CAE于某公交客車的強度分析與優(yōu)化
1、引言
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，廣汽集團研發(fā)了一款低地板一級踏步8米公交客車。
該客車車架采用的是三段式結構，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，如圖1所示。車身骨架主要由型鋼搭接焊接而成。在設計之初，試驗樣車尚未定型，整體結構設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，通過仿真分析四種典型工況下的車身骨架和車架的強度，找出應力集中的區(qū)域，優(yōu)化結構設計，降低結構應力，以達到設計要求[2~9]。同時可以大大減少研發(fā)成本，提高設計效率。
圖1車架結構示意圖
2、有限元分析
（1）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，結果在HyperView中處理。
用殼單元劃分網格，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、左側圍、右側圍、車內扶手、頂棚和車架，如圖2所示。通過模塊的劃分，一方面可以增加協作性，項目組每個成員劃分一個部分的網格，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。
圖2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。完整的有限元模型如圖3所示。
圖3整體骨架有限元模型
（2）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4所示[10~11]。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1描述了四種工況，其中g表示重力加速度，約束的數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。
表1工況描述表
圖4計算工況描述示意圖
根據以上四種工況的載荷與邊界條件設置分析工況，提交OptiStruct分析，計算整體結構強度。根據強度分析結果，找到整體結構中主要的應力集中區(qū)域。圖5~8是四種工況下的強度分析結果。
圖5制動工況應力云圖（單位：MPa）
圖6轉彎工況應力云圖（單位：MPa）
圖7極限工況應力云圖（單位：MPa）
圖8彎曲工況應力云圖（單位：MPa）
根據以上強度分析結果，應力集中主要出現在以下區(qū)域：
（1）左、右側圍后立柱處。如圖9所示，在極限工況下，接頭位置最大應力超過了300MPa，而材料的屈服應力為240MPa，其他工況中，應力也較大，此處設計存在較大風險。
圖9側圍后立柱應力結果（單位：MPa）
（2）右側圍中門立柱連接處。中門位置由兩個立柱通過短梁搭接到車架上。經過四種工況分析，發(fā)現在彎曲，極限和轉彎工況下，門立柱連接位置均出現應力集中，最大應力均超過300MPa。如圖10所示，可見接頭處的明顯出現應力集中。
圖10中門立柱附近應力結果（單位：MPa）
（3）頂蓋上縱梁與橫梁搭接處。在極限工況和轉彎工況下，頂蓋縱梁與連接橫梁之間應力均超過了300MPa，超過材料的屈服極限。需要加強該位置的接頭設計，提高連接強度。圖11是該位置的應力結果，可見連接位置的應力集中比較明顯。
圖11頂蓋接頭位置應力結果（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，因此承載梁的連接處應力較大。如圖12所示。
圖12發(fā)動機安裝梁搭接處應力結果（單位：MPa）
3、結構優(yōu)化改進
根據有限元分析，可以明確整體結構應力分布情況，找到應力集中區(qū)域。然后對結構設計不合理的區(qū)域進行優(yōu)化。根據以上分析針對四個應力集中區(qū)域分別改進設計。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，如圖13所示。
圖13側圍后立柱結構更改示意圖
（2）改進中門立柱處連接形式，如圖14所示。
圖14中門立柱連接方式更改示意圖
（3）加強頂蓋橫梁與縱梁之間的連接，如圖15所示。
圖15頂蓋橫梁與縱梁接頭更改示意圖
（4）增大后縱梁材料厚度和垂向高度。將厚度由初始設計的4mm增大到5mm，同時將縱梁垂向高度h增大10mm，如圖16所示。
圖16后縱梁示意圖
根據以上優(yōu)化方案，改進結構后重新進行四個工況的強度分析，可見幾個區(qū)域的應力有了比較明顯的改變，最大應力大小由原始結構的超過300MPa，減小到200MPa左右，滿足強度要求，達到了較好的效果。圖17~20是經過更改后的四個局部區(qū)域結構應力分布云圖。
圖17側圍后立柱更改后應力（單位：MPa）
圖18中門立柱結構更改后應力（單位：MPa）
圖19頂蓋接頭增強后應力（單位：MPa）
圖20后縱梁更改后應力（單位：MPa）
4、結論
本文應用有限元方法分析了一款8米城市公交客車骨架的強度，通過四種典型工況的評估，找到結構應力集中的區(qū)域，并優(yōu)化改進這些區(qū)域的局部結構，改善了應力集中情況，實現了強度設計目標。通過應用HyperWorks輔助設計，可以大大提高設計效率，減少試驗次數，降低研發(fā)成本，獲得可觀的效益。
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