基于CATIA的中型客車氣瓶支架強度分析

袁紹華，陳　峰，李友良，左濤濤

（金龍汽車聯(lián)合工業(yè)（蘇州）有限公司，江蘇蘇州215123）

基于CATIA的中型客車氣瓶支架強度分析

袁紹華，陳峰，李友良，左濤濤

（金龍汽車聯(lián)合工業(yè)（蘇州）有限公司，江蘇蘇州215123）

運用CATIA軟件對一中型客車氣瓶支架進行三維設(shè)計，對初步設(shè)計方案進行CAE靜強度分析；在此基礎(chǔ)上進行改進設(shè)計，并進行靜強度以及振動、制動、轉(zhuǎn)向三種工況下的強度分析。

中型客車；CATIA；氣瓶支架；強度分析

CATIA是一款強大的三維建模軟件，在飛機和汽車行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。隨著有限元分析在機械設(shè)計中的作用越來越重要，CATIA有限元分析模塊也獲得了較快的發(fā)展，其有限元分析模塊完全可以滿足一般機械設(shè)計有限元分析的要求［1-3］。運用CATIA可以將三維設(shè)計和有限元分析同步完成，避免了不同軟件之間的相互轉(zhuǎn)換，方便了操作［4-5］。隨著市場對LNG車輛需求的增加，對整車氣瓶的安裝位置和氣瓶支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了要求。本文采用CATIA軟件對一中型客車氣瓶支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行靜強度仿真分析。

1　初步設(shè)計和有限元分析

氣瓶安裝在整車中部車架右側(cè)位置。初步設(shè)計使用兩套氣瓶支架固定于車架縱梁上，氣瓶安放于兩套支架上面［6］。初步設(shè)計具體三維模型見圖1。

支架和車架縱梁之間使用螺栓固定，緊固后基本沒有相對運動。為了方便分析，減少計算量，在應(yīng)用CATIA進行有限元靜應(yīng)力分析時，使用“扣緊連接特（Fastened Connection Property）”模擬氣瓶支架的連接特性。在“扣緊連接特”添加前需要建立結(jié)合面之間的“通用連接（General Analysis Connection）”作為“扣緊連接特”的添加承載基礎(chǔ)［7］。有限元模型中車架縱梁和氣瓶支架使用的材料和固有特性見表1。

表1　模型各個零部件的材料以及固有特性

氣瓶支架采用四面體實體單元進行有限元網(wǎng)格劃分［8］。氣瓶在加滿燃氣后總質(zhì)量約為405 kg。根據(jù)工程經(jīng)驗，采用1.5倍的安全系數(shù)，即對氣瓶質(zhì)量進行1.5倍放大處理。在兩套支架上采用均布力來模擬氣瓶重力對支架的作用。CATIA有限元分析后的部分結(jié)果見圖2。

從靜強度分析結(jié)果可知，支架的最大應(yīng)力為267.2 MPa，已經(jīng)大于材料屈服極限245 MPa；支架的最大位移為11.28 mm。該位移過大會造成氣瓶歪斜，影響氣瓶的正常使用。根據(jù)仿真結(jié)果可以確定，該初步設(shè)計方案不能滿足使用要求。

2　改進設(shè)計和應(yīng)力分析

2.1改進設(shè)計及靜應(yīng)力分析

為了減少支架的最大應(yīng)力和變形位移，在支架與車架縱梁之間添加支撐，同時將兩個支架通過連接支架連接在一起，最后使用連接支架將氣瓶支架與車身側(cè)圍相連在一起。這樣整個支架的支撐點就有縱梁和車身側(cè)圍前后三處。改進后的三維模型如圖3所示。

按照前述方式對改進后的模型進行有限元前處理，其有限元靜強度分析的部分結(jié)果如圖4所示。

由分析結(jié)果可得，最大應(yīng)力為87.43 MPa，遠小于材料屈服極限245 MPa；最大位移為2.33 mm。該位移對氣瓶平衡性基本不會產(chǎn)生影響。由此可知，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。

2.2其它工況下的應(yīng)力分析

為了進一步分析改進后的支架結(jié)構(gòu)強度能否滿足使用要求，在整車振動、制動和轉(zhuǎn)向三種極限工況下對其進行有限元分析。在X、Y、Z三個方向分別加載加速度場來模擬振動、制動和轉(zhuǎn)向三種工況。三種工況下支架的載荷分布和分析結(jié)果見表2。

表2　三種工況下加速度場數(shù)據(jù)和分析結(jié)果

由分析結(jié)果可知，三種工況下的最大應(yīng)力遠小于245 MPa，最大位移沒有超過3 mm。改進后的懸置支架結(jié)構(gòu)強度完全可以滿足振動、制動和轉(zhuǎn)向三種極限工況的使用要求。

3　結(jié)束語

本文介紹了使用CATIA軟件進行中型客車氣瓶支架結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析的一般過程。使用CATIA軟件可以將結(jié)構(gòu)的三維設(shè)計和有限元分析有效地結(jié)合在一起，做到設(shè)計和分析同步，并且設(shè)計、分析在同一個軟件中進行，可以避免因為模型文件的轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的誤差和工作時間的損失。同時也降低了產(chǎn)品設(shè)計的盲目性，為產(chǎn)品的開發(fā)提供了理論依據(jù)，節(jié)約了成本，縮短了開發(fā)周期。

［1］黃博.CATIA有限元分析模塊實例教程［M］.北京：交通出版社，2007.

［2］盛選禹，李明志.CATIAV5 R17有限元分析實例教程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.5.

［3］李明新.CATIAV5R21中文本基礎(chǔ)教程［M］.北京：人民郵電出版社，2013.12.

［4］孫艷鵬.載重汽車車架有限元分析及優(yōu)化［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2008.4.

［5］邵超城，劉強，龍飛永.純電動汽車車架設(shè)計及有限元分析［J］.機械設(shè)計與制造，2011，（8）：39-40.

［6］卞學(xué)良.專用汽車結(jié)構(gòu)與設(shè)計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［7］曾攀.有限元分析及應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.

［8］肖緒錦，黃桂芬，陳銘年.骨架式半掛車車架三維實體建模與靜態(tài)分析［J］.福建工程學(xué)院學(xué)報，2008，（S1）

修改稿日期：2014-11-03

Analysis on Gas Cylinder Bracket Strength for a Medium-sized Bus Based on CATIA

Yuan Shaohua，Chen Feng，Li Youliang，Zuo Taotao
（Higer Bus Company Lim ited，Suzhou 215123，China）

CATIA is app lied in 3D design of a medium-sized bus gas cylinder bracket.Based on the static strength analysis of the preliminary design，the design of gas cylinder bracket is improved.Finally，the improved gas cylinder bracket strength is analyzed under the conditions ofstatic strength，bumping，braking and steering.

medium-sized bus；CATIA；gas cylinder bracket；strength analysis

U 463

B

1006-3331（2015）03-0028-02

袁紹華（1985-），男，助理工程師；主要從事客車底盤工藝技術(shù)問題分析工作。