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摘要：应用Nastran软件对某客车的三种结构形式：车架、车架+车身骨架、车架+车身骨架+蒙皮进行纯弯、弯扭组合、加速、紧急制动、急转弯等工况下的强度分析以及自由模态和刚度的计算。比较不同结构形式对分析结果的影响程度，从而为以后按不同的分析目的来建立最简单的分析模型积累经验。最后通过对结构的改进成功的降低车身地板高应力部位的应力水平并对车身成功减重。
关键词：客车；强度；刚度；自由模态
1 引言
众所周知，利用有限元法进行结构分析可以减少成本、缩短工作周期。而且只要保证模型和边界条件的的准确性，就能得到精确的计算结果。客车车身总体上为框架式结构，在其开发过程中对其各个部件和总成的强度和刚度要求是最基本的。以某客车为研究对象，应用结构分析软件NASTRAN 对其进行了三种结构形式下的强度、刚度、模态对比分析，最终在开发的早期阶段就能找到最合理、经济的设计方案，并为以后的工作积累经验。
2 结构模型化
2.1 客车主要为板材结构，大部分为薄板件，根据这些结构特点，采用薄板单元对该客车进行模型化，并用刚性单元和梁单元以及重节点来模拟焊接、铆接及螺栓连接，车架悬置弹簧则用弹簧元来模拟。图1 为客车整车有限元模型图，结构模型共划分节点338206 个，单元381085 个。 （图片）
图1 客车整车有限元模型图 2.2 边界条件
2.2.1 材料特性
分析客车骨架所用材料为Q235，屈服极限为235 MPa，车架所有材料为DL510，屈服极限为345MPa,泊松比μ =0.3，弹性模量E=208GPa，密度 =7.82³10 3 Kg/m 3 。
车架悬置弹簧的刚度参数：
前悬置弹簧的垂直刚度系数：C 前=134.9KN/m；
后悬置弹簧的垂直刚度系数：C 后=206.6KN/m。
2.2.2 计算载荷与工况
1）在进行整车应力分析时，考虑了绝大部分施加在车架上的外载荷、分布在地板上的乘客重量、分布在行李舱横梁上的行李和备胎重量包括：
转向机： 20 kg 水箱、中冷器及调整机构： 30 Kg
动力总成： 520 Kg 干燥器及卸载阀： 12 Kg
空滤器： 10 Kg 车架左侧储气筒： 15Kg
油箱： 110 Kg 车架右侧储气筒： 12Kg
备胎： 90 Kg 车架后横梁储气筒： 12Kg
行李： 220 Kg 车身带全部装备： 2160Kg
乘客： 1840Kg
3 分析结果
3.1 模态分析结果
对客车车架、车架＋车身骨架、车架＋车身骨架＋蒙皮提取了前五阶振动模态（见表1），图2－图4 为模态振型图。（图片） （图片）
图2 光车架模态振型图 （图片）
图3 车架＋车身骨架模态振型图 （图片）
图4 车架＋车身骨架＋蒙皮模态振型图 3.2 强度分析结果
考虑到该客车的车架为整体式车架，单独计算车架强度没有太大意义，所以强度分析以车架+车身骨架、车架+车身骨架+蒙皮两种形式为主。车架+车身骨架+蒙皮的强度结果与实际应该更接近一些。由于强度分析时的高应力区多出现在车架和地板上，而其它部位如前围、后围、侧围的应力水平在各个工况下都较低，在结果中主要体现在车架和地板的应力水平（见表2），图5 至图8 为高应力区部位应力分布图。（图片） （图片）
图5 弯曲工况下客车各部位应力分布图（单位：KPa） （图片）
图6 弯扭组合工况下车架上第二根横梁与纵梁连接的U 形板处局部应力分布图（单位：KPa） （图片）
图7 加速工况下客车各部位应力分布图（单位：KPa） （图片）
图8 转弯工况下客车各部位应力分布图（单位：KPa） 3.3 改进方案的强度分析结果
（1） 考虑到座椅安装梁的位置可能改变，去掉地板上座椅安装梁（如图9 所示，图中红色的梁为要去掉的梁），同时也去掉侧围上的槽钢（如图10 所示，粉色的为要去掉的梁）后看其对地板的强度有无影响。（图片）
图9 客车地板上要去掉的座椅安装梁示意图 （图片）
图10 客车侧围上要去掉的座椅安装梁示意图 去掉这些梁后进行的强度计算结果显示出车门处侧围与地板横梁连接处在弯曲工况下偏高，最大应力值达到229 MPa，而在制动工况下侧围与后排座横梁连接处偏高，最大应力值达到292 MPa，（见图11、12）因此需要添加横梁来消除侧围上的高应力区（见图13，红色的梁为新加的梁），弯曲工况下侧围的最大应力值可降低到107 MPa，制动工况下最大应力值可降低到117 MPa。（图片）
图11 去掉梁槽形梁后弯曲工况下侧围的局部应力分布图 （图片）
图12 去掉槽形梁后制动工况下侧围的局部应力分布图 （图片）
图13 客车地板上要添加的梁示意图 （2） 考虑到新方案在制动时地板横梁与后牛腿连接处的最大应力值达到291 MPa，超出了材料屈服强度，可考虑在牛腿处施加三个支撑（图14），将应力转移。施加支撑后横梁的最大应力值降低至137 MPa，但牛腿升高至275 MPa（如图15、16 所示），考虑此时可将牛腿厚度由1.5mm 增加到2mm，此时牛腿的应力降至221 MPa。（图片）
图14 地板横梁与后牛腿连接处施加支撑示意图 （图片）
图15 添加支撑后牛腿处局部应力分布图 （图片）
图16 添加支撑后地板横梁与后牛腿连接处局部应力分布图 （3）考虑车架上第二根横梁与纵梁连接的U 形板处的应力在转弯的工况下偏高，达到了285 MPa，若将U 形板料厚由4mm 增加到6mm，最大应力值可降低至202 MPa。
4 结果分析与讨论
1、模态计算时蒙皮对频率的影响较大，车身加骨架的一扭频率是10.9Hz, 车身加骨架加蒙皮的一扭频率是15.3Hz。
2、强度计算时蒙皮对应力的影响相对较小。
3、原方案的地板最大应力是产生在转弯工况下地板横梁与后牛腿连接处，最大应力值为285 MPa，其他部位都低于材料的屈服应力235 MPa，可考虑在扭腿附近施加支撑来降低应力水平。在新方案下最大应力出现在制动工况下，最大应力值为291 MPa，此时施加三个支撑，并将此处的牛腿料厚增加到2mm，此时横梁的最大应力降低至137 MPa，牛腿处的最大应力降低至221 MPa，效果较为明显，建议采用。
4、在车架上的第二根横梁与纵梁连接的U 形板处在转弯工况下偏高，最大应力值为285MPa，若将该U 形板料厚增加到6mm，最大应力值降低至202 MPa，效果较为明显，建议采用。
5、由表3 可以看出原方案的地板和侧围上的座椅安装梁对地板的强度影响不大，可以去掉，但需补充梁（30X30mm，见图13），由表4 也可以看出新方案的弯曲刚度和扭转刚度相比原方案没有明显的变化，改进方案合理、可行。新方案相对原方案减重33Kg。
参考文献：
[1] 付永华. 有限元分析基础. 武汉：武汉大学出版社，2003,8
[2] 赵诒枢，吴云存. 工程力学. 湖北：湖北汽车工业学院，2000
[3] 卢耀祖，周中坚等. 机械与汽车结构的有限元分析. 上海：同济大学出版1997
[4] 王勋成，邵敏. 有限单元法基本原理与数值方法. 北京：清华大学出版社，1988,9
作者简介：
耿广锐（1976-），男，辽宁阜新人，高级工程师，主要从事结构分析、NVH、疲劳寿命分析工作。地址：湖北武汉经济技术开发区东风大道10 号。电话：027-84283815，E-mail：genggr@dfl.com.cn。
6/10/2011
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