徐　軍，刁國(guó)虎，袁葭杰

（揚(yáng)州亞星客車(chē)股份有限公司，江蘇揚(yáng)州　225116）

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9m客車(chē)的半承載與全承載車(chē)身結(jié)構(gòu)的有限元分析

徐軍，刁國(guó)虎，袁葭杰

（揚(yáng)州亞星客車(chē)股份有限公司，江蘇揚(yáng)州225116）

摘要：對(duì)YBL6905H型客車(chē)的半承載與全承載車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。結(jié)合垂直載荷、單輪懸空、急轉(zhuǎn)彎和緊急制動(dòng)等常見(jiàn)的典型工況，對(duì)比這兩種結(jié)構(gòu)的特性，找出其在強(qiáng)度、剛度、重量方面的差異性，增強(qiáng)對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)的了解，為9 m客車(chē)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：9 m客車(chē)；半承載；全承載；車(chē)身結(jié)構(gòu)；有限元分析

隨著客車(chē)技術(shù)的不斷發(fā)展，全承載結(jié)構(gòu)在9 m客車(chē)上的應(yīng)用越來(lái)越普遍。本文采用Patran + Nastran軟件對(duì)YBL6905H型客車(chē)的半承載與全承載的結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行有限元建模、求解和分析對(duì)比，為進(jìn)一步了解和設(shè)計(jì)9 m客車(chē)結(jié)構(gòu)起到參考作用。

1　模型建立及處理

該車(chē)型為后置發(fā)動(dòng)機(jī)，前、后板簧懸架。對(duì)比車(chē)型具體的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　 YBL6905H型客車(chē)的主要參數(shù)

1.1模型處理及載荷選取

進(jìn)行對(duì)比的車(chē)是基于相同車(chē)身造型和配置，主要區(qū)別在底部結(jié)構(gòu)（為便于表述，下文中將此簡(jiǎn)稱(chēng)為底架）不同。半承載結(jié)構(gòu)如圖1所示，其底架主要為三段式車(chē)架和地板支撐骨架，車(chē)架的前、后段采用槽型大梁，中段為較大截面矩形鋼管桁架結(jié)構(gòu)；全承載結(jié)構(gòu)如圖2所示，其底架全部為小截面矩形鋼管焊接格柵結(jié)構(gòu)。

圖1　半承載結(jié)構(gòu)

圖2　全承載結(jié)構(gòu)

采用殼單元離散車(chē)體結(jié)構(gòu)，使用剛桿單元模擬骨架梁的焊接與螺栓連接。動(dòng)力總成、油箱、蓄電池、散熱器、壓縮機(jī)、車(chē)頂空調(diào)、乘客門(mén)、安全門(mén)、艙門(mén)、乘員+座椅、行李、備胎等在相應(yīng)質(zhì)心位置簡(jiǎn)化為質(zhì)量集中點(diǎn)處理，以MPC單元在安裝點(diǎn)和整車(chē)模型連接。前、后板簧懸架系統(tǒng)（包括橋和輪胎）用梁?jiǎn)卧硎荆鶕?jù)各個(gè)構(gòu)件連接點(diǎn)的不同的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，設(shè)定連接的MPC單元[1]。

對(duì)比車(chē)的車(chē)身部分所用鋼材為Q235；底架的矩形鋼管為Q345；鋼板為510 L。所用鋼材參數(shù)和強(qiáng)度極限見(jiàn)表2[2-4]。

表2　所用鋼材的參數(shù)

1.2工況及邊界條件確定

客車(chē)在實(shí)際使用時(shí)的載荷和工況很復(fù)雜，但車(chē)體主要載荷可分為彎曲、扭轉(zhuǎn)、垂直、側(cè)向和縱向載荷。由于車(chē)身右前開(kāi)設(shè)乘客門(mén)，左側(cè)中后開(kāi)設(shè)安全門(mén)，左、右側(cè)結(jié)構(gòu)不完全對(duì)稱(chēng)，所以選取下列幾種典型的工況進(jìn)行計(jì)算[1，5-7]。

1）垂直載荷。模擬客車(chē)滿(mǎn)載狀態(tài)下，在水平路面勻速行駛的情況。動(dòng)載荷系數(shù)取2.5。約束前、后輪接地點(diǎn)的UY、UZ向自由度，約束后橋中心的UX向自由度。

2）左彎扭。模擬客車(chē)滿(mǎn)載狀態(tài)下，在凹凸不平路面的低速行駛出現(xiàn)左前輪懸空的扭轉(zhuǎn)情況。其動(dòng)載荷近似看作靜態(tài)的。在垂直載荷工況約束條件的基礎(chǔ)上，釋放左前輪的自由度。

3）右彎扭。模擬客車(chē)滿(mǎn)載狀態(tài)下，在凹凸不平路面的低速行駛出現(xiàn)右前輪懸空的扭轉(zhuǎn)情況。約束和載荷條件與左彎扭工況對(duì)稱(chēng)處理。

4）左急轉(zhuǎn)彎。模擬客車(chē)滿(mǎn)載狀態(tài)下急速左轉(zhuǎn)彎時(shí)的情況。最大轉(zhuǎn)向加速度取0.4 g。在垂直載荷工況約束條件的基礎(chǔ)上，釋放左側(cè)前、后輪的UY向自由度。

5）右急轉(zhuǎn)彎。模擬客車(chē)滿(mǎn)載狀態(tài)下急速右轉(zhuǎn)彎時(shí)的情況。約束和載荷條件與左急轉(zhuǎn)彎工況對(duì)稱(chēng)處理。

6）緊急制動(dòng)。模擬客車(chē)滿(mǎn)載狀態(tài)下緊急制動(dòng)時(shí)的情況。最大制動(dòng)減速度取-0.8 g，輪胎-路面附著系數(shù)取0.8，在前、后輪接地點(diǎn)加載對(duì)應(yīng)UX向的制動(dòng)力[8-10]。約束條件同垂直載荷工況。

2　結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

各工況的最大應(yīng)力、變形量、行李艙容積及重量[11]變化匯總見(jiàn)表3。其中“↑”代表數(shù)值上升；“↓”代表數(shù)

2.2結(jié)構(gòu)剛度分析

1）彎曲剛度分析。對(duì)約束前板簧中心的UY、UZ向自由度，約束后懸架板簧中心的UX、UY、UZ向自由度，在重力作用下，以底架左縱梁（縱柵）底邊采集點(diǎn)的Z向變形量進(jìn)行對(duì)比。兩種結(jié)構(gòu)的左、右縱梁（縱柵）的寬度尺寸相同。具體的彎曲變形曲線見(jiàn)圖5（圖5中的前軸心與后軸心在X向的對(duì)應(yīng)點(diǎn)為0和4 300）。對(duì)比車(chē)是動(dòng)力后置車(chē)型，取變形量相對(duì)較大的后懸部分（X向：從4 300 mm處往后）來(lái)看，其中半承載結(jié)構(gòu)后懸的最大彎曲變形量-3.01 mm，大于全承載結(jié)構(gòu)后懸的最大彎曲變形量-2.66 mm，所以在支撐動(dòng)力系統(tǒng)的后懸部分，全承載結(jié)構(gòu)的彎曲剛度大于半承載結(jié)構(gòu)。

值下降。

2.1結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算分析

兩種結(jié)構(gòu)各工況的最大應(yīng)力值匯總見(jiàn)表3。

表3　半承載與全承載結(jié)構(gòu)各工況的最大應(yīng)力值　MPa

兩種結(jié)構(gòu)各工況的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在底架部位。由表3可以看到，最大應(yīng)力值全都低于所用材料的屈服強(qiáng)度極限，且安全系數(shù)＞2[12]，結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備。其中全承載的垂直載荷工況最大應(yīng)力值略高于半承載的，其最大應(yīng)力值都是出現(xiàn)在后橋前部的底架上，具體情況見(jiàn)圖3和圖4。其余工況全承載結(jié)構(gòu)均比半承載的最大應(yīng)力值低。

圖3　半承載結(jié)構(gòu)垂直載荷工況最大應(yīng)力圖

圖4　全承載結(jié)構(gòu)垂直載荷工況最大應(yīng)力圖

圖5　底架縱梁（縱柵）彎曲變形曲線對(duì)比圖

2）扭轉(zhuǎn)剛度分析。對(duì)約束前橋中心的UY、UZ向自由度，約束后懸架板簧中心的UX、UY、UZ向自由度，在前軸左、右輪接地點(diǎn)對(duì)應(yīng)加載正、反方向的1/2軸荷，以底架左縱梁（縱柵）底邊采集點(diǎn)的Z向變形量進(jìn)行對(duì)比。具體的扭轉(zhuǎn)變形曲線見(jiàn)圖6。取前、后軸在X向（0、4 300）對(duì)應(yīng)點(diǎn)的相對(duì)變形量比較，半承載結(jié)構(gòu)的相對(duì)變形量2.17 mm，大于全承載結(jié)構(gòu)的相對(duì)變形量1.26 mm，半承載結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度小于全承載結(jié)構(gòu)。

圖6　底架縱梁（縱柵）扭轉(zhuǎn)變形曲線對(duì)比圖

2.3行李艙容積對(duì)比分析

行李艙容積是營(yíng)運(yùn)客車(chē)等級(jí)評(píng)定的重要指標(biāo)。全承載結(jié)構(gòu)的行李艙容積為3.61 m3，比半承載結(jié)構(gòu)的3.16 m3多了0.45 m3，增幅達(dá)14.2%。因此，全承載結(jié)構(gòu)參評(píng)等級(jí)時(shí)會(huì)有一定的優(yōu)勢(shì)。另外，其增加的有效利用空間也可為整車(chē)布置額外增加的設(shè)備和裝置提供方便。

2.4重量對(duì)比分析

略去相同造型的車(chē)身和配置，全承載的底架重量為1 058 kg，比半承載底架的1 231 kg輕了173 kg，其輕量化（底架減重14%）的效果較明顯。可見(jiàn)，全承載結(jié)構(gòu)能夠減輕自重，并且由于全承載的底架為整體柵格結(jié)構(gòu)，省去了半承載底架的三段式車(chē)架上面增加的地板支撐骨架部分，全承載的車(chē)體離地高度能夠比半承載的適當(dāng)?shù)托湎鄬?duì)半承載可以降低整車(chē)質(zhì)心。所以全承載結(jié)構(gòu)能提高車(chē)輛燃油經(jīng)濟(jì)性、制動(dòng)、加速性能以及行駛穩(wěn)定性。

2.5制作工藝對(duì)比分析

除了前面的對(duì)比差異，在制作工藝方面兩者也有所不同。全承載結(jié)構(gòu)主要采用小截面矩形鋼管拼焊而成，需要嚴(yán)格控制下料尺寸和精度，在車(chē)體制作完成之后，再補(bǔ)裝底盤(pán)各總成部件，全承載結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)成本偏高，制造周期偏長(zhǎng)。而半承載結(jié)構(gòu)的車(chē)身和底盤(pán)總成可以分開(kāi)并行制造，再合裝成整車(chē)，能縮短制造周期，且由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)車(chē)輛進(jìn)行改裝和維修相對(duì)容易。

3　結(jié)束語(yǔ)

由上可以看出，對(duì)比車(chē)的全承載結(jié)構(gòu)比半承載結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度、剛度、有效利用空間和輕量化方面的綜合性能有一定的優(yōu)勢(shì)。但在滿(mǎn)足客車(chē)市場(chǎng)差異化的需求前提下，考慮合理選用強(qiáng)度更高的鋼材，并結(jié)合有限元分析技術(shù)，兩種結(jié)構(gòu)都還有進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)的空間。此外，文中的分析比對(duì)僅局限于常見(jiàn)的典型工況。如需全面了解兩種結(jié)構(gòu)的性能，還應(yīng)考慮碰撞、側(cè)翻等方面的分析。鑒于筆者水平和條件有限，本文未包括這些探討。

參考文獻(xiàn)：

[1]管義群.客車(chē)有限元建模方法研究概述[J].客車(chē)技術(shù)與研究，2006，28（5）：13-16.

[2]GB/T700-2006，碳素結(jié)構(gòu)鋼[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[3]GB/T1591-2008，低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[4]GB/T3273-2005，汽車(chē)大梁用熱軋鋼板和鋼帶[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[5]魏寧波.基于ANSYS的全承載式客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)有限元分析[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2011：31-55.

[6]劉江，桂良進(jìn)，王青春，等.全承載式大客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化[J].汽車(chē)工程，2008（2）：170-173.

[7]蘭鳳崇，陳吉清，J.Lin.承載式車(chē)身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度剛度及模態(tài)的有限元分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2006（3）：367-370.

[8]余志生.汽車(chē)?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：71-89.

[9]米奇克，瓦倫托維茲.汽車(chē)動(dòng)力學(xué)[M].陳蔭三，余強(qiáng)，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2009：161-171.

[10]小田柿浩三.汽車(chē)設(shè)計(jì)[M].徐逢源，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990：71-89.

[11]沈光烈，林圣存.基于有限元法的大客車(chē)模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].公路與汽運(yùn)，2012（6）：1-4.

[12]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：第一卷[K].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：1-107-109.

修改稿日期：2015-08-09

FEA on 9 m Coach Body Structure of Semi-integrated Type and Full-integrated Type

Xu Jun, Diao Guohu，Yuan Jiajie
（Yangzhou Yaxing Asisitar Bus Co., Ltd, Yangzhou 225116, China）

Abstract：The authors use FEM to analyze the YBL6905H coach body structure of semi-integrated type and full-integrated type. Combining some common and typical operation modes, such as the vertical load, single wheel suspension, sharp turn and hard brake, they compare the structure characteristics, find out the distinctness among the strength, stiffness and weight. The result is tohave better knowledge about the twostructures, and offer references for the structure design ofthe 9 mcoaches.

Key words:9 mcoach; semi-integrated; full-integrated; bodystructure; finite element analysis（FEA）

作者簡(jiǎn)介：徐軍（1977-），男，助理工程師；車(chē)身設(shè)計(jì)師；主要從事客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.32

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-3331（2016）01-0011-03