基于有限元的客車車架輕量化設(shè)計(jì)

毛敏捷、郭經(jīng)峰、張宇、李鑫源

（青島理工大學(xué) 266520）

0 引言

車架是客車的重要組成部分，在車輛行駛過程中，會(huì)受到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)總成和各組成部分的質(zhì)量以及行駛時(shí)懸架傳遞的沖擊、扭曲與慣性的共同作用，其安全性、舒適性、使用壽命以及穩(wěn)定性是重要的判定參數(shù)[1]。通過有限元的方法對(duì)客車車架進(jìn)行分析，得出客車的靜態(tài)分析結(jié)果，可以更加透徹地了解車架的應(yīng)力和變形分布情況，從而提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)輕量化的目的。

1 客車車架的模型建立

1.1 車架CATIA三維模型建模

采用CATIA三維軟件建立車架模型，采用邊梁式結(jié)構(gòu)，該車架結(jié)構(gòu)由2根主縱梁為主要支撐、2根前后橫梁、12根中間橫梁和2根邊梁組成。車架的長度和寬度分別為9 015.000 mm和2 770.000 mm，參數(shù)如表1所示。

1.2 車架有限元模型

將建立好的車架模型導(dǎo)入ANSYS的靜態(tài)分析模塊中，設(shè)置有限元單元類型為殼單元，將車架離散為255 831個(gè)單元，共415 016個(gè)節(jié)點(diǎn)。車架的材料參數(shù)如表2所示。

車架在靜止和行駛時(shí)都受到各種載荷、載重及自身質(zhì)量的作用，在不同的工況下受到不同的復(fù)雜力[2]。本文對(duì)車架進(jìn)行靜態(tài)分析，將車架本身的質(zhì)量和載重的質(zhì)量簡化為車架上的均布載荷，加載0.2 N/mm2，車架的有限元模型加載情況如圖1所示。

表2 車架材料參數(shù)表

圖1 車架有限元加載圖

2 車架的靜態(tài)分析

2.1 純彎曲靜力分析

滿載彎曲工況下，車架承受的載荷是最大的，這種工況下車架所受的應(yīng)力和變形都相對(duì)較大。如圖2和圖3所示的有限元模型圖可知，最大應(yīng)力值為199.87 MPa, 遠(yuǎn)小于車架的屈服強(qiáng)度，發(fā)生在車架前后車輪約束的位置。最大變形量為19.820 mm，發(fā)生在車架的后橫梁上，此處缺少好的剛度支撐，變形較大，但仍符合剛度要求，此工況下車架安全。

2.2 緊急制動(dòng)靜力分析

滿載情況下車架可能受到較大的應(yīng)力和變形，在此情況下緊急制動(dòng)，車架的受力會(huì)更加復(fù)雜。由圖4和圖5可知，緊急制動(dòng)情況下最大應(yīng)力值為200.41 MPa，在吊耳與車架相接的位置，大于簡單的滿載彎曲工況。最大變形量為19.800 mm，出現(xiàn)在車架的后橫梁上，與滿載彎曲工況相差不大，變形幅度較小，在合理范圍之內(nèi)，此工況下車架安全。

表1 車架主要參數(shù)表（單位/mm）

圖2 滿載彎曲工況下的應(yīng)力圖

圖3 滿載彎曲工況下的形變圖

圖4 緊急制動(dòng)工況應(yīng)力圖

圖5 緊急制動(dòng)工況形變圖

從分析結(jié)果來看，最大應(yīng)力為200.41 MPa，未超過安全系數(shù)為1.5時(shí)的最大應(yīng)力值233.00 MPa；車架有輕微變形，但符合剛度要求，車架變形的最大位移為19.800 mm。綜上所述，該車架結(jié)構(gòu)滿足剛度和強(qiáng)度要求，且有很大的輕量化空間，可進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

3 車架輕量化設(shè)計(jì)

3.1 車架尺寸優(yōu)化

先用車架的主縱梁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。取主縱梁的厚度和寬度作為設(shè)計(jì)變量，得到2個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，并對(duì)其進(jìn)行上下限的限制。優(yōu)化設(shè)計(jì)變量的初始值和變化范圍如表3所示。

表3 優(yōu)化設(shè)計(jì)變量表

3.2 車架主縱梁的優(yōu)化

最優(yōu)解主縱梁寬為82.000 mm，主縱梁的厚度為182.000 mm，受到最大應(yīng)力值為245.80 MPa，車架質(zhì)量減少6 500 kg，減少了5.8%。將最優(yōu)解參數(shù)代入純彎曲工況時(shí)驗(yàn)證（圖6），最大應(yīng)力為245.87 MPa，車架的剛度和強(qiáng)度滿足要求，經(jīng)優(yōu)化后較好地實(shí)現(xiàn)了輕量化。

表4 車架優(yōu)化解

3.3 車架的整體優(yōu)化

主縱梁經(jīng)過優(yōu)化后，整個(gè)車架的強(qiáng)度和剛度發(fā)生變化，但仍滿足要求，且達(dá)到輕量化的目的。故對(duì)整體車架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，變量如表4所示。

經(jīng)過優(yōu)化后整車架最大應(yīng)力為217.23 MPa（圖7），發(fā)生在鋼板彈簧與車架的接觸點(diǎn)上，最大變形為20.916 mm（圖8），發(fā)生的位置為后橫梁。整個(gè)車架滿足安全系數(shù)為1.5的強(qiáng)度要求，也滿足剛度要求。車架的質(zhì)量由6 970 kg減少為6 290 kg，減少了9.75%，達(dá)到輕量化目的。

圖6 車架純彎曲分析

圖7 分析應(yīng)力圖

圖8 分析形變圖

4 結(jié)束語

本文對(duì)運(yùn)用ANSYS對(duì)車架結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行了分析研究，分析純彎曲工況和緊急制動(dòng)工況下的強(qiáng)度和剛度特性。掌握了車架結(jié)構(gòu)特性，各個(gè)部分受力和變形的特點(diǎn)，并進(jìn)行了車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)。車架質(zhì)量由6 970 kg減少為6 290 kg，車架整體減少了9.75%，達(dá)到了輕量化的目的，有效提高了客車的油耗及整車性能，對(duì)于車架結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)研究具有非常重要的價(jià)值。