利用CAE技術(shù)對某客車車架結(jié)構(gòu)變更進(jìn)行對標(biāo)分析

張青

摘 要：文章應(yīng)用Hypermesh軟件建立了某客車車架結(jié)構(gòu)變更前后的有限元模型，利用Optistruct求解器，進(jìn)行模態(tài)、剛度和強(qiáng)度等分析，對結(jié)構(gòu)變更前后的結(jié)果進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)兩者間的差值很小，因此可以忽略這兩者間的結(jié)構(gòu)差別，免去結(jié)構(gòu)少許改動后還要去跑路試的環(huán)節(jié)，為公司產(chǎn)品的變更節(jié)省了經(jīng)費(fèi)及保證能及時(shí)把車交付給客戶。

關(guān)鍵詞：Hypermesh；模態(tài)分析；剛度分析；強(qiáng)度分析；對標(biāo)分析

1 引言

我司研制生產(chǎn)的某12米半承載客車，在國內(nèi)已經(jīng)經(jīng)過2萬公里的可靠性試驗(yàn)后，其各項(xiàng)指標(biāo)都符合設(shè)計(jì)要求及國內(nèi)客戶反映其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，可靠性好。但在出口海外目的地時(shí)，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(jīng)協(xié)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(nèi)移動100mm。

由于這車型是典型的半承載結(jié)構(gòu)，與后懸連接的部位在各路況下，其應(yīng)力均較大，是比較容易破壞的區(qū)域，而打斷中間縱梁對此結(jié)構(gòu)更加不利。在這情況下，如何設(shè)計(jì)這部位的結(jié)構(gòu)變得更加重要。因此，在設(shè)計(jì)圖紙定版前進(jìn)行CAE分析，對各種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對比分析，找出最合理的方案使變更后的結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，車架是主要的承載結(jié)構(gòu)，因此只要對車架進(jìn)行對比分析即可。為了真實(shí)地反映車架模型，采用殼單元來建立其車架等結(jié)構(gòu)。在建模過程中遵循以下簡化規(guī)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(jié)構(gòu)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(zhǔn)面，結(jié)構(gòu)間的連接關(guān)系采用共結(jié)點(diǎn)、剛性連接等模擬；（4）忽略了懸掛系統(tǒng)和空氣彈簧和導(dǎo)向桿系；（5）將質(zhì)量大且集中的零部件，如發(fā)動機(jī)、變速箱、緩速器等以集中質(zhì)量單元的方式連接在各安裝部位上，其余為均布質(zhì)量點(diǎn)；（6）忽略焊接過程中出現(xiàn)的變形和殘余應(yīng)力；（7）有限元模型的總質(zhì)量和重心位置與實(shí)車保證一致。

根據(jù)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(gè)，2D單元184922個(gè)，結(jié)點(diǎn)182982個(gè)。其中三角形單元數(shù)為5832個(gè)，約占3.15%<5%的要求。最后整個(gè)車架的簧上質(zhì)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(tài)分析

由于車輛在行駛時(shí)同時(shí)受到來自路面和車橋的激振而產(chǎn)生振動，如果在設(shè)計(jì)時(shí)強(qiáng)度、抗彎剛度、扭轉(zhuǎn)剛度等不足的話就會出現(xiàn)汽車各部件間產(chǎn)生共振或疲勞破壞，導(dǎo)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(tài)（如表1所示），來查看某些激振過大的部件。

根據(jù)這次模態(tài)分析能使我們初步判斷車架的剛度及固有頻率，可以使設(shè)計(jì)人員清楚的了解哪些位置容易激振并改善其結(jié)構(gòu)，避免結(jié)構(gòu)破壞。

4 原車架剛度分析

車架是橫跨在汽車前后橋上的結(jié)構(gòu)，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(jìn)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(zhuǎn)工況和轉(zhuǎn)彎工況[3]。其中彎曲、扭轉(zhuǎn)工況比較常見，故主要對其進(jìn)行彎曲剛度及扭轉(zhuǎn)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(cè)縱梁測量點(diǎn)的Z向位移為0.445mm，右側(cè)測量點(diǎn)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(cè)縱梁測量點(diǎn)的Z向位移為-0.896mm，右側(cè)測量點(diǎn)的Z向位移為0.896mm。

前懸加載點(diǎn)距離為S=1146mm，兩測量點(diǎn)距離為L=801mm。

θ=atan（|Z左|+|Z左|）/801=0.1278deg；

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

5 原車架強(qiáng)度分析

車架的受力工況主要為滿載彎曲、滿載扭轉(zhuǎn)、緊急制動和轉(zhuǎn)彎工況。根據(jù)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(dú)作用的工況；滿載扭轉(zhuǎn)工況為垂直載荷和側(cè)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(zhuǎn)彎工況為垂直載荷和側(cè)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(zhuǎn)工況最為常見和最惡劣，故只對這兩種工況進(jìn)行CAE強(qiáng)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(zhuǎn)工況，其大應(yīng)力的部位均在后懸后部到發(fā)動機(jī)安裝部位之間的區(qū)域，并且在中部縱梁大斷部位的最大應(yīng)力在53～115MPa，低于材料的屈服極限。

6 結(jié)構(gòu)變更對標(biāo)分析

為了滿足客戶對中門踏步骨架寬度的需求，經(jīng)過協(xié)商決定在與踏步骨架連接處的縱梁打斷，并補(bǔ)上同規(guī)格的方鋼來連接打斷后的大梁，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)數(shù)據(jù)，把車架變更設(shè)計(jì)成如圖6所示：

根據(jù)上述方法，對變更后的車架進(jìn)行模態(tài)、剛度、強(qiáng)度分析，同時(shí)與原結(jié)構(gòu)進(jìn)行對標(biāo)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(tài)、剛度（除扭轉(zhuǎn)剛度外）及強(qiáng)度，無論在應(yīng)力分布和打斷位置處的應(yīng)力均無明顯的降低，故可以看做此車架經(jīng)打斷補(bǔ)強(qiáng)后，與整體式車架一樣。

7 結(jié)束語

本文運(yùn)用建模功能非常強(qiáng)大的HyperMesh軟件對車架變更前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)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(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析、剛度分析及各工況下的強(qiáng)度分析，通過結(jié)構(gòu)變更前后的數(shù)據(jù)相比，發(fā)現(xiàn)其數(shù)據(jù)變化較小，在合理的范圍之內(nèi)，故可認(rèn)為變更后的結(jié)構(gòu)也能滿足要求，因而不要再去跑路試進(jìn)行驗(yàn)證，從而實(shí)現(xiàn)縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)、修改的風(fēng)險(xiǎn)及驗(yàn)證的成本。

參考文獻(xiàn)

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