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運(yùn)用HyperWorks軟件對(duì)某客車車身骨架進(jìn)行了有限元分析建模，對(duì)5種實(shí)際模擬工況進(jìn)行了強(qiáng)度分析，旨在根據(jù)分析結(jié)果對(duì)其骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)以改善其應(yīng)力。并為輕量化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。
研究的某半承載式客車，其車身骨架由矩形薄壁梁桿件焊接而成，材料為Q235鋼，車架采用16MnL鋼，車身骨架設(shè)計(jì)安全系數(shù)為1.5，許用應(yīng)力為157MPa；該車最大載重質(zhì)量6500kg，整備質(zhì)量3900kg；整車附件包括發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、空調(diào)和油箱等；懸架為鋼板彈簧。通過分析，車身結(jié)構(gòu)可以分解為頂、側(cè)、前、后、底和車架等幾個(gè)部分，在HyperMesh中對(duì)各部分獨(dú)立建模，然后再組合成車身整體的有限元模型。建模時(shí)的一些細(xì)節(jié)處理如下：網(wǎng)格和焊接單元，采用2D殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元類型為四邊形，單元大小為15mmX15mm，車身骨架焊接處主要用重節(jié)點(diǎn)連接和Rigid單元連接2種方式來模擬。車身附件的處理：發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器及油箱質(zhì)量以質(zhì)量點(diǎn)的形式模擬，并用RBE3約束單元將質(zhì)量點(diǎn)與車身骨架連接。懸架的處理：該客車為彈簧鋼板式半承載懸架，采用剛性梁?jiǎn)卧c彈簧單元組合的形式來模擬鋼板彈簧的力學(xué)特性L2-31，其中剛性單元起導(dǎo)向作用，彈簧單元起緩沖作用。該客車前鋼板彈簧剛度為125Nm，后鋼板彈簧剛度為1951mm，彈簧單元在1D-spring中建立，剛度值在屬性中定義。載荷：分別以額定和滿載工況對(duì)車身骨架進(jìn)行有限元分析，載荷主要包括車身自重、人椅重量、頂部和后貨艙貨重。其中車身自重包括車身骨架、車架、頂板、地板、后座板及后貨艙板的重量。人椅重量用質(zhì)量點(diǎn)模擬，并將其施加在人椅重心處，用RBE3約束單元將其與車身骨架連接，考慮滿載時(shí)，過道上超載人的重量按均布載荷施加在過道上。頂部和后貨艙貨物重量以均布載荷形式施加在相應(yīng)位置，模擬載荷步中頂部和后貨艙貨重的超載系數(shù)設(shè)為1.5，其余按1.0設(shè)置。客車車身骨架有限元模型，共計(jì)189576個(gè)節(jié)點(diǎn)，188009個(gè)單元。
應(yīng)用HyperWorks軟件對(duì)車身骨架在彎曲、彎扭、剎車、轉(zhuǎn)向、彎道制動(dòng)等5種工況下分別對(duì)額定載荷和滿載載荷進(jìn)行了強(qiáng)度分析。由計(jì)算結(jié)果可知，車身骨架最大應(yīng)力值為額定工況時(shí)的198MPa和滿載時(shí)的245MPa，超出Q235許用應(yīng)力。為157MPa最大應(yīng)力點(diǎn)均位于頂蓋第3根橫梁與右側(cè)圍焊接處，該位置出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中，通過分析發(fā)現(xiàn)這主要是由于連接位置采用直角過渡，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理造成的，可通過加加強(qiáng)板或增加接頭處梁的板厚來減少該位置的應(yīng)力水平。另外，左右側(cè)圍后部乘客座椅斷開梁處應(yīng)力也較大，可通過改進(jìn)該處的結(jié)構(gòu)來減少該位置的應(yīng)力水平。而其他位置應(yīng)力絕大部分都在22MPa以下。
總體來說，彎曲工況下車身骨架的整體強(qiáng)度具有較大的余量。參照行業(yè)規(guī)范和該客車實(shí)際運(yùn)營道路情況，對(duì)額定載荷及滿載載荷各考慮彎扭組合工況的6種情況。由應(yīng)力云圖分析發(fā)現(xiàn)工況相同的情況下出現(xiàn)應(yīng)力集中的位置是一樣的。額定載荷下部分工況應(yīng)力圖。具體各工況應(yīng)力最大值及對(duì)應(yīng)位置。由計(jì)算結(jié)果分析可知，額定工況的6種情況絕大部分構(gòu)件的應(yīng)力在30MPa以下。總體來說，車身骨架的應(yīng)力較低，只有個(gè)別應(yīng)力集中的區(qū)域接近或超過材料Q235的屈服強(qiáng)度，高應(yīng)力區(qū)域主要出現(xiàn)在頂蓋橫梁與側(cè)圍焊接處以及左右側(cè)圍后部連接乘客座椅斷開梁處。與彎曲工況相比，彎扭工況6種情況的應(yīng)力相差不多。除去上述高應(yīng)力區(qū)域，車身骨架的強(qiáng)度富有較大余量。其余剎車、轉(zhuǎn)向、彎道制動(dòng)工況的強(qiáng)度分析結(jié)果不在這里贅述，由強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果分析匯總可知，5種工況下出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位大體一致，主要出現(xiàn)在車身骨架頂蓋橫梁與側(cè)圍焊接處以及左右側(cè)圍后部連接乘客座椅斷開梁處。因此需對(duì)骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)以改善其應(yīng)力分布及大小。
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