基于Hyper Works的客車車身骨架強(qiáng)度分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

鄭冬黎，張勝蘭，張 兵，劉建平

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程系，湖北 十堰 442002）

基于Hyper Works的客車車身骨架強(qiáng)度分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

鄭冬黎，張勝蘭，張 兵，劉建平

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程系，湖北 十堰 442002）

以Hyper Works軟件為分析平臺，對某6 m長半承載式客車車身骨架進(jìn)行有限元建模及多種工況下的強(qiáng)度計(jì)算，應(yīng)力分析結(jié)果表明各工況下出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位大體一致，主要分布在車身骨架頂蓋橫梁與側(cè)圍焊接處以及左右側(cè)圍后部連接乘客座椅斷開梁處。對局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)并改進(jìn)梁連接方式，消除其應(yīng)力集中。

車身骨架；強(qiáng)度分析；結(jié)構(gòu)改進(jìn)

運(yùn)用HyperWorks軟件對某客車車身骨架進(jìn)行了有限元建模，對5種實(shí)際模擬工況進(jìn)行了強(qiáng)度分析，旨在根據(jù)分析結(jié)果對其骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)以改善其應(yīng)力。并為輕量化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 車身骨架有限元模型的建立

所研究的某半承載式客車，其車身骨架由矩形薄壁梁桿件焊接而成，材料為Q235鋼，車架采用16MnL鋼，車身骨架設(shè)計(jì)安全系數(shù)為1.5，許用應(yīng)力為157 MPa；該車最大載重質(zhì)量6500 kg，整備質(zhì)量3900 kg；整車附件包括發(fā)動機(jī)、變速器、空調(diào)和油箱等；懸架為鋼板彈簧。通過分析，車身結(jié)構(gòu)可以分解為頂、側(cè)、前、后、底和車架等幾個部分，在HyperMesh中對各部分獨(dú)立建模，然后再組合成車身整體的有限元模型。建模時的一些細(xì)節(jié)處理如下：

網(wǎng)格和焊接單元：采用2D殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元類型為四邊形，單元大小為15 mm×15 mm；車身骨架焊接處主要用重節(jié)點(diǎn)連接和Rigid單元連接2種方式來模擬［1］。

車身附件的處理：發(fā)動機(jī)、變速器及油箱質(zhì)量以質(zhì)量點(diǎn)的形式模擬，并用RBE3約束單元將質(zhì)量點(diǎn)與車身骨架連接。

懸架的處理：該客車為彈簧鋼板式半承載懸架，采用剛性梁單元與彈簧單元組合的形式來模擬鋼板彈簧的力學(xué)特性［2-3］，其中剛性單元起導(dǎo)向作用，彈簧單元起緩沖作用。該客車前鋼板彈簧剛度為125 N/m，后鋼板彈簧剛度為195 N/mm，彈簧單元在1D-spring中建立，剛度值在屬性中定義。

載荷：分別以額定和滿載工況對車身骨架進(jìn)行有限元分析，載荷主要包括車身自重、人椅重量、頂部和后貨艙貨重。其中車身自重包括車身骨架、車架、頂板、地板、后座板及后貨艙板的重量。人椅重量用質(zhì)量點(diǎn)模擬，并將其施加在人椅重心處，用RBE3約束單元將其與車身骨架連接，考慮滿載時，過道上超載人的重量按均布載荷施加在過道上。頂部和后貨艙貨物重量以均布載荷形式施加在相應(yīng)位置，模擬載荷步中頂部和后貨艙貨重的超載系數(shù)設(shè)為1.5，其余按1.0設(shè)置。

客車車身骨架有限元模型如圖1所示，共計(jì)189576個節(jié)點(diǎn)，188009個單元。

圖1 帶車架的車身骨架有限元模型

2 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果及分析

應(yīng)用HyperWorks軟件對車身骨架在彎曲、彎扭、剎車、轉(zhuǎn)向、彎道制動等5種工況下分別對額定載荷和滿載載荷進(jìn)行了強(qiáng)度分析。

2.1 彎曲工況下強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果及分析

由計(jì)算結(jié)果 （圖2）可知，車身骨架最大應(yīng)力值為額定工況時的198 MPa和滿載時的245 MPa，超出Q235許用應(yīng)力σ為157 MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)均位于頂蓋第3根橫梁與右側(cè)圍焊接處，該位置出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中，通過分析發(fā)現(xiàn)這主要是由于連接位置采用直角過渡，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理造成的，可通過加加強(qiáng)板或增加接頭處梁的板厚來減少該位置的應(yīng)力水平。另外，左右側(cè)圍后部乘客座椅斷開梁處應(yīng)力也較大，可通過改進(jìn)該處的結(jié)構(gòu)來減少該位置的應(yīng)力水平。而其他位置應(yīng)力絕大部分都在22 MPa以下。總體來說，彎曲工況下車身骨架的整體強(qiáng)度具有較大的余量。

圖2 彎曲工況計(jì)算結(jié)果

2.2 彎扭組合工況下強(qiáng)度結(jié)果及分析

參照行業(yè)規(guī)范和該客車實(shí)際運(yùn)營道路情況，對額定載荷及滿載載荷各考慮彎扭組合工況的6種情況。由應(yīng)力云圖分析發(fā)現(xiàn)工況相同的情況下出現(xiàn)應(yīng)力集中的位置是一樣的。圖3為額定載荷下部分工況應(yīng)力圖。具體各工況應(yīng)力最大值及對應(yīng)位置如表1所示。

由計(jì)算結(jié)果分析可知，額定工況的6種情況絕大部分構(gòu)件的應(yīng)力在30 MPa以下。總體來說，車身骨架的應(yīng)力較低，只有個別應(yīng)力集中的區(qū)域接近或超過材料Q235的屈服強(qiáng)度，高應(yīng)力區(qū)域主要出現(xiàn)在頂蓋橫梁與側(cè)圍焊接處以及左右側(cè)圍后部連接乘客座椅斷開梁處。與彎曲工況相比，彎扭工況6種情況的應(yīng)力相差不多。除去上述高應(yīng)力區(qū)域，車身骨架的強(qiáng)度富有較大余量。

其余剎車、轉(zhuǎn)向、彎道制動工況的強(qiáng)度分析結(jié)果不在這里贅述，由強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果分析匯總可知，5種工況下出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位大體一致，主要出現(xiàn)在車身骨架頂蓋橫梁與側(cè)圍焊接處以及左右側(cè)圍后部連接乘客座椅斷開梁處。因此需對骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)以改善其應(yīng)力分布及大小。

圖3 額定載荷下部分彎扭工況應(yīng)力結(jié)果

表1 彎扭組合各工況最大應(yīng)力及對應(yīng)位置

3 改進(jìn)設(shè)計(jì)

由上面各工況應(yīng)力分析可知，除了個別高應(yīng)力區(qū)域，車身骨架的整體應(yīng)力較低。由此確定了改進(jìn)設(shè)計(jì)的思路：對應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對整體可考慮減少材料實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

圖4 彎曲、彎扭工況最大應(yīng)力圖

圖5 改進(jìn)后接頭處應(yīng)力圖

結(jié)合各工況強(qiáng)度分析，最大應(yīng)力產(chǎn)生在車身骨架頂部第3根橫梁與側(cè)圍上邊梁結(jié)合處，圖4所示為彎曲工況和彎扭工況中應(yīng)力最大工況（左后輪抬高150 mm）的應(yīng)力圖，在橫梁兩側(cè)分別用三角加強(qiáng)板進(jìn)行焊接，板厚為3 mm，重新劃分網(wǎng)格。改進(jìn)后，橫梁與處邊梁接頭處應(yīng)力集中現(xiàn)象消失 （圖5），彎曲工況和彎扭工況下應(yīng)力分別由198 MPa和218 MPa降為96 MPa和112 MPa。

針對危險(xiǎn)工況（左后輪抬高150 mm）的應(yīng)力情況進(jìn)行分析，此時最大應(yīng)力產(chǎn)生在左側(cè)圍骨架后排座下橫梁與側(cè)圍橫撐梁接頭處，σmax為241 MPa，如圖6所示。

圖6 接頭處應(yīng)力圖

分析得知，此處應(yīng)力集中主要由扭矩而非彎矩造成，根據(jù)薄壁梁切應(yīng)力公式［4］，增大截面尺寸和壁厚可降低切應(yīng)力。將側(cè)圍橫撐梁尺寸由30 mm× 40 mm×1.75 mm改為40 mm×50 mm×2.0 mm；將后座底部橫梁尺寸由30 mm×30 mm×1.75 mm改為30 mm×50 mm×1.5 mm。

為增大接頭處抗扭能力，在T型接頭處加一厚3 mm的加強(qiáng)板，如圖7a所示。

經(jīng)分析計(jì)算，增加尺寸及添加加強(qiáng)板后的應(yīng)力圖如圖7b所示。此時最大應(yīng)力，低于材料許用應(yīng)力。

另外，基于矩形薄壁梁桿件力學(xué)特性，對改進(jìn)后的車身骨架部分梁進(jìn)行了壁厚的減薄與分析，通過提高單位質(zhì)量剛度值SME實(shí)現(xiàn)車身骨架輕量化。分別從頂部骨架、側(cè)圍骨架、底部骨架三方面進(jìn)行減薄改進(jìn)，總質(zhì)量減少44.77 kg（約10%），經(jīng)有限元計(jì)算，強(qiáng)度和剛度也得以保證。圖8為滿載左后輪上抬150 mm工況下，經(jīng)加強(qiáng)連接及減薄改進(jìn)后的應(yīng)力云圖，表2為改進(jìn)前后最大應(yīng)力比較，各工況下最大應(yīng)力均低于材料許用應(yīng)力。

圖7 添加加強(qiáng)板后模型和應(yīng)力圖

圖8 改進(jìn)后應(yīng)力云圖

表2 各工況下改進(jìn)前后最大應(yīng)力表MPa

4 總 結(jié)

1）建立車身骨架有限元模型后，強(qiáng)度計(jì)算分別對額定載荷和滿載考慮彎曲工況、彎扭組合工況、剎車工況、轉(zhuǎn)向工況和彎道制動工況，以更準(zhǔn)確地計(jì)算分析客車實(shí)際行駛的應(yīng)力狀況，應(yīng)力云圖表明彎扭工況的應(yīng)力值最大，為最危險(xiǎn)工況。

2）通過多種工況的分析可知，出現(xiàn)應(yīng)力集中的位置基本相同，均在車身頂蓋橫梁與側(cè)圍焊接處以及左右側(cè)圍后部斷開梁處，除了這幾處高應(yīng)力區(qū)域，車身骨架的整體應(yīng)力較低（小于30 MPa），有較大的應(yīng)力余量。

3）對應(yīng)力集中的幾個部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)或加加強(qiáng)板。車身骨架最大應(yīng)力由218 MPa減少到改進(jìn)后的151 MPa，其余應(yīng)力均低于許用應(yīng)力，應(yīng)力集中不再突出；由于整體應(yīng)力較低，通過減小矩形薄壁梁厚度，車身骨架自重由445.3 kg降為改進(jìn)后的400.53 kg，自重降低了約10%，使該車的材料利用率得到提高，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］張勝蘭，鄭冬黎，郝 琪，等.基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］林 松.客車車身改型設(shè)計(jì)有限元法的研究及應(yīng)用［D］.吉林：吉林大學(xué)，2002.

［3］韓松濤.客車車身有限元計(jì)算中支承系統(tǒng)模擬的研究［J］.天津汽車，2000（3）：13-15.

［4］劉鴻文.材料力學(xué)［M］.4版.北京：高等教育出版社，2004.

Strength Analysis and Structure Improvement for Bus Body Frame Based on HyperWorks

Zheng Dongli，Zhang Shenglan，Zhang Bing，Liu Jianping
（Dept.of Automotive Engineering,Hubei Automotive Industries Institute,Shiyan 442002,China）

Using HyperWorks software platform,the FEM modeling of a 6-meter-long half-loadbearing bus body frame was set up and the strength calculation was discussed under many kinds of operating modes.The stress analysis results indicate that concentrated stress area is almost same under different load conditions,mainly appears in the welding area of the body frame roof crossbeam and the side,and separate-beam connecting with the passenger seat in the back of left right side.Strength is greatly improved after the particular location is strengthened and the beam connection mode is improved.

bus body frame；strength analysis；structure improvement

TH123

A

1008-5483（2010）04-0020-04

10.3969/j.issn.1008-5483.2010.04.006

2010-11-10

十堰市科學(xué)技術(shù)研究與開發(fā)項(xiàng)目計(jì)劃（2010-007z）

鄭冬黎（1975-），女，湖北襄樊人，碩士，從事汽車數(shù)字化設(shè)計(jì)方面的研究。