方學(xué)良, 陳靖芯, 景 科, 姜欣悅

(揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225127)

客車(chē)車(chē)身不僅要承載客車(chē)各部分的重量, 還要承受各方面的載荷．為了滿足安全要求, 通常采用加厚局部桿件的方法增加強(qiáng)度,從而導(dǎo)致車(chē)身局部強(qiáng)度、剛度富裕．客車(chē)輕量化[1-3]不僅能減少制造的成本,還能達(dá)到節(jié)能減排的目的．范文杰等[4]采用多剛度拓?fù)鋬?yōu)化的方式對(duì)某客車(chē)車(chē)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì), 有效增加了車(chē)架的扭轉(zhuǎn)和彎曲柔度, 但無(wú)法確定桿件的厚度尺寸, 優(yōu)化后車(chē)架質(zhì)量沒(méi)有明顯下降; 蘇瑞意等[5]采用多學(xué)科協(xié)同的方式對(duì)客車(chē)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì), 但有限元模型復(fù)雜,優(yōu)化成本過(guò)高．本文擬采用基于靈敏度分析的優(yōu)化方法, 對(duì)某全承載式客車(chē)車(chē)身骨架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì), 以期在滿足強(qiáng)度和剛度基本性能的前提下盡可能降低車(chē)身骨架的質(zhì)量．

1 有限元模型

圖1 客車(chē)骨架有限元模型Fig.1 Bus skeleton finite element model

客車(chē)車(chē)身骨架采用板殼單元, 單元尺寸為5 mm, 在Hypermesh中用共節(jié)點(diǎn)方式或RBE2剛性單元模擬焊接, 用Bolt單元來(lái)模擬螺栓連接, 客車(chē)車(chē)身骨架共有節(jié)點(diǎn)3 525 872個(gè), 各類(lèi)單元3 585 072個(gè),其中四邊形單元3 530 028個(gè), 三角形單元55 012個(gè), 剛性單元5 257個(gè)．圖1為所建有限元模型．

客車(chē)靜態(tài)特性分析時(shí), 車(chē)身骨架自重以慣性力方式施加; 頂蓋、空調(diào)和底盤(pán)各總成重量在相應(yīng)的質(zhì)心位置施加質(zhì)量單元, 并用RBE3單元與具體安裝位置節(jié)點(diǎn)相連; 乘客、司機(jī)及座椅重量和行李倉(cāng)行李重量以均布載荷方式施加．車(chē)身骨架材料為Q345鋼, 具體參數(shù)為: 彈性模量為210 GPa, 泊松比為0.3, 密度為7.8 g·cm-3, 屈服強(qiáng)度為345 MPa, 強(qiáng)度極限為600 MPa．

2 結(jié)果討論

2.1 典型工況下靜態(tài)特性分析

客車(chē)在行駛過(guò)程中若遇到突發(fā)事件采取緊急制動(dòng), 車(chē)身骨架會(huì)受到巨大的載荷, 在緊急制動(dòng)工況下,客車(chē)最大制動(dòng)加速度一般為0.8g[6]; 而在凹凸不平的路面上行駛時(shí), 客車(chē)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)車(chē)輪瞬時(shí)懸空的情形,此時(shí)客車(chē)受到非對(duì)稱(chēng)載荷作用, 當(dāng)右后輪懸空時(shí)扭矩較大,受載情況較為惡劣．本文選取緊急制動(dòng)和極限扭轉(zhuǎn)右后輪懸空2種典型工況進(jìn)行靜態(tài)特性[7]分析．在緊急制動(dòng)工況下, 選取左前輪X、Y、Z，右前輪X、Z, 左后輪Y、Z, 右后輪Z方向?qū)壹苎b配處節(jié)點(diǎn)進(jìn)行約束; 在極限扭轉(zhuǎn)右后輪懸空工況下,只需在緊急制動(dòng)工況的基礎(chǔ)上釋放右后輪Z方向自由度．

2.2 客車(chē)車(chē)身骨架強(qiáng)度和剛度

圖2(a)是緊急制動(dòng)工況下客車(chē)的右側(cè)圍骨架應(yīng)力分布云圖．由圖2(a)可知, 車(chē)身骨架最大應(yīng)力出現(xiàn)在右側(cè)圍中間立柱的焊接處, 最大應(yīng)力為208.9 MPa．圖2(b)是極限扭轉(zhuǎn)右后輪懸空工況下客車(chē)右側(cè)前縱梁骨架局部應(yīng)力分布云圖．由圖2(b)可知,車(chē)身骨架最大應(yīng)力位于右側(cè)前縱梁骨架的鋼板彈簧連接處,最大應(yīng)力為290.7 MPa．客車(chē)車(chē)身骨架所使用的材料Q345鋼的屈服強(qiáng)度為345 MPa, 因此2種工況均滿足強(qiáng)度要求．

緊急制動(dòng)工況下客車(chē)車(chē)身骨架結(jié)構(gòu)總位移變形圖如圖2(c)所示．由圖2(c)可知, 該工況下車(chē)身最大變形位于最后排座椅處,最大變形量為6.297 mm．極限扭轉(zhuǎn)右后輪懸空工況下車(chē)身骨架結(jié)構(gòu)總位移變形圖如圖2(d)所示．由圖2(d)可知, 該工況下最大變形區(qū)域主要集中在車(chē)身骨架后側(cè)的右半部分, 其中后圍、右圍與頂圍骨架的連接區(qū)域出現(xiàn)最大變形,最大變形量為23.857 mm, 該工況是客車(chē)行駛中的極限工況,較大的變形量是由于右后輪懸空失去約束變形累計(jì)造成的,與實(shí)際情況相吻合．

圖2 2種典型工況下車(chē)身骨架的應(yīng)力分布云圖和總位移變形圖Fig.2 The stress and displacement nephogram of body frame structure under two typical conditions

2.3 客車(chē)車(chē)身骨架應(yīng)力測(cè)試

為驗(yàn)證有限元模型計(jì)算的正確性及有限元分析的可靠性, 根據(jù)有限元分析結(jié)果及客車(chē)實(shí)際使用的情況, 在應(yīng)力集中區(qū)和受力變形較大的區(qū)域共布置了42個(gè)測(cè)點(diǎn), 采用電阻應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試[8]．布置的測(cè)點(diǎn)如圖3所示．各點(diǎn)靜態(tài)應(yīng)力σ=Eε, 其中E為彈性模量,ε為應(yīng)變值．通過(guò)計(jì)算將所測(cè)得的應(yīng)變換算成應(yīng)力, 并將其與有限元模擬計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比,部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示．從表1結(jié)果可以看出, 有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差均小于10%, 驗(yàn)證了有限元模型的可靠性．

圖3 測(cè)點(diǎn)位置分布圖Fig.3 Distribution of measuring points

測(cè)點(diǎn)測(cè)驗(yàn)值/MPa計(jì)算值/MPa相對(duì)誤差/%測(cè)點(diǎn)測(cè)驗(yàn)值/MPa計(jì)算值/MPa相對(duì)誤差/%155.1560.408.6920125.67133.415.804107.85101.27-6.5026111.95103.47-8.20768.2662.68-8.9030131.43141.937.4013109.39116.626.2036117.44108.95-7.7915102.4697.40-5.2040119.57109.60-9.1019139.78154.799.7042116.54123.455.60

3 客車(chē)車(chē)身骨架輕量化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化模型

2) 約束條件. 以低于Q345鋼的最大應(yīng)力作為約束條件, 即車(chē)身骨架的最大等效應(yīng)力σmax<345 MPa．

3.2 基于靈敏度分析的優(yōu)化

本文運(yùn)用基于靈敏度[9-10]分析的優(yōu)化方法計(jì)算車(chē)身的質(zhì)量和應(yīng)力對(duì)桿件厚度x的靈敏度, 對(duì)質(zhì)量和應(yīng)力都較為敏感的桿件, 計(jì)算出質(zhì)量對(duì)于應(yīng)力的相對(duì)靈敏度,若該比值為正數(shù),則表示車(chē)身質(zhì)量減小會(huì)使應(yīng)力降低, 該值越大說(shuō)明在減小車(chē)身質(zhì)量的同時(shí)應(yīng)力降低得越快;若該比值為負(fù)數(shù),則表示車(chē)身質(zhì)量減小會(huì)使應(yīng)力增大,該值越大說(shuō)明在減小車(chē)身質(zhì)量的同時(shí)應(yīng)力增加越快．以上限值為初始條件優(yōu)化得到的部分桿件靈敏度結(jié)果見(jiàn)表2．從表2可以看出,除右側(cè)圍桿件1不變外, 其余桿件厚度均變?。?jīng)靈敏度分析優(yōu)化,車(chē)身總質(zhì)量下降了87.0 kg,減重率達(dá)5.04%．

表2 部分桿件靈敏度分析結(jié)果Tab.2 Sensitivity analysis results of some bar parts

為了驗(yàn)證靈敏度分析車(chē)身骨架的正確性, 對(duì)優(yōu)化后的有限元模型進(jìn)行靜態(tài)特性分析．輕量化前后的客車(chē)車(chē)身骨架應(yīng)力和應(yīng)變對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3．表3結(jié)果顯示, 優(yōu)化前后各工況最大應(yīng)力和變形的變化均不顯著, 說(shuō)明輕量化后客車(chē)的應(yīng)力和變形都在合理的變化范圍之內(nèi),優(yōu)化后客車(chē)車(chē)身骨架符合行駛要求．

表3 輕量化前后各工況最大應(yīng)力和變形的對(duì)比Tab.3 Comparison of maximum stress and deformation in different working conditions before and after lightweight