HFF6137K86型客車全承載骨架有限元分析

...wd...HFF6137K86型客車全承載骨架有限元分析本次分析建設(shè)了全承載骨架有限元?dú)卧Ｐ?，對其進(jìn)展靜力分析、模態(tài)分析、頻率響應(yīng)分析和疲勞分析；為下一步設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，并根據(jù)分析結(jié)果，提出了改良設(shè)計(jì)建議。關(guān)鍵詞：全承載；有限元分析；殼單元前言HFF6137K86型客車是安凱汽車股份批量出口的特大型高性能全承載式客車。全承載式車身由矩形管和異型管焊接而成，形成封閉式“鳥籠〞構(gòu)造，從而到達(dá)車身骨架各梁均勻受力的效果，減小應(yīng)力集中。該車車身長13.7米，設(shè)計(jì)要求乘坐舒適，行駛平穩(wěn)，安全性能好。所以研究和分析該車身構(gòu)造的靜動(dòng)態(tài)特性非常重要。由于該車身構(gòu)造是一個(gè)非常復(fù)雜的板殼構(gòu)造，不可能應(yīng)用簡單的力學(xué)公式直接計(jì)算，而必須把其構(gòu)造離散化，利用NXNASTRAN有限元軟件進(jìn)展計(jì)算分析，得出的分析結(jié)果。1前處理〔1〕模型簡化在建模過程中遵循以下原那么：=1\*GB3①建設(shè)所有構(gòu)造件的有限元模型。=2\*GB3②因?yàn)楣δ苄詷?gòu)造只奉獻(xiàn)質(zhì)量而不奉獻(xiàn)剛度，所以功能性的有限元模型暫不考慮。=3\*GB3③考慮到該模型主要用于骨架構(gòu)造可靠性分析，在模型中考慮了焊點(diǎn)的連接關(guān)系，但并不細(xì)究焊點(diǎn)本身的應(yīng)力水平。=4\*GB3④沒有考慮懸掛對模態(tài)分析的影響〔2〕網(wǎng)格劃分在UG軟件中建設(shè)三維幾何模型，抽取中面，在AdvancedSimulation模塊進(jìn)展有限元前后處理。根據(jù)車身構(gòu)造特點(diǎn)，有限元模型大局部采用二維四結(jié)點(diǎn)〔QUAD4〕和二維三結(jié)點(diǎn)〔TRIA3〕殼單元；安裝車橋的極少數(shù)零件采用四面體〔TRIA10〕單元。相對于以往的梁單元模擬，不僅提高局部區(qū)域的精度，還可提高模態(tài)分析的準(zhǔn)確度?？蛙嚬羌苣Ｐ蛦卧倲?shù)為:588435；節(jié)點(diǎn)總數(shù)為:553109?！?〕邊界條件車身材料屬性為16Mn；車架上所有的鉚釘連接和螺栓連接采用剛性單元〔RBE2或RBE3〕模擬；汽車零部件〔包括乘員和駕駛員〕以集中質(zhì)量的形式引入〔CONM2〕，而乘員和駕駛員那么通過剛性單元加到座椅支撐點(diǎn)〔面〕上。汽車底盤零部件以集中質(zhì)量的形式載入；其余相應(yīng)的裝配件質(zhì)量以均布力的方式加載。表1為主要承載物〔人〕的質(zhì)量，其中駕駛員和乘員以83Kg/人〔澳洲標(biāo)準(zhǔn)〕加載到座椅連接到底架上；在8個(gè)氣囊的安裝位置對自由度進(jìn)展約束。圖1是該車的有限元模型構(gòu)造。內(nèi)容質(zhì)量質(zhì)心高度內(nèi)容質(zhì)量質(zhì)心高度整車骨架(含倉門)52001700司機(jī)座椅＋司機(jī)1331500空調(diào)3283719儀表臺301665發(fā)動(dòng)機(jī)及附件1030926玻璃(側(cè)雙層)5202820水箱中冷器消聲器空濾器+防凍液2501042加熱器+暖氣+除霜器＋電池3001640變速箱帶緩速器626674木地板3421500頂內(nèi)裝飾4203550地板革942265座椅＋乘客44220xx左前13油箱(400L)(加油)422822682140后排2衛(wèi)生間+水16212301702012右前51702030右后5表1主要承載物質(zhì)量及質(zhì)心高度圖1有限元模型2靜力分析〔1〕靜力分析模擬汽車滿載靜止和勻速行駛時(shí)的工況。滿載受力狀況包括最大乘員數(shù)量，最大行李承載質(zhì)量等等。除繞車軸中心線旋轉(zhuǎn)以外的自由度全部約束。導(dǎo)入NXNASTRAN軟件進(jìn)展求解運(yùn)算。分析結(jié)果顯示，最大位移8.20mm，位于衛(wèi)生間安裝支架位置；最大應(yīng)力為460MPa，大于16Mn的屈服極限345MPa，位于駕駛員座椅安裝位置，顯然該處的構(gòu)造需要調(diào)整。位移較大的區(qū)域有頂蓋空調(diào)安裝位置6.73mm?！?〕提出如下改良方案：駕駛員座椅支架處焊接厚度為3mm的鋼板與側(cè)圍橫梁連接；在廁所支架與側(cè)圍底梁之間焊接壁厚為2mm的矩形管以支撐；將頂蓋的橫4梁料厚從2mm改為3mm。改良后最大位移為5.88mm，位于頂蓋空調(diào)安裝位置；最大應(yīng)力129MPa，位于后橋與側(cè)圍連接處。改良后位移云圖如圖2：圖2位移云圖3模態(tài)分析汽車車身是一個(gè)多自由度振動(dòng)系統(tǒng)，在行駛中會收到多方的鼓勵(lì)。當(dāng)鼓勵(lì)頻率接近車身整體的固有頻率時(shí)有可能產(chǎn)生共振，這對于采用焊接工藝的車身來說危害是相當(dāng)大的。通過模態(tài)分析我們可以確定整車的固有頻率分布，使得鼓勵(lì)盡量避開整體共振頻率區(qū)域?？紤]到外部鼓勵(lì)多處于低頻區(qū)域，所以此處取前10階模態(tài)值。結(jié)果如見表2：階數(shù)頻率〔Hz〕模態(tài)階數(shù)頻率〔Hz〕16.962側(cè)圍扭彎612.15整體彎曲模態(tài)27.857整體扭轉(zhuǎn)713.39后輪擋泥板支架管振動(dòng)39.646后圍底部扭轉(zhuǎn)814.32后輪擋泥板支架管振動(dòng)411.35后輪擋泥板支架管振動(dòng)914.43左側(cè)圍和頂蓋局部振動(dòng)511.53后輪擋泥板支架管振動(dòng)1015.03后輪擋泥板支架管振動(dòng)表2各階模態(tài)值其中整車模態(tài)中，一階整體扭轉(zhuǎn)模態(tài)為7.857Hz，如圖3；一階整體彎曲模態(tài)為12.15Hz，如圖4。根據(jù)以往數(shù)據(jù)比照，要高于車架式類型的客車車身，說明該全承載式骨架剛度明顯強(qiáng)于車架式客車骨架。發(fā)動(dòng)機(jī)是最直接的鼓勵(lì)，也是最容易產(chǎn)生振動(dòng)的鼓勵(lì)源。HFF6137K86型客車配備的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速鼓勵(lì)頻率約為15Hz，與一階彎曲模態(tài)差值大于2Hz以上，有效地避開了車身的一階整體模態(tài)。圖3一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)圖4一階彎曲模態(tài)4頻率響應(yīng)分析在不考慮6個(gè)輪子的相位差的情況下，輪心一同受到路面鼓勵(lì)，路譜函數(shù)如下：國家D級道路路譜通過響應(yīng)分析，比照k86客車骨架滿載靜力分析的結(jié)果，分別對幾個(gè)應(yīng)力位移較敏感的部位，分別求得其位移和應(yīng)力響應(yīng)函數(shù)。駕駛員座椅位置位移響應(yīng)曲線后座椅安裝位置位移響應(yīng)曲線發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置位移響應(yīng)曲線前橋安裝位置位移響應(yīng)曲線發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置應(yīng)力響應(yīng)曲線駕駛員座椅、后座椅和前橋安裝位置應(yīng)力響應(yīng)曲線從以上各個(gè)重點(diǎn)考察位置的位移應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果可知：位移響應(yīng)結(jié)果基本都在10mm以下，應(yīng)力結(jié)果在100MPa以下。5疲勞分析基于第一局部對k86客車骨架模型滿載靜力分析的結(jié)果進(jìn)展疲勞分析，采用應(yīng)力壽命法評估得到k86客車骨架模型的疲勞壽命。根據(jù)材料的疲勞屬性和S-N曲線。從疲勞分析的結(jié)果可知，k86客車骨架的最小疲勞壽命為7.529E5次，疲勞強(qiáng)度安全因子最小為1.227。圖5疲勞壽命云圖6完畢語本次分析建設(shè)了HFF6137K86客車全承載車身構(gòu)造有限元數(shù)學(xué)模型,熟練了NXNASTRAN有限元分析軟件的分析步驟及方法；完善了有限元分析的數(shù)據(jù)庫，了解了車輛應(yīng)力及變形及模態(tài)的應(yīng)用，學(xué)習(xí)了疲勞分析及響應(yīng)分析的方法。學(xué)會了優(yōu)化設(shè)計(jì)及局部構(gòu)造改良要求的原理。通過與以前與其他單位的合作分析結(jié)果及試驗(yàn)數(shù)據(jù)比照后說明，該車剛度和強(qiáng)度符合車輛運(yùn)行的需求。參考文獻(xiàn)：[1]馮國勝.客車車身的有限元分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào).1999，35〔1〕：91~94[2]屈求真轎車車身構(gòu)造的有限元分析與評價(jià).汽車工程.1996，18〔3〕:148~151[3]陳燕大客車車身構(gòu)造的力學(xué)分析.客車技術(shù)與研究.2005，第4期：6~9本文汪中傳單位：安凱汽車股份地址：合肥市安凱汽車股份技術(shù)中心：230051性別：男出生年月：1973.01職稱：高級工程師-MAIL：WZC1973@163周濤單位：安凱汽車股份地址：合肥市安凱汽車股份技術(shù)中心：230051性別：男出生年月：1986.10職