利用CAE技术对某客车车架结构变更进行对标分析
作者：张青
来源：《科技创新与应用》2014年第03期
摘 要：文章应用Hypermesh软件建立了某客车车架结构变更前后的有限元模型，利用Optistruct求解器，进行模态、刚度和强度等分析，对结构变更前后的结果进行比对，发现两者间的差值很小，因此可以忽略这两者间的结构差别，免去结构少许改动后还要去跑路试的环节，为公司产品的变更节省了经费及保证能及时把车交付给客户。
关键词：Hypermesh；模态分析；刚度分析；强度分析；对标分析
1 引言
我司研制生产的某12米半承载客车，在国内已经经过2万公里的可靠性试验后，其各项指标都符合设计要求及国内客户反映其结构设计合理，可靠性好。但在出口海外目的地时，客户觉得中门踏步台阶宽度较小，需要增加各台阶面的宽度，经协商决定把与中门踏步地板骨架连接的半承载车架处的中间纵梁打断，并往内移动100mm。
由于这车型是典型的半承载结构，与后悬连接的部位在各路况下，其应力均较大，是比较容易破坏的区域，而打断中间纵梁对此结构更加不利。在这情况下，如何设计这部位的结构变得更加重要。因此，在设计图纸定版前进行CAE分析，对各种设计方案进行对比分析，找出最合理的方案使变更后的结构与原结构相比不会减弱很多即可。
2 有限元建模
此车是典型的三段式半承载结构，车架是主要的承载结构，因此只要对车架进行对比分析即可。为了真实地反映车架模型，采用壳单元来建立其车架等结构。在建模过程中遵循以下简化规则[1]：（1）略去一些非承载件和各种小的功能件等；（2）忽略承载结构上的各种工艺特征，如工艺孔、凸台及翻边等；（3）以中面作为板壳单元的基准面，结构间的连接关系采用共结点、刚性连接等模拟；（4）忽略了悬挂系统和空气弹簧和导向杆系；（5）将质量大且集中的零部件，如发动机、变速箱、缓速器等以集中质量单元的方式连接在各安装部位上，其余为均布质量点；（6）忽略焊接过程中出现的变形和残余应力；（7）有限元模型的总质量和重心位置与实车保证一致。
根据要求所建立的大客车车架的有限元模型如图1所示，共有1D单元8176个，2D单元184922个，结点182982个。其中三角形单元数为5832个，约占3.15%
图1 原车架有限元模型
3 原车架模态分析
由于车辆在行驶时同时受到来自路面和车桥的激振而产生振动，如果在设计时强度、抗弯刚度、扭转刚度等不足的话就会出现汽车各部件间产生共振或疲劳破坏，导致某些部件较早损坏，降低使用寿命。本文通过解算200Hz以下的前20阶固有频率和振动形态（如表1所示），来查看某些激振过大的部件。
根据这次模态分析能使我们初步判断车架的刚度及固有频率，可以使设计人员清楚的了解哪些位置容易激振并改善其结构，避免结构破坏。
4 原车架刚度分析
车架是横跨在汽车前后桥上的结构，是整车的主要承载件，车架的刚度与其上的支架及车身骨架的匹配对汽车的寿命及舒适性有重要的影响，故对车架进行刚度分析很有必要。由于汽车在行驶过程中主要工况有弯曲工况、制动工况、扭转工况和转弯工况[3]。其中弯曲、扭转工况比较常见，故主要对其进行弯曲刚度及扭转刚度的分析，其变形如图2、3所示。 图2 原车架的弯曲工况的位移云图
左侧纵梁测量点的Z向位移为0.445mm，右侧测量点的Z向位移为0.458mm。 ΔZ=（Z左+Z右）/2=0.4515mm；弯曲刚度K=2000/0.4515=4430N/mm。
左侧纵梁测量点的Z向位移为-0.896mm，右侧测量点的Z向位移为0.896mm。 前悬加载点距离为S=1146mm，两测量点距离为L=801mm。
θ=atan（|Z左|+|Z左|）/801=0.1278deg；
扭转刚度K=M/θ=3000*1.146/2/0.1278=13451N·m/deg。
5 原车架强度分析
车架的受力工况主要为满载弯曲、满载扭转、紧急制动和转弯工况。根据车辆行驶中的受力分析可知：满载弯曲工况为垂直载荷单独作用的工况；满载扭转工况为垂直载荷和侧向载荷的组合工况；紧急制动工况为垂直载荷和纵向载荷的组合工况；紧急转弯工况为垂直载荷和侧向载荷共同作用的组合工况。在这四种工况中，弯曲工况和扭转工况最为常见和最恶劣，故只对这两种工况进行CAE强度分析。
从图5中可以看到，此车架无论在弯曲工况还是在扭转工况，其大应力的部位均在后悬后部到发动机安装部位之间的区域，并且在中部纵梁大断部位的最大应力在53～115MPa，低于材料的屈服极限。
6 结构变更对标分析
为了满足客户对中门踏步骨架宽度的需求，经过协商决定在与踏步骨架连接处的纵梁打断，并补上同规格的方钢来连接打断后的大梁，根据经验及相关数据，把车架变更设计成如图6所示：
根据上述方法，对变更后的车架进行模态、刚度、强度分析，同时与原结构进行对标分析，如表2、表3、表4所示。
从各表中可以看出，车架变更前后自由模态、刚度（除扭转刚度外）及强度，无论在应力分布和打断位置处的应力均无明显的降低，故可以看做此车架经打断补强后，与整体式车架一样。
7 结束语
本文运用建模功能非常强大的HyperMesh软件对车架变更前后的结构进行网格划分、施加边界条件等，极大地提升了前处理工作效率，再利用optistruct求解器对其结构进行模态分析、刚度分析及各工况下的强度分析，通过结构变更前后的数据相比，发现其数据变化较小，在合理的范围之内，故可认为变更后的结构也能满足要求，因而不要再去跑路试进行验证，从而实现缩短产品开发周期、降低产品设计、修改的风险及验证的成本。
参考文献
[1]吴诰皂，吴湘燕.客车车身有限元强度分析载荷条件的确定[J].机械工程学报，1997.
[2]傅志方，华宏星.模态分析理论与应用[M].上海：上海交通大学出版社，2000.
[3]吕东升，王东方，苏小平.基于HYPERWORKS的某客车车架有限元分析[J].南京工业大学， 2011（3）：11-12.
[4]周中坚，卢耀祖.机械与汽车结构的有限元分析[M].上海：同济大学出版社，1997.
[5]聂毓琴，孟广伟.材料力学[M].北京：机械工业出版社，2004.
利用CAE技术对某客车车架结构变更进行对标分析
作者：张青
来源：《科技创新与应用》2014年第03期
摘 要：文章应用Hypermesh软件建立了某客车车架结构变更前后的有限元模型，利用Optistruct求解器，进行模态、刚度和强度等分析，对结构变更前后的结果进行比对，发现两者间的差值很小，因此可以忽略这两者间的结构差别，免去结构少许改动后还要去跑路试的环节，为公司产品的变更节省了经费及保证能及时把车交付给客户。
关键词：Hypermesh；模态分析；刚度分析；强度分析；对标分析
1 引言
我司研制生产的某12米半承载客车，在国内已经经过2万公里的可靠性试验后，其各项指标都符合设计要求及国内客户反映其结构设计合理，可靠性好。但在出口海外目的地时，客户觉得中门踏步台阶宽度较小，需要增加各台阶面的宽度，经协商决定把与中门踏步地板骨架连接的半承载车架处的中间纵梁打断，并往内移动100mm。
由于这车型是典型的半承载结构，与后悬连接的部位在各路况下，其应力均较大，是比较容易破坏的区域，而打断中间纵梁对此结构更加不利。在这情况下，如何设计这部位的结构变得更加重要。因此，在设计图纸定版前进行CAE分析，对各种设计方案进行对比分析，找出最合理的方案使变更后的结构与原结构相比不会减弱很多即可。
2 有限元建模
此车是典型的三段式半承载结构，车架是主要的承载结构，因此只要对车架进行对比分析即可。为了真实地反映车架模型，采用壳单元来建立其车架等结构。在建模过程中遵循以下简化规则[1]：（1）略去一些非承载件和各种小的功能件等；（2）忽略承载结构上的各种工艺特征，如工艺孔、凸台及翻边等；（3）以中面作为板壳单元的基准面，结构间的连接关系采用共结点、刚性连接等模拟；（4）忽略了悬挂系统和空气弹簧和导向杆系；（5）将质量大且集中的零部件，如发动机、变速箱、缓速器等以集中质量单元的方式连接在各安装部位上，其余为均布质量点；（6）忽略焊接过程中出现的变形和残余应力；（7）有限元模型的总质量和重心位置与实车保证一致。
根据要求所建立的大客车车架的有限元模型如图1所示，共有1D单元8176个，2D单元184922个，结点182982个。其中三角形单元数为5832个，约占3.15%
图1 原车架有限元模型
3 原车架模态分析
由于车辆在行驶时同时受到来自路面和车桥的激振而产生振动，如果在设计时强度、抗弯刚度、扭转刚度等不足的话就会出现汽车各部件间产生共振或疲劳破坏，导致某些部件较早损坏，降低使用寿命。本文通过解算200Hz以下的前20阶固有频率和振动形态（如表1所示），来查看某些激振过大的部件。
根据这次模态分析能使我们初步判断车架的刚度及固有频率，可以使设计人员清楚的了解哪些位置容易激振并改善其结构，避免结构破坏。
4 原车架刚度分析
车架是横跨在汽车前后桥上的结构，是整车的主要承载件，车架的刚度与其上的支架及车身骨架的匹配对汽车的寿命及舒适性有重要的影响，故对车架进行刚度分析很有必要。由于汽车在行驶过程中主要工况有弯曲工况、制动工况、扭转工况和转弯工况[3]。其中弯曲、扭转工况比较常见，故主要对其进行弯曲刚度及扭转刚度的分析，其变形如图2、3所示。 图2 原车架的弯曲工况的位移云图
左侧纵梁测量点的Z向位移为0.445mm，右侧测量点的Z向位移为0.458mm。 ΔZ=（Z左+Z右）/2=0.4515mm；弯曲刚度K=2000/0.4515=4430N/mm。
左侧纵梁测量点的Z向位移为-0.896mm，右侧测量点的Z向位移为0.896mm。 前悬加载点距离为S=1146mm，两测量点距离为L=801mm。
θ=atan（|Z左|+|Z左|）/801=0.1278deg；
扭转刚度K=M/θ=3000*1.146/2/0.1278=13451N·m/deg。
5 原车架强度分析
车架的受力工况主要为满载弯曲、满载扭转、紧急制动和转弯工况。根据车辆行驶中的受力分析可知：满载弯曲工况为垂直载荷单独作用的工况；满载扭转工况为垂直载荷和侧向载荷的组合工况；紧急制动工况为垂直载荷和纵向载荷的组合工况；紧急转弯工况为垂直载荷和侧向载荷共同作用的组合工况。在这四种工况中，弯曲工况和扭转工况最为常见和最恶劣，故只对这两种工况进行CAE强度分析。
从图5中可以看到，此车架无论在弯曲工况还是在扭转工况，其大应力的部位均在后悬后部到发动机安装部位之间的区域，并且在中部纵梁大断部位的最大应力在53～115MPa，低于材料的屈服极限。
6 结构变更对标分析
为了满足客户对中门踏步骨架宽度的需求，经过协商决定在与踏步骨架连接处的纵梁打断，并补上同规格的方钢来连接打断后的大梁，根据经验及相关数据，把车架变更设计成如图6所示：
根据上述方法，对变更后的车架进行模态、刚度、强度分析，同时与原结构进行对标分析，如表2、表3、表4所示。
从各表中可以看出，车架变更前后自由模态、刚度（除扭转刚度外）及强度，无论在应力分布和打断位置处的应力均无明显的降低，故可以看做此车架经打断补强后，与整体式车架一样。
7 结束语
本文运用建模功能非常强大的HyperMesh软件对车架变更前后的结构进行网格划分、施加边界条件等，极大地提升了前处理工作效率，再利用optistruct求解器对其结构进行模态分析、刚度分析及各工况下的强度分析，通过结构变更前后的数据相比，发现其数据变化较小，在合理的范围之内，故可认为变更后的结构也能满足要求，因而不要再去跑路试进行验证，从而实现缩短产品开发周期、降低产品设计、修改的风险及验证的成本。
参考文献
[1]吴诰皂，吴湘燕.客车车身有限元强度分析载荷条件的确定[J].机械工程学报，1997.
[2]傅志方，华宏星.模态分析理论与应用[M].上海：上海交通大学出版社，2000.
[3]吕东升，王东方，苏小平.基于HYPERWORKS的某客车车架有限元分析[J].南京工业大学， 2011（3）：11-12.
[4]周中坚，卢耀祖.机械与汽车结构的有限元分析[M].上海：同济大学出版社，1997.
[5]聂毓琴，孟广伟.材料力学[M].北京：机械工业出版社，2004.