李楠 張代勝 谷同金

摘要：客車骨架的靜動(dòng)態(tài)分析的主要目的是獲得整車的應(yīng)力和變形狀況，來檢驗(yàn)車身結(jié)構(gòu)的合理性，從而有針對性的對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。本文對一款三軸低地板客車的車身骨架從靜態(tài)和模態(tài)方面進(jìn)行有限元分析，找出客車在實(shí)際運(yùn)行中可能存在的破壞問題，從而進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化來徹底消除隱患。

關(guān)鍵詞：有限元；車身骨架；應(yīng)力；動(dòng)態(tài)分析

中圖分類號：U463.83+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2550（2012）02-0039-03

Static and Dynamic Analysis of Three-axis Low Floor Bus Frame

LI Nan，ZHANG Dai-sheng，GU Tong-jin

（School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei230009，China）

Abstract: The main purpose of static and dynamic analysis of bus frame is to obtain the stress and deformation state of the vehicle and test the body structure is reasonable or not，and thus targeted to improve and optimize the structure. In this paper，a three-axis low floor large bus frame from the static and modal finite element analysis to identify the possible problems in the actual operation，and thus optimize the body structure to eliminate hidden dangers.

Key words: finite element method；bus frame；stress；dynamic analysis

低地板城市客車在國內(nèi)外得到了快速發(fā)展，一方面使乘客上下車更加方便，另一方面也提高了客車的營運(yùn)效率。但由于地板高度的限制，發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、前后橋的布置形式都有所變化。與采用傳統(tǒng)縱梁相比，全承載式車身的結(jié)構(gòu)形式也有所調(diào)整，尤其是三軸低地板客車的格柵底架，一方面承載力加大，另一方面格柵底架卻相對削弱。為了研究三軸低地板客車的結(jié)構(gòu)性能，本文采用有限元方法進(jìn)行了建模與分析，分析結(jié)果為產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)和進(jìn)一步研究提供了參考依據(jù)。

1 車身骨架建模

本文的研究是在三維實(shí)體建模軟件UG中根據(jù)設(shè)計(jì)的要求建立客車骨架的模型，然后把建立好的實(shí)體模型以IGES格式導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS中，定義單元類型和材料屬性，劃分網(wǎng)格，定義載荷和邊界條件，最后建立了車身骨架的有限元模型。

在建立有限元模型時(shí)，采取了以下簡化處理措施：

（1）略去蒙皮和某些非承載構(gòu)件，如面板、窗玻璃等；

（2）將空間曲梁簡化為直梁。如：把側(cè)圍立柱等曲梁劃分為若干個(gè)直梁單元；

（3）忽略某些對整車結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分布影響較小的非承載構(gòu)件，對相距很近而又不重合的交叉連接點(diǎn)用一個(gè)節(jié)點(diǎn)代替。材料的性能參數(shù)如表1所示。

目前，建立有限元模型可采用梁單元建模和殼單元建模的方法。梁單元建模的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，模型便于修改和計(jì)算，但精確度不高；而采用殼單元建模雖保證了較高的精度，但建模和計(jì)算的工作量大，耗時(shí)耗力。本文研究的低地板客車主要是由矩形鋼管焊接而成，根據(jù)整車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的現(xiàn)狀，決定在進(jìn)行有限元分析時(shí)，車身骨架采用空間梁單元BEAM188的建模方法，部分結(jié)構(gòu)采用板單元SHELL63［1］。加載后的有限元模型如圖1所示。

2 模型校核

2.1 質(zhì)量校核

要計(jì)算多軸車輛的載荷分配，首先要確定車重及其質(zhì)心。通常要找出各個(gè)零部件的質(zhì)量和質(zhì)心來計(jì)算整車的車重及其質(zhì)心。可以得出∑P=22 500 kg為整車重，二、三軸的軸距設(shè)為L=1 600 mm，簧上質(zhì)量P=6 865 kg，均布載荷密度q=1.14 kg/mm，彈簧彈性系數(shù)分別為k1=k3=140 kg/mm、k2=210 kg/mm。計(jì)算可得質(zhì)心橫坐標(biāo)X=3.4 L=5 440 mm。

2.2 軸荷校核

汽車軸荷的計(jì)算主要運(yùn)用靜力平衡的方法，將汽車簡化為簡支梁進(jìn)行計(jì)算，可將多軸車輛簡化為彈簧上質(zhì)量剛性系統(tǒng)來近似計(jì)算載荷的分配。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

從表中可以看出計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差不大，模型基本合適。

3 車身骨架有限元靜力學(xué)分析

靜力學(xué)分析主要檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，計(jì)算客車在行駛中所產(chǎn)生的各種力和力矩?？蛙嚨男旭偣r雖然比較復(fù)雜，但各種實(shí)踐表明靜力學(xué)分析主要考慮的是彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況，所以本文就以這兩種工況進(jìn)行分析［２］。

3.1 彎曲工況

彎曲工況的計(jì)算主要是指客車在滿載情況下四輪著地時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的計(jì)算，模擬的是客車在良好路面上勻速直線行駛時(shí)的應(yīng)力分布和變形情況，彎曲工況下車身變形圖見圖2。

3.2 扭轉(zhuǎn)工況

扭轉(zhuǎn)工況主要考慮的是客車在行駛時(shí)一個(gè)車輪懸空而另一個(gè)車輪抬高時(shí)車身的載荷情況。 這是最嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)工況，此種扭轉(zhuǎn)工況下的動(dòng)載，在時(shí)間上變化得較緩慢，其扭轉(zhuǎn)特性可近似地看作是靜態(tài)的，扭轉(zhuǎn)工況下車身變形圖見圖3。

3.3 結(jié)果分析

彎曲工況下，客車最大應(yīng)力位于底架中部左側(cè)，輪罩與車架附近的一扇形立柱連接區(qū)域，最大值為200.584 MPa，最大變形位于車架尾部，最大值為18.414 mm。

扭轉(zhuǎn)工況下，卸去左前輪的約束，得出客車的最大應(yīng)力位于車架的后段與尾段的連接處，最大應(yīng)力值為217.077 MPa，最大變形位于前圍，最大值為19.192 mm。

該車身骨架的材料采用16 Mn鋼，其屈服強(qiáng)度為［σ］=345 MPa，考慮該車主要在城市運(yùn)行，道路條件較好，且采用空氣懸架形式，動(dòng)態(tài)應(yīng)力變化幅度較低，設(shè)計(jì)安全系數(shù)可以考慮的略低一些。在兩種工況下，大部分車身骨架應(yīng)力級別不高，局部大應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在底架后段與尾段連接處，另外底架尾段變形也稍大。需要加強(qiáng)該處的連接，降低應(yīng)力水平，提高尾部連接剛度。

4 車身骨架模態(tài)分析

4.1 模態(tài)分析基本理論

對于多自由度線彈性系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)微分方程為：

式中：M、C和K分別為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣； y（t）為系統(tǒng)的響應(yīng)位移矢量；X（t）為系統(tǒng)受到的激勵(lì)力矢量［3］。

如果結(jié)構(gòu)阻力很小，對系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)影響不大，那么模態(tài)分析時(shí)可忽略式（1）中的阻尼力項(xiàng)。此時(shí)，求解其特征值可得系統(tǒng)的實(shí)模態(tài)，即模態(tài)振型所表示的各自由度的相對運(yùn)動(dòng)是同相或反相的。但是，如果結(jié)構(gòu)阻尼較大，則不能忽略阻尼力的影響，求得的是系統(tǒng)的復(fù)模態(tài)。模態(tài)振型各自由度之間的相對運(yùn)動(dòng)存在相位差，其大小由模態(tài)阻尼比決定。

4.2 模態(tài)分析結(jié)果

客車在行駛過程中，激振源主要有路面、車輪不平衡、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)軸不平衡等，因此在研究車身骨架動(dòng)態(tài)特性的目的在于優(yōu)化結(jié)構(gòu)來控制車架的模態(tài)分布，應(yīng)盡量使其模態(tài)頻率錯(cuò)開載荷的激振頻率，以避免引起共振。

本文的研究是在客車無阻尼自由振動(dòng)的狀態(tài)下計(jì)算車身骨架的固有頻率和振型，車身骨架的前六階模態(tài)數(shù)值見表3。

計(jì)算結(jié)果表明，車身骨架固有頻率較低，易于受路面與發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)的影響，要做好車身與懸架的匹配，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

本文采用ANSYS軟件對某三軸低地板客車的車身骨架從靜態(tài)和模態(tài)方面進(jìn)行有限元分析，分析計(jì)算結(jié)果表明該車骨架的最大應(yīng)力與許用值之間還有較大余量，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，合理地改進(jìn)連接方式，經(jīng)濟(jì)地確定各梁截面的尺寸來滿足強(qiáng)度和剛度的要求，以達(dá)到充分利用材料、降低車身質(zhì)量的目的。同時(shí)，在中后軸底架縱橫梁連接處要適當(dāng)加強(qiáng)以減小尾部變形量。

參考文獻(xiàn)：

［１］ 李紅云，趙社戌，等.ANSYS10.0基礎(chǔ)及工程應(yīng)用［M］. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：66-148.

［2］ 張功學(xué)，田楊.基于ANSYS的某客車車身骨架的有限元分析［J］.陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，（6）：150-153.

［3］ 劉惟信.汽車設(shè)計(jì)［M］. 北京：清華大學(xué)出版社，2001：8-30.

［4］ 黃俊杰，張代勝，王松，等.極限組合工況下客車車身骨架剛度和強(qiáng)度分析［J］.汽車科技，2010，（5）：47-50.