基于靜動態(tài)有限元分析的客車骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

周雨新, 朱紅軍, 冒李宸

(中車時代電動汽車股份有限公司, 湖南 株洲 412007)

客車骨架在客車行駛過程中要承受多種載荷的作用[1]?？蛙嚬羌苁菑?fù)雜空間的超靜定結(jié)構(gòu),受力復(fù)雜、結(jié)構(gòu)分析難度較大[2]。它是白車身和內(nèi)外飾的裝配基礎(chǔ)[3],因此必須有足夠的強度和剛度,以保證其疲勞壽命、裝配和使用要求。通過客車骨架結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動態(tài)分析,可初步獲得骨架結(jié)構(gòu)的承載和振動指標(biāo),為結(jié)構(gòu)的設(shè)計和改進提供依據(jù)[4]。本文基于某客車的三維幾何數(shù)據(jù)建立其骨架的有限元分析模型,首先進行剛強度分析,并進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計,然后對優(yōu)化設(shè)計后的骨架結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析,以驗證優(yōu)化方案的可行性。

1 客車骨架有限元模型的建立

HyperMesh有限元模型建立軟件,與各種CAD軟件具有良好的集成性,具有工業(yè)界主要的CAD數(shù)據(jù)格式接口,可以直接導(dǎo)入已經(jīng)生成的三維實體模型,而且導(dǎo)入模型的質(zhì)量一般都比較高,基本不需要對模型進行修復(fù),方便對模型的處理。另外HyperMesh還具有強大的有限元網(wǎng)格劃分前處理功能。因此本文采用該軟件建立客車骨架的有限元模型。

以車輛行駛前進方向為X軸正方向,以垂直地面向上方向為Z軸正方向,車橋軸方向為Y軸,利用CATIA軟件對車身骨架進行三維實體建模,并轉(zhuǎn)換輸出三維模型文件,并以IGES或STP兩種通用格式進行保存,然后直接導(dǎo)入HyperMesh對文件進行前處理有限元建模。

客車骨架構(gòu)件多采用焊接、鉚接、螺栓這3種方式進行連接,在不考慮構(gòu)件連接處失效的前提下,可以將骨架體系看成整體結(jié)構(gòu),進行構(gòu)件幾何連接處理,從整體上分析應(yīng)力集中位置。相比梁單元,殼單元具有更高的精度;骨架構(gòu)件較多,且模型龐大,相比實體單元,殼單元建模與計算時間相對較短。

綜上考慮,本文采用二維殼單元對骨架進行網(wǎng)格劃分,骨架梁截面最大為100 mm,最小為20 mm,為避免后續(xù)計算特性失真,主要采用大小為20 mm的四邊形網(wǎng)格,在復(fù)雜結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件連接等處的網(wǎng)格單元大小為10～15 mm,盡量避免三角形單元的出現(xiàn)[5-7]。在經(jīng)過中面抽取、幾何清理、網(wǎng)格劃分及單元質(zhì)量檢查、構(gòu)建連接方式建模等過程后,生成的某客車骨架有限元模型如圖1所示。

圖1 車身骨架有限元模型

2 模型處理

2.1 添加材料屬性

骨架所用材料為Q700高強鋼、Q355碳鋼,其相關(guān)屬性見表1。

表1 材料相關(guān)屬性

2.2 載荷處理

根據(jù)實車載荷分布情況,除骨架本身結(jié)構(gòu)自重外,結(jié)合載荷特征分別采取集中加載和均勻加載方式進行載荷處理。動力電池、空調(diào)、懸架、動力總成等大質(zhì)量對象采取集中加載方式處理;乘客、行李等質(zhì)量采用均勻加載方式處理[8-9]。結(jié)構(gòu)自重通過分析軟件計算自重載荷。

2.3 工況確定

實際運行中路況復(fù)雜,存在多種受力工況,常見的有勻速直線行駛、加速、制動、轉(zhuǎn)向和扭轉(zhuǎn)等。本文主要考慮上述常見工況下骨架的應(yīng)力水平。各常見工況具體如下:

1) 勻速直線行駛工況。Z方向(垂直地面方向)施加1g和2g的載荷。

2) 加速工況。X方向以最大加速度0.5g進行加速。

3) 制動工況。X方向以最大制動加速度-0.8g進行制動。

4) 轉(zhuǎn)向工況。Y方向最大轉(zhuǎn)向加速度0.4g,分別左、右轉(zhuǎn)彎。

5) 扭轉(zhuǎn)工況。左、右前輪分別懸空。

3 靜態(tài)特性分析及優(yōu)化

3.1 不同工況下的靜態(tài)特性分析

利用OptiStruct、HyperView軟件,進行分析求解和結(jié)果后處理。車身骨架部分常見工況應(yīng)力云圖如圖2所示。

(a) 垂向2g工況

(b) 制動工況

(c) 左轉(zhuǎn)向工況

(d) 左前輪懸空工況圖2 車身骨架部分常見工況應(yīng)力云圖

1) 勻速直線行駛工況。Z方向垂向1g工況下,車身骨架均處于較低應(yīng)力水平,強度風(fēng)險較小。Z方向垂向2g工況下,前橋氣囊支座上方縱梁存在局部較高應(yīng)力,最大應(yīng)力為272 MPa。頂蓋電池安裝處的垂向變形達到11.7 mm。

2) 加速工況下,車身骨架整體無明顯的局部高應(yīng)力,強度風(fēng)險較小。

3) 制動工況下,前橋管梁焊接根部及后橋推力桿支座處存在局部應(yīng)力集中,最大應(yīng)力為296 MPa。

4) 轉(zhuǎn)向工況。左轉(zhuǎn)工況下,車身骨架的局部高應(yīng)力主要位于后橋,圖2(c)所示的縱梁焊接根部和地板骨架搭接處均處于較高應(yīng)力,最大應(yīng)力分別為312 MPa和260 MPa。右轉(zhuǎn)工況下,局部應(yīng)力集中位于前橋橫向穩(wěn)定桿焊接根部和后橋縱梁與地板骨架處,最大應(yīng)力分別為245 MPa和310 MPa。制動左轉(zhuǎn)及右轉(zhuǎn)工況下,車身骨架整體無較明顯的高應(yīng)力區(qū),強度風(fēng)險較小。

5) 扭轉(zhuǎn)工況下車身骨架的局部應(yīng)力主要位于前橋橫向穩(wěn)定桿支座根部。右側(cè)圍對應(yīng)門框的玻璃窗框存在較大變形,最大變形量和變形率分別為10.6 mm和0.5%,窗框剛度相對較弱,存在玻璃破碎的風(fēng)險。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及效果

針對上述多個工況下,部分關(guān)鍵位置存在較高應(yīng)力及較大變形,采取的具體優(yōu)化措施如下:

1) 增大前橋氣囊當(dāng)前橫梁的規(guī)格,并增加橫梁搭接到側(cè)圍。

2) 將頂蓋電池安裝處的彎梁由2 mm改為3 mm,提高Z向局部剛度。

3) 優(yōu)化前橋氣囊座部位斜撐的走向,并新增加強角。在前橋后端增加加強角和斜撐。

4) 將后橋推力桿支座安裝底板上邊緣向上延伸40 mm,同時增大兩側(cè)加強立板的高度,降低中橋斜撐的受力狀況。

5) 在后橋縱梁與橫梁、穩(wěn)定桿上方立柱間增加斜撐,左右對稱布置。同時將底板骨架與縱梁搭接。

6) 對變形較大的側(cè)窗立柱增加并管。

優(yōu)化前后對比如圖3、表2、表3所示。

表2 關(guān)鍵位置結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后應(yīng)力水平對比

表3 關(guān)鍵位置結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后變形對比

圖3 優(yōu)化前后應(yīng)力及形變對比

通過優(yōu)化前后對比分析可知,優(yōu)化后的骨架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力水平和最大形變,分別由312 MPa/11.7 mm降至248 MPa/9.4 mm,改善都達19%及以上;側(cè)窗最大變形量由10.6 mm降低至6.7 mm,變形率由0.5%降低至0.32%,滿足變形量低于10 mm和變形率低于0.5%的設(shè)計要求。

4 優(yōu)化后骨架的模態(tài)分析

客車在行駛過程中受到各種激勵而產(chǎn)生振動,共振會對車輛造成極大的破壞,因而設(shè)計中除了要滿足車輛運行的強度和剛度要求外,還需要考慮行駛過程中的振動特性。模態(tài)分析是動態(tài)特性分析的重要內(nèi)容,也是振動所要研究的主要方面[10-11]。進行模態(tài)分析時,一般將頻率值作為檢驗的標(biāo)準(zhǔn),用它作為檢測因動力系激勵、傳動系激勵、懸掛系激勵以及路面激勵等與車身骨架發(fā)生共振的依據(jù)。對客車骨架的模態(tài)分析,主要是計算骨架在自由狀態(tài)下的振型和頻率,與所受外力無關(guān),因而不對骨架施加任何約束和載荷[12]。

本文客車骨架模態(tài)分析亦在無阻尼自由振動狀態(tài)下進行。在工程實際中主要關(guān)注車身骨架低階頻率(3～40 Hz)范圍內(nèi)的扭轉(zhuǎn)、彎曲振型(根據(jù)模態(tài)分析理論,高階頻率對車身結(jié)構(gòu)的影響較小)。扭轉(zhuǎn)為整個車身繞X軸扭轉(zhuǎn);縱向彎曲為車身沿Y軸的彎曲;橫向彎曲指整個車身繞Z軸彎曲。略去剛體模態(tài),分別考察車身骨架的前五階模態(tài),計算分析得到各狀態(tài)下的模態(tài)振型圖如圖4所示;得到車身骨架各振型的固有頻率見表4。

表4 車身骨架各振型的固有頻率

(a) 側(cè)圍扭轉(zhuǎn)(一階)

(b) 側(cè)圍彎曲(二階)

(c) 整體扭轉(zhuǎn)(三階)

(d) 頂蓋橫向彎曲(四階)

(e) 整體縱向彎曲(五階)圖4 車身骨架低階模態(tài)振型圖

客車行駛過程中的激勵源主要是路面激勵和動力系激振。根據(jù)以往測試數(shù)據(jù)及相關(guān)研究,路面激勵頻率一般低于3 Hz,發(fā)動機激振頻率一般大于40 Hz[13],驅(qū)動電機頻率一般在50 Hz及以上。從以上模態(tài)分析的結(jié)果來看,車身骨架低階模態(tài)下扭轉(zhuǎn)和彎曲振型的固有頻率在8.2～17.2 Hz,均在3～40 Hz范圍內(nèi),車身骨架自由模態(tài)頻率與主要激振錯開,總體來看,車身骨架整體振動特性達到安全標(biāo)準(zhǔn),結(jié)構(gòu)滿足要求。

5 結(jié)束語

本文以某客車骨架為例,通過有限元分析方法對優(yōu)化骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計進行探討。應(yīng)用三維軟件建立客車三維骨架模型,然后應(yīng)用有限元分析軟件對該客車運行過程中的各類典型工況進行分析,再根據(jù)分析的結(jié)果,結(jié)合設(shè)計、工藝、制造要求對骨架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。優(yōu)化后高應(yīng)力區(qū)的集中應(yīng)力值水平遠低于材料的屈服強度,骨架形變最大變形量也低于設(shè)計形變要求,有效地解決了強度和剛度問題。從模態(tài)分析的結(jié)果可知車身骨架的固有頻率也在合理范圍內(nèi),說明低階模態(tài)處于可控范圍,能夠避免因各種激勵產(chǎn)生的共振現(xiàn)象。