合和RBE2剛性連接處理。

4）忽略對(duì)車(chē)身整體剛度影響不大的孔和倒角。

在以上簡(jiǎn)化基礎(chǔ)上，為提高計(jì)算準(zhǔn)確度采用殼單元建模，以便如實(shí)反映車(chē)身結(jié)構(gòu)細(xì)微之處。殼模型單元類(lèi)型及材料如下所示[9]。

全約束主從節(jié)點(diǎn)RBE2單元或者用節(jié)點(diǎn)重合模擬車(chē)身焊接關(guān)系。

材料參數(shù)選用低碳鋼響應(yīng)參數(shù)，密度7800kg/m3，彈性模量210000MPa，泊松比0.3。

鋼材Q235，彈性極限210MPa，屈服極限235MPa。

鋼材Q345，彈性極限310MPa，屈服極限345MPa。

單元模型的具體信息如表1所示。

表1 殼單元模型的單元信息

1.3 邊界條件定義及載荷加載

本文所研究的客車(chē)采用鋼板彈簧懸架，鋼板彈簧懸架前后各一個(gè)吊耳[9-10]。車(chē)身骨架實(shí)際彎曲約束及邊界條件限定如表2所示。

表2 實(shí)際轉(zhuǎn)彎工況車(chē)身骨架整體約束點(diǎn)及其約束自由度

完成了邊界條件定義后，便可以進(jìn)行有限元模型的載荷加載。自重和載荷在豎直方向產(chǎn)生的作用力主要考慮車(chē)身等部件的自重，乘客以每人65kg計(jì)算，將人和座椅的質(zhì)量等效成為集中載荷或均布集中載荷，將電機(jī)及電池、空調(diào)車(chē)頂組件等部件質(zhì)量等效為集中載荷。水平載荷考慮極限情況下，取緊急剎車(chē)時(shí)的加速度為0.7g（g為重力加速度常量，取9.81m/s2）。

2 剎車(chē)工況強(qiáng)度分析

有限元模型的載荷正確加載之后，提交分析生成計(jì)算文件.bdf，再提交nastran計(jì)算便可完成緊急制動(dòng)工況的各種分析。其分析原理是基于下述有限元系統(tǒng)的通用運(yùn)動(dòng)方程[11-13]：

式中：[M]——質(zhì)量矩陣；

[C]——阻尼矩陣；

[K]——?jiǎng)偠染仃嚕?/p>

{u¨}——節(jié)點(diǎn)加速度向量；

{u˙}——節(jié)點(diǎn)速度向量；

{u}——節(jié)點(diǎn)位移向量；

{F}——載荷向量。

2.1 車(chē)身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

如圖2所示，在緊急制動(dòng)工況下車(chē)身結(jié)構(gòu)最大VonMises應(yīng)力出現(xiàn)在左側(cè)與前衛(wèi)交接裙邊處，此處結(jié)構(gòu)用材為50X40X1.75/Q235，所受應(yīng)力為195MPa小于材料的屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)未發(fā)生塑性變形，滿(mǎn)足剎車(chē)工況強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

2.2 底架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

如圖3所示，車(chē)身底架最大VonMises應(yīng)力出現(xiàn)在車(chē)前第1根橫梁端部，此處結(jié)構(gòu)型材為50X50X2/Q345，所受應(yīng)力為187MPa小于材料的屈服強(qiáng)度，基本滿(mǎn)足剎車(chē)工況強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

2.3 地板骨架強(qiáng)度分析

如圖4所示，地板骨架結(jié)構(gòu)上最大VonMises應(yīng)力出現(xiàn)在駕駛升臺(tái)左前角鋼上，此處結(jié)構(gòu)型材為40X25X1.5/Q235，所受應(yīng)力為139MPa小于材料的屈服強(qiáng)度，此處結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生塑性變形，滿(mǎn)足剎車(chē)工況強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

2.4 車(chē)身左右側(cè)圍骨架強(qiáng)度分析

車(chē)身右側(cè)圍總成骨架最大VonMises應(yīng)力為102 MPa，出現(xiàn)在右側(cè)圍的門(mén)框上前方拐角處，如圖5所示。該處型材規(guī)格為50X40X1.75/Q235，最大應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生塑性變形，滿(mǎn)足剎車(chē)工況強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖2 緊急工況車(chē)身結(jié)構(gòu)VonMises應(yīng)力云圖

圖3 車(chē)架結(jié)構(gòu)VonMises應(yīng)力云圖

圖4 地板骨架結(jié)構(gòu)剎車(chē)工況VonMises應(yīng)力云圖

車(chē)輛左側(cè)圍總成骨架最大VonMises應(yīng)力為124MPa，出現(xiàn)在左側(cè)圍的后輪拱前立柱上，如圖6所示，該處型材規(guī)格為50X30X1.5/Q235，最大應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生塑性變形，滿(mǎn)足剎車(chē)工況強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

2.5 車(chē)身頂部骨架強(qiáng)度分析

車(chē)身頂部總成骨架最大VonMises應(yīng)力為112 MPa，出現(xiàn)中門(mén)前立柱橫向棚桿右側(cè)端部，如圖7所示。該處型材規(guī)格為40X30X1.5/Q235，最大應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生塑性變形，滿(mǎn)足剎車(chē)工況強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖5 右側(cè)圍結(jié)構(gòu)剎車(chē)工況VonMises應(yīng)力云圖

根據(jù)緊急制動(dòng)工況車(chē)身各部件的強(qiáng)度分析結(jié)果，該車(chē)型整車(chē)結(jié)構(gòu)在緊急制動(dòng)工況下基本滿(mǎn)足了強(qiáng)度要求。

3 緊急制動(dòng)工況撓度分析

對(duì)于桿件結(jié)構(gòu)或者長(zhǎng)的板件結(jié)構(gòu)，撓度基本能表征物體的變形量。在本次研究中，Z軸方向繞度分析結(jié)果如圖8所示。

可以看出，在緊急制動(dòng)的工況下，整車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)Z向撓度最大值為-5.53mm，位于頂蓋上，車(chē)架最大Z向撓度為-2.26mm。

圖7 車(chē)身頂部剎車(chē)工況VonMises應(yīng)力云圖

圖8 整車(chē)結(jié)構(gòu)Z向撓度分布云圖

圖9 整車(chē)結(jié)構(gòu)X向撓度分布云圖

X軸方向撓度分析結(jié)果如圖9所示，整車(chē)結(jié)構(gòu)X向撓度最大值為5.64 mm，位于頂蓋上，車(chē)架最大X向撓度為0.878mm。

4 剎車(chē)工況風(fēng)窗對(duì)角線(xiàn)變形量分析

對(duì)于大型公交類(lèi)客車(chē)，風(fēng)窗變形量過(guò)大會(huì)直接導(dǎo)致窗戶(hù)玻璃破裂，造成安全事故，因此分析緊急制動(dòng)工況下風(fēng)窗變形量是設(shè)計(jì)人員關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)。在整車(chē)強(qiáng)度分析和擾度分析的基礎(chǔ)下，分析得到在設(shè)定的緊急制動(dòng)工況下各風(fēng)窗的變形量，如下所述。

4.1 右側(cè)圍風(fēng)窗變形量分析

右側(cè)圍共4個(gè)風(fēng)窗，分別為第1風(fēng)窗、第2風(fēng)窗、第3風(fēng)窗和中門(mén)，其具體位置如圖10所示。分析得出右側(cè)圍風(fēng)窗變形量（見(jiàn)表3），緊急剎車(chē)工況下右側(cè)圍風(fēng)窗最大變形量出現(xiàn)在中門(mén)，變形量為3.408mm。

圖10 右側(cè)圍風(fēng)窗對(duì)角線(xiàn)標(biāo)示圖

表3 右側(cè)圍風(fēng)窗對(duì)角線(xiàn)變形量

4.2 左側(cè)圍風(fēng)窗變形量分析

左側(cè)圍共4個(gè)風(fēng)窗，分別為第1風(fēng)窗、第2風(fēng)窗、第3風(fēng)窗和第4風(fēng)窗，其具體位置如圖11所示。

分析得出左側(cè)圍風(fēng)窗變形量（見(jiàn)表4），緊急剎車(chē)工況下左側(cè)圍風(fēng)窗最大變形量出現(xiàn)在第3風(fēng)窗，最大變形量為3.840mm。

圖11 左側(cè)圍風(fēng)窗對(duì)角線(xiàn)標(biāo)示圖

表4 左側(cè)圍風(fēng)窗對(duì)角線(xiàn)變形量

圖12 前圍風(fēng)窗對(duì)角線(xiàn)標(biāo)示圖

表5 前圍風(fēng)窗對(duì)角線(xiàn)變形量

4.3 前圍風(fēng)窗變形量分析

前圍風(fēng)窗形狀位置如圖12所示，分析得出前圍風(fēng)窗變形量（見(jiàn)表5）。緊急剎車(chē)工況下前圍風(fēng)窗最大變形量出現(xiàn)在前圍風(fēng)窗對(duì)角線(xiàn)1，最大變形量為1.128mm。

4.4 后圍風(fēng)窗變形量分析

后圍風(fēng)窗形狀位置如圖13所示，分析得出后圍風(fēng)窗變形量（見(jiàn)表6）。緊急剎車(chē)工況下后圍風(fēng)窗最大變形量出現(xiàn)在對(duì)角線(xiàn)1，最大變形量為1.117mm。

圖13 后圍風(fēng)窗對(duì)角線(xiàn)標(biāo)示圖

表6 后圍風(fēng)窗對(duì)角線(xiàn)變形量

綜上所述，在緊急制動(dòng)的工況下，車(chē)身各風(fēng)窗對(duì)角線(xiàn)變形量，其形變值均小于8 mm，滿(mǎn)足車(chē)身形變?cè)O(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本文有限元分析可以得到在緊急剎車(chē)工況下整車(chē)強(qiáng)度和變形量都在設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)，與該車(chē)型實(shí)際使用情況也比較吻合。此外，本文還給出該車(chē)型在緊急制動(dòng)工況下強(qiáng)度最薄弱和變形量最大的位置點(diǎn)，整車(chē)強(qiáng)度最薄弱位置出現(xiàn)在車(chē)輛左側(cè)與前衛(wèi)交接裙邊處，而撓度最大位置出現(xiàn)在頂蓋上，風(fēng)窗變形量較大位置在左右側(cè)圍的風(fēng)窗，分析結(jié)果可對(duì)后續(xù)車(chē)輛設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供依據(jù)。

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（編輯：李妮）

Situation analysis of the vehicle under braking condition based on the finite element method

JIANG Dongqing， LI Sanyan， DAI Chunxiang
（Jincheng College of Sichuan University，Chengdu 611731，China）

The finite element method was used to analyze the strength，deflection and deformation of important components such as bus body，frame and floor frame of a large public bus under the condition of emergency braking.MSC-Nastran 2010 software was mainly used，the unit type selected for the analysis was shell unit and the boundary conditions were defined according to the actual structure that a lug was set in the front and rear part.After themodelling was finished，the strength analysis of the eight main components including the bus body and frame was carried out under an emergency braking condition，and then the deflection of bus body inXandZdirections was analyzed， and finally， finite element analysis was carried out for the deformation of the wind window.The experiment results show that the strength and deformation of the whole vehicle are within the allowable range，the weakest position of the vehicle strength is at the front skirt edge at the left side， the maximum deflection occurs at the top cover， and the large wind window deformation occurs at the left and right side of wind window，which provide simulation basis for subsequent design and improvement of vehicles.

finite elementmethod； emergency braking； strength； deflection； wind window deformation

A

1674-5124（2017）11-0140-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.11.027

2017-05-20；

2017-07-06

蔣冬清（1984-），女，廣西桂林市人，講師，碩士，主要從事機(jī)械制圖、機(jī)械設(shè)計(jì)、智能機(jī)器人等方面的研究。