基于Hyperworks 的客車車架有限元分析*

張歆伊，鄭再象，張友宏

（1.揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000；2.揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000）

車架承擔(dān)了汽車各部分總成的質(zhì)量與載荷，是關(guān)鍵的承載部件，并且還要承受汽車在行駛過(guò)程中所產(chǎn)生的各種力和力矩[1]。因此，車架的強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)在汽車總體設(shè)計(jì)中起著至關(guān)重要的作用[2]。本文利用有限元軟件進(jìn)行建模分析，得出靜態(tài)分析結(jié)果并生成應(yīng)力和變形的云圖，更加清楚地了解在各工況下車架變形與應(yīng)力分布情況，以便于針對(duì)某些薄弱部位進(jìn)行優(yōu)化改善，為后續(xù)的設(shè)計(jì)制造提供理論基礎(chǔ)。

1 車架有限元模型建立

本文采用的是一款由兩根縱梁和六根橫梁組成的車架結(jié)構(gòu)，在類型上屬于典型的邊梁式車架，其縱、橫梁之間通過(guò)襯板連接，采用鉚釘或螺栓的連接方式。車架總長(zhǎng)為11 200mm，總寬為2 160mm。

1.1 幾何處理

有限元分析只對(duì)于真實(shí)情況的模擬，因此，在建立有限元模型前對(duì)幾何模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理[3]。幾何前處理是有限元數(shù)值模擬分析中至關(guān)重要的一步，直接影響著后續(xù)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性[4]。

本文用到Hyperworks 的Optistruct 模塊，清除一些對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較小影響的部分，如圓角、倒角等，清理這些小細(xì)節(jié)可以在不影響分析結(jié)果精度的前提下大大減小計(jì)算時(shí)間和計(jì)算量。

1.2 網(wǎng)格劃分

車架模型在抽取中面后選擇殼單元PSHELL 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中焊接部分采用三角形殼單元進(jìn)行模擬，螺栓連接部分采用剛性單元進(jìn)行模擬。車架網(wǎng)格劃分尺寸為5mm，單元數(shù)量為897 898 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為901 252 個(gè)，最終網(wǎng)格劃分如圖1 所示。

圖1 最終網(wǎng)格劃分

2 典型工況分析

2.1 載荷分布

車架主要承受來(lái)自于車身、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、空調(diào)等部件以及乘客和座椅的質(zhì)量，為了減小計(jì)算量，以集中質(zhì)量單元CONM2 的方式根據(jù)其質(zhì)心位置布置，并且采用剛性單元RBE2 與車架受力部位相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)連接，如圖2 所示。

圖2 質(zhì)量單元與車架連接

2.2 材料選擇

車架材料選用Q345，各項(xiàng)參數(shù)如表1 所示。

表1 Q345 參數(shù)

2.3 四種典型工況分析

客車在實(shí)際行駛時(shí)的工況十分復(fù)雜，但是主要可分為彎曲、緊急制動(dòng)、急轉(zhuǎn)彎、扭轉(zhuǎn)四種，本文將以這四種類型為例，對(duì)車架進(jìn)行分析計(jì)算。

2.3.1 彎曲工況

1）工況分析。彎曲工況作為典型工況中的基本分析工況，主要模擬的是客車滿載狀態(tài)下在城市道路上勻速行駛，其動(dòng)載系數(shù)以及約束情況如表2 所示。

于是他就回到原地，打好包袱，準(zhǔn)備動(dòng)身。他摸清楚了那三包分別放開的火柴還在，雖然沒有停下來(lái)再數(shù)數(shù)。不過(guò)，他仍然躊躇了一下，在那兒一個(gè)勁地盤算，這次是為了一個(gè)厚實(shí)的鹿皮口袋。袋子并不大。他可以用兩只手把它完全遮沒。他知道它有十五磅重——相當(dāng)于包袱里其他東西的總和——這個(gè)口袋使他發(fā)愁。最后，他把它放在一邊，開始卷包袱?？墒?，卷了一會(huì)，他又停下手，盯著那個(gè)鹿皮口袋。他匆忙地把它抓到手里，用一種反抗的眼光瞧瞧周圍，仿佛這片荒原要把它搶走似的；等到他站起來(lái)，搖搖晃晃地開始這一天的路程的時(shí)候，這個(gè)口袋仍然包在他背后的包袱里。

表2 彎曲工況動(dòng)載系數(shù)、約束情況

2）計(jì)算結(jié)果分析。彎曲工況應(yīng)力分布云圖如圖3 所示。根據(jù)云圖可得，最大應(yīng)力為419.9MPa，發(fā)生在車架后輪縱梁處，大于選用材料的屈服強(qiáng)度，可設(shè)置加強(qiáng)板、增加厚度或使用屈服強(qiáng)度更大的材料以提高車架整體強(qiáng)度。

圖3 彎曲工況應(yīng)力分布云圖

彎曲工況位移分布云圖如圖4 所示。根據(jù)云圖可得，最大位移為8.43mm，發(fā)生在車架中部及尾部，城市客車后部要布置發(fā)動(dòng)機(jī)變速器等，載荷較大，因此，該部位位移也隨之增大，但總體滿足設(shè)計(jì)要求允許的變形量。

圖4 彎曲工況位移分布云圖

2.3.2 緊急制動(dòng)工況

1）工況分析。緊急制動(dòng)工況主要模擬的是客車滿載時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)速度降為零，車身在慣性力作用下產(chǎn)生的變形和受力情況[5-6]，選取最大制動(dòng)加速度0.8g 來(lái)模擬制動(dòng)情況，取動(dòng)載系數(shù)1，其動(dòng)載系數(shù)以及約束情況如表3所示。

表3 緊急制動(dòng)工況動(dòng)載系數(shù)、約束情況

2）計(jì)算結(jié)果分析。緊急制動(dòng)工況應(yīng)力分布云圖如圖5所示。根據(jù)云圖可得，最大應(yīng)力為244.4MPa，發(fā)生在車架后輪縱梁處，小于選用材料的屈服強(qiáng)度，符合設(shè)計(jì)要求。

圖5 緊急制動(dòng)工況應(yīng)力分布云圖

緊急制動(dòng)工況位移分布云圖如圖6 所示。根據(jù)云圖可得，最大位移為4.07mm，發(fā)生在車架中部，滿足車架的剛度要求。

圖6 緊急制動(dòng)工況位移分布云圖

2.3.3 急轉(zhuǎn)彎工況

1）工況分析。急轉(zhuǎn)彎工況主要模擬的是客車在滿載時(shí)急速轉(zhuǎn)彎（本文以左急轉(zhuǎn)彎為例），由于離心力作用產(chǎn)生的側(cè)向力，選取最大轉(zhuǎn)向離心加速度0.4g 模擬緊急轉(zhuǎn)彎情況，取動(dòng)載系數(shù)1，其動(dòng)載系數(shù)以及約束情況如表4 所示。

表4 急轉(zhuǎn)彎工況動(dòng)載系數(shù)、約束情況

2）計(jì)算結(jié)果分析。急轉(zhuǎn)彎工況應(yīng)力分布云圖如圖7所示。根據(jù)云圖可得，最大應(yīng)力為334.3MPa，發(fā)生在車架右后輪縱梁與前懸架連接處，小于選用材料的屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 急轉(zhuǎn)彎工況應(yīng)力分布云圖

急轉(zhuǎn)彎工況位移分布云圖如圖8 所示。根據(jù)云圖可得，最大位移為15.23mm，發(fā)生在車架尾部，往前逐漸減小，雖然比其他工況位移略大，但總體還是滿足設(shè)計(jì)要求允許的變形量。

圖8 急轉(zhuǎn)彎工況位移分布云圖

2.3.4 扭轉(zhuǎn)工況

1）工況分析。扭轉(zhuǎn)工況主要模擬的是城市客車滿載行駛情況下在凹凸不平的路面低速行駛時(shí)，一輪懸空產(chǎn)生的車身變形情況（本文以左后輪懸空為例），取動(dòng)載系數(shù)1，其動(dòng)載系數(shù)以及約束情況如表5 所示。

表5 扭轉(zhuǎn)工況動(dòng)載系數(shù)、約束情況

2）計(jì)算結(jié)果分析。扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力分布云圖如圖9 所示。根據(jù)云圖可得，最大應(yīng)力為549.2MPa，發(fā)生在車架右后輪縱梁與橫梁連接處，大于選用材料的屈服強(qiáng)度，可設(shè)置加強(qiáng)板或增大焊接處厚度以提高車架強(qiáng)度。

扭轉(zhuǎn)工況位移分布云圖如圖10 所示。根據(jù)云圖可得，最大位移為8.99mm，發(fā)生在車架左側(cè)縱梁中間與后方，由于邊界條件設(shè)定左后輪懸空，此處出現(xiàn)較大位移符合實(shí)際工況，同樣也滿足設(shè)計(jì)要求允許的變形量。

圖9 扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力分布云圖

圖10 扭轉(zhuǎn)工況位移分布云圖

3 結(jié)論

本文采用靜態(tài)分析的方法，以四種典型工況為例，進(jìn)行了模擬計(jì)算?？傮w來(lái)說(shuō)，急轉(zhuǎn)彎和緊急制動(dòng)工況的應(yīng)力滿足要求，但彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下的最大應(yīng)力略大于材料的屈服強(qiáng)度，最大應(yīng)力主要分布在懸架安裝處、車架縱梁與橫梁的連接處以及后車輪縱梁上。為了防止在行駛過(guò)程中某些部位斷裂或損壞，可考慮設(shè)置加強(qiáng)板、增加厚度或使用屈服強(qiáng)度更大的材料。在四種工況中，急轉(zhuǎn)彎工況下產(chǎn)生的位移最大，可能會(huì)造成車架開裂等現(xiàn)象，因而在行駛過(guò)程中應(yīng)盡量避免類似的極限情況發(fā)生。然而有一些部位產(chǎn)生的變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于本次設(shè)計(jì)要求的剛度特性，可以考慮適當(dāng)減小這些部位的厚度，以減輕車架質(zhì)量、節(jié)省能源和材料。本次分析結(jié)果可以有效縮短試驗(yàn)周期，驗(yàn)證客車車架設(shè)計(jì)的正確性，同時(shí)確認(rèn)了車架薄弱部位，為后續(xù)優(yōu)化分析提供了理論依據(jù)[7]。