客車車架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(duì)象，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)客車車架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模、對(duì)車架的靜態(tài)特性進(jìn)行了分析研究，最后得到車架的變形情況和應(yīng)力分布，同時(shí)提出了幾種車架結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)方案。

關(guān)鍵詞：車架 有限元 靜力學(xué)分析 ANSYS

中圖分類號(hào)：U463 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）10（b）-0082-01

伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限單元法越來越成為一種重要的工程計(jì)算方法。當(dāng)前在工程研究和設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了相當(dāng)廣泛的運(yùn)用，再加上原理算法的優(yōu)越性，有限元法在車輛、船舶、飛機(jī)、等機(jī)械工程領(lǐng)域都得到了極為廣泛的應(yīng)用。我們把有限元法作為一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段運(yùn)用再車架設(shè)計(jì)上，通過有限元計(jì)算，可以尋找出原始設(shè)計(jì)中存在的一些問題，為今后的車架改進(jìn)設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)。因此，運(yùn)用有限單元法對(duì)客車車架分析靜力學(xué)情況并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)指導(dǎo)車架設(shè)計(jì)工作有著重要的意義。

1 建立客車車架有限元模型

分析對(duì)象我們選定為某型號(hào)客車車架，其縱梁間寬為700mm，長(zhǎng)11000mm，牛腿長(zhǎng)度700mm，最高車速為90km/h，車架簧上重量包括發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)50kg，3個(gè)儲(chǔ)氣筒50kg，空氣過濾器20kg，乘客每人按65kg計(jì)算，共60人，平均分布到橫梁、縱梁和牛腿上，加載等效壓強(qiáng)。

我們通過對(duì)客車車架結(jié)構(gòu)的分析可知，車架大部分是薄板和薄壁結(jié)構(gòu)，所以有限元模型可選用beam單元或者shell單元。但是因?yàn)閎eam單元不能有效的反映車架縱梁與橫梁連接處應(yīng)力變化的情況，故而我們選用shell單元完成建模?？蛙囓嚰艿牟牧闲阅軈?shù)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(xué)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(píng)價(jià)客車車架結(jié)構(gòu)性能的重要指標(biāo)之一，我們針對(duì)車架滿載時(shí)靜態(tài)彎曲工況，利用有限元軟件ANSYS對(duì)客車車架進(jìn)行如下變形以及應(yīng)力的分析。

客車車架有限元靜力學(xué)分析的過程主要分為以下幾個(gè)步驟：選擇單元類型、定義實(shí)常數(shù)、網(wǎng)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(zhì)量；發(fā)動(dòng)機(jī)、油箱蓄電池、水箱、空氣過濾器、變速器和離合器、備胎、儲(chǔ)氣筒是以分布力的形式加在各個(gè)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(dòng)，縱梁在四個(gè)車輪的位置各個(gè)方向進(jìn)行全約束即節(jié)點(diǎn)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(xué)分析結(jié)果

根據(jù)上述，再通過分析可知，因?yàn)樾铍姵睾退涞闹亓枯^大，使得這一側(cè)的縱梁比另一側(cè)應(yīng)力要大，所以最大應(yīng)力則發(fā)生在這一側(cè)車架彈簧的后支撐處，σmax=186MPa。對(duì)比40Cr材料的強(qiáng)度極限可知這個(gè)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于額定的強(qiáng)度極限980MPa，車架滿足強(qiáng)度要求?？蛙囓嚰芮岸撕秃蠖擞休^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(gè)變形量在車架最大變形要求的范圍之內(nèi)。針對(duì)車架的應(yīng)力集中現(xiàn)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(yīng)力。

4 結(jié)語

本研究通過采用shell93單元?jiǎng)?chuàng)建有限元模型，然后對(duì)車間模型進(jìn)行了詳細(xì)的靜力學(xué)分析，最后得到客車車架的變形情況和應(yīng)力分布，對(duì)車架最大位移以及最大應(yīng)力處出現(xiàn)的情況進(jìn)行了原因分析，對(duì)照40Cr材料屬性校核了客車車架的強(qiáng)度和剛度，并提出了降低客車車架應(yīng)力和變形的方法，最終結(jié)果顯示通過增加接觸面積的方法可以減小最大應(yīng)力和最大變形。

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