CAE于某公交客車(chē)的強(qiáng)度分析與優(yōu)化
1、引言
公交客車(chē)是我國(guó)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(zhǎng)，市民活動(dòng)范圍也大幅擴(kuò)大，這對(duì)城市公交客車(chē)提出了更高的要求和需求。為了滿(mǎn)足這種逐漸增長(zhǎng)的需求，廣汽集團(tuán)研發(fā)了一款低地板一級(jí)踏步8米公交客車(chē)。
該客車(chē)車(chē)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(dòng)機(jī)區(qū)域，如圖1所示。車(chē)身骨架主要由型鋼搭接焊接而成。在設(shè)計(jì)之初，試驗(yàn)樣車(chē)尚未定型，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足強(qiáng)度要求無(wú)法掌握，因此有必要借助有限元分析技術(shù)，通過(guò)仿真分析四種典型工況下的車(chē)身骨架和車(chē)架的強(qiáng)度，找出應(yīng)力集中的區(qū)域，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求[2~9]。同時(shí)可以大大減少研發(fā)成本，提高設(shè)計(jì)效率。
圖1車(chē)架結(jié)構(gòu)示意圖
2、有限元分析
（1）建立有限元模型
整個(gè)客車(chē)骨架的有限元模型，在HyperMesh中創(chuàng)建，強(qiáng)度計(jì)算通過(guò)OptiStruct實(shí)現(xiàn)，結(jié)果在HyperView中處理。
用殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，單元基本尺寸為10mm左右，整個(gè)骨架共劃分722232個(gè)單元，751928個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中四邊形單元717767個(gè)，三角形單元4465個(gè)，三角形單元占總單元比例為0.6%。
建模過(guò)程中將整體骨架劃分為7個(gè)部分：前圍、后圍、左側(cè)圍、右側(cè)圍、車(chē)內(nèi)扶手、頂棚和車(chē)架，如圖2所示。通過(guò)模塊的劃分，一方面可以增加協(xié)作性，項(xiàng)目組每個(gè)成員劃分一個(gè)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(cuò)誤，在每個(gè)劃分的總成里面獨(dú)立檢查模型，然后整體檢查模型的連接。
圖2建模過(guò)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(diǎn)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?jiǎn)卧诳p焊位置連接相應(yīng)的單元節(jié)點(diǎn)來(lái)模擬實(shí)際的焊接，這種連接方式不必要求節(jié)點(diǎn)嚴(yán)格對(duì)齊，可大大提高效率。本文主要采用共用節(jié)點(diǎn)的方式，對(duì)于部分接頭，共用節(jié)點(diǎn)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(qiáng)度，工況描述如圖4所示[10~11]。圖中a、b、c、d四點(diǎn)表示四個(gè)板簧中心點(diǎn)位置，通過(guò)約束這四個(gè)點(diǎn)來(lái)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(gè)自由度方向，“-”表示該位置無(wú)載荷或者無(wú)約束。
表1工況描述表
圖4計(jì)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(jì)算整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。根據(jù)強(qiáng)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(qiáng)度分析結(jié)果。
圖5制動(dòng)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(qiáng)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(guò)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(jì)存在較大風(fēng)險(xiǎn)。
圖9側(cè)圍后立柱應(yīng)力結(jié)果（單位：MPa）
（2）右側(cè)圍中門(mén)立柱連接處。中門(mén)位置由兩個(gè)立柱通過(guò)短梁搭接到車(chē)架上。經(jīng)過(guò)四種工況分析，發(fā)現(xiàn)在彎曲，極限和轉(zhuǎn)彎工況下，門(mén)立柱連接位置均出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力均超過(guò)300MPa。如圖10所示，可見(jiàn)接頭處的明顯出現(xiàn)應(yīng)力集中。
圖10中門(mén)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(guò)了300MPa，超過(guò)材料的屈服極限。需要加強(qiáng)該位置的接頭設(shè)計(jì)，提高連接強(qiáng)度。圖11是該位置的應(yīng)力結(jié)果，可見(jiàn)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(chē)架后端，發(fā)動(dòng)機(jī)安裝縱梁搭接處。發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在三段式車(chē)架的后端，整個(gè)自重完全由兩個(gè)縱梁來(lái)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(dòng)機(jī)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(jìn)
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(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理的區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)以上分析針對(duì)四個(gè)應(yīng)力集中區(qū)域分別改進(jìn)設(shè)計(jì)。主要優(yōu)化措施如下：
（1）將上下兩端立柱對(duì)齊，減少上下兩個(gè)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(jìn)中門(mén)立柱處連接形式，如圖14所示。
圖14中門(mén)立柱連接方式更改示意圖
（3）加強(qiáng)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(jì)的4mm增大到5mm，同時(shí)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(jìn)結(jié)構(gòu)后重新進(jìn)行四個(gè)工況的強(qiáng)度分析，可見(jiàn)幾個(gè)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(guò)300MPa，減小到200MPa左右，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，達(dá)到了較好的效果。圖17~20是經(jīng)過(guò)更改后的四個(gè)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(mén)立柱結(jié)構(gòu)更改后應(yīng)力（單位：MPa）
圖19頂蓋接頭增強(qiáng)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(chē)骨架的強(qiáng)度，通過(guò)四種典型工況的評(píng)估，找到結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的區(qū)域，并優(yōu)化改進(jìn)這些區(qū)域的局部結(jié)構(gòu)，改善了應(yīng)力集中情況，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過(guò)應(yīng)用HyperWorks輔助設(shè)計(jì)，可以大大提高設(shè)計(jì)效率，減少試驗(yàn)次數(shù)，降低研發(fā)成本，獲得可觀(guān)的效益。
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