0 概述
客车作为最主要的交通运输工具之一,其结构强度刚度是否满足安全需要一直是人们关注的焦点;客车由于制造成本高,价格昂贵,所以用实车做物理试验相比轿车需要更高的成本和更长的周期,从而,在客车设计过程中CAE技术的应用就优势更加凸现。
1 有限元建模
客车结构多采用异性钢管和薄壁板壳结构焊接而成,所以在建模过程中主体结构采用四边形网格,此外,部分底盘结构采用了带有不同截面属性的梁单元来模拟,以提高计算效率。共有单元674,056个,其中壳体单元640,545个;带有截面属性的梁单元192个;模型如图一所示。
2 模型设置
2.1材料特性定义
HyperWorks具有非常友好的用户界面,从网格划分到模型设置均为用户提供了便利,可以很方便地直接选择材料类型并将参数输入。以普通弹性钢材料为例,输入格式如下:
2.2属性定义
单元属性的定义也有着丰富的类型可供选择,以壳体单元为例:
可供选择的单元类型如下:其中客车板壳件模拟用壳体单元类型,选用2D即可。打开编辑选项后,定义板壳厚度即可。
2.3连接方式
由于客车结构的特殊性,在建模过程中,焊接接头的处理和近似方法就显得很重要;通常采用节点匹配模拟接头连接、rigids单元模拟并管焊缝,用CBEAM单元模拟普通螺栓连接等。
图2:焊接接头简化方法
2.4载荷工况定义
为校核客车骨架强度刚度,应用Optistruct进行了四工况下的静力分析;为考察客车上部结构强度,应用Hyperworks提供的强大接口和友好界面,设置了第三方求解器求解模型,以考察客车在发生侧翻时生存空间是否被侵入。
2.4.1静力分析工况设置
应用了四个载荷步模拟客车在静止或行使过程中可能遇到的工况:(1)制动工况用于模拟客车在满载行驶时紧急制动的工况;(2)转弯工况用于模拟客车在满载转弯时的工况;(3)弯曲工况用于模拟客车在满载匀速行驶或者停止时的工况;(4)扭转工况用于模拟满载客车在崎岖不平的道路行驶时的工况。其中扭转工况是比较恶劣的工况,模拟客车在行驶时左前轮陷入凹坑的工况。
2.4.2侧翻分析工况设置
2.4.2.1客车侧翻试验方法
根据国标GB/T 17578规定的试验方法图(三)所示:被试客车可以未全部完工,但整车整备质量、质心位置和质量分布应符合该车技术要求的规定。客车停放在一个水平的翻转平台上,采取措施防止客车纵向滑移,试验装置采用侧向挡壁防止车轮侧向滑移,试验装置应确保客车各轴的同步侧倾,客车在没有摇晃和不受其他外力影响的情况下侧倾直至翻倒。侧倾角速度不应超过5°/s(0.087rad/s);采用高速摄影、变形规或其他适宜的装置来确认要求是否得到满足。
2.4.2.2生存空间确定
汽车的上部结构应具有足够的强度,以确保在整车的侧翻试验过程中和试验后生存空间没有受到损害。这是指:(1)在测试开始时在生存空间之外的其他汽车的零件(如立柱、吊环、行李架等),在测试过程中不得侵占生存空间。在对生存空间被侵占进行评估时,任何原先位于生存空间中的结构部件均应不计入(如垂直扶手、隔板、小厨房和卫生间等)。(2)生存空间的零件不能突出到变形结构的轮廓外,变形结构的轮廓线应在相邻的窗户和(或)门立柱间依次确定。两个变形立柱之间的轮廓线理论上应是一个平面,由立柱内部相关点相连接的直线确定,侧翻试验前这些点应在地板上处于同一高度。生存空间的确定方法如图(四)所示:
2.4.2.3侧翻模型设置
根据法规试验方法及对生存空间的要求,设置了侧翻分析模型;由于客车在触地之前对于上部结构强度没有任何损伤,为了节省计算成本,侧翻分析从触地瞬间开始计算;根据能量守恒定律换算出触地时的初始速度,在Hypermesh中定义该初速度,并将地面假定为刚性。
图5:客车侧翻模型设置
3 结果及后处理
3.1客车骨架静力分析结果
计算结果用Hyperview进行处理,四工况下应力分别如表(一)所示,从表中可以看出前三个工况下应力都比较小,第四个工况及扭转工况下应力较大,因为扭转工况为极端恶劣工况,正常行驶中较为少见。
表1:静力分析结果
3.2客车侧翻分析计算结果
分析计算表明,该客车发生侧翻后发生了变形,但变形较小,生存空间没有被侵入,也没有零部件发生撕裂出现尖角等现象,侧翻变形后的应力云图如图(六)所示。
4 结论
静力分析结果表明,该款客车车身及车架骨架具有足够的强度和刚度;侧翻分析结果表明,该客车上部结构强度也达到国标设计要求,乘员生存空间没有被侵入,也未发生零部件撕裂等现象;并且强度和刚度均有较大的优化设计空间,主要是这种全承载式客车具有承载能力强结构坚固的特点所确定,后续工作可通过Optistruct对其进行结构轻量化设计。将进一步体现CAE 分析在设计校核和优化中周期短、成本低、改进方案灵活、见效快的优势。也充分体现了Altair公司多元化的CAE产品库为车企提供了丰富的解决方案。
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