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基于 HyperWorks 的某款城市公交客车 强度分析与优化

作者:Simwe    来源:Altair    发布时间:2016-07-07    收藏】 【打印】  复制连接  【 】 我来说两句:(0逛逛论坛

基于 HyperWorks 的某款城市公交客车强度分析与优化

Strength Analysis And Structural Optimization Of a City Bus by using HyperWorks
王力 林济余 刘向征 黄河
(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院 广州 510640)

        摘 要:应用 Altair 公司的 HyperMesh 软件,建立了一款城市 8 米公交客车车身骨架有限元模型,通 过四种典型工况分析了整体骨架的强度。针对有限元强度分析结果,找到应力较大区域,并对应力较大 的区域进行局部结构改进和优化。优化后的骨架结构达到满意的效果,为该车型的进一步设计提供参考。 关键词:有限元 强度 结构优化 公交客车 HyperWorks

        Abstract: The finite element model of an eight meters long bus is established by HyperMesh, which is a famous tool for FEM . Then an analysis is performed on the strength of the bus frame in four cases. According to the result, the stress concentration location is found. Then,   the structure of this location is optimized. After structural optimization, the bus frame can meet design needs. The analysis and optimization of the bus structure are good guidelines for further design.
Key words: finite element, strength, structural optimization, bus, HyperWorks

1 引言

         公交客车是我国城镇居民最主要的交通工具。随着城市的发展,城市人口数量大幅增长,市民活动 范围也大幅扩大,这对城市公交客车提出了更高的要求和需求。为了满足这种逐渐增长的需求,广汽集 团研发了一款低地板一级踏步 8 米公交客车。

       该客车车架采用的是三段式结构,即分为前驾驶区域、中部乘客聚集区域以及后部发动机区域[1], 如图 1 所示。车身骨架主要由型钢搭接焊接而成。在设计之初,试验样车尚未定型,整体结构设计是 否满足强度要求无法掌握,因此有必要借助有限元分析技术,通过仿真分析四种典型工况下的车身骨架 和车架的强度,找出应力集中的区域,优化结构设计,降低结构应力,以达到设计要求[2~9]。同时可 以大大减少研发成本,提高设计效率。

2 有限元分析

图 1 车架结构示意图



2.1 建立有限元模型

       整个客车骨架的有限元模型,在 HyperMesh 中创建,强度计算通过 OptiStruct 实现,结果在
HyperView 中处理。

       用壳单元划分网格,单元基本尺寸为 10mm 左右,整个骨架共划分 722232 个单元,751928 个节 点,其中四边形单元 717767 个,三角形单元 4465 个,三角形单元占总单元比例为 0.6%。

       建模过程中将整体骨架划分为 7 个部分:前围、后围、左侧围、右侧围、车内扶手、顶棚和车架, 如图 2 所示。通过模块的划分,一方面可以增加协作性,项目组每个成员划分一个部分的网格,然后 整体连接;另一方面可以减少模型连接的错误,在每个划分的总成里面独立检查模型,然后整体检查模 型的连接。
图 2 建模过程总成划分图 有限元模型中,缝焊的模拟

        主要采用两种方式:一种是节点共用,这种方式的精度很高,但是建模效率较低;另一种是采用刚性梁单元在缝焊位置连接相应的单元节点来模拟实际的焊接,这种连接方式 不必要求节点严格对齐,可大大提高效率。本文主要采用共用节点的方式,对于部分接头,共用节点比 较困难,则采用刚性连接。完整的有限元模型如图 3 所示。

图 3 整体骨架有限元模型


2.2 边界条件及工况

       本分析主要研究四种典型工况下的强度,工况描述如图 4 所示[10~11]。图中 a、b、c、d 四点表示 四个板簧中心点位置,通过约束这四个点来组合模拟各种工况。表 1 描述了四种工况,其中 g 表示重 力加速度,约束的数字表明的是该位置的自由度方向,“1、2、3”分别表示 X,Y,Z 三个自由度方向,“-”表示该位置无载荷或者无约束。
 
表1 工况描述表

        根据以上四种工况的载荷与边界条件设置分析工况,提交 OptiStruct 分析,计算整体结构强度。根 据强度分析结果,找到整体结构中主要的应力集中区域。图 5~8 是四种工况下的强度分析结果。
 
根据以上强度分析结果,应力集中主要出现在以下区域:
(1)左、右侧围后立柱处。如图 9 所示,在极限工况下,接头位置最大应力超过了 300MPa,而材料 的屈服应力为 240MPa,其他工况中,应力也较大,此处设计存在较大风险。
 
图 9 侧围后立柱应力结果(单位:MPa)

(2)右侧围中门立柱连接处。中门位置由两个立柱通过短梁搭接到车架上。经过四种工况分析,发现 在弯曲,极限和转弯工况下,门立柱连接位置均出现应力集中,最大应力均超过 300MPa。如图 10 所 示,可见接头处的明显出现应力集中。
图 10 中门立柱附近应力结果(单位:MPa)


(3)顶盖上纵梁与横梁搭接处。在极限工况和转弯工况下,顶盖纵梁与连接横梁之间应力均超过了
300MPa,超过材料的屈服极限。需要加强该位置的接头设计,提高连接强度。图 11 是该位置的应力 结果,可见连接位置的应力集中比较明显。

图 11 顶盖接头位置应力结果(单位:MPa)


(4)车架后端,发动机安装纵梁搭接处。发动机安装在三段式车架的后端,整个自重完全由两个纵梁 来承担,因此承载梁的连接处应力较大。如图 12 所示。
图 12 发动机安装梁搭接处应力结果(单位:MPa)


3 结构优化改进

        根据有限元分析,可以明确整体结构应力分布情况,找到应力集中区域。然后对结构设计不合理的 区域进行优化。根据以上分析针对四个应力集中区域分别改进设计。主要优化措施如下:

        (1)将上下两端立柱对齐,减少上下两个立柱之间交叉形成的剪切力,如图 13 所示。

图 13 侧围后立柱结构更改示意图
 
        (2)改进中门立柱处连接形式,如图 14 所示。

图 14 中门立柱连接方式更改示意图
 
        (3)加强顶盖横梁与纵梁之间的连接,如图 15 所示。

        (4)增大后纵梁材料厚度和垂向高度。将厚度由初始设计的 4mm 增大到 5mm,同时将纵梁垂向高度
h 增大 10mm,如图 16 所示。
        根据以上优化方案,改进结构后重新进行四个工况的强度分析,可见几个区域的应力有了比较明显 的改变,最大应力大小由原始结构的超过 300MPa,减小到 200MPa 左右,满足强度要求,达到了较 好的效果。图 17~20 是经过更改后的四个局部区域结构应力分布云图。
4 结论

       本文应用有限元方法分析了一款 8 米城市公交客车骨架的强度,通过四种典型工况的评估,找到 结构应力集中的区域,并优化改进这些区域的局部结构,改善了应力集中情况,实现了强度设计目标。 通过应用 HyperWorks 辅助设计,可以大大提高设计效率,减少试验次数,降低研发成本,获得可观的 效益。

5 参考文献

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        [2]  高 云 凯 , 周 晓 燕 , 余 海 燕 .  城 市 公 交 客 车 车 身 结 构 拓 扑 优 化 设 计 [J]. 公 路 交 通 科 技,2010,Vol.27,No.9:154~157.

        [3] 殷召平.XQ6125 型城市客车有限元分析与试验研究[D].上海:上海交通大学,2007.

       [4] 林程,王文伟,孙逢春.纯电动公交客车结构与设计[J].机械工程学报,2005,Vol.41,No.12:25~29.

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       [6] 张焱,姚成.客车车身骨架结构优化设计与先进技术应用[J].客车技术与研究,2007,No.2:22~24.

        [7] 蔺瑞兰,张代胜.客车车身强度及刚度分析[J].上海汽车,2006,12.1:28~30.

       [8] 童永,徐志汉. 某型 11 米液化天然气公交客车开发[J]. 安徽科技,2011,No.1:24~26.

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