基于Nastran的某客車有限元分析

1、基于nastran的某客車有限元分析耿廣銳 嚴(yán)錦偉 趙幼平 郭友利（東風(fēng)商用車技術(shù)中心 湖北武漢 430056 ）（1.摘要：應(yīng)用nastran軟件對(duì)某客車的三種結(jié)構(gòu)形式：車架、車架+車身骨架、車架+車身骨架+蒙皮進(jìn)行純彎、彎扭組合、加速、緊急制動(dòng)、急轉(zhuǎn)彎等工況下的強(qiáng)度分析以及自由模態(tài)和剛度的計(jì)算。比較不同結(jié)構(gòu)形式對(duì)分析結(jié)果的影響程度，從而為以后按不同的分析目的來(lái)建立最簡(jiǎn)單的分析模型積累經(jīng)驗(yàn)。最后通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)成功的降低車身地板高應(yīng)力部位的應(yīng)力水平并對(duì)車身成功減重。關(guān)鍵詞：客車；強(qiáng)度；剛度；自由模態(tài)finite element analysis for city bus based on n

2、astrangeng guang-rui yan jin-wei zhao you-ping guo you-li（dfl commercial vehicle technical center ,wuhan 430056,china)abstract：applying nastran software on three forms of the bus: frame, frame+body framework, frame+ body framework+body skin to analyses the strength in the condition: bending, the com

3、bination of bending and torsion, acceleration, emergency braking condition, emergency steering, etc, and the analyses of free mode and stiffness. comparing the effect of different structural forms to the results of the analysis. the results are of great significance as building the simplest fea mode

4、l by different purpose. finally, to reduce the stress level of the body floor by optimizing structure, reduced the weight of the city bus body.key words：city bus；strength；stiffness；free mode1引言眾所周知，利用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析可以減少成本、縮短工作周期。而且只要保證模型和邊界條件的的準(zhǔn)確性，就能得到精確的計(jì)算結(jié)果?？蛙囓嚿砜傮w上為框架式結(jié)構(gòu)，在其開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)其各個(gè)部件和總成的強(qiáng)度和剛度要求是最基本的。以

5、某客車為研究對(duì)象，應(yīng)用結(jié)構(gòu)分析軟件nastran對(duì)其進(jìn)行了三種結(jié)構(gòu)形式下的強(qiáng)度、剛度、模態(tài)對(duì)比分析，最終在開(kāi)發(fā)的早期階段就能找到最合理、經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案，并為以后的工作積累經(jīng)驗(yàn)。2 結(jié)構(gòu)模型化2.1客車主要為板材結(jié)構(gòu)，大部分為薄板件，根據(jù)這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用薄板單元對(duì)該客車進(jìn)行模型化，并用剛性單元和梁?jiǎn)卧约爸毓?jié)點(diǎn)來(lái)模擬焊接、鉚接及螺栓連接，車架懸置彈簧則用彈簧元來(lái)模擬。圖1為客車整車有限元模型圖，結(jié)構(gòu)模型共劃分節(jié)點(diǎn)338206個(gè)，單元381085個(gè)。圖1客車整車有限元模型圖2.2邊界條件2.2.1 材料特性分析客車骨架所用材料為q235，屈服極限為235 mpa，車架所有材料為dl510，屈服極

6、限為345mpa,泊松比=0.3，彈性模量e=208gpa，密度=7.8210kg/m。車架懸置彈簧的剛度參數(shù)：前懸置彈簧的垂直剛度系數(shù)：c前=134.9kn/m；后懸置彈簧的垂直剛度系數(shù)：c后=206.6kn/m。2.2.2 計(jì)算載荷與工況1）在進(jìn)行整車應(yīng)力分析時(shí)，考慮了絕大部分施加在車架上的外載荷、分布在地板上的乘客重量、分布在行李艙橫梁上的行李和備胎重量包括：轉(zhuǎn)向機(jī)： 20 kg 水箱、中冷器及調(diào)整機(jī)構(gòu)： 30 kg 動(dòng)力總成： 520 kg 干燥器及卸載閥： 12 kg空濾器： 10 kg 車架左側(cè)儲(chǔ)氣筒： 15kg 油箱： 110 kg 車架右側(cè)儲(chǔ)氣筒： 12kg備胎： 90 kg

7、車架后橫梁儲(chǔ)氣筒： 12kg行李： 220 kg 車身帶全部裝備： 2160kg乘客： 1840kg3 分析結(jié)果3.1模態(tài)分析結(jié)果對(duì)客車車架、車架車身骨架、車架車身骨架蒙皮提取了前五階振動(dòng)模態(tài)（見(jiàn)表1），圖2圖4為模態(tài)振型圖。表1 模態(tài)分析結(jié)果方案模態(tài)階數(shù)車架車架車身骨架車架車身骨架蒙皮頻率（hz）振型頻率（hz）振型頻率（hz）振型一階模態(tài)5扭轉(zhuǎn)10.9整體扭轉(zhuǎn)14.2車身前部扭轉(zhuǎn)二階模態(tài)20.1橫向彎曲12.3車身前部扭轉(zhuǎn)15.3整體扭轉(zhuǎn)三階模態(tài)22橫向二彎17.1車頂擺動(dòng)21.9頂蓋打鼓四階模態(tài)31.6垂直彎曲17.2橫向彎曲23.7橫向彎曲五階模態(tài)40.2扭轉(zhuǎn)18.8彎扭組合23.8垂

8、直彎曲圖2 光車架模態(tài)振型圖圖3 車架車身骨架模態(tài)振型圖圖4 車架車身骨架蒙皮模態(tài)振型圖3.2強(qiáng)度分析結(jié)果考慮到該客車的車架為整體式車架，單獨(dú)計(jì)算車架強(qiáng)度沒(méi)有太大意義，所以強(qiáng)度分析以車架+車身骨架、車架+車身骨架+蒙皮兩種形式為主。車架+車身骨架+蒙皮的強(qiáng)度結(jié)果與實(shí)際應(yīng)該更接近一些。由于強(qiáng)度分析時(shí)的高應(yīng)力區(qū)多出現(xiàn)在車架和地板上，而其它部位如前圍、后圍、側(cè)圍的應(yīng)力水平在各個(gè)工況下都較低，在結(jié)果中主要體現(xiàn)在車架和地板的應(yīng)力水平（見(jiàn)表2），圖5至圖8為高應(yīng)力區(qū)部位應(yīng)力分布圖。表2 客車整車應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 (單位：mpa)工況總成高應(yīng)力區(qū)部位最大應(yīng)力值（車架+車身骨架+蒙皮）最大應(yīng)力值（車架車身骨架）彎

9、曲工況車身骨架車門(mén)處座椅安裝梁與地板橫梁連接處151152行李艙縱梁與地板橫梁連接處137174后排座橫梁與立柱連接處128159車架縱梁上與后牛腿連接處9580側(cè)圍車門(mén)處側(cè)圍與地板橫梁連接處127128彎扭組合工況車身骨架行李艙縱梁與地板橫梁連接處148189車門(mén)處座椅安裝梁與地板橫梁連接處145147后排座橫梁與立柱連接處139171車架車架上第二根橫梁與縱梁連接的u形板處151162車架縱梁與后牛腿連接處114105側(cè)圍車門(mén)處側(cè)圍與地板橫梁連接處127128加速工況車身骨架地板橫梁與倒數(shù)第二根牛腿連接處157120地板橫梁與后牛腿連接處145175后排座橫梁與立柱連接處144191車架油

10、箱支架處224224側(cè)圍車門(mén)處側(cè)圍與地板橫梁連接處130127制動(dòng)工況車身骨架地板橫梁與后牛腿連接處267244車門(mén)處座椅安裝梁與地板橫梁連接處222210地板橫梁與倒數(shù)第二根牛腿連接處180143車架油箱支架304304車架縱梁與后牛腿連接處138150側(cè)圍車門(mén)處側(cè)圍與地板橫梁連接處123155轉(zhuǎn)彎工況車身骨架地板橫梁與后牛腿連接處285291行李艙縱梁與地板橫梁連接處215244后排座橫梁與立柱連接處192241車架車架上第二根橫梁與縱梁連接的u形板上285245縱梁上與前懸第二懸制塊連接處266245縱梁上與前懸第一懸制塊連接處249232縱梁上與后牛腿連接處161136側(cè)圍車門(mén)處側(cè)圍與

11、地板橫梁連接處136147圖5 彎曲工況下客車各部位應(yīng)力分布圖（單位：kpa）圖6彎扭組合工況下車架上第二根橫梁與縱梁連接的u形板處局部應(yīng)力分布圖（單位：kpa）圖7 加速工況下客車各部位應(yīng)力分布圖（單位：kpa）圖8 轉(zhuǎn)彎工況下客車各部位應(yīng)力分布圖（單位：kpa）3.3改進(jìn)方案的強(qiáng)度分析結(jié)果（1） 考慮到座椅安裝梁的位置可能改變，去掉地板上座椅安裝梁（如圖9所示，圖中紅色的梁為要去掉的梁），同時(shí)也去掉側(cè)圍上的槽鋼（如圖10所示，粉色的為要去掉的梁）后看其對(duì)地板的強(qiáng)度有無(wú)影響。 圖9 客車地板上要去掉的座椅安裝梁示意圖 圖10客車側(cè)圍上要去掉的座椅安裝梁示意圖去掉這些梁后進(jìn)行的強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果顯示

12、出車門(mén)處側(cè)圍與地板橫梁連接處在彎曲工況下偏高，最大應(yīng)力值達(dá)到229 mpa，而在制動(dòng)工況下側(cè)圍與后排座橫梁連接處偏高，最大應(yīng)力值達(dá)到292 mpa，（見(jiàn)圖11、12）因此需要添加橫梁來(lái)消除側(cè)圍上的高應(yīng)力區(qū)（見(jiàn)圖13，紅色的梁為新加的梁），彎曲工況下側(cè)圍的最大應(yīng)力值可降低到107 mpa，制動(dòng)工況下最大應(yīng)力值可降低到117 mpa。 圖11去掉梁槽形梁后彎曲工況下側(cè)圍的局部應(yīng)力分布圖 圖12去掉槽形梁后制動(dòng)工況下側(cè)圍的局部應(yīng)力分布圖圖13 客車地板上要添加的梁示意圖 在新方案下，對(duì)車架車身骨架蒙皮在各個(gè)工況下的強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如表3：表3：新方案下地板的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 (單位：mpa)工況高應(yīng)力區(qū)部位

13、新方案的最大應(yīng)力值原方案的最大應(yīng)力值彎曲工況行李艙縱梁與地板橫梁連接處144137彎扭組合工況行李艙縱梁與地板橫梁連接處167148加速工況后排座橫梁與立柱連接處144144制動(dòng)工況地板橫梁與后牛腿連接處291267轉(zhuǎn)彎工況地板橫梁與后牛腿連接處234285（2） 考慮到新方案在制動(dòng)時(shí)地板橫梁與后牛腿連接處的最大應(yīng)力值達(dá)到291 mpa，超出了材料屈服強(qiáng)度，可考慮在牛腿處施加三個(gè)支撐（圖14），將應(yīng)力轉(zhuǎn)移。施加支撐后橫梁的最大應(yīng)力值降低至137 mpa，但牛腿升高至275 mpa（如圖15、16所示），考慮此時(shí)可將牛腿厚度由1.5mm增加到2mm，此時(shí)牛腿的應(yīng)力降至221 mpa。圖14 地板

14、橫梁與后牛腿連接處施加支撐示意圖 圖15添加支撐后牛腿處局部應(yīng)力分布圖 圖16添加支撐后地板橫梁與后牛腿連接處局部應(yīng)力分布圖（3）考慮車架上第二根橫梁與縱梁連接的u形板處的應(yīng)力在轉(zhuǎn)彎的工況下偏高，達(dá)到了285 mpa，若將u形板料厚由4mm增加到6mm，最大應(yīng)力值可降低至202 mpa。3.4剛度分析結(jié)果對(duì)原方案三種結(jié)構(gòu)形式以及對(duì)新方案車架+車身骨架+蒙皮分別進(jìn)行了彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表4。表4 客車剛度計(jì)算結(jié)果 結(jié)構(gòu)形式（原方案）彎曲剛度(單位：)扭轉(zhuǎn)剛度（單位：）車架（原方案）912714116687車身骨架（原方案）1388469344368車架+車身骨架+蒙皮（原方案）13

15、91582641777車架+車身骨架+蒙皮（新方案）14041766536624 結(jié)果分析與討論1、模態(tài)計(jì)算時(shí)蒙皮對(duì)頻率的影響較大，車身加骨架的一扭頻率是10.9hz, 車身加骨架加蒙皮的一扭頻率是15.3hz。2、強(qiáng)度計(jì)算時(shí)蒙皮對(duì)應(yīng)力的影響相對(duì)較小。3、原方案的地板最大應(yīng)力是產(chǎn)生在轉(zhuǎn)彎工況下地板橫梁與后牛腿連接處，最大應(yīng)力值為285 mpa，其他部位都低于材料的屈服應(yīng)力235 mpa，可考慮在扭腿附近施加支撐來(lái)降低應(yīng)力水平。在新方案下最大應(yīng)力出現(xiàn)在制動(dòng)工況下，最大應(yīng)力值為291 mpa，此時(shí)施加三個(gè)支撐，并將此處的牛腿料厚增加到2mm，此時(shí)橫梁的最大應(yīng)力降低至137 mpa，牛腿處的最大應(yīng)力降低至221 mpa，效果較為明顯，建議采用。4、在車架上的第二根橫梁與縱梁連接的u形板處在轉(zhuǎn)彎工況下偏高，最大應(yīng)力值為285 mpa，若將該u形板料厚增加到6mm，最大應(yīng)力值降低至202 mpa，效果較為明顯，建議采用。5、由表3可以看出原方案的地板和側(cè)圍上的座椅安裝梁對(duì)地板的強(qiáng)度影響不大，可以去掉，但需補(bǔ)充梁（30x30mm，見(jiàn)圖13），由表4也可以看出新方案的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度相比原方案沒(méi)有明顯的變化，改進(jìn)方案合理、可行。新方案相對(duì)原方案減重33kg。 參考文獻(xiàn)：1 付永華. 有限元分析基