CAE于某公交客車的強度分析與優(yōu)化

 1、引言

 公交客車是我國城鎮(zhèn)居民最主要的交通工具。隨著城市的發(fā)展，城市人口數(shù)量大幅增長，市民活動范圍也大幅擴大，這對城市公交客車提出了更高的要求和需求。為了滿足這種逐漸增長的需求，廣汽集團研發(fā)了一款低地板一級踏步8米公交客車。

 該客車車架采用的是三段式結(jié)構(gòu)，即分為前駕駛區(qū)域、中部乘客聚集區(qū)域以及后部發(fā)動機區(qū)域，如圖1所示。車身骨架主要由型鋼搭接焊接而成。在設(shè)計之初，試驗樣車尚未定型，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計是否滿足強度要求無法掌握，因此有必要借助有限元分析技術(shù)，通過仿真分析四種典型工況下的車身骨架和車架的強度，找出應(yīng)力集中的區(qū)域，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力，以達到設(shè)計要求[2~9]。同時可以大大減少研發(fā)成本，提高設(shè)計效率。

圖1車架結(jié)構(gòu)示意圖

 2、有限元分析

（1）建立有限元模型

 整個客車骨架的有限元模型，在HyperMesh中創(chuàng)建，強度計算通過OptiStruct實現(xiàn)，結(jié)果在HyperView中處理。

 用殼單元劃分網(wǎng)格，單元基本尺寸為10mm左右，整個骨架共劃分722232個單元，751928個節(jié)點，其中四邊形單元717767個，三角形單元4465個，三角形單元占總單元比例為0.6%。

 建模過程中將整體骨架劃分為7個部分：前圍、后圍、左側(cè)圍、右側(cè)圍、車內(nèi)扶手、頂棚和車架，如圖2所示。通過模塊的劃分，一方面可以增加協(xié)作性，項目組每個成員劃分一個部分的網(wǎng)格，然后整體連接；另一方面可以減少模型連接的錯誤，在每個劃分的總成里面獨立檢查模型，然后整體檢查模型的連接。

圖2建模過程總成劃分圖

 有限元模型中，縫焊的模擬主要采用兩種方式：一種是節(jié)點共用，這種方式的精度很高，但是建模效率較低；另一種是采用剛性梁單元在縫焊位置連接相應(yīng)的單元節(jié)點來模擬實際的焊接，這種連接方式不必要求節(jié)點嚴格對齊，可大大提高效率。本文主要采用共用節(jié)點的方式，對于部分接頭，共用節(jié)點比較困難，則采用剛性連接。完整的有限元模型如圖3所示。

圖3整體骨架有限元模型

 （2）邊界條件及工況

 本分析主要研究四種典型工況下的強度，工況描述如圖4所示[10~11]。圖中a、b、c、d四點表示四個板簧中心點位置，通過約束這四個點來組合模擬各種工況。表1描述了四種工況，其中g(shù)表示重力加速度，約束的數(shù)字表明的是該位置的自由度方向，“1、2、3”分別表示X，Y，Z三個自由度方向，“-”表示該位置無載荷或者無約束。

表1工況描述表

圖4計算工況描述示意圖

 根據(jù)以上四種工況的載荷與邊界條件設(shè)置分析工況，提交OptiStruct分析，計算整體結(jié)構(gòu)強度。根據(jù)強度分析結(jié)果，找到整體結(jié)構(gòu)中主要的應(yīng)力集中區(qū)域。圖5~8是四種工況下的強度分析結(jié)果。

圖5制動工況應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖6轉(zhuǎn)彎工況應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖7極限工況應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖8彎曲工況應(yīng)力云圖（單位：MPa）

 根據(jù)以上強度分析結(jié)果，應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在以下區(qū)域：

 （1）左、右側(cè)圍后立柱處。如圖9所示，在極限工況下，接頭位置最大應(yīng)力超過了300MPa，而材料的屈服應(yīng)力為240MPa，其他工況中，應(yīng)力也較大，此處設(shè)計存在較大風(fēng)險。

圖9側(cè)圍后立柱應(yīng)力結(jié)果（單位：MPa）

 （2）右側(cè)圍中門立柱連接處。中門位置由兩個立柱通過短梁搭接到車架上。經(jīng)過四種工況分析，發(fā)現(xiàn)在彎曲，極限和轉(zhuǎn)彎工況下，門立柱連接位置均出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力均超過300MPa。如圖10所示，可見接頭處的明顯出現(xiàn)應(yīng)力集中。

圖10中門立柱附近應(yīng)力結(jié)果（單位：MPa）

 （3）頂蓋上縱梁與橫梁搭接處。在極限工況和轉(zhuǎn)彎工況下，頂蓋縱梁與連接橫梁之間應(yīng)力均超過了300MPa，超過材料的屈服極限。需要加強該位置的接頭設(shè)計，提高連接強度。圖11是該位置的應(yīng)力結(jié)果，可見連接位置的應(yīng)力集中比較明顯。

圖11頂蓋接頭位置應(yīng)力結(jié)果（單位：MPa）

 （4）車架后端，發(fā)動機安裝縱梁搭接處。發(fā)動機安裝在三段式車架的后端，整個自重完全由兩個縱梁來承擔(dān)，因此承載梁的連接處應(yīng)力較大。如圖12所示。

圖12發(fā)動機安裝梁搭接處應(yīng)力結(jié)果（單位：MPa）

 3、結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進

 根據(jù)有限元分析，可以明確整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況，找到應(yīng)力集中區(qū)域。然后對結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理的區(qū)域進行優(yōu)化。根據(jù)以上分析針對四個應(yīng)力集中區(qū)域分別改進設(shè)計。主要優(yōu)化措施如下：

 （1）將上下兩端立柱對齊，減少上下兩個立柱之間交叉形成的剪切力，如圖13所示。

圖13側(cè)圍后立柱結(jié)構(gòu)更改示意圖

 （2）改進中門立柱處連接形式，如圖14所示。

圖14中門立柱連接方式更改示意圖

 （3）加強頂蓋橫梁與縱梁之間的連接，如圖15所示。

圖15頂蓋橫梁與縱梁接頭更改示意圖

 （4）增大后縱梁材料厚度和垂向高度。將厚度由初始設(shè)計的4mm增大到5mm，同時將縱梁垂向高度h增大10mm，如圖16所示。

圖16后縱梁示意圖

 根據(jù)以上優(yōu)化方案，改進結(jié)構(gòu)后重新進行四個工況的強度分析，可見幾個區(qū)域的應(yīng)力有了比較明顯的改變，最大應(yīng)力大小由原始結(jié)構(gòu)的超過300MPa，減小到200MPa左右，滿足強度要求，達到了較好的效果。圖17~20是經(jīng)過更改后的四個局部區(qū)域結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖。

圖17側(cè)圍后立柱更改后應(yīng)力（單位：MPa）

圖18中門立柱結(jié)構(gòu)更改后應(yīng)力（單位：MPa）

圖19頂蓋接頭增強后應(yīng)力（單位：MPa）

圖20后縱梁更改后應(yīng)力（單位：MPa）

 4、結(jié)論

 本文應(yīng)用有限元方法分析了一款8米城市公交客車骨架的強度，通過四種典型工況的評估，找到結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的區(qū)域，并優(yōu)化改進這些區(qū)域的局部結(jié)構(gòu)，改善了應(yīng)力集中情況，實現(xiàn)了強度設(shè)計目標。通過應(yīng)用HyperWorks輔助設(shè)計，可以大大提高設(shè)計效率，減少試驗次數(shù)，降低研發(fā)成本，獲得可觀的效益。

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