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該客車車架采用三段式結(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。車身骨架主要由異型鋼管焊接而成。在設(shè)計之初，試驗樣車尚未定型，整體結(jié)構(gòu)是否滿足強度要求無法掌握，因此，有必要借助有限元通過仿真CAE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，以達到強度要求。同時可以大大減少研發(fā)成本，提高設(shè)計效率。
整個客車骨架模型用殼單元劃分網(wǎng)格，單元基本尺寸為10m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，建模過程中將整體骨架劃分為7個模塊：前圍、后圍、左側(cè)圍、右側(cè)圍、車內(nèi)扶手、頂棚和車架，如圖所示。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而獨立檢查模型，然后整體檢查模型的連接。
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，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)點比較困難的則采用剛性連接。完整的有限元模型如圖所示。
主要分析四種典型工況下的強度，通過約束懸架四個板簧中心點位置(見圖)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，“一”表示該位置無載荷或者無約束。
分別根據(jù)以上四種工況的載荷與邊界條件，提交Nastran分析，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。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5所示，在極限工況下，接頭位置最大應(yīng)力超過300 MPa，而材料的屈服應(yīng)力為240 MPa。其他工況中，應(yīng)力也較大，此處設(shè)計存在較大風險。
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)力均超過了300 MPa。如圖6所示，可見接頭處明顯出現(xiàn)應(yīng)力集中。
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7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。
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，因此，承載梁的連接處應(yīng)力較大。
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