張亞飛

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客車車身結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

張亞飛

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

應(yīng)用有限元法分析半承載客車車身在各種工況下的強度情況，為客車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。通過分析比較，說明改進(jìn)方案的有效性和合理性。

客車；有限元分析

引言

車身是客車結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵零部件，由于客車運行具有載荷變化范圍大，工況變化多，起步、加速、轉(zhuǎn)彎、減速、制動變化頻繁，對車身的強度和剛度均是巨大的考驗。車身骨架是一種超靜定結(jié)構(gòu)，其受力具有復(fù)雜性，采用簡化的力學(xué)模型進(jìn)行力學(xué)計算和強度校核，很難實現(xiàn)合理設(shè)計。

本文通過hypermesh軟件對一款6米客車(代號JH6)車身骨架模態(tài)進(jìn)行有限元分析，通過結(jié)果對設(shè)計和改進(jìn)提供了理論支持。

1 有限元模型建立

1.1 幾何模型的建立

利用大型通用三維CAD軟件UG，建立各零件的立體模型，然后將零件組裝成車身總成。通過UG輸出接口，將三維模型轉(zhuǎn)化為Parasolid格式，再輸入到ANSYS分析軟件中，經(jīng)過處理后，形成車身骨架的有限元模型。

考慮車身骨架所受載荷較小，在有限元分析中用殼單位模擬，對整車模型做一些必要的簡化，提高建模和運算效率：

（1）忽略覆蓋件、非承載件的影響；

（2）忽略應(yīng)力蒙皮的加強作用；

（3）簡化截面形狀；

1.2 懸架的模擬

該車懸架系統(tǒng)采用變截面鋼板彈簧結(jié)構(gòu)，懸架系統(tǒng)選用剛性梁-柔性梁相結(jié)合的方式進(jìn)行模擬。對于剛性梁，為使其受力時垂直位移小于水平柔性梁的垂直位移，取軸向剛度為6.0×106N/mm。

1.3 加載處理

JH6客車是一款城市客車，整車滿載質(zhì)量設(shè)計為6.5T，其中簧載質(zhì)量約為5.5T。在計算過程中，載荷分配按理想狀態(tài)分布計算。該模型計算載荷處理如下：發(fā)動機、變速箱、油箱、水箱等按集中質(zhì)量點方式加載，利用梁單元連接到車架上，各部件質(zhì)心的位置通過換算獲得；乘客、座椅及地板質(zhì)量按客車座位布置圖等效分配到地板上，并通過車架“牛腿”方式加載到車架上。

整個車身骨架被劃分為節(jié)點833672個和薄殼單元44567個、集中質(zhì)量單元52個、三節(jié)點三角形單元6959個、梁單元1073個。車身有限元模型如圖1所示。

圖1 車架有限元模型

2 不同工況的計算分析

JH6車型車身骨架材料為16Mn矩形管、510L鋼板、Q235鋼板，其屈服極限分別為345MPa、355MPa、235MPa。本文應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS，對彈性范圍內(nèi)的彎曲和彎扭結(jié)合工況下的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行計算，同時結(jié)合骨架的模態(tài)分析，說明車身骨架在設(shè)計中存在的問題，給出改進(jìn)的方案。

2.1 滿載靜壓彎曲工況

車輛使用工況雖然很復(fù)雜，但直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)強度的主要是滿載彎曲與扭轉(zhuǎn)兩種工況。滿載彎曲工況主要用來驗證抗彎強度。彎曲工況模擬客車滿員在平直良好路面上勻速行駛的情況，此時客車骨架主要承受彎曲載荷,產(chǎn)生彎曲變形。對滿載彎曲工況進(jìn)行計算，最大應(yīng)力在底盤右側(cè)后橋處應(yīng)力最大，達(dá)到273.64MPa，如圖2所示。

圖2 滿載彎曲工況-應(yīng)力云圖

2.2 彎扭結(jié)合工況

圖3 滿載扭轉(zhuǎn)工況-應(yīng)力云圖位移云圖

用于模擬車輛行駛在崎嶇不平的道路上，非對稱支承時產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的極限狀況，分析其變形和應(yīng)力狀態(tài)。一般采用前輪懸空滿載狀態(tài)來模擬極限彎扭工況。由圖3可知，此工況下應(yīng)力最大值為396.31MPa，最大位移達(dá)到8.128mm，位于左前懸牛腿處；前輪懸空工況是最惡劣工況，汽車實際行駛中很難遇到。

2.3 制動工況

用于模擬車輛緊急制動時，由于慣性力的作用，車身前后軸核重新分配，車身后部的應(yīng)力減小，車身中部的應(yīng)力增大，該工況最大位移達(dá)到5.933mm，最大應(yīng)力達(dá)到316.24 MPa。

2.4 轉(zhuǎn)向工況

用于模擬車輛在轉(zhuǎn)彎過程中，承受因慣性力引起的離心載荷作用，需在正常行駛（水平彎曲）工況的基礎(chǔ)上增加0.4g的慣性加速度均布在相應(yīng)位置，該狀態(tài)最大位移位于車身頂部，達(dá)到7.224mm，最大應(yīng)力位于后橋處右側(cè)連接處，達(dá)到304.65MPa。

3 模態(tài)分析

3.1 模態(tài)振型分析結(jié)果

表1 模態(tài)振型分析結(jié)果

頻率（Hz）----最大位移（mm）----最大應(yīng)力（MPa）

3.2 模態(tài)分析結(jié)果說明

（1）模態(tài)1為一階整體彎曲，振動頻率為6.397Hz，位移變化微小，為0.042mm。

（2）模態(tài)6為一階整體扭轉(zhuǎn)，振動頻率為10.07Hz，位移變化微小，為0.028mm。

（3）模態(tài)13為整體扭轉(zhuǎn)加彎曲，振動頻率為13.11Hz，位移變化微小，為0.041mm。

從模態(tài)分析的變形結(jié)果可以得出，該車的整體剛度較高，整體振動的變形較小。但同時也發(fā)現(xiàn)在一些座椅預(yù)埋板、頂內(nèi)飾預(yù)埋板等局部結(jié)構(gòu)剛度偏小，振動變形較大。

4 結(jié)論

（1）在底盤前端左右兩個外伸梁連接處，底盤位于后橋上方的區(qū)域應(yīng)力值偏大，應(yīng)力超過170MPa以上，即材料強度的安全系數(shù)在2.0以下。雖在良好路面運行時的應(yīng)力都在材料應(yīng)力極限以內(nèi)， 但該區(qū)域容易出現(xiàn)材料疲勞失效。所以以上區(qū)域需要引起關(guān)注，值得進(jìn)行改進(jìn)以提高車身安全系數(shù)。

（2）該車整體剛度較高，前30階模態(tài)的振型變形普遍微小，地板局部區(qū)域，座椅預(yù)埋板，頂類預(yù)埋板處剛度較小，需要引起關(guān)注并建議改進(jìn)。

（3）仿真結(jié)果是基于三維幾何模型的模擬計算，因?qū)嶋H生產(chǎn)的車輛和三維模型會有所差異，建議結(jié)合試驗對車身結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行驗證。

[1] 陳家瑞,汽車構(gòu)造[M].北京:機械工業(yè)出版社,2001.

[2] 張鐵山,胡建立,唐云.輕型汽車車架動態(tài)有限元分析[J].南京理工大學(xué)學(xué)報.2001.

[3] 賀李平.ANSYSY14.5與Hypermesh12.0聯(lián)合仿真有限元分析.北京:機械工業(yè)出版社,2014.

Modal Analysis of Bus Body Structure

Zhang Yafei

( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Finite element method is used to analyze the strength of semi-loaded bus body under various working conditions, which provides a reference for the design of bus body structure. Through analysis and comparison, the effectiveness and rationality of the improved scheme are explained.

Passenger car;finite element analysis

A

1671-7988(2018)18-74-03

U463.8

A

1671-7988(2018)18-74-03

CLC NO.: U463.8

張亞飛，就職于江淮汽車輕型商用車研究院客車底盤研發(fā)部，主要從事客車總布置設(shè)計工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.026