田國富, 趙慶斌
(沈陽工業(yè)大學機械工程學院,沈陽 110870)
客車車架作為大型汽車的主要骨架之一,在客車行駛過程中,車架在各種復雜的載荷作用下,其安全性、舒適性、使用壽命以及穩(wěn)定性將作為汽車性能指標的重要判定參數(shù),因此車架的強度和剛度在車架的整個設(shè)計過程中顯得尤為重要,而通過有限元的方法對客車車架進行分析研究,求解出客車的靜態(tài)分析結(jié)果,可以更加透徹地了解客車車架的應力和變形分布情況,從而對車架整體及某些薄弱部位進行優(yōu)化,進而提高客車車架的安全性、可靠性。
采用CATIA三維軟件建立客車模型,并將模型導入到ANSYS Workbench18.1的靜態(tài)分析模塊中,建立車架的有限元分析模型。
根據(jù)車架的CAD圖樣,利用CATIA軟件建立車架的結(jié)構(gòu)模型,整個結(jié)構(gòu)主要采用矩形管、方管、板材和型鋼等焊接而成的三維立體結(jié)構(gòu),車架三維模型如圖1所示。
圖1 車架三維模型
將建立好的車架模型轉(zhuǎn)換為X.T格式后,導入ANSYS Workbench18.1的靜態(tài)分析模塊中完成車架的有限元模型建立。整個車架的有限元模型采用實體單元,采用四面體和六面體網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分,整體網(wǎng)格大小為30 mm網(wǎng)格劃分后,單元總數(shù)553 652個,節(jié)點數(shù)量為491 916個,客車車架網(wǎng)格劃分如圖2所示。
圖2 客車車架網(wǎng)格劃分
車架材料全部采用Q345材質(zhì),具體參數(shù)如表1所示。
表1 Q345材質(zhì)參數(shù)
客車車架在平穩(wěn)的行駛過程中,客車車架主要承受車架自身重量、油箱、發(fā)動機、空調(diào)、乘客的重量,因此在進行水平彎曲狀況下的靜態(tài)分析時,主要分析客車車架在平穩(wěn)狀態(tài)下的強度和剛度情況??蛙囁茌d荷分類和大小如表2所示。
2.2.1 在水平彎曲狀況下,客車車架邊界條件的施加
為了模擬客車平穩(wěn)運動過程中車架的應力和變形情況,逐一對客車的頂部橫梁施加來自于空調(diào)和乘客行李的重量對客車車架造成的載荷,并且在客車的其他相應部位分別施加油箱、后橋和發(fā)動機對客車車架的重力載荷,進一步在整個客車車架底框上表面施加乘客和相應座椅的重力載荷,在Workbench中施加一個重力加速度9.8 m/s2模擬客車車架自身的重力。
表2 客車所受載荷分類和大小
與此同時,在Workbench中采用固定約束的方式,約束客車車架底面與車輪連接處的部位,簡化模擬客車受到的固定支撐作用??蛙囓嚰苓吔鐥l件施加如圖3所示。
圖3 在水平彎曲狀況下,客車車架邊界條件施加
2.2.2 在水平彎曲狀況下,客車車架應力和變形分布情況
從應力圖(圖4)中可以看出,客車車架底框焊接處出現(xiàn)了最大應力,其最大應力值為209.8 MPa,而整個客車車架采用的材料為Q345,其屈服強度為345 MPa,其安全系數(shù)為S=1.6,因此客車車架的強度滿足了設(shè)計的要求;從位移圖(圖5)中可以看出,最大位移變形為2.6 mm,發(fā)生在車架底框中心部分,小于車身設(shè)計要求的變形量,因此車身的最大變形量滿足設(shè)計的要求,綜上所述,客車在平穩(wěn)運動過程中,客車車架的強度和剛度都滿足設(shè)計要求。
圖4 水平彎曲狀況下客車車架應力云圖
圖5 水平彎曲狀況下客車車架變形云圖
客車在行駛不平穩(wěn)的情況下,4個車輪容易出現(xiàn)離開地面的現(xiàn)象,這樣致使4個車輪高低不同,造成整個客車受力不均勻,在此惡劣的工況下,對客車進行靜態(tài)分析是非常有必要的。
2.3.1 在極限扭轉(zhuǎn)狀況下,客車車架邊界條件的施加
在極限扭轉(zhuǎn)情況下與在水平彎曲狀況下,客車所受的載荷情況相同,約束的方式不同,在極限扭轉(zhuǎn)的情況下,假設(shè)左前輪存懸空狀態(tài),約束右前輪的X、Y、Z方向的位移,并且將約束后輪的豎直方向的自由度,使其能夠在水平方向自由,客車車架邊界條件施加如圖6所示。
圖6 極限扭轉(zhuǎn)狀況下客車車架邊界條件的施加圖
2.3.2 在極限扭轉(zhuǎn)狀況下,客車車架應力和變形分布情況
圖7 極限扭轉(zhuǎn)狀況下客車車架應力云圖
圖8 極限扭轉(zhuǎn)狀況下客車車架變形云圖
從圖7中可以看出,客車車架底框焊接處出現(xiàn)了最大應力,其最大應力值為247.6 MPa,而整個客車車架采用的材料為Q345,其屈服強度345 MPa,其安全系數(shù)為S=1.4,因此客車車架在極其惡劣的環(huán)境下,其強度也基本滿足了設(shè)計的要求;從圖8中可以看出最大位移變形為8.8 mm,發(fā)生在車架左前方支撐桿處,但是最大變形量同樣小于設(shè)計允許的變形量,因此車身的最大變形量滿足設(shè)計的要求。
客車在正常行駛過程中,可能會遇到突發(fā)事件,這時需要客車緊急剎車制動,在這一過程中,客車主要以0.7g的制動加速度進行剎車制動,此時客車整體的應力和變形分布情況。
2.4.1 在緊急制動狀況下,客車車架邊界條件的施加
客車整體的受力狀況與水平彎曲工況下的受力狀況大體相同,緊急制動時,主要增加了一個與客車運動方向相反的水平制動加速度。在進行約束時,限制客車兩前輪處的X、Y、Z方向的位移為0,限制客車兩后輪X、Z方向位移為0,不限制Y方向的自由度。客車車架邊界條件施加如圖9所示。
圖9 緊急制動狀況下客車車架邊界條件施加
2.4.2 在緊急制動狀況下,客車車架應力和變形分布情況
從應力云圖(圖10)中可以看出,客車車架底框焊接處出現(xiàn)了最大應力,其最大應力值為216 MPa,,其安全系數(shù)為S=1.5,客車車架強度滿足了設(shè)計的要求;從位移圖(圖11)中可以看出最大位移變形為2.7 mm,發(fā)生在車架底框中心處,車身的最大變形量滿足設(shè)計的要求。
圖10 緊急制動狀況下客車車架應力云圖
圖11 緊急制動狀況下客車車架位移云圖
緊急轉(zhuǎn)彎是為了模擬客車在轉(zhuǎn)彎時,出現(xiàn)的一種特殊工況,在這種情況下,車身出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象,因此通過靜態(tài)分析確認車架是否滿足設(shè)計要求。
2.5.1 在緊急轉(zhuǎn)彎狀況下,客車車架邊界條件的施加
客車在緊急轉(zhuǎn)彎時,車架受力狀況與水平彎曲工況下的受力狀況大體相同,并且額外受到橫向方向的橫向加速度,大小為0.4 g,因緊急轉(zhuǎn)彎為右轉(zhuǎn)彎,因此約束左前輪X、Y、Z方向上的位移為0,同時約束右前輪X、Y方向的位移為0,Y方向自由,約束兩后輪X方向位移為0,Y、Z方向自由??蛙囓嚰苓吔鐥l件施加如圖12所示。
圖12 緊急轉(zhuǎn)彎狀況下客車車架邊界條件施加
2.5.2 在緊急轉(zhuǎn)彎狀況下,客車車架應力和變形分布情況
從應力云圖(圖13)中可以看出,客車車架底框焊接處出現(xiàn)了最大應力,其最大應力值為158 MPa,其安全系數(shù)為S=2.2,客車車架強度滿足了設(shè)計的要求;從位移圖(圖14)中可以看出最大位移變形為4.99 mm,發(fā)生在車架后框頂部,車身的最大變形量滿足設(shè)計的要求。
圖13 緊急轉(zhuǎn)彎狀況下客車車架應力云圖
圖14 緊急轉(zhuǎn)彎狀況下客車車架位移云圖
通過上述的4種不同工況的客車車架分析,得到了客車的4種不同工況下的最大應力及相應的安全系數(shù)和最大位移,如表3所示。
通過以上4種工況對比分析,4種工況下,最大應力都發(fā)生在客車車架底框焊接處,其余部位應力相對較小,整個車身車架滿足了設(shè)計要求的強度。在4種工況中,極限扭轉(zhuǎn)工況是安全系數(shù)最低的,容易出現(xiàn)安全隱患的工況,其最大應力為246.7 MPa,安全系數(shù)為1.4,同時又是剛度位移最大的工況,大小為8.8 mm,但是滿足車架剛度設(shè)計要求。
表3 4種不同工況,最大強度剛度情況
客車車架采用靜態(tài)分析的方法對4種工況進行了模擬,針對不同的邊界條件進行了合理的定義,得到了4種工況下客車的應力位移分布情況,驗證了客車車架設(shè)計的正確性,同時確認了車架薄弱部位,為后續(xù)優(yōu)化分析提供了依據(jù),也同時通過4種工況的對比分析,了解到哪種工況需要進行更加深層次的考慮和研究。
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