李曉英，廖衛(wèi)強(qiáng)，王先君

(1. 集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院,福建廈門 361021;2. 廈門金龍旅行車有限公司,福建廈門 361006 )

18 m公交車憑載客量大的特點(diǎn)一直是國內(nèi)外快速公交系統(tǒng)(BRT)首選車型。但一旦車輛出現(xiàn)故障，特別是當(dāng)車輛故障發(fā)生在BRT專用線路上時(shí)，對故障車輛的盡快救援或拖離救援就尤為重要[1]。當(dāng)需要對故障車輛實(shí)施救援拖車時(shí)，這會(huì)是對車體骨架強(qiáng)度極大地挑戰(zhàn)。如果故障車輛骨架所設(shè)計(jì)的救援工況強(qiáng)度不足，將會(huì)造成故障車輛的二次損壞，而且根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)往往由拖車救援造成的二次損壞往往比首次故障更加嚴(yán)重。

一直以來國內(nèi)整車認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)是參照歐盟EC2007-46進(jìn)行認(rèn)證的，而該歐盟認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)并未對空載救援工況下的公交車車身骨架強(qiáng)度進(jìn)行認(rèn)證。當(dāng)公交車出現(xiàn)故障時(shí)，對其實(shí)施救援的拖車將極大地挑戰(zhàn)車體骨架強(qiáng)度[2]。因此，本文參考美國賓夕法尼亞州立大學(xué)工程學(xué)院(Penn State College of Engineering)阿爾圖納(Altoona)客車測試和研究中心所編制的客車測試方法，針對公交車在空載工況下，無法正常行駛并需要救援車進(jìn)行牽引時(shí)，如何校核救援車牽引力對車輛骨架影響的測試方法[3]，對一類18 m快速公交車的車體骨架能否滿足救援工況的強(qiáng)度進(jìn)行有限元建模分析和仿真試驗(yàn)[4-5]。仿真結(jié)果表明本文所構(gòu)建的車體骨架模型可以滿足美國賓夕法尼亞州立大學(xué)工程學(xué)院阿爾圖納客車測試和研究中心所編制的最新客車測試標(biāo)準(zhǔn)。

2 基于Hypermesh的車體骨架仿真模型的構(gòu)建

2.1 車體骨架模型的建模原則

客車骨架絕大部分是由矩形管焊接而成的框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其中包含有較多的功能件和工藝結(jié)構(gòu)件等，該結(jié)構(gòu)件對整車的結(jié)構(gòu)性能影響較小，可以簡化忽略，因此在整車有限元模型建立時(shí)需要適當(dāng)?shù)暮喕Ｐ蚚6]。根據(jù)本文要建模的車身骨架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為使計(jì)算不失準(zhǔn)確且同時(shí)計(jì)算速度較快，因此主體采用殼單元(四邊形CQUAD4單元、三角形CTRIA3單元)，個(gè)別鑄件采用實(shí)體單元(CTETRA單元)。實(shí)體單元主要用于底盤鑄件類零部件、厚度超過10 mm的零部件的網(wǎng)格劃分，如：推力桿支座、鑄件。殼單元由于建模精度較高，整車上的承載件都可以準(zhǔn)確地模擬。當(dāng)前擁有的計(jì)算條件和方法已成功解決殼單元模型原本花費(fèi)時(shí)間多，工作量大，模型規(guī)模大，電腦配置高，計(jì)算時(shí)間長的問題。如圖1所示為殼單元，如圖2所示為體單元。

圖1 殼單元 Fig 1 Shell elements

圖2 體單元Fig 2 Solid elements

對于白車身骨架的連接部分，要保證殼單元基本不變形的條件下，采用節(jié)點(diǎn)融合方法模擬焊接，主要應(yīng)用在“T”形接頭；個(gè)別焊接采用四邊形CQUAD4單元模擬；車架部分，螺栓和柳釘采用剛性連接RBE2模擬。如圖3～圖5所示為連接處理情況。

圖3 合并節(jié)點(diǎn) Fig 3 Merge node

圖4 網(wǎng)格焊接 Fig 4 Grid welding

圖5 螺栓連接 Fig 5 Bolt connection

2.2 車體骨架模型的建模標(biāo)準(zhǔn)

本文Hypermesh軟件中的網(wǎng)格采用2D 殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元類型為四邊形，單元平均尺寸為15 mm；車身骨架焊接處主要用共節(jié)點(diǎn)連接來模擬，部分焊接用2D單元模擬，厚度為4 mm。本文車體骨架建模的網(wǎng)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。建模中網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置如圖6所示。建模中網(wǎng)格質(zhì)量的檢查結(jié)果如圖7所示。

表1網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)
Table1Grid Standards

參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值 最小長度/mm 2 最大長度/mm 20 長寬比 5 翹曲度/(°) 15 雅克比 0.6 最小四邊形內(nèi)角/(°) 45 最大四邊形內(nèi)角/(°) 135 最小三邊形內(nèi)角/(°) 20 最小三邊形內(nèi)角/(°) 120 三角形網(wǎng)格占總數(shù)百分比/% 10

由圖7可以看出，該模型的網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置都滿足了質(zhì)量要求，無失效單元，因此可以根據(jù)此網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置來進(jìn)行車體骨架模型的建模。

圖6 網(wǎng)格質(zhì)量設(shè)置Fig 6 Grid quality settings

圖7 網(wǎng)格質(zhì)量檢查結(jié)果Fig 7 Grid quality check results

2.3 18 m公交車的車體骨架模型的建模

基于上述建模原則和建模標(biāo)準(zhǔn)，本文的18 m公交車有限元建模中略去了蒙皮和某些非承載結(jié)構(gòu)[7]，如面板和窗玻璃等，這將使分析計(jì)算結(jié)果較實(shí)際偏于安全；車體骨架中所有規(guī)則的型材，如矩形截面管等，均用殼單元模擬?？紤]到整個(gè)車體骨架的應(yīng)力分布情況，對于非高應(yīng)力區(qū)域并且直徑小于5 mm的小孔可簡化處理；考慮到車體骨架附件的復(fù)雜形狀以及因其所產(chǎn)生的應(yīng)力未對車體骨架的剛度和強(qiáng)度有較大的影響，因此可忽略車體骨架附件的形狀，比如前后視鏡、車內(nèi)扶手等。車體骨架各節(jié)點(diǎn)的處理方式則按照上述建模標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行處理?；谝陨辖Ｔ瓌t和建模標(biāo)準(zhǔn)而建立的18 m公交車骨架模型(不含質(zhì)量單元)中，包括2 627 004個(gè)殼單元和2 502 261個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖8所示。后續(xù)的分析將在此模型的基礎(chǔ)上施加約束和載荷進(jìn)行靜力學(xué)仿真。

圖8 18 m公交車有限元模型Fig 8 Finite element model of 18 meters bus

3 基于空載救援工況的車體骨架強(qiáng)度仿真與結(jié)果分析

3.1 車身骨架的主要材料及參數(shù)設(shè)置

本文的18 m快速公交系統(tǒng)中的骨架主要材料及參數(shù)如表2和表3 所示。其中Q235和Q345是車輛常用材料。

3.2 基于空載工況時(shí)的應(yīng)力點(diǎn)的載荷處理

本文中有限元分析是基于車輛救援工況時(shí)，根據(jù)該工況下的美國賓夕法尼亞工程學(xué)院阿爾圖

表2骨架主要材料
Table2Main material of the skeleton

編號部件名稱材料名稱屈服強(qiáng)度/MPa1頂蓋、側(cè)圍、前后圍、地板骨架Q2352352車架、側(cè)圍部分立柱Q345345

表3材料參數(shù)
Table3Material parameters

編號材料牌號密度/(g·cm-3)彈性模量/MPa泊松比屈服強(qiáng)度/MPa12Q235Q3457.852100000.3235345

納客車測試方法的要求，將1.2倍總質(zhì)量的載荷施加于拖車鉤，模擬公交車的道路救援工況。將與動(dòng)力總成等剛度的零件以剛性連接的形式連接到安裝支架，然后在質(zhì)心點(diǎn)加載質(zhì)量單元進(jìn)行配重；乘客和座椅等質(zhì)量均勻分布到相應(yīng)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)上；車體本身自重按所給密度和結(jié)構(gòu)尺寸由程序自動(dòng)施加上[8]。配重完成后，扣除乘客質(zhì)量、固定螺栓質(zhì)量、焊料質(zhì)量，整車空載總質(zhì)量約為16.9 t。在公交車前部拖車鉤施加1.2倍滿載總質(zhì)量，約為330 kN，載荷加載示意圖如圖9所示。

3.3 各設(shè)備重量的仿真加載量

本文在仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，對18 m公交車主要設(shè)備的質(zhì)量配置如表4所示。

3.4 基于Hypermesh的車體骨架模型的仿真和結(jié)果分析

3.4.1 整車車身的應(yīng)力分析

在整車施加向前330 kN的拉力時(shí)，整車發(fā)生相應(yīng)的形變應(yīng)力。其中整車骨架的應(yīng)力云圖如圖10所示。

圖9 救援工況載荷示意圖Fig 9 Schematic diagram of rescue operating condition load

表4配置表
Table4Configuration table

質(zhì)量項(xiàng)設(shè)計(jì)質(zhì)量/kg實(shí)際加載質(zhì)量/kg位置 側(cè)圍蒙皮194194 側(cè)圍骨架 頂蓋蒙皮185185 頂蓋骨架 前乘客門9090 前門骨架 中門(第二門)9090 第二門骨架 中門(第三門)9090 第三門骨架 風(fēng)道208208 頂蓋風(fēng)道骨架 前圍蒙皮4040 前圍骨架 后圍蒙皮3030 后圍骨架 后艙門3030 后艙門骨架 前圍擋風(fēng)玻璃9090 前圍骨架 后圍擋風(fēng)玻璃3030 后圍骨架 左側(cè)擋風(fēng)玻璃300300 左側(cè)骨架 右側(cè)擋風(fēng)玻璃225225 右側(cè)骨架 乘客座椅360360 底盤骨架 地板740740 底盤骨架 前空調(diào)200200 前車頂蓋安裝孔 后空調(diào)210210 后車頂蓋安裝孔 電池冷卻系統(tǒng)6363 底盤支架上 空調(diào)壓縮機(jī)160160 底盤骨架 消聲器+支架3030 底盤骨架 散熱器125125 底盤骨架 儲(chǔ)氣罐120120 底盤骨架 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)7171 底盤骨架 動(dòng)力電池箱12681268 前車頂蓋 電機(jī)455455 底盤骨架 整車控制器3030 底盤骨架 高壓箱2525 底盤骨架 后包圍6565 底盤骨架 扶手總成270270 頂蓋內(nèi)側(cè)骨架 儀表臺(tái)3030 底盤骨架 吸塑件148148 底盤骨架 鉸接盤13351335 兩節(jié)車廂連接處

圖10 救援工況下整車骨架應(yīng)力云圖Fig 10 Stress nephogram of vehicle skeleton under rescue condition

其中整車骨架在拖鉤與立柱連接處的最大應(yīng)力值是300.5 MPa，而該處車身骨架的材料的屈服強(qiáng)度為345 MPa，可見，試驗(yàn)車型的整車骨架在救援工況下滿足了的強(qiáng)度的要求。

3.4.2 前車底盤骨架應(yīng)力分析

在整車施加向前330 kN的拉力時(shí)，前車底盤骨架發(fā)生相應(yīng)的形變應(yīng)力。其中前車底盤骨架的應(yīng)力云圖如圖11所示。

圖11 救援工況下前車底盤骨架應(yīng)力云圖Fig 11 Stress nephogram of front chassis frame under rescue condition

其中前車底盤骨架在拖鉤與立柱連接處的最大應(yīng)力值是300.5 MPa，而該處車身骨架的材料的屈服強(qiáng)度為345 MPa，可見，試驗(yàn)車型的前車底盤骨架在救援工況下滿足了的強(qiáng)度的要求。

3.4.3 前車車身骨架應(yīng)力分析

在整車施加向前330 kN的拉力時(shí)，前車車身骨架發(fā)生相應(yīng)的形變應(yīng)力。其中前車車身骨架的應(yīng)力云圖如圖12所示。

其中前車車身骨架在中二門上橫梁處的最大應(yīng)力值是207.4 MPa，而該處車身骨架的材料的屈服強(qiáng)度為235 MPa，可見，試驗(yàn)車型的前車車身骨架在救援工況下滿足了強(qiáng)度的要求。

3.4.4 后車底盤骨架應(yīng)力分析

在整車施加向前330 kN的拉力時(shí)，后車底盤骨架發(fā)生相應(yīng)的形變應(yīng)力。其中后車底盤骨架的應(yīng)力云圖如圖13所示。

其中后車底盤骨架在懸架加強(qiáng)板件處的最大應(yīng)力值是211.3 MPa，而該處后車底盤的材料的屈服強(qiáng)度為345 MPa，可見，試驗(yàn)車型的后車底盤骨架在救援工況下滿足了強(qiáng)度的要求。

3.4.5 后車車身骨架應(yīng)力分析

在整車施加向前330 kN的拉力時(shí)，后車車身骨架發(fā)生相應(yīng)的形變應(yīng)力。其中后車車身骨架的應(yīng)力云圖如圖14所示。

圖12 救援工況下前車車身骨架應(yīng)力云圖Fig 12 Stress nephogram of front body frame under rescue condition

圖13 救援工況下后車底盤骨架應(yīng)力云圖Fig 13 Stress nephogram of rear chassis frame under rescue condition

圖14 救援工況下前車車身骨架應(yīng)力云圖Fig 14 Stress nephogram of rear body frame under rescue condition

其中后車車身骨架在艙門橫梁處的最大應(yīng)力值是98.19 MPa，而該處后車車身的材料的屈服強(qiáng)度為235 MPa，可見，試驗(yàn)車型的后車車身骨架在救援工況下滿足了強(qiáng)度的要求。

5 結(jié)論

本文利用Hypermesh 建模工具建立了18 m公交車車體骨架模型，并在該模型上進(jìn)行了空載救援工況的強(qiáng)度仿真和分析，在這個(gè)過程中，得到如下結(jié)論：

根據(jù)美國賓夕法尼亞大學(xué)工程學(xué)院阿爾圖納客車測試方法的要求，將1.2倍總質(zhì)量的載荷施加于拖車鉤，即可模擬公交車的道路救援工況。并根據(jù)該測試方法選取整車車身骨架、前車車身骨架、前車底盤骨架、后車車身骨架、后車底盤骨架共5個(gè)部位的應(yīng)力點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度測試和仿真分析，結(jié)果表明測試結(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力值均小于該處材料的屈服強(qiáng)度，因此本次基于Hypermesh的公交車車體骨架建模方法滿足了美國賓夕法尼亞州立大學(xué)工程學(xué)院阿爾圖納客車測試和研究中心所編制的最新客車測試方法中關(guān)于空載救援工況下的車身骨架強(qiáng)度要求。