系列客车底架及骨架结构设计强度计算

1、JT6700系列客车底架及骨架结构设计强度计算孙泽银交通部重庆公路科学研究所，400067摘要：针对结构复杂的客车底架及骨架空间薄壁梁超静定结构，文中介绍了应用 有限元计算分析技术，对其进行静，动态多工况计算与分析的情况。 关键词：客车底、骨架结构，有限元，刚度，强度，静态，动态JT6770客车是交通部“九·五”重点科技项目，由交通都重庆公路科学研究所和长沙客 车制造厂联合开发设计。该车采用三段式底架承载结构，发动机后置。由于客车底、骨架是个很复杂的空间薄壁梁超静定结构，结构分析难度很大，不是用传统的方法所能完成的。 为了设计出较佳结构，我们采用有限元计算、分析技术，对该客车底、骨架

2、结构进行静、动态 计算和分析，基本上可全面了解其应力分布和变形情况，以便得到自重轻、结构合理、刚度强 度符合要求的客车骨架结构。1计算概况11计算应用软件 此次计算采用的是交通部重庆公路科学研究所开发的“客车零部件微机cADcAE软件”系统，主体计算程序为SuperSAP。应用该有限元软件能够进行客车底、骨架或其它零部 件结构的静态位移，应力、固有频率，振型、动态位移，应力、谱响应和频率响应分析以及框架 结构或板壳框架组合结构的稳定性分析。12计算分析内容121静态计算分析内容 (1)车身骨架和底架各单元内力计算，包括轴力、剪力、扭矩和弯矩的计算，找到各内力最大值及其位置；(2)车身骨架和底架

3、各单元应力计算，包括轴向应力、截面两个方向的弯曲应力以及最 不利应力，找到各轴力最大值及其位置；(3)车身骨架和底架各节点位移计算，每个节点输出三个方向的线位移和三个方向的角 位移，并计算驾驶员门框、乘客门框、左右侧窗框和前后风挡玻璃窗框对角线的变化量。 122动态计算分析内容(1)前20阶固有频率及振型的计算与分析； (2)动力响应的计算与分析。通过以上静动态计算和分析，可以全面了解该客车骨架结构各部位在静、动态时的受力 和变形情况以及其固有频率与振型情况，从而考察其强度和刚度究竟如何，以检验设计的合 理性和可靠性，并提出修改意见。·51·13 JT6770客车总体参数总

4、长7 655 mill总宽2 320mm总高3 1001211"1轴距3 800mm前轮距1 740 mm后轮距l 586mitt空车整备质量4 600 kg满载总质量 6 800 kg14结构计算模型 该结构的计算模型为整体空间粱模型，如图1所示。困1培椅整体空同模型图结构总体坐标按汽车车身制图标准确定。 单元组数2(梁单元和边界元)节点总数 662单元总数996(其中梁单元数为990，边界元数为6) 总自由度数3 972计算模型作了以下几方面的处理：(1)顶棚横粱与车身侧面相连处的弧线段按折线粱处理，以简化数据文件； (2)大梁后段与其加强粱合并；(3)第一、五横栅槽钢和矩形管贴

5、合，作合并处理； (4)大粱前段和中段，中段和后段搭接处，因模型简化而形成90 mm的高度差，建模时分别处理为与搭接处同长宽、90 mm高、与较薄的大粱等厚的刚性梁；(5)前板簧处理为两根轴向刚度等于板簧刚度12的柔性竖梁与一根大刚度纵粱的组合。 15载荷处理在备胎及支架、转向器总成、冷凝器总成、蒸发器总成、发动机总成、散热器总成、变速器 总成、空调压缩机总成、油箱及支架、电瓶及支架、进气系统、暧风机总成及支架、排气系统、·52·乘员和驾驶员座椅、行李和乘员等所有载荷中，除行李舱内行李作为分布载荷处理外，其余 都作为集中载荷处理，分别等效作用于各节点上。动态分析时，将集中载

6、荷作为集中质量处理，同时作用于x轴、y轴和Z轴，并将工况号(LOAD CASE)改成0即可。 16计算工况161静态计算工况 静态计算中我们模拟客车在平路上的受载状况即弯曲工况(文件标记为JT6770W)和在凸凹不平路上的受载状况即扭弯工况。而扭弯工况又分将右前轮自由悬空(文件标记为JT6770X)和被动下沉240 ram(文件标记为JT6770L)两种工况。|62动态计算工况由于低阶模态对客车振动的影响最大，所以计算了该客车骨架结构满载时前20阶的固 有频率和振型(文件标记为JT67701)，并分别模拟客车满载时在中等路面上中、高速行驶 (文件标记为JT677021)和在坏路面上低速行驶(文

7、件标记为JT677022)两种工况进行动力 响应计算。17结构所用材料车身骨架使用碳素结构钢Q235，其流动极限应力为235 MPa，客车底架使用低碳合金 结构钢16Mn，其流动极限应力为340 MPa，这两种钢材，质量密度为口800 kgm3，弹性模 量E取200GPa，泊松比取0Z7。2结构计算与分析21静态计算与分析211内力从计算所得内力中，分别列出各工况下轴力、两个方向的剪力、扭矩和两个方向的弯矩 的最大值及其位置，见表1。各工况最大肉力比较表表lJT6770WJT6770LJT6770X最大值7286N10652N16013N轴力位置第四横橱第四横第四横栅最大值3941N5723N

8、8412N2轴剪位置第四横据第四横橱第四横栅力堆大值6095N9405Ni4123N3轴位置太繁右后段大集右后段大鬃右后段最大值5483N·m6796 N·m1647 N·m扭矩位置大集左后段大聚右后段大粱右后段最大值1998 N·m1866 N·m1830 N·m2辅弯位置大檗右后段大橐右后段第五横橱矩最大值2945 N·m566：6 N·rg1055N·m3轴位置大集中、后段交接处大橐中、后段交接处大桀中、后段交接处·53·212应力从计算所得应力中，分别列出各工况下PA、M2J2

9、、M313和最不利应力Worst(=PA+M212+M3J3)的最大值及其位置，见表2。各工况最大应力比较表表22·1·3变形根据节点位移可计算门、窗框对角线的变化量，见表3表5(正数表示增长、负数表示 减短)，各对角线位置见图2图4：圄2驾驶员门框和左侧窗框对角线圈图3乘客门框和左侧窗框对角线圈llIIilIlIIl_叫，l，驾驶员门框和左侧窗框对角线变化量表(ram)表3原长2208 0 22472 t7478 17478 17197 17197 1719 7 17197 1739 6 17399T6770W0·040 010·050-010 140

10、18008005044029JT6770L2·992·670·04163029l 930321 44079 0 89JT6770X18-8717 753·377-833058 29413720479 6 36214简要分析(1)强度·54·剪力的影响是局部的，主要集中在底架后段的大粱及第三、四横栅上。弯曲工况最大剪 力值为60947 N，在大粱后段的212单元114节点上，由此剪力引起的应力为3286 MPa， 对强度影响不大。扭矩的影响也是局部的，主要集中在中、后段大梁上。弯曲工况最大扭矩值为5483 N·m，在大粱后段的

11、941单元上，由此扭矩引起的应力为7611 MPa，对强度影响不大。 前、后风挡玻璃窗框对角线变化量表(ram)表5轴力的影响范围较大，既包括底架，又包括 车身骨架。弯曲工况最大轴力值为728645 N， 在第四横栅的88单元上，由此轴力引起的应力 为一2721 MPa，为压应力；最大拉应力为208 MPa，在第四横栅的237单元上，因该处其它内力引起的应力不大，所以对强度影响不大。图4驾驶员门框和左侧窗框对角线图对强度影响最大的是弯矩，底架尤其是第四横栅和大梁后段最明显。弯啦工况最大弯矩 值为1998 N·m，最大正应力为7749 MPa，在第四横栅的141单元140节点上，最大负

12、应 力为6402 MPa，在第四横栅的141单元141节点上。综合考虑，弯曲工况最大最不利正应力为8240 MPa，位于第四横栅的114单元231节 点上，最大最不利负应力一8836 MPa，位于第四横栅的86单元23节点上。因为该客车底 架使用低碳合金结构钢16Mn，其流动极限应力为340 MPa，车身骨架使用碳素结构钢 Q235，其流动极限应力为235 MPa，所以此结构在弯曲工况下是满足静强度要求的。而在右前轮自由悬空扭弯工况下，最大最不利应力为1321 MPa，是满足静强度要求 的。在右前轮被动下沉2401Tim扭弯工况下，最大最不利应力为1957MPa，但考虑到此时 其右前轮的下沉量

13、已达到540 mm，这在实际行车中是不可能达到的，放此结构在扭弯工况 下是满足静强度要求的。(2)刚度计算中，我们主要考察了驾驶员门、乘客门、左右侧窗、前后风挡玻璃窗框对角线的长度 变化，以此来评价本车的整体刚度。从表3表5可以看出，在弯曲工况和被动下沉扭弯工 况下，以上各对角线中变化量最大才482mm，满足刚度要求。而右前轮自由悬空扭弯工况 下，其右前轮的下沉量已达到540 mm，这在实际行车中是不可能达到的，故此时表3表5 中的变形是一种极限情况而不易产生的。因此，可以说该客车底、骨架的静刚度是满足使用要求的。22动态计算与分析221模态分析 因低阶模态对客车振动的影响最大，所以下面计算了

14、该客车满载时前20阶固有频率和·55·振型。(1)前zo阶固有频率 经计算，得到模型的前20阶固有频率见表6。前20阶固有频率表表6(3)部分振型图第六阶振型的轴侧图见图5，第八阶振型的轴侧图见图6。222动力响应 (1)概况动力响应分析可以模拟客车以一定的车速在凸凹不平的路面上行驶时，客车骨架的受 力、变形情提。我们用正弦函数来表示路面不平度。根据汽车理论，相位角取。时正弦波形 的路面不平度可表示为：Q：=A。sin(Z，rvtL。)(1)若路面空间波长厶。取为标准技长2；r(m)，则上式可变为；Q；=A。sinVt(2)式中："为车速(ms)，t为时间(s)A

15、。为路面振幅(m)·56·圈5第六阶振塑的轴侧田图8第八阶振型的轴侧罱 (图中标出的为变形超过0 0489 m的点)(田中标出的为变形超过00648 m的点)根据道路施工路面平整度验收标准，一、二级沥青路面其不平度应5 mm，三级沥膏路 面其不平度应8 mm，一、二级水泥路面其不平度应3 mm，三级水泥路面其不平度应5 mm。计算中分为两种工况：JT677021，模拟的是中等路面中高车速工况，路面振幅A：一o045 m，车速口=20 m s(即72 kmh)，则激振自然频率，一口2=202z=31831，相应的路面激振加速度为：d：一Q匕一一18 sin20t(ms2)(3

16、)JT677022，模拟的是坏路面低车速工况，路面振幅A。=018 In，车速口一10 ms(即36 krah)。则激振自然频率f=v27r=lO2n=15915，相应的路面激振加速度为：a：=Q0一一18 sinlot(ms2)(4)下面用振型迭加法分别对这两种工况进行计算(2)应力表8表9列出两种工况下该客车骨架产生的动态最大最不利应力值(MPa)及其位置：中等路面中高速工况表8从表8中可知，在中等路面中高车速工况下，最大最不利应力为1575 MPa，大应力主·57·要分布于笫四横栅和高地板梁上。 从表9中可知，在坏路面低车速工况下，最大最不利应力为1844 MPa，大

17、应力主要分布于第四横栅和高地板梁上。由此可见，客车骨架的动态强度还是较好的。(3)变形中等路面中等车速工况下，在f一034 s时该客车底、骨架的最不利正应力最大，此时其 变形见图7；坏路面低车速工况下，在=026 s时该客车底、骨架的最不利负应力最大，此 时其变形见图8。根据节点位移可计算门、窗框对角线的变化量，见表10表12(正数表示 增长，负数表示减短)，各对角线位置见图2图4。坏路面低车速工况表9时阃序列i234567 8最大位24·3750151293251 741 s5613583 3505 9位置行李舱粱高地板粱前段时问序列91011121314 15最大值1271145

18、 61639177 3184 4183 9175 2位置 高地板粱前段第四横栅 时间序列161718 19最大值15811327ioio6909位置第四横栅左侧圈后立柱图7扭o 34 s时JT6770客车底、骨槊变形轴侧图图8 l=0 26 s时JT6770客车底、骨架变形轴侧圈 (图中标出的为变形超对oIZ5 m的点)(田中标出的为变形超过0 183 m的点)驾驶员门框和左侧窗框对角线变化量表(ram)表】o】23456789io原长1741·7 19347 1653 i 1653 1 1719 7 17197 17197 1719 7 17396 739 6T6770zIo·38o40o，Olo94o07o01o92一o 34o87一o 71JT677022 0·530 80o·12o350oio29o75一o 39i34一o91·58·乘客门框和右侧窗框对角线变化量表(ram)表11分析时，我们主要考察了驾驶员门、乘客门、左右侧窗、前后风挡玻璃窗框对角线的长度 变化，以此来评价本车的整体刚度。从表9表11可以看出，在中等路面中等车速工况和坏 路面低车速工况下，以上各