XMQ6850AGBEVM城市客車白車身強度仿真分析及優(yōu)化

李文彪

摘 要：通過有限元軟件對XMQ6850AGBEVM城市客車白車身強度進行仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果有針對性地加強白車身結(jié)構(gòu)，并通過仿真分析驗證優(yōu)化結(jié)果。

關(guān)鍵詞：白車身強度 仿真分析 結(jié)構(gòu)驗證

1 引言

白車身是客車整體結(jié)構(gòu)中至關(guān)重要的承載構(gòu)件。客車的其他配件，如：底盤件、外飾件、內(nèi)飾件、電氣件等，均通過接口安裝于白車身[1]。本文通過有限元軟件Hyperworks對XMQ6850AGBEVM城市客車白車身強度進行仿真分析，通過14種典型工況，對白車身進行加載，獲取白車身承受應(yīng)力情況，并基于所得應(yīng)力情況及分布區(qū)域，對白車身結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，提升白車身強度，減小其所承受應(yīng)力。通過本文對于白車身分析及優(yōu)化，為后續(xù)城市客車產(chǎn)品設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

2 白車身有限元模型建立

將XMQ6850AGBEVM城市客車白車身三維數(shù)模導(dǎo)入Hyperworks，以建立對應(yīng)有限元模型[2]。載荷施加是影響計算結(jié)果的關(guān)鍵步驟之一[3]。根據(jù)整備質(zhì)量及重心參數(shù)將白車身相關(guān)負載重量施加于對應(yīng)位置，其中：電池、空調(diào)、乘員等用質(zhì)量點進行模擬，車輛蒙皮、玻璃及其余內(nèi)、外飾物料用均布質(zhì)量點進行配重，所建立有限元模型記為XMQ6850AGBEVM_BASE。

根據(jù)實車數(shù)據(jù)，XMQ6850AGBEVM整備質(zhì)量為9.1噸，在增加乘員質(zhì)量（23（坐）+49（站））后，滿載質(zhì)量為14噸。

XMQ6850AGBEVM白車身三維數(shù)模所建立有限元模型中，對應(yīng)車身及車架材料定義如下：

3 白車身強度分析

3.1 載荷描述

本文使用Motionview對14種典型工況進行懸架入力提取，將提取的選加入力輸入到整車有限元模型中，使用OptiStruct進行分析。所設(shè)定的14種典型極限工況為：

（1）1G垂向工況（1G vertical）：指滿載狀態(tài)客車在水平路面正常行駛時，只考慮自身重量對底架結(jié)構(gòu)的影響。分別在前后懸架加1G垂向加速度。

（2）2G垂向工況（2G vertical）：指滿載狀態(tài)客車在水平路面正常行駛時，考慮自身重量和2G的動載系數(shù)對底架結(jié)構(gòu)的影響。分別在前后懸架加2G垂向加速度。

（3）0.5G左轉(zhuǎn)彎工況（0.5G lateral）：指滿載狀態(tài)客車以最大側(cè)向加速度0.5g向左轉(zhuǎn)彎行駛時，地面及慣性力對底架結(jié)構(gòu)的影響。分別在前后懸架加0.5G側(cè)向加速度。

（4）0.5G右轉(zhuǎn)彎工況（-0.5G lateral）：指滿載狀態(tài)客車以最大側(cè)向加速度0.5g向右轉(zhuǎn)彎行駛時，地面及慣性力對底架結(jié)構(gòu)的影響。分別在前后懸架加-0.5G側(cè)向加速度。

（5）2G對角扭轉(zhuǎn)工況（2G Twist）：指客車在低速滿載狀態(tài)行駛時，左前輪與右后輪抬起，左右凹凸不平路面引起的車身扭轉(zhuǎn)對底架結(jié)構(gòu)的影響。左前輪和右后輪分別加2G垂向加速度、右前輪和左后輪分別加-2G垂向加速度。

（6）-2G對角扭轉(zhuǎn)工況（-2G Twist）：指客車在低速滿載狀態(tài)行駛時，左后輪與右前輪抬起，左右凹凸不平路面引起的車身扭轉(zhuǎn)對底架結(jié)構(gòu)的影響。左后輪和右前輪分別加2G垂向加速度、左前輪和右后輪分別加-2G垂向加速度。

（7）0.8G前行制動工況（0.8G forward braking）：指滿載狀態(tài)客車以最大制動減速度0.8g向前行駛時，地面及慣性力對底架結(jié)構(gòu)的影響。分別在前后懸架加0.8G縱向加速度。

（8）0.5G后退制動工況（0.5G reverse braking）：指滿載狀態(tài)客車以最大制動減速度0.5g向后倒退行駛時，地面及慣性力對底架結(jié)構(gòu)的影響。分別在前后懸架加-0.5G縱向加速度。

（9）2G前軸抬起工況（front axle 2g vertical）：指滿載狀態(tài)客車前輪經(jīng)過坡起時，考慮自身重量和前軸承受2G的動載系數(shù)對底架結(jié)構(gòu)的影響。前懸架加2G垂向加速度，后懸架加1G垂向加速度。

（10）2G后軸抬起工況（rear axle 2g vertical）：指滿載狀態(tài)客車后輪經(jīng)過坡起時，考慮自身重量和后軸承受2G的動載系數(shù)對底架結(jié)構(gòu)的影響。后懸架加2G垂向加速度，前懸架加1G垂向加速度。

（11）2.3G左前輪單輪抬起工況（FL 2.3g vertical）：指滿載狀態(tài)客車左前輪經(jīng)過坡起時，考慮自身重量和左前輪承受2.3G的動載系數(shù)對底架結(jié)構(gòu)的影響。左前輪加2.3G垂向加速度，其他輪加1G垂向加速度。

（12）2.3G左后輪單輪抬起工況（RL 2.3g vertical）：指滿載狀態(tài)客車左后輪經(jīng)過坡起時，考慮自身重量和左后輪承受2.3G的動載系數(shù)對底架結(jié)構(gòu)的影響。左后輪加2.3G垂向加速度，其他輪加1G垂向加速度。

（13）2.3G右前輪單輪抬起工況（FR 2.3g vertical）：指滿載狀態(tài)客車右前輪經(jīng)過坡起時，考慮自身重量和右前輪承受2.3G的動載系數(shù)對底架結(jié)構(gòu)的影響。右前輪加2.3G垂向加速度，其他輪加1G垂向加速度。

（14）2.3G右后輪單輪抬起工況（RR 2.3g vertical）：指滿載狀態(tài)客車右后輪經(jīng)過坡起時，考慮自身重量和右后輪承受2.3G的動載系數(shù)對底架結(jié)構(gòu)的影響。右后輪加2.3G垂向加速度，其他輪加1G垂向加速度。

3.2 各工況分析結(jié)果

根據(jù)3.1所述14種典型工況對白車身模型加載后進行分析，獲取對應(yīng)分析結(jié)果如表2，將白車身分為車身及底架分別進行說明（通過應(yīng)力值進行說明）。

表2中出現(xiàn)應(yīng)力值較大工況對應(yīng)應(yīng)力云圖如下：

3.2.1 2G對角扭轉(zhuǎn)工況強度分析

從圖1可以看出，2G對角扭轉(zhuǎn)工況下車身最大應(yīng)力值為258.6MPa，未超過車身鋼材Q345鋼的屈服應(yīng)力345MPa；底架的最大應(yīng)力值為591.7MPa，未超過車架方鋼所用材質(zhì)Q700的屈服應(yīng)力700MPa。

3.2.2 2.3G右后輪單輪抬起工況強度分析

從下圖2可以看出2.3G右后輪單輪抬起工況下車身最大應(yīng)力值為269.6MPa，未超過車身鋼材Q345鋼的屈服應(yīng)力345MPa；底架的最大應(yīng)力值為503.8MPa，未超過車架方鋼所用材質(zhì)Q700的屈服應(yīng)力700MPa。

通過以上分析，可得出以下結(jié)論：

（1）所有工況下車身與車架應(yīng)力最大值均未超過其所用材料的屈服應(yīng)力值，但部分工況應(yīng)力最大值已接近其所用材料屈服應(yīng)力；（2）車架應(yīng)力較大處出現(xiàn)在前懸前部、后懸后部位置；（3）車身應(yīng)力較大處出現(xiàn)在左側(cè)圍中部。

4 白車身結(jié)構(gòu)改進及改進后分析

4.1 白車身結(jié)構(gòu)改進

根據(jù)第3節(jié)分析結(jié)論，對XMQ6850AGBEVM_BASE版白車身結(jié)構(gòu)進行改進。其中：

車身改進主要措施如下：

（1）頂蓋骨架對應(yīng)安裝電池位置主弧桿下方增加斜撐；（2）側(cè)圍骨架對應(yīng)后懸上部增加斜撐；（3）后懸上部地板骨架結(jié)構(gòu)更改：a、后懸上部地板橫梁增加并管；b、后懸上部地板骨架內(nèi)部增加“X”形結(jié)構(gòu)；c、后懸上部地板過道內(nèi)側(cè)增加縱向并管。

車架改進主要措施如下：

（1）車架前部駕駛區(qū)地板位置增加八角加強；（2）車架后懸前部加強板往前部延伸，對應(yīng)斜撐規(guī)格及厚度加大；（4）后懸穩(wěn)定桿上部結(jié)構(gòu)進行加強，后懸縱向截面增加斜撐以提升強度。

4.2 結(jié)構(gòu)改進后的分析

經(jīng)第4.1節(jié)改進后的白車身結(jié)構(gòu)，其對應(yīng)有限元模型記為XMQ6850AGBEVM_CASE工況。

對XMQ6850AGBEVM_CASE工況有限元模型依照14種典型工況施加載荷，獲取對應(yīng)分析結(jié)果如表3，將白車身分為車身及底架分別進行說明：

4.2.1 改進后2G對角扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力云圖

從圖3可以看出，改進后2G對角扭轉(zhuǎn)工況下車身最大應(yīng)力值為264.2MPa，未超過車身鋼材Q345鋼的屈服應(yīng)力345MPa；底架的最大應(yīng)力值為357.5MPa，未超過車架方鋼所用材質(zhì)Q700的屈服應(yīng)力700MPa。

4.2.2 改進后2.3G右后輪單輪抬起工況應(yīng)力云圖

從圖4可以看出，改進后2.3G右后輪單輪抬起工況下車身最大應(yīng)力值為242.2MPa，未超過車身鋼材Q345鋼的屈服應(yīng)力345MPa；底架的最大應(yīng)力值為311.4MPa，未超過車架方鋼所用材質(zhì)Q700的屈服應(yīng)力700MPa。

5 分析結(jié)論

綜上，XMQ6850AGBEVM_BASE&CASE對應(yīng)加載14類工況車身、底架應(yīng)力最大應(yīng)力值匯總?cè)绫?所示。

由表4內(nèi)XMQ6850AGBEVM白車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化前、后對比應(yīng)力數(shù)據(jù)可知，XMQ6850AGBEVM白車身結(jié)構(gòu)經(jīng)優(yōu)化后強度有較大改善，白車身整體結(jié)構(gòu)無較大應(yīng)力集中區(qū)。在XMQ6850AGBEVM_BASE版中應(yīng)力數(shù)據(jù)較大的2G垂向、2G對角扭轉(zhuǎn)、2.3G四輪單獨抬起等工況，經(jīng)白車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，于XMQ6850AGBEVM_CASE版中對應(yīng)工況應(yīng)力最大值出現(xiàn)顯著下降。

6 結(jié)語

利用有限元工具對客車白車身強度進行仿真分析，可有效獲取白車身整體強度狀況，并有針對性地進行優(yōu)化。其仿真分析結(jié)論可有效指導(dǎo)設(shè)計工作開展，大大提升產(chǎn)品性能。

參考文獻：

[1]劉開春.客車車身設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013：87-114.

[2]于國飛.基于有限元德全承載式客車車身強度剛度分析[J].客車技術(shù)與研究，2010（4）：14-16.

[3]石琴，張代勝，谷葉水，等.大客車車身骨架結(jié)構(gòu)強度分析及其改進設(shè)計[J].汽車工程，2007（1）：87-92.