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基於HyperWorks的客車車身強度分析

發布於:2018-02-18 16:18
強度分析

       運用HyperWorks軟件對某客車車身骨架進行了有限元分析建模,對5種實際模擬工況進行了強度分析,旨在根據分析結果對其骨架結構進行改進設計以改善其應力。並為輕量化設計提供參考依據。
       研究的某半承載式客車,其車身骨架由矩形薄壁梁杆件焊接而成,材料為Q235鋼,車架采用16MnL鋼,車身骨架設計安全係數為1.5,許用應力為157MPa;該車最大載重質量6500kg,整備質量3900kg;整車附件包括發動機、變速器、空調和油箱等;懸架為鋼板彈簧。通過分析,車身結構可以分解為頂、側、前、後、底和車架等幾個部分,在HyperMesh中對各部分獨立建模,然後再組合成車身整體的有限元模型。建模時的一些細節處理如下:網格和焊接單元,采用2D殼單元進行網格劃分,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點連接和Rigid單元連接2種方式來模擬。車身附件的處理:發動機、變速器及油箱質量以質量點的形式模擬,並用RBE3約束單元將質量點與車身骨架連接。懸架的處理:該客車為彈簧鋼板式半承載懸架,采用剛性梁單元與彈簧單元組合的形式來模擬鋼板彈簧的力學特性L2-31,其中剛性單元起導向作用,彈簧單元起緩衝作用。該客車前鋼板彈簧剛度為125Nm,後鋼板彈簧剛度為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車身骨架進行有限元分析,載荷主要包括車身自重、人椅重量、頂部和後貨艙貨重。其中車身自重包括車身骨架、車架、頂板、地板、後座板及後貨艙板的重量。人椅重量用質量點模擬,並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,過道上超載人的重量按均布載荷施加在過道上。頂部和後貨艙貨物重量以均布載荷形式施加在相應位置,模擬載荷步中頂部和後貨艙貨重的超載係數設為1.5,其餘按1.0設置。客車車身骨架有限元模型,共計189576個節點,188009個單元。
       應用HyperWorks軟件對車身骨架在彎曲、彎扭、刹車、轉向、彎道製動等5種工況下分別對額定載荷和滿載載荷進行了強度分析。由計算結果可知,車身骨架最大應力值為額定工況時的198MPa和滿載時的245MPa,超出Q235許用應力。為157MPa最大應力點均位於頂蓋第3根橫梁與右側圍焊接處,該位置出現了明顯的應力集中,通過分析發現這主要是由於連接位置采用直角過渡,結構設計不合理造成的,可通過加加強板或增加接頭處梁的板厚來減少該位置的應力水平。另外,左右側圍後部乘客座椅斷開梁處應力也較大,可通過改進該處的結構來減少該位置的應力水平。而其他位置應力絕大部分都在22MPa以下。
       總體來說,彎曲工況下車身骨架的整體強度具有較大的餘量。參照行業規範和該客車實際運營道路情況,對額定載荷及滿載載荷各考慮彎扭組合工況的6種情況。由應力雲圖分析發現工況相同的情況下出現應力集中的位置是一樣的。額定載荷下部分工況應力圖。具體各工況應力最大值及對應位置。由計算結果分析可知,額定工況的6種情況絕大部分構件的應力在30MPa以下。總體來說,車身骨架的應力較低,隻有個別應力集中的區域接近或超過材料Q235的屈服強度,高應力區域主要出現在頂蓋橫梁與側圍焊接處以及左右側圍後部連接乘客座椅斷開梁處。與彎曲工況相比,彎扭工況6種情況的應力相差不多。除去上述高應力區域,車身骨架的強度富有較大餘量。其餘刹車、轉向、彎道製動工況的強度分析結果不在這裏贅述,由強度計算結果分析匯總可知,5種工況下出現應力集中的部位大體一致,主要出現在車身骨架頂蓋橫梁與側圍焊接處以及左右側圍後部連接乘客座椅斷開梁處。因此需對骨架結構進行優化改進以改善其應力分布及大小。


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