蔣冬清，李三雁，代春香

（四川大學錦城學院，四川 成都 611731）

基于有限元法的客車制動工況整車情況分析

蔣冬清，李三雁，代春香

（四川大學錦城學院，四川 成都 611731）

針對某一具體型號的大型公交汽車，利用有限元法對其在緊急制動工況下車身、車架、地板骨架等整車重要部件進行強度、擾度和變形量分析。采用MSC-Nastran2010有限元分析軟件，以殼單元為單元類型，按前后各一個吊耳的實際結構定義邊界條件。建模完成之后對車身、車架等8個主要部件進行剎車工況的強度分析，然后對車身X、Z向進行撓度分析，完成風窗變形量的有限元分析。實驗結果表明：整車強度和變形量都在設計允許范圍之內，整車強度最薄弱位置出現(xiàn)在車輛左側與前衛(wèi)交接裙邊處，而撓度最大值位置在頂蓋處，風窗變形量較大位置在左右側圍的風窗，結論可為后續(xù)車輛設計和改進提供仿真依據。

有限元法；緊急制動；強度；撓度；風窗變形量

0 引 言

車身是由許多薄壁結構元件組成的多自由度的彈性系統(tǒng)，在外界工況的激勵作用下將產生各種變形。當汽車在不平路面上行駛遇到緊急情況突然制動時，車身除了受到自身重力，還受到因制動作用而產生的水平作用力，在這種綜合受力情況下，車身各部件的受力和變形與正常行駛工況有較大區(qū)別，針對公交車等大型車輛，在城市道路運行時各種突發(fā)情況較多，因此該類車輛經常會遇到緊急制動的情況。

此外，大型公交客車由于視野及美觀等方面的具體要求使得其開窗口徑較大，在剎車工況的復合載荷作用下，如果發(fā)生了較大的受力和嚴重變形時，會直接導致車窗玻璃破碎，對人身和財產造成極大的危害[1-3]?，F(xiàn)有文獻對緊急剎車工況的分析主要集中在中小型汽車上，對于大型客車在緊急制動工況各重要部件的有限元分析并不多。

本文以車型CDK6610CABEV純電動公交車為研究對象，對其緊急制動工況下車身情況和重要部件進行有限元分析。除對車身強度和擾度分析外，文章還把有限元結果分析重點放在剎車工況風窗對角線變形量的分析上，以保證在緊急制動工況下不會因車身變形導致窗戶玻璃的破碎[4]。

1 車身有限元模型

1.1 幾何模型的建立

本文有限元分析工具采用MSC-Nastran2010軟件[5]。建立車身結構有限元模型時，為避免問題過于復雜，需要在盡可能如實反映車身結構主要力學特征的前提下，根據車身結構和承載特點對模型進行合理的簡化，如圖1所示。

圖1 客車車身結構有限元模型

1.2 車身有限元單元建立

在建立車身結構有限元模型過程中，為避免問題過于復雜，根據車身結構和承載特點對模型進行合理的簡化。在本文有限元模型中，簡化如下[6-8]：

1）略去一些功能件和非承載件，忽略車身蒙皮以及玻璃對總體強度和剛度的作用，準確獲得承載結構的模態(tài)振型。

2）為提高計算精度建模采用殼單元建模，如實反映車身結構細微之處。

3）焊接點通過節(jié)點耦合和RBE2剛性連接處理。

4）忽略對車身整體剛度影響不大的孔和倒角。

在以上簡化基礎上，為提高計算準確度采用殼單元建模，以便如實反映車身結構細微之處。殼模型單元類型及材料如下所示[9]。

全約束主從節(jié)點RBE2單元或者用節(jié)點重合模擬車身焊接關系。

材料參數選用低碳鋼響應參數，密度7800kg/m3，彈性模量210000MPa，泊松比0.3。

鋼材Q235，彈性極限210MPa，屈服極限235MPa。

鋼材Q345，彈性極限310MPa，屈服極限345MPa。

單元模型的具體信息如表1所示。

表1 殼單元模型的單元信息

1.3 邊界條件定義及載荷加載

本文所研究的客車采用鋼板彈簧懸架，鋼板彈簧懸架前后各一個吊耳[9-10]。車身骨架實際彎曲約束及邊界條件限定如表2所示。

表2 實際轉彎工況車身骨架整體約束點及其約束自由度

完成了邊界條件定義后，便可以進行有限元模型的載荷加載。自重和載荷在豎直方向產生的作用力主要考慮車身等部件的自重，乘客以每人65kg計算，將人和座椅的質量等效成為集中載荷或均布集中載荷，將電機及電池、空調車頂組件等部件質量等效為集中載荷。水平載荷考慮極限情況下，取緊急剎車時的加速度為0.7g（g為重力加速度常量，取9.81m/s2）。

2 剎車工況強度分析

有限元模型的載荷正確加載之后，提交分析生成計算文件.bdf，再提交nastran計算便可完成緊急制動工況的各種分析。其分析原理是基于下述有限元系統(tǒng)的通用運動方程[11-13]：

式中：[M]——質量矩陣；

[C]——阻尼矩陣；

[K]——剛度矩陣；

{u¨}——節(jié)點加速度向量；

{u˙}——節(jié)點速度向量；

{u}——節(jié)點位移向量；

{F}——載荷向量。

2.1 車身結構強度分析

如圖2所示，在緊急制動工況下車身結構最大VonMises應力出現(xiàn)在左側與前衛(wèi)交接裙邊處，此處結構用材為50X40X1.75/Q235，所受應力為195MPa小于材料的屈服強度，結構未發(fā)生塑性變形，滿足剎車工況強度設計要求。

2.2 底架結構強度分析

如圖3所示，車身底架最大VonMises應力出現(xiàn)在車前第1根橫梁端部，此處結構型材為50X50X2/Q345，所受應力為187MPa小于材料的屈服強度，基本滿足剎車工況強度設計要求。

2.3 地板骨架強度分析

如圖4所示，地板骨架結構上最大VonMises應力出現(xiàn)在駕駛升臺左前角鋼上，此處結構型材為40X25X1.5/Q235，所受應力為139MPa小于材料的屈服強度，此處結構沒有發(fā)生塑性變形，滿足剎車工況強度設計要求。

2.4 車身左右側圍骨架強度分析

車身右側圍總成骨架最大VonMises應力為102 MPa，出現(xiàn)在右側圍的門框上前方拐角處，如圖5所示。該處型材規(guī)格為50X40X1.75/Q235，最大應力大于材料的屈服強度，結構沒有發(fā)生塑性變形，滿足剎車工況強度設計要求。

圖2 緊急工況車身結構VonMises應力云圖

圖3 車架結構VonMises應力云圖

圖4 地板骨架結構剎車工況VonMises應力云圖

車輛左側圍總成骨架最大VonMises應力為124MPa，出現(xiàn)在左側圍的后輪拱前立柱上，如圖6所示，該處型材規(guī)格為50X30X1.5/Q235，最大應力小于材料的屈服強度，結構沒有發(fā)生塑性變形，滿足剎車工況強度設計要求。

2.5 車身頂部骨架強度分析

車身頂部總成骨架最大VonMises應力為112 MPa，出現(xiàn)中門前立柱橫向棚桿右側端部，如圖7所示。該處型材規(guī)格為40X30X1.5/Q235，最大應力小于材料的屈服強度，結構沒有發(fā)生塑性變形，滿足剎車工況強度設計要求。

圖5 右側圍結構剎車工況VonMises應力云圖

根據緊急制動工況車身各部件的強度分析結果，該車型整車結構在緊急制動工況下基本滿足了強度要求。

3 緊急制動工況撓度分析

對于桿件結構或者長的板件結構，撓度基本能表征物體的變形量。在本次研究中，Z軸方向繞度分析結果如圖8所示。

可以看出，在緊急制動的工況下，整車車身結構Z向撓度最大值為-5.53mm，位于頂蓋上，車架最大Z向撓度為-2.26mm。

圖7 車身頂部剎車工況VonMises應力云圖

圖8 整車結構Z向撓度分布云圖

圖9 整車結構X向撓度分布云圖

X軸方向撓度分析結果如圖9所示，整車結構X向撓度最大值為5.64 mm，位于頂蓋上，車架最大X向撓度為0.878mm。

4 剎車工況風窗對角線變形量分析

對于大型公交類客車，風窗變形量過大會直接導致窗戶玻璃破裂，造成安全事故，因此分析緊急制動工況下風窗變形量是設計人員關注的一個重點。在整車強度分析和擾度分析的基礎下，分析得到在設定的緊急制動工況下各風窗的變形量，如下所述。

4.1 右側圍風窗變形量分析

右側圍共4個風窗，分別為第1風窗、第2風窗、第3風窗和中門，其具體位置如圖10所示。分析得出右側圍風窗變形量（見表3），緊急剎車工況下右側圍風窗最大變形量出現(xiàn)在中門，變形量為3.408mm。

圖10 右側圍風窗對角線標示圖

表3 右側圍風窗對角線變形量

4.2 左側圍風窗變形量分析

左側圍共4個風窗，分別為第1風窗、第2風窗、第3風窗和第4風窗，其具體位置如圖11所示。

分析得出左側圍風窗變形量（見表4），緊急剎車工況下左側圍風窗最大變形量出現(xiàn)在第3風窗，最大變形量為3.840mm。

圖11 左側圍風窗對角線標示圖

表4 左側圍風窗對角線變形量

圖12 前圍風窗對角線標示圖

表5 前圍風窗對角線變形量

4.3 前圍風窗變形量分析

前圍風窗形狀位置如圖12所示，分析得出前圍風窗變形量（見表5）。緊急剎車工況下前圍風窗最大變形量出現(xiàn)在前圍風窗對角線1，最大變形量為1.128mm。

4.4 后圍風窗變形量分析

后圍風窗形狀位置如圖13所示，分析得出后圍風窗變形量（見表6）。緊急剎車工況下后圍風窗最大變形量出現(xiàn)在對角線1，最大變形量為1.117mm。

圖13 后圍風窗對角線標示圖

表6 后圍風窗對角線變形量

綜上所述，在緊急制動的工況下，車身各風窗對角線變形量，其形變值均小于8 mm，滿足車身形變設計要求。

5 結束語

通過本文有限元分析可以得到在緊急剎車工況下整車強度和變形量都在設計允許范圍之內，與該車型實際使用情況也比較吻合。此外，本文還給出該車型在緊急制動工況下強度最薄弱和變形量最大的位置點，整車強度最薄弱位置出現(xiàn)在車輛左側與前衛(wèi)交接裙邊處，而撓度最大位置出現(xiàn)在頂蓋上，風窗變形量較大位置在左右側圍的風窗，分析結果可對后續(xù)車輛設計和改進提供依據。

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（編輯：李妮）

Situation analysis of the vehicle under braking condition based on the finite element method

JIANG Dongqing， LI Sanyan， DAI Chunxiang
（Jincheng College of Sichuan University，Chengdu 611731，China）

The finite element method was used to analyze the strength，deflection and deformation of important components such as bus body，frame and floor frame of a large public bus under the condition of emergency braking.MSC-Nastran 2010 software was mainly used，the unit type selected for the analysis was shell unit and the boundary conditions were defined according to the actual structure that a lug was set in the front and rear part.After themodelling was finished，the strength analysis of the eight main components including the bus body and frame was carried out under an emergency braking condition，and then the deflection of bus body inXandZdirections was analyzed， and finally， finite element analysis was carried out for the deformation of the wind window.The experiment results show that the strength and deformation of the whole vehicle are within the allowable range，the weakest position of the vehicle strength is at the front skirt edge at the left side， the maximum deflection occurs at the top cover， and the large wind window deformation occurs at the left and right side of wind window，which provide simulation basis for subsequent design and improvement of vehicles.

finite elementmethod； emergency braking； strength； deflection； wind window deformation

A

1674-5124（2017）11-0140-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.11.027

2017-05-20；

2017-07-06

蔣冬清（1984-），女，廣西桂林市人，講師，碩士，主要從事機械制圖、機械設計、智能機器人等方面的研究。