轉(zhuǎn)向工況下站立乘客質(zhì)量加載方式對客車強(qiáng)度的影響

夏德偉，徐志強(qiáng)，施旭峰，王文靜，李東芳

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司北京技術(shù)與發(fā)展中心，北京 100020）

引言

在客車的設(shè)計(jì)中，車身和底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和剛度直接影響著乘客和司機(jī)的安全，為了提前預(yù)知設(shè)計(jì)缺陷，降低研發(fā)成本，提高客車的安全性。通過利用有限元分析方法，計(jì)算出客車底盤和車身的應(yīng)力大小，從而判斷客車的強(qiáng)度[4-7]。在分析中常用到的有五種工況，即彎曲、制動、轉(zhuǎn)向、驅(qū)動和扭轉(zhuǎn)，其中轉(zhuǎn)向工況分左轉(zhuǎn)向和右轉(zhuǎn)向兩種情況。在進(jìn)行轉(zhuǎn)向工況下強(qiáng)度分析過程中，關(guān)于站立乘客質(zhì)量的加載方式，一直沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有的采用均布載荷的方式，將站立乘客的質(zhì)量加載到客車上，有的采用質(zhì)量點(diǎn)的方式加載到客車上，不同的加載方式以及加載位置，會導(dǎo)致結(jié)果的差異，從而會誤導(dǎo)客車的設(shè)計(jì)。

本文就右轉(zhuǎn)向工況，針對站立乘客質(zhì)量加載方式對客車強(qiáng)度的影響進(jìn)行了研究，前處理軟件選用的是ANSA，求解器選用的軟件是 ABAQUS，后處理選用的軟件是 Hyper View，通過以上三種軟件來分析右轉(zhuǎn)向工況下，站立乘客質(zhì)量不同的加載方式對客車強(qiáng)度的影響，從而可以得出在進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，載荷的加載方式以及加載位置對結(jié)果的重要性，為有限元分析工程師提供借鑒，避免因載荷施加方式的不合理導(dǎo)致的結(jié)果的不準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響客車的設(shè)計(jì)開發(fā)。

本文選取客車滿載時(shí)站立的乘客人數(shù)為60人，考慮到前期建模工作量較大，故采用每7人或8人一組為一個(gè)質(zhì)量點(diǎn)的方式進(jìn)行加載，車尾部是每7人一組，車中部是每8人一組。在本文中針對站立乘客質(zhì)量加載采用了五種方式， 第一種，X方向?yàn)?、Z方向?yàn)?35mm，第二種，X方向?yàn)?、Z方向?yàn)?00 mm，第三種，X方向?yàn)?00 mm、Z方向?yàn)?00 mm，第四種，X方向?yàn)?00mm、Z方向?yàn)?35 mm，以上四種情況中Y方向不變，第五種，將站立乘客質(zhì)量均勻分布到底盤上，通過查看計(jì)算結(jié)果來判斷五種加載方式對車身和底盤的強(qiáng)度影響。

1　模型的建立

1.1　模型導(dǎo)入

客車底盤和車身是比較復(fù)雜的空間薄壁結(jié)構(gòu)，底盤是由截面形狀不同的矩形管焊接而成，車身也是由不同截面的矩形管焊接而成，底盤和車身之間通過螺栓連接。考慮到客車底盤和車身結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，很難對所有的部件建立有限元模型，故在盡可能反映客車結(jié)構(gòu)力學(xué)特性準(zhǔn)確的前提下，對模型進(jìn)行相應(yīng)的簡化。去掉模型中對客車整體強(qiáng)度不會產(chǎn)生較大影響的小部件。為提高計(jì)算精度，在三維軟件中建立客車實(shí)體模型，并導(dǎo)入ANSA軟件中，最終客車幾何模型如圖 1所示。

圖1　幾何模型

1.2　材料屬性

客車底盤模型材料選用 Q345鋼，力學(xué)特性如下：彈性模量為 2.1×105MPa，泊松比μ為 0.26，密度ρ為 7.8×103kg/m3，熱處理后的屈服極限為345MPa。客車車身模型材料選用6061T6，力學(xué)特性如下：彈性模量為0.69×105MPa，泊松比μ為0.33，密度ρ為2.7×103kg/m3，熱處理后的屈服極限為240MPa。

1.3　網(wǎng)格劃分

本文中客車底盤和車身采用2D殼單元進(jìn)行建模，網(wǎng)格尺寸介于2～12 mm之間，焊縫采用Beam連接方式，如圖2所示，塞焊采用采用殼單元模擬，相交面采用共節(jié)點(diǎn)連接，螺栓孔做兩圈washer，采用MPC方式耦合，如圖2所示，從而完成客車各部件之間有限元模型的連接。

圖2　焊縫處理

圖3　塞焊處理

圖4　相交面處理

圖5　螺栓孔處理

1.4　邊界條件

在進(jìn)行客車右轉(zhuǎn)向工況強(qiáng)度分析時(shí)，本文邊界條件是約束客車底盤吊耳安裝位置處，約束情況如下：

1）左前吊耳安裝位置處約束UX，UZ兩個(gè)方向自由度。

2）左后吊耳安裝位置處約束UX，UY，UZ三個(gè)方向自由度，如圖6所示。

3）右前吊耳安裝位置處約束UZ一個(gè)方向自由度。

4）右后吊耳安裝位置處約束UX，UZ兩個(gè)方向自由度，如圖6所示。

圖6　后橋吊耳安裝位置約束示意圖

2　載荷加載

客車運(yùn)行過程中會承受各種載荷的作用，為保證分析的準(zhǔn)確性必須對載荷進(jìn)行合理的加載。本文中的客車底盤和車身載荷主要包括電容及支架、驅(qū)動電機(jī)、發(fā)電機(jī)、電機(jī)控制器、高壓線束、動力電池、LNG 氣瓶、發(fā)動機(jī)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、前圍玻璃鋼、后圍玻璃鋼、頂蓋玻璃鋼、乘客門、風(fēng)擋玻璃、風(fēng)道、地板、加熱器、散熱器、頂風(fēng)窗、空調(diào)、側(cè)窗玻璃、儀表臺、座椅、雨刮、頂蓋線束、前圍線束、后圍線束、底盤管線、乘客、司機(jī)等其它附件重量。

載荷的加載方式，常用的是集中載荷[9]和均布載荷兩種。針對客車運(yùn)動過程中底盤和車身載荷的實(shí)際變化情況，對不同載荷采用不同加載方式，分別如下：

1）電容及支架、驅(qū)動電機(jī)、發(fā)電機(jī)、電機(jī)控制器、高壓線束、動力電池、LNG 氣瓶、發(fā)動機(jī)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、前圍玻璃鋼、后圍玻璃鋼、乘客門、風(fēng)擋玻璃、風(fēng)道、加熱器、散熱器、頂風(fēng)窗、空調(diào)、側(cè)窗玻璃、儀表臺、座椅、雨刮、乘客、司機(jī)，以上載荷以集中載荷的方式加載到相應(yīng)連接處。

2）頂蓋玻璃鋼、地板、頂蓋線束、前圍線束、后圍線束、底盤管線，該載荷以均布載荷的方式加載到相應(yīng)位置處。

其中，在對站立乘客進(jìn)行加載時(shí)，質(zhì)心高度是按中國人男性平均身高除以2，即1670÷2=835mm。X軸方向?yàn)榭蛙嚨淖笥遥琘軸方向?yàn)榭蛙嚨那昂螅琙軸方向?yàn)榭蛙嚨纳舷隆Ｕ玖⒊丝拖炔捎们把运龅谝环N方式加載，載荷加載結(jié)果分別如下圖7和圖8所示。

然后將站立乘客的質(zhì)心坐標(biāo)分別按照前言所述的第一種、第二種、第三種、第四種、第五種，情況設(shè)定，來研究站立乘客的質(zhì)量加載方式對客車強(qiáng)度的影響。

圖7　外部載荷加載情況

圖8　內(nèi)部乘客載荷加載情況

2.1　X方向?yàn)?、Z方向?yàn)?35mm

圖9　站立乘客加載結(jié)果

將站立乘客質(zhì)心坐標(biāo)的X方向設(shè)為0，Y方向保持不變，Z方向設(shè)為835mm，結(jié)果如圖9所示。

2.2　X方向?yàn)?、Z方向?yàn)?00mm

將站立乘客質(zhì)心坐標(biāo)的X方向設(shè)為0，Y方向保持不變，Z方向設(shè)為500mm，結(jié)果如圖10所示。

圖10　站立乘客加載結(jié)果

2.3　X方向?yàn)?00mm、Z方向?yàn)?00mm

將站立乘客質(zhì)心坐標(biāo)的X方向設(shè)為500，Y方向保持不變，Z方向設(shè)為500，結(jié)果如圖11所示。

圖11　站立乘客加載結(jié)果

2.4　X方向?yàn)?00mm、Z方向?yàn)?35mm

將站立乘客質(zhì)心坐標(biāo)的X方向設(shè)為500，Y方向保持不變，Z方向設(shè)為835，結(jié)果如圖12所示。

圖12　站立乘客加載結(jié)果

2.5　均布載荷

圖13　站立乘客加載結(jié)果

將站立乘客質(zhì)量以均布載荷的方式加載到底盤上，結(jié)果如圖13所示。

3　計(jì)算結(jié)果

3.1　X方向?yàn)?、Z方向?yàn)?35mm

將站立乘客質(zhì)心坐標(biāo)的X方向設(shè)為0，Y方向保持不變，Z方向設(shè)為835mm，底盤和車身的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖14和圖15所示。

圖14　底盤應(yīng)力云圖（右上角局部放大圖）

圖15　車身應(yīng)力云圖（右上角局部放大圖）

3.2　X方向?yàn)?、Z方向?yàn)?00

將站立乘客質(zhì)心坐標(biāo)的X方向設(shè)為0，Y方向保持不變，Z方向設(shè)為500mm，底盤和車身的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖16和圖17所示。

圖16　底盤應(yīng)力云圖（右上角局部放大圖）

圖17　車身應(yīng)力云圖（右上角局部放大圖）

3.3　X方向?yàn)?00mm、Z方向?yàn)?00mm

圖18　底盤應(yīng)力云圖（右上角局部放大圖）

圖19　車身應(yīng)力云圖（右上角局部放大圖）

將站立乘客質(zhì)心坐標(biāo)的X方向設(shè)為500mm，Y方向保持不變，Z方向設(shè)為500mm，底盤和車身的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖18和圖19所示。

3.4　X方向?yàn)?00mm、Z方向?yàn)?35mm

將站立乘客質(zhì)心坐標(biāo)的X方向設(shè)為500mm，Y方向保持不變，Z方向設(shè)為835mm，底盤和車身的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖20和圖21所示。

圖20　底盤應(yīng)力云圖（右上角局部放大圖）

圖21　車身應(yīng)力云圖（右上角局部放大圖）

3.5　均布載荷

圖22　底盤應(yīng)力云圖（右上角局部放大圖）

圖23　車身應(yīng)力云圖（右上角局部放大圖）

將站立乘客質(zhì)量以均布載荷的方式加載到底盤上，底盤和車身的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖22和圖23所示。

3.6　結(jié)果分析

由計(jì)算結(jié)果可以看出，在以上五種站立乘客加載方式下，底盤和車身的強(qiáng)度都沒有超屈服，首先，設(shè)計(jì)上滿足強(qiáng)度要求，其次，分析不同加載方式對客車底盤和車身的強(qiáng)度影響，不同加載方式情況下底盤和車身的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表1和表2 所示[8]。

表1　不同加載方式下底盤應(yīng)力統(tǒng)計(jì)

由表1可得，在右轉(zhuǎn)向工況下，當(dāng)X方向相同、Z方向增大時(shí)，客車底盤應(yīng)力值會增大，但是應(yīng)力位置沒有變化。當(dāng)X方向增大、Z方向相同時(shí)，客車底盤應(yīng)力值也會增大，應(yīng)力位置也發(fā)生了變化。其中，當(dāng)站立乘客的Z方向質(zhì)心為500mm、X方向由0增大到500mm時(shí)，安全系數(shù)降低0.11，當(dāng)站立乘客的Z方向質(zhì)心為835mm、X方向由0增大到500mm時(shí)，安全系數(shù)直接降低0.35。

表2　不同加載方式下車身應(yīng)力統(tǒng)計(jì)

通過以上數(shù)據(jù)對比表明，當(dāng)客車轉(zhuǎn)向時(shí)，如果站立乘客雙腳位置不變、上半身向客車左側(cè)或者右側(cè)越靠近，客車底盤受到的應(yīng)力增加較快，安全系數(shù)下降較快，如果站立乘客蹲下，上半身向客車左側(cè)或者右側(cè)越靠近，客車底盤受到的應(yīng)力增加較慢，所對應(yīng)的安全系數(shù)下降較慢。所以，當(dāng)客車遇到緊急危險(xiǎn)情況需要快速轉(zhuǎn)向時(shí)，站立乘客應(yīng)該快速蹲下，從而保證客車安全通過彎道。

由表2可得，在右轉(zhuǎn)向工況下，當(dāng)X方向相同、Z方向增大時(shí)，客車車身應(yīng)力值會降低，但是應(yīng)力位置沒有變化。當(dāng)X方向增大、Z方向相同時(shí)，客車車身應(yīng)力值也會降低，應(yīng)力位置也沒有變化。其中，當(dāng)站立乘客的 Z方向質(zhì)心為500mm、X方向由0增大到500mm時(shí)，安全系數(shù)增加0.01，當(dāng)站立乘客的 Z方向質(zhì)心為 835mm、X方向由 0增大到500mm時(shí)，安全系數(shù)增加0.01。

通過以上數(shù)據(jù)對比表明，當(dāng)客車轉(zhuǎn)向時(shí)，如果站立乘客雙腳位置不變、上半身向客車左側(cè)或者右側(cè)靠近，無論站立乘客是否蹲下，客車車身受到的應(yīng)力和安全系數(shù)變化都較小。所以，當(dāng)客車底盤受到的應(yīng)力在屈服極限范圍內(nèi)時(shí)，站立乘客質(zhì)心位置變化對車身影響較小。

4　結(jié)論

本文通過三維軟件建立實(shí)體模型，利用2D殼單元建立客車底盤和車身德有限元模型，在右轉(zhuǎn)向工況下，針對站立乘客不同的加載方式，對客車進(jìn)行了靜力學(xué)強(qiáng)度分析，結(jié)論如下：

1）在右轉(zhuǎn)向工況下，當(dāng) X方向相同、Z方向增大時(shí)，客車底盤應(yīng)力值會增大，但是應(yīng)力位置沒有變化。當(dāng)X方向增大、Z方向相同時(shí)，客車底盤應(yīng)力值也會增大，應(yīng)力位置也發(fā)生了變化。

2）當(dāng)客車轉(zhuǎn)向時(shí)，如果站立乘客雙腳位置不變、上半身向客車左側(cè)或者右側(cè)越靠近，客車底盤受到的應(yīng)力增加較快，安全系數(shù)下降較快，如果站立乘客蹲下，上半身向客車左側(cè)或者右側(cè)越靠近，客車底盤受到的應(yīng)力增加較慢，相應(yīng)的安全系數(shù)下降較慢。

3）在右轉(zhuǎn)向工況下，當(dāng) X方向相同、Z方向增大時(shí)，客車車身應(yīng)力值會降低，但是應(yīng)力位置沒有變化。當(dāng)X方向增大、Z方向相同時(shí)，客車車身應(yīng)力值也會降低，應(yīng)力位置也沒有變化。

4）當(dāng)客車轉(zhuǎn)向時(shí)，如果站立乘客雙腳位置不變、上半身向客車左側(cè)或者右側(cè)靠近，無論站立乘客是否蹲下，客車車身受到的應(yīng)力和安全系數(shù)變化都較小。

5）通過表1和表2的綜合對比分析可以得出，在右轉(zhuǎn)向工況下如果要檢驗(yàn)底盤的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，建議將站立乘客的質(zhì)心進(jìn)行適當(dāng)偏移，如果要檢驗(yàn)車身的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，建議將站立乘客的質(zhì)量加載方式采用均布載荷。

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