客车车架有限元静力学分析

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哈尔滨工业大学学报第３８卷

１客车车架的建模

本文运用ｃＡ７ｎＡ５．７软件对客车车架进行三维实体建模，运用ＡＮｓＹｓ７．０与ｃＡ耵Ａ５．７的专用接口将车架的三维实体模型导入有限元分析软件ＡＮｓＹＳ７．０中形成客车车架的有限元模型．１．１客车车架的三维实体建模

三维实体建模的原始资料由国内某客车公司提供，内容包括：客车车架结构的二维图纸，与本车架主纵梁结构相似的另一型号客车的底盘图片及相关技术参数．应用ＣＡ７ｎＡ５．７软件将车架结构二维图形转化为三维实体模型是本课题研究的第一步工作．根据企业提供的二维工程图纸和相关技术资料，首先确定了装配图中未指明的各个梁类零件的截面尺寸，然后在ｃＡｒＩ’ＩＡ中建立各个零件的三维实体模型，生成各个零件在ＣＡＴＩＡ软件下的Ｐａｎ文件，在此基础上进行组装，生成总体车架结构的Ｐｒｏｄｕｃｔ文件，即车架结构的三维实体模型，如图１所示．论文所研究的大客车是半承载式车身结构，虽然有独立的车架结构，但车身与车架之间的刚性连接决定了车身也参与部分承载．车架结构主要是由方形空心钢管、矩形空心钢管和型钢焊接而成的空间薄壁杆系结构．客车车架装配结构由槽钢、薄壁梁、平板、角钢等构成，其中有２根主纵梁、６个横梁格架、１２个支座以及各格架间的小纵梁等．

图１车架三维实体模型

１．２客车车架的有限元模型建模

ＡＮＳＹＳ７．Ｏ与ＣＡＴＩＡ５．７有两类专用接口，先将ＣＡＴＩＡ的Ｐｍｄｕｃｔ文件转为一个整体的Ｐａｎ文件或者直接在一个ＰａＩｔ文件中完成所有的零件，将其存储为木．ｍｏｄｅｌ的格式，然后在ＡＮＳＹｓ７．０内，应用Ｉｍｐｏｎ命令，即可导人车架的ｃＡＤ模型．装配过程既可以在ＣＡＴＩＡ中进行，也可在ＡＮＳＹＳ中完成

建立车架结构的有限元模型关键是选择合适的单元．本文选用三维梁单元ＢＥＡＭ４和三维壳单元ＳＨＥＬＬ６３．

建立有限元计算模型是采用混合单元法来建立，其中将主纵梁、支座等厚度远小于其他两个方向尺寸的零件应用壳单元ｓＨＥＬＬ６３来模拟，将格架、小纵梁、角钢等薄壁梁构件应用梁单元ＢＥＡＭ４来模拟．本模型单元总数为２７０１，其中梁单元为５７６个，壳单元为１９２５个；节点总数为３１２１个．根据梁的不同截面形状和尺寸，车架结构的薄壁梁单元共有９种截面；根据板的不同厚度尺寸，车架结构的壳单元共有４种厚度．

２客车车架的静态特性分析

本文运用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ７．０对客车车架进行有限元静力学分析，主要进行静态弯曲工况分析．客车车架刚度是其本身的固有特性，反映的是车架抵抗变形的能力，是评价客车车架结构性能的重要指标之一．而且车架刚度对车架的其他性能，如强度、振动、噪声和疲劳特性等也有很大影响．满足刚度要求是客车车架结构设计的重要目标之一Ｈ。．

本文将计算分析弯曲工况下的整体弯曲刚度、局部弯曲刚度等两种评价指标，并通过与一同型车辆的实验值进行比较来确定计算值的合理｜生的．整车满载水平放置，满载质量作为静载，不计动载系数，载荷方向垂直向下，模拟客车在平坦路面恒速行驶时产生的对称垂直载荷．经常行驶于市郊平坦道路上的大客车主要受此种工况．

２．１边界约束及载荷处理

弯曲工况下的边界约束为主纵梁在四个车轮位置的节点位移为零，模拟四轮着地的情况．具体位置如图２所示．

图２弯曲工况的约束点位置

在弯曲工况下，分别计算了满载时的弯曲应　万方数据

第７期薛大维，等：客车车架有限元静力学分析・１０７７・

力分布和弯曲刚度．将满载质量均布于车身与车架连接处的六个格架上，又在每个格架上取与主纵梁相同位置的两点与格架横梁的两个边点作为均布力的作用点，共计有２４个力的作用点（如图３所示），用以观察满载情况下，车架结构的应力分布情况；然后，通过单位力法计算整体弯曲刚度与加载点处的局部弯曲刚度．加载点有以下几个：整车重心线所在平面与车架交点，车架长度方向几何中心点，发动机悬挂点，车门后支架点，后板簧前支点等．足的情况下，减轻自重静态弯曲应力沿车架主纵梁方向的分布图如图５所示．

图５最大弯曲应力位置

表ｌ弯曲工况高应力值及其分布

。．．翼：，。妻登烹竺载点分布图格架、第４格架、后轴、第５格架、第６格架的位２一．曼力旦萋蔓墨墨拿篓。…。，．，、…主．。其；，斋。、蔷轴盈；矗力≤磊磊蔷较卓囊．矗另

一堂态弯曲工况下，均布载荷的应力分布如图桑辜矗矗曩磊花夏孬爵；苡羞基磊菇≥．粪＃菇

图４均布载荷弯曲应力分布

从图中可以看出，车架结构的等效应力大部

分在１５０ＭＰａ以下，其最大值为１７９．１ｌＭＰａ，在

车架材料Ｑ２３５的屈服极限应力值（盯。＝２３５

ＭＰａ）以下；应力值相对较大的危险点均处于各支

架与主纵梁的连接处，主要原因是主纵梁与支架连接处存在板的厚度尺寸的突增，由槽钢腹板厚度６ｍｍ增至腹板与支架的厚度和１０ｍｍ，而在主纵梁上板厚度由１０ｍｍ增至１４ｍｍ．综上所述，在此处发生应力集中是意料之中．各相对较大应力值的具体情况见表１．纵观满载均布载荷作用下车架的应力云图，最小安全系数达到了１．３１２，车架强度足够，有较大的裕量．在以后的优化设计中，可以对其进行结构优化，在强度条件满

图６弯曲工况变形图

从图６中可以看出，弯曲工况下的最大位移值为４．５７９ｍｍ，发生在左侧第３格架上横梁处．各位移相对较大点发生在车架后部及后行李舱的上部骨架处，主要原因是，独立的车架模型（没有与车身连接之前）在此处并没有形成封闭的框架，受到载荷作用时已发生变形、移动等现象．纵

观静态弯曲工况下车架的位移图，与统计资料中　万方数据

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