CAE有限元仿真對公交客車的強度分析與優(yōu)化
公交客車是我國城鎮(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,市民活動范圍也大幅擴大,這對城市公交客車提出了更高的要求和需求。為了滿足這種逐漸增長的需求,汽車集團需研發(fā)更大型的公交客車。而客車車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)動機區(qū)域。車身骨架主要由型鋼搭接焊接而成。在設(shè)計之初,試驗樣車尚未定型,汽車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計是否滿足強度要求無法掌握,因此有必要借助有限元分析技術(shù),通過仿真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,以達到設(shè)計要求。同時可以大大減少研發(fā)成本,提高設(shè)計效率。下面,有限元科技小編就分享一個案例:通過CAE仿真優(yōu)化一款低地板一級踏步8米公交客車的設(shè)計方案。
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車架結(jié)構(gòu)示意圖
建立有限元模型
整個客車骨架的有限元模型,在HyperMesh中創(chuàng)建,強度計算通過OptiStruct實現(xiàn),結(jié)果在HyperView中處理。
用殼單元劃分網(wǎng)格,單元基本尺寸為10mm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,三角形單元占總單元比例為0.6%。
建模過程中將整體骨架劃分為7個部分:前圍、后圍、左側(cè)圍、右側(cè)圍、車內(nèi)扶手、頂棚和車架。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面獨立檢查模型,然后整體檢查模型的連接。
建模過程總成劃分圖
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)點來模擬實際的焊接,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,則采用剛性連接。
邊界條件及工況
本分析主要研究四種典型工況下的強度,工況描述如圖所示。圖中a、b、c、d四點表示四個板簧中心點位置,通過約束這四個點來組合模擬各種工況。表格描述了四種工況,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三個自由度方向,“-”表示該位置無載荷或者無約束。
工況描述表
計算工況描述示意圖
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,計算整體結(jié)構(gòu)強度。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。下圖是四種工況下的強度分析結(jié)果。
制動工況應(yīng)力云圖 轉(zhuǎn)彎工況應(yīng)力云圖
極限工況應(yīng)力云圖 彎曲工況應(yīng)力云圖
根據(jù)以上強度分析結(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。tyrp.net在極限工況下,接頭位置最大應(yīng)力超過了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)計存在較大風(fēng)險。
側(cè)圍后立柱應(yīng)力結(jié)果(單位:MPa)
(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300MPa。如圖,可見接頭處的明顯出現(xiàn)應(yīng)力集中。
中門立柱附近應(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。如圖是該位置的應(yīng)力結(jié)果,可見連接位置的應(yīng)力集中比較明顯。
頂蓋接頭位置應(yīng)力結(jié)果(單位:MPa)
(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(dān),因此承載梁的連接處應(yīng)力較大。如圖所示。
發(fā)動機安裝梁搭接處應(yīng)力結(jié)果(單位:MPa)
結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進
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。然后對結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理的區(qū)域進行優(yōu)化。根據(jù)以上分析針對四個應(yīng)力集中區(qū)域分別改進設(shè)計。主要優(yōu)化措施如下:
(1)將上下兩端立柱對齊,減少上下兩個立柱之間交叉形成的剪切力。
(2)改進中門立柱處連接形式。
(3)加強頂蓋橫梁與縱梁之間的連接。
(4)增大后縱梁材料厚度和垂向高度。將厚度由初始設(shè)計的4mm增大到5mm,同時將縱梁垂向高度h增大10mm。
根據(jù)以上優(yōu)化方案,改進結(jié)構(gòu)后重新進行四個工況的強度分析,tyrp.net可見幾個區(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300MPa,減小到200MPa左右,滿足強度要求,達到了較好的效果。下圖是經(jīng)過更改后的四個局部區(qū)域結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖。
側(cè)圍后立柱更改后應(yīng)力 中門立柱結(jié)構(gòu)更改后應(yīng)力
頂蓋接頭增強后應(yīng)力 后縱梁更改后應(yīng)力
結(jié)論
有限元科技應(yīng)用有限元方法分析了這款8米城市公交客車骨架的強度,通過四種典型工況的評估,找到結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的區(qū)域,并優(yōu)化改進這些區(qū)域的局部結(jié)構(gòu),改善了應(yīng)力集中情況,實現(xiàn)了強度設(shè)計目標(biāo)。通過應(yīng)用HyperWorks輔助設(shè)計,可以大大提高設(shè)計效率,減少試驗次數(shù),降低研發(fā)成本,獲得可觀的效益。
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