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221_郑冬黎_基于HyperWorks的客车车身骨架的强度分析与结构改进.pdf
Altair 2010 HyperWorks 技术大会论文集
基于HyperWorks 的客车车身骨架的强度
分析与结构改进
郑冬黎 张兵 刘建平 张胜兰
湖北汽车工业学院 湖北十堰 442002
摘要:本文以HyperWorks 软件为分析平台,对某6 米长半承载式客车车身骨架进行多种
工况下的强度计算,由应力结果分析汇总可知,各工况下出现应力集中的部位大体一致,主
要出现在车身骨架顶盖横梁与侧围焊接处以及左右侧围后部连接乘客座椅断开梁处。对局部
部位进行加强及改进梁连接方式,改进后的强度大为改善。
关键词:HyperWorks,车身骨架,薄壁梁杆件,强度分析,结构改进
运用HyperWorks 软件对某客车车身骨架进行了有限元建模,对5 种实际模拟工况进行
了强度分析,旨在根据分析结果对其骨架结构进行改进设计以改善其应力。并为轻量化设计
提供参考依据。
1 车身骨架有限元模型的建立
所研究某半承载式客车的车身骨架由矩形薄壁梁杆件焊接而成,材料为Q235钢,车架
采用16MnL钢,车身骨架设计安全系数为1.5,许用应力为157MPa ;该车最大载重质量
6500kg,整备质量3900kg;整车附件包括发动机、变速器、空调和油箱等;悬架为钢板弹
簧。通过分析,车身结构可以分解为顶、侧、前后、底和车架几个部分,在HyperMesh中
对各部分独立建模,然后再组合成车身整体的有限元模型。建模时的一些细节处理如下:
(1)网格和焊接单元:采用 2D 壳单元进行网格划分,单元类型为四边形,单元大小为
[1][2]
15×15mm;车身骨架焊接处主要用重节点连接和Rigid 单元连接两种方式来模拟 。
(2)车身附件的处理:发动机、变速器及油箱质量以质量点的形式模拟,并用 RBE3 约
束单元将质量点与车身骨架连接。
(3)悬架的处理:该客车为弹簧钢板式半承载悬架,采用刚性梁单元与弹簧单元组合的
形式来模拟钢板弹簧的力学特性[3][4],其中刚性单元起导向作用,弹簧单元起缓冲作用。该
客车前钢板弹簧刚度为 125N/m,后钢板弹簧刚度为 195N/mm,弹簧单元在 1D-spring 中
建立,刚度值在属性中定义。
(4)载荷:分别以额定和满载工况对车身骨架进行有限元分析,载荷主要包括车身自重、
人椅重量、顶部和后货舱货重;车身自重包括车身骨架、车架、顶板、地板、后座板及后货
舱板。用质量点模拟人椅重量,并将其施加在人椅重心处,用 RBE3 约束单元将其与车身
骨架连接,考虑满载时,过道上超载人的重量按均布载荷施加在过道上;顶部和后货舱货物
重量以均布载荷形式施加在相应位置,模拟载荷步中顶部和后货舱货重的超载系数均为1.5,
其余按1.0 设置。
客车车身骨架有限元模型如图1 所示。共计189576 个节点,188009 个单元。
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Altair 2010 HyperWorks 技术大会论文集
图1 带车架的车身骨架有限元模型
2 强度计算结果及分析
应用HyperWorks 软件对车身骨架在弯曲、弯扭、刹车、转向、弯道制动等5 种工况下
分别对额定载荷和满载载荷进行了强度分析。
2.1 弯曲工况计算结果及分析 (图2 图3)
图2 额定载荷弯曲工况计算结果 图3 满载载荷弯曲工况计算结果
由计算结果可知,车身骨架最大应力值为额定工况198MPa,满载245MPa,超出Q235
许用应力[ ] MPa,最大应力点均位于顶盖第三根横梁与右侧围焊接处,该位置出现
σ 157
了明显的应力集中,这主要是由于接头位置采用直角过渡,连接处结构设计不合理造成的,
可以通过加加强板或增强接头处梁的板厚来减少该位置的应力水平。另外,左右侧围后部乘
客座椅断开梁处应力也较大,可通过改进该处的结构来减少该位置的应力水平。而其他位置
应力绝大部分都在22MPa 以下。总
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