基于Nastran的某客车有限元分析

1、基于nastran的某客车有限元分析耿广锐 严锦伟 赵幼平 郭友利（东风商用车技术中心 湖北武汉 430056 ）（1.摘要：应用nastran软件对某客车的三种结构形式：车架、车架+车身骨架、车架+车身骨架+蒙皮进行纯弯、弯扭组合、加速、紧急制动、急转弯等工况下的强度分析以及自由模态和刚度的计算。比较不同结构形式对分析结果的影响程度，从而为以后按不同的分析目的来建立最简单的分析模型积累经验。最后通过对结构的改进成功的降低车身地板高应力部位的应力水平并对车身成功减重。关键词：客车；强度；刚度；自由模态finite element analysis for city bus based on n

2、astrangeng guang-rui yan jin-wei zhao you-ping guo you-li（dfl commercial vehicle technical center ,wuhan 430056,china)abstract：applying nastran software on three forms of the bus: frame, frame+body framework, frame+ body framework+body skin to analyses the strength in the condition: bending, the com

3、bination of bending and torsion, acceleration, emergency braking condition, emergency steering, etc, and the analyses of free mode and stiffness. comparing the effect of different structural forms to the results of the analysis. the results are of great significance as building the simplest fea mode

4、l by different purpose. finally, to reduce the stress level of the body floor by optimizing structure, reduced the weight of the city bus body.key words：city bus；strength；stiffness；free mode1引言众所周知，利用有限元法进行结构分析可以减少成本、缩短工作周期。而且只要保证模型和边界条件的的准确性，就能得到精确的计算结果。客车车身总体上为框架式结构，在其开发过程中对其各个部件和总成的强度和刚度要求是最基本的。以

5、某客车为研究对象，应用结构分析软件nastran对其进行了三种结构形式下的强度、刚度、模态对比分析，最终在开发的早期阶段就能找到最合理、经济的设计方案，并为以后的工作积累经验。2 结构模型化2.1客车主要为板材结构，大部分为薄板件，根据这些结构特点，采用薄板单元对该客车进行模型化，并用刚性单元和梁单元以及重节点来模拟焊接、铆接及螺栓连接，车架悬置弹簧则用弹簧元来模拟。图1为客车整车有限元模型图，结构模型共划分节点338206个，单元381085个。图1客车整车有限元模型图2.2边界条件2.2.1 材料特性分析客车骨架所用材料为q235，屈服极限为235 mpa，车架所有材料为dl510，屈服极

6、限为345mpa,泊松比=0.3，弹性模量e=208gpa，密度=7.8210kg/m。车架悬置弹簧的刚度参数：前悬置弹簧的垂直刚度系数：c前=134.9kn/m；后悬置弹簧的垂直刚度系数：c后=206.6kn/m。2.2.2 计算载荷与工况1）在进行整车应力分析时，考虑了绝大部分施加在车架上的外载荷、分布在地板上的乘客重量、分布在行李舱横梁上的行李和备胎重量包括：转向机： 20 kg 水箱、中冷器及调整机构： 30 kg 动力总成： 520 kg 干燥器及卸载阀： 12 kg空滤器： 10 kg 车架左侧储气筒： 15kg 油箱： 110 kg 车架右侧储气筒： 12kg备胎： 90 kg

7、车架后横梁储气筒： 12kg行李： 220 kg 车身带全部装备： 2160kg乘客： 1840kg3 分析结果3.1模态分析结果对客车车架、车架车身骨架、车架车身骨架蒙皮提取了前五阶振动模态（见表1），图2图4为模态振型图。表1 模态分析结果方案模态阶数车架车架车身骨架车架车身骨架蒙皮频率（hz）振型频率（hz）振型频率（hz）振型一阶模态5扭转10.9整体扭转14.2车身前部扭转二阶模态20.1横向弯曲12.3车身前部扭转15.3整体扭转三阶模态22横向二弯17.1车顶摆动21.9顶盖打鼓四阶模态31.6垂直弯曲17.2横向弯曲23.7横向弯曲五阶模态40.2扭转18.8弯扭组合23.8垂

8、直弯曲图2 光车架模态振型图图3 车架车身骨架模态振型图图4 车架车身骨架蒙皮模态振型图3.2强度分析结果考虑到该客车的车架为整体式车架，单独计算车架强度没有太大意义，所以强度分析以车架+车身骨架、车架+车身骨架+蒙皮两种形式为主。车架+车身骨架+蒙皮的强度结果与实际应该更接近一些。由于强度分析时的高应力区多出现在车架和地板上，而其它部位如前围、后围、侧围的应力水平在各个工况下都较低，在结果中主要体现在车架和地板的应力水平（见表2），图5至图8为高应力区部位应力分布图。表2 客车整车应力计算结果 (单位：mpa)工况总成高应力区部位最大应力值（车架+车身骨架+蒙皮）最大应力值（车架车身骨架）弯

9、曲工况车身骨架车门处座椅安装梁与地板横梁连接处151152行李舱纵梁与地板横梁连接处137174后排座横梁与立柱连接处128159车架纵梁上与后牛腿连接处9580侧围车门处侧围与地板横梁连接处127128弯扭组合工况车身骨架行李舱纵梁与地板横梁连接处148189车门处座椅安装梁与地板横梁连接处145147后排座横梁与立柱连接处139171车架车架上第二根横梁与纵梁连接的u形板处151162车架纵梁与后牛腿连接处114105侧围车门处侧围与地板横梁连接处127128加速工况车身骨架地板横梁与倒数第二根牛腿连接处157120地板横梁与后牛腿连接处145175后排座横梁与立柱连接处144191车架油

10、箱支架处224224侧围车门处侧围与地板横梁连接处130127制动工况车身骨架地板横梁与后牛腿连接处267244车门处座椅安装梁与地板横梁连接处222210地板横梁与倒数第二根牛腿连接处180143车架油箱支架304304车架纵梁与后牛腿连接处138150侧围车门处侧围与地板横梁连接处123155转弯工况车身骨架地板横梁与后牛腿连接处285291行李舱纵梁与地板横梁连接处215244后排座横梁与立柱连接处192241车架车架上第二根横梁与纵梁连接的u形板上285245纵梁上与前悬第二悬制块连接处266245纵梁上与前悬第一悬制块连接处249232纵梁上与后牛腿连接处161136侧围车门处侧围与

11、地板横梁连接处136147图5 弯曲工况下客车各部位应力分布图（单位：kpa）图6弯扭组合工况下车架上第二根横梁与纵梁连接的u形板处局部应力分布图（单位：kpa）图7 加速工况下客车各部位应力分布图（单位：kpa）图8 转弯工况下客车各部位应力分布图（单位：kpa）3.3改进方案的强度分析结果（1） 考虑到座椅安装梁的位置可能改变，去掉地板上座椅安装梁（如图9所示，图中红色的梁为要去掉的梁），同时也去掉侧围上的槽钢（如图10所示，粉色的为要去掉的梁）后看其对地板的强度有无影响。 图9 客车地板上要去掉的座椅安装梁示意图 图10客车侧围上要去掉的座椅安装梁示意图去掉这些梁后进行的强度计算结果显示

12、出车门处侧围与地板横梁连接处在弯曲工况下偏高，最大应力值达到229 mpa，而在制动工况下侧围与后排座横梁连接处偏高，最大应力值达到292 mpa，（见图11、12）因此需要添加横梁来消除侧围上的高应力区（见图13，红色的梁为新加的梁），弯曲工况下侧围的最大应力值可降低到107 mpa，制动工况下最大应力值可降低到117 mpa。 图11去掉梁槽形梁后弯曲工况下侧围的局部应力分布图 图12去掉槽形梁后制动工况下侧围的局部应力分布图图13 客车地板上要添加的梁示意图 在新方案下，对车架车身骨架蒙皮在各个工况下的强度计算结果如表3：表3：新方案下地板的应力计算结果 (单位：mpa)工况高应力区部位

13、新方案的最大应力值原方案的最大应力值弯曲工况行李舱纵梁与地板横梁连接处144137弯扭组合工况行李舱纵梁与地板横梁连接处167148加速工况后排座横梁与立柱连接处144144制动工况地板横梁与后牛腿连接处291267转弯工况地板横梁与后牛腿连接处234285（2） 考虑到新方案在制动时地板横梁与后牛腿连接处的最大应力值达到291 mpa，超出了材料屈服强度，可考虑在牛腿处施加三个支撑（图14），将应力转移。施加支撑后横梁的最大应力值降低至137 mpa，但牛腿升高至275 mpa（如图15、16所示），考虑此时可将牛腿厚度由1.5mm增加到2mm，此时牛腿的应力降至221 mpa。图14 地板

14、横梁与后牛腿连接处施加支撑示意图 图15添加支撑后牛腿处局部应力分布图 图16添加支撑后地板横梁与后牛腿连接处局部应力分布图（3）考虑车架上第二根横梁与纵梁连接的u形板处的应力在转弯的工况下偏高，达到了285 mpa，若将u形板料厚由4mm增加到6mm，最大应力值可降低至202 mpa。3.4刚度分析结果对原方案三种结构形式以及对新方案车架+车身骨架+蒙皮分别进行了弯曲刚度和扭转刚度的计算，结果见表4。表4 客车刚度计算结果 结构形式（原方案）弯曲刚度(单位：)扭转刚度（单位：）车架（原方案）912714116687车身骨架（原方案）1388469344368车架+车身骨架+蒙皮（原方案）13

15、91582641777车架+车身骨架+蒙皮（新方案）14041766536624 结果分析与讨论1、模态计算时蒙皮对频率的影响较大，车身加骨架的一扭频率是10.9hz, 车身加骨架加蒙皮的一扭频率是15.3hz。2、强度计算时蒙皮对应力的影响相对较小。3、原方案的地板最大应力是产生在转弯工况下地板横梁与后牛腿连接处，最大应力值为285 mpa，其他部位都低于材料的屈服应力235 mpa，可考虑在扭腿附近施加支撑来降低应力水平。在新方案下最大应力出现在制动工况下，最大应力值为291 mpa，此时施加三个支撑，并将此处的牛腿料厚增加到2mm，此时横梁的最大应力降低至137 mpa，牛腿处的最大应力降低至221 mpa，效果较为明显，建议采用。4、在车架上的第二根横梁与纵梁连接的u形板处在转弯工况下偏高，最大应力值为285 mpa，若将该u形板料厚增加到6mm，最大应力值降低至202 mpa，效果较为明显，建议采用。5、由表3可以看出原方案的地板和侧围上的座椅安装梁对地板的强度影响不大，可以去掉，但需补充梁（30x30mm，见图13），由表4也可以看出新方案的弯曲刚度和扭转刚度相比原方案没有明显的变化，改进方案合理、可行。新方案相对原方案减重33kg。 参考文献：1 付永华. 有限元分析基