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1、 摘 要 汽車經(jīng)歷了130年的發(fā)展，現(xiàn)作為最普遍的交通工具，在貨運(yùn)和客運(yùn)方面都發(fā)揮著不可或缺的作用。隨著汽車的普及，汽車在各個(gè)方面的安全問(wèn)題也日益受到關(guān)注，汽車的安全性關(guān)系到人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全，因此人們對(duì)汽車的安全性這類重要指標(biāo)的要求也越來(lái)越高。 在汽車眾多復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中，車架作為整車的基體，汽車大部分的總成都是通過(guò)車架來(lái)固定其位置的。車架的主要作用是支撐連接汽車的各零部件，并承受來(lái)自車內(nèi)外的各種載荷。 針對(duì)車架的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的問(wèn)題，本文以某一電動(dòng)客車中最重要的承載基體底盤車架為研究對(duì)象，基于有限元理論基礎(chǔ)，通過(guò)CATIA V5R21建立車架三維實(shí)體模型，隨后將車架的三維實(shí)體模型導(dǎo)入

2、至ANSYS workbench15.0內(nèi)并選擇合適的網(wǎng)格劃分方法對(duì)車架進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，在確定載荷的簡(jiǎn)化和施加方法后，根據(jù)該車的設(shè)計(jì)使用情況對(duì)底盤有限元模型采用了四種計(jì)算工況勻速直線行駛的水平彎曲工況、一輪懸空的極限扭轉(zhuǎn)工況、緊急制動(dòng)工況和緊急轉(zhuǎn)彎工況。通過(guò)對(duì)這四種工況強(qiáng)度和剛度的分析，得到底盤的應(yīng)力分布和剛度狀況，分析評(píng)價(jià)該車架的優(yōu)劣性能，并且與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了該車架有限元模型的可行性。同時(shí)，為掌握該車的動(dòng)態(tài)性能，使用了模態(tài)分析技術(shù)對(duì)車身車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，計(jì)算得到車身車架的固有頻率，并對(duì)低階固有模態(tài)振型進(jìn)行了分析，了解了車架在受到路面位移激勵(lì)狀況下的瞬態(tài)響應(yīng)，以及評(píng)價(jià)了在瞬態(tài)

3、響應(yīng)狀況下的疲勞壽命。 計(jì)算結(jié)果表明，文中建立的有限元模型是合理的，分析是正確的，所得結(jié)果可用于指導(dǎo)客車設(shè)計(jì)的改進(jìn)和性能評(píng)價(jià)。 關(guān)鍵詞：客車，底盤車架，有限元，靜態(tài)分析 第1章 緒 論 1.1 引言 自21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)客車經(jīng)歷了四十多年的發(fā)展，經(jīng)過(guò)了“以貨車改造客車”和“以貨車底盤改裝客車”的初級(jí)階段后，現(xiàn)在已經(jīng)成為汽車產(chǎn)業(yè)中的一個(gè)獨(dú)立的工業(yè)及產(chǎn)品體系。伴隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車設(shè)計(jì)技術(shù)正在不斷地更新，從最初的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)發(fā)展到以科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)分析為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)階段。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，慢慢形成了新的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與工程分析技術(shù)(CAD/CAE)，它們與有限元法相結(jié)

4、合應(yīng)用在汽車設(shè)計(jì)方面，已成為今后汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。有限元法起源于上世紀(jì)四十年代初期，因當(dāng)時(shí)的條件有限，沒(méi)有引起重視。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元這門特別依賴數(shù)值技術(shù)的學(xué)科也得到了快速發(fā)展，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于包括汽車工業(yè)在內(nèi)的各個(gè)工程領(lǐng)域。美國(guó)ANSYS公司開發(fā)的大型通用有限元分析軟件——ANSYS，由于其功能強(qiáng)大而被廣泛采用，在以往用于車架、車體以至整車結(jié)構(gòu)分析的實(shí)例屢見(jiàn)不鮮。 客車底盤車架將各總成零部件結(jié)合為一體，是汽車各個(gè)系統(tǒng)的承載基體，承受著車內(nèi)外的各種載荷。底盤車架靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的好壞不但影響到乘員的舒適性、整車的振動(dòng)特性，還直接影響到汽車的行駛安全性(車架的損壞往往會(huì)引起重大

5、事故)。車架所承受的載荷可以分為靜載荷和動(dòng)載荷兩類。靜載荷是車輛在靜止時(shí)所承受的載荷，主要是靜彎曲應(yīng)力，它是由安裝在底盤車架上的發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器等總成以及其他零部件的重量、乘客及其行李重量、底盤車架自重等引起的。動(dòng)載荷指的是客車在行駛的過(guò)程中底盤車架承受的載荷，主要包括：動(dòng)彎曲應(yīng)力（通常該應(yīng)力是靜彎曲壓力的三至四倍）和扭轉(zhuǎn)力（當(dāng)車輛在崎嶇路面上行駛時(shí)，如果左右車輪不在同一平面內(nèi)，車架就會(huì)受扭轉(zhuǎn)力）。 本文的研究對(duì)象是某電動(dòng)客車底盤車架，根據(jù)給定的客車相關(guān)參數(shù)，利用CATIA軟件建立底盤車架的三維實(shí)體模型，然后應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)底盤車架進(jìn)行靜態(tài)分析。利用計(jì)算機(jī)在計(jì)算速度方面的

6、優(yōu)勢(shì)，可以快速的模擬底盤車架在不同工況下的響應(yīng)。最后，通過(guò)分析工作的總結(jié)，客觀地了解底盤車架結(jié)構(gòu)，得出相應(yīng)的結(jié)論，在客車車身結(jié)構(gòu)中有著重要的指導(dǎo)意義，具有一定的參考價(jià)值。 1.2 論文選題背景 汽車工業(yè)伴隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和交通運(yùn)輸體系的全面建立得到了飛速發(fā)展。在客車制造行業(yè)中，車身、車架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架、覆蓋件、車輪等各零件總成和乘客室結(jié)構(gòu)，有限元法廣泛應(yīng)用于靜態(tài)分析，客車的設(shè)計(jì)水平通過(guò)有限元法被極大地提高，同時(shí)有限元法也成為了設(shè)計(jì)和分析的強(qiáng)大的工具之一。如今，客車底盤車架設(shè)計(jì)，主要用傳統(tǒng)方法來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算和有限元分析。但是存在的兩個(gè)突出問(wèn)題主要是框架的設(shè)計(jì)模式：第一，為了簡(jiǎn)化計(jì)算精度而無(wú)法保

7、證強(qiáng)度和剛度要求，引起框架的設(shè)計(jì)不是很安全，安全要求的前提下會(huì)導(dǎo)致過(guò)多的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加設(shè)計(jì)成本；第二，傳統(tǒng)方法容易導(dǎo)致底盤車架設(shè)計(jì)和計(jì)算的不同步，很難達(dá)到提高員工的技術(shù)目標(biāo)的質(zhì)量和設(shè)計(jì)。為了提高設(shè)計(jì)水平架構(gòu)，來(lái)確保在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，客車設(shè)計(jì)分析必須是有限元技術(shù)在戰(zhàn)略上的高度。 二十世紀(jì)七十年代，NASTRAN 結(jié)構(gòu)分析程序被引進(jìn)到美國(guó)宇航局汽車行業(yè)，標(biāo)志著基于對(duì)客車設(shè)計(jì)的革命驗(yàn)證了分析的開始。但現(xiàn)在因?yàn)橛邢拊治龅木雀撸虼艘呀?jīng)被廣泛使用，尤其是在結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析的線性范圍內(nèi)的機(jī)械材料應(yīng)力－應(yīng)變結(jié)構(gòu)分析。 底盤車架作為整個(gè)客車的核心總成，主要承載著發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、蓄電池、

8、乘員、貨物等的重量，整車能否正常運(yùn)行以及駕駛員和乘客的安危主要取決于底盤車架設(shè)計(jì)的可靠性，因此底盤車架的設(shè)計(jì)不但要有足夠的彎曲剛度來(lái)抵抗客車行駛中底盤車架的變形，而且還要有一定的強(qiáng)度來(lái)防止底盤車架在使用過(guò)程中發(fā)生疲勞損壞。同時(shí)還需考慮節(jié)約材料和提高客車的動(dòng)力性，在滿足強(qiáng)度和剛度要求下應(yīng)該盡可能減小底盤車架質(zhì)量，這也有利于增加客車的經(jīng)濟(jì)效益。顯然，單憑設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)，很難滿足車架設(shè)計(jì)的諸多要求，而有限單元法在節(jié)點(diǎn)配置、網(wǎng)格劃分、邊界條件施加等方面靈活自如，能夠模擬任意復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)形狀，處理不同的連接關(guān)系，更有一些國(guó)外開發(fā)的通用有限元程序可供使用。因此，為適應(yīng)現(xiàn)代客車底盤車架設(shè)計(jì)要求，運(yùn)用有限元技

9、術(shù)作為指導(dǎo)就顯得尤為必要。本論文正是基于這樣的背景，對(duì)某小企業(yè)初步設(shè)計(jì)的某客車的底盤車架運(yùn)用有限元法展開研究，探討其力學(xué)特性。 1.3 課題的研究目的和意義 現(xiàn)代大多數(shù)客車的底盤車架，它支承連接客車的各零部件，并且承受來(lái)自車內(nèi)外的各種載荷。底盤車架是整個(gè)客車的基礎(chǔ)，客車上的大多數(shù)部件和總成都是由底盤車架來(lái)固定其位置的。底盤車架的結(jié)構(gòu)形式首先應(yīng)該滿足客車總布置的要求。當(dāng)客車處于復(fù)雜的行駛過(guò)程時(shí)，固定在底盤車架上部件和各總成之間不應(yīng)該發(fā)生干涉；當(dāng)客車處于崎嶇不平的道路上行駛時(shí)，底盤車架在各種載荷作用下有可能發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形以及在縱向平面內(nèi)的彎曲變形，當(dāng)一邊車輪遇到障礙時(shí)，還可能使得整個(gè)底盤車架變形

10、。因此，底盤車架還應(yīng)該具有一定的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)其質(zhì)量應(yīng)盡可能的小，底盤車架應(yīng)布置地離地面近些等。所以，如何判斷底盤車架結(jié)構(gòu)的合理性及靜動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)劣，是一項(xiàng)十分重要的工作。 客車底盤車架的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精確解不可能用傳統(tǒng)力學(xué)來(lái)解釋。尤其是在設(shè)計(jì)的初期，因?yàn)闊o(wú)法獲得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，所以只能依靠經(jīng)驗(yàn)和類比設(shè)計(jì)，因此缺乏一定的力學(xué)分析基礎(chǔ)的科學(xué)依據(jù)?？蛙嚨妆P車架的設(shè)計(jì)與制造是研發(fā)新車型最重要的環(huán)節(jié)。因?yàn)槭茉S多條件的限制，如今我國(guó)基本上還用傳統(tǒng)的手工設(shè)計(jì)方法和連接式的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程。在客車結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者的主要任務(wù)是確定零部件的強(qiáng)度和剛度，因?yàn)榭蛙囀菑?fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，底盤車架又是客車中結(jié)構(gòu)和受力情況都十分

11、復(fù)雜的部件，而且不少?gòu)S家都是憑經(jīng)驗(yàn)或類比進(jìn)行設(shè)計(jì)，通常導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足或強(qiáng)度過(guò)剩。強(qiáng)度不足會(huì)發(fā)生早期失效，甚至釀成事故；強(qiáng)度過(guò)剩，又帶來(lái)結(jié)構(gòu)的粗笨和材料的浪費(fèi)。所以，一個(gè)合理的設(shè)計(jì)應(yīng)該是不正常的惡劣運(yùn)行條件下只會(huì)偶爾出現(xiàn)故障，在正常條件下則不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重失效。 國(guó)內(nèi)外關(guān)于底盤車架的研究實(shí)現(xiàn)了全方位的綜合發(fā)展。底盤車架的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鳎坏枰O(shè)計(jì)人員不斷探索底盤車架在整車設(shè)計(jì)工作過(guò)程中的具體狀況，尋求更加符合實(shí)際工作狀況的設(shè)計(jì)方法，而且需要工程技術(shù)部門不斷積累設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，形成自己準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)程序。底盤車架的設(shè)計(jì)工作經(jīng)常圍繞幾個(gè)方面開展底盤車架的靜、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算車架性能的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證車架及整車的

12、成本預(yù)算底盤車架對(duì)整車性能預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)仿真。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元分析在車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用，采用有限元法對(duì)底盤車架進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度分析，設(shè)計(jì)出滿足強(qiáng)度和剛度的車架。 因此，本課題的目的主要有：進(jìn)行客車底盤車架結(jié)構(gòu)有限元分析，規(guī)范分析步驟，使分析簡(jiǎn)單易行，為有限元技術(shù)在底盤車架上的應(yīng)用做好基礎(chǔ)工作；通過(guò)運(yùn)用有限元方法對(duì)客車車身進(jìn)行解析計(jì)算，為有關(guān)技術(shù)人員提供參考；對(duì)客車車身進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力、動(dòng)力學(xué)特性分析，為車身的設(shè)計(jì)分析提供一定的理論支持。意義主要有：使用有限元法對(duì)將要設(shè)計(jì)的客車車身進(jìn)行設(shè)計(jì)分析將提升車架的研發(fā)、設(shè)計(jì)、分析和制造的效率和車架的性能；有限元法能有效地解決以往的車身設(shè)計(jì)辦法

13、很難全面考慮設(shè)計(jì)分析的車架復(fù)雜工況下的各種難題；在電能儲(chǔ)存遇到瓶頸的今天，降低車架重量，減少電能和燃油的消耗，為客車提高經(jīng)濟(jì)效益；為客車進(jìn)一步的設(shè)計(jì)提供更靈活的思路；驗(yàn)證客車底盤車架的結(jié)構(gòu)可靠性與客車行駛時(shí)的安全系數(shù)；用有限元法進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，可以縮短開發(fā)周期，提高精度。 1.4 國(guó)內(nèi)外車架有限元的發(fā)展現(xiàn)狀 有限元法是在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)時(shí)發(fā)展的一種新興的數(shù)值計(jì)算方法，其對(duì)實(shí)際工程中的幾何形狀不規(guī)則、載荷支撐情況復(fù)雜的許多結(jié)構(gòu)及零部件進(jìn)行變形計(jì)算和應(yīng)力分析，而車身、底盤車架不論形狀，還是載荷都十分復(fù)雜，因此有限元法是計(jì)算車身、底盤車架的一種實(shí)用的工具。 多年來(lái)，有限元法的應(yīng)用范圍已經(jīng)從桿、梁類結(jié)構(gòu)

14、分析擴(kuò)大到了對(duì)彈性力學(xué)平面問(wèn)題、空間問(wèn)題以及板殼問(wèn)題的分析，由靜態(tài)問(wèn)題的分析擴(kuò)展到動(dòng)態(tài)問(wèn)題的分析。可見(jiàn)，有限元法己經(jīng)獲得了前所未有的發(fā)展，因?yàn)橛邢拊ㄓ兄种匾膬?yōu)越性，使得有限元法在汽車、飛機(jī)、船舶和拖拉機(jī)等設(shè)計(jì)中都得到了廣泛的應(yīng)用。 客車底盤車架設(shè)計(jì)從此有了先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段。通過(guò)有限元法的計(jì)算，找到了設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，為以后的底盤車架設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)。底盤車架結(jié)構(gòu)和載荷的復(fù)雜性，有限元分析軟件與優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合，將會(huì)獲得良好的效果，這也是我們今后底盤車架設(shè)計(jì)的方向。 由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)和快速發(fā)展，底盤車架是一個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)，有限元分析計(jì)算于其已廣為應(yīng)用。早期的底盤車架強(qiáng)度計(jì)算是將車

15、架簡(jiǎn)化為梁，只做車架彎曲狀態(tài)下的強(qiáng)度校核。伴隨有限元的發(fā)展和推廣，國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)將有限元法應(yīng)用于汽車底盤車架的靜、動(dòng)態(tài)計(jì)算，但是采用梁?jiǎn)卧M車架，建立底盤車架強(qiáng)度分析的有限元模型，對(duì)一些低合金鋼板沖壓成型等型材制作的車架，這種方法存在一些不足之處。 近些年來(lái)，國(guó)際上的汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)趨向于采用等強(qiáng)度、等剛度以及等壽命的設(shè)計(jì)原則，并且能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)車身零部件的壽命，精確而有效的預(yù)測(cè)零部件的動(dòng)態(tài)應(yīng)力歷程。汽車結(jié)構(gòu)在實(shí)際工況下承載復(fù)雜的隨機(jī)激勵(lì)載荷，車架局部開裂情況時(shí)有發(fā)生。 早在40年代，有限單元的基本思想——離散化概念就已提出來(lái)了，但因?yàn)楫?dāng)時(shí)的條件，計(jì)算機(jī)剛剛問(wèn)世，性能要求達(dá)不到，離散化沒(méi)引起重視。

16、直到50年代，英國(guó)航空教授Argyris等人運(yùn)用網(wǎng)格思想順利地進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析。同時(shí)，美國(guó)教授R.W.Clough運(yùn)用三角形對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算，并且于1960年首次提出了“有限單元法”這名稱；60年代中后期，國(guó)外一些數(shù)學(xué)家開始介入對(duì)有限元的研究，使得有限元有了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。1965年，O.C.Zienkienkiewics和Y.K.Ceun通過(guò)研究聲稱，有限元適用于所有能按變分形式進(jìn)行計(jì)算的場(chǎng)問(wèn)題，使有限元獲得了一個(gè)更為廣泛的解釋，有限元法的運(yùn)用也推廣到更廣闊的范圍；美國(guó)學(xué)者M(jìn).M.凱墨本、J.A沃爾夫也曾從理論和實(shí)驗(yàn)上對(duì)汽車車架進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度的分析，但并沒(méi)有進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；1995年，德國(guó)保時(shí)捷

17、公司的美國(guó)分公司完成了ULSAB（鋼車身輕量化設(shè)計(jì)）項(xiàng)目，使轎車車身的總質(zhì)量由271kg降至205kg；吉林工業(yè)大學(xué)的黃金陵曾在對(duì)影響車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的因素進(jìn)行了理論分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用懲罰函數(shù)法找到了汽車底盤車架的梁截面參數(shù)的最優(yōu)值，但是影響汽車底盤車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的因素太多，而且底盤車架結(jié)構(gòu)和載荷都復(fù)雜，很難形成較好的數(shù)學(xué)模型，所以該文作者并未對(duì)車架進(jìn)行全面分析，也就影響結(jié)果的可靠性；1998年清華大學(xué)的陸秋海等人已通過(guò)證明動(dòng)應(yīng)力過(guò)大是造成車架開裂的主要原因，因此應(yīng)力隨車速提高而增大；2001年，南京理工大學(xué)的張鐵山、胡建立等應(yīng)用大型軟件Ideals對(duì)N.J1030輕型車車架進(jìn)行有限元建

18、模，并對(duì)車架進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析，同時(shí)進(jìn)行了車架的疲勞試驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，得到了車架應(yīng)力、變形規(guī)律和動(dòng)力特性；2005年，上海理工大學(xué)的褚超美、邱述剛、陳傳穎通過(guò)對(duì)常見(jiàn)開口截面車架在典型工況時(shí)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的分析，推導(dǎo)出扭轉(zhuǎn)應(yīng)力計(jì)算公式，進(jìn)而得出了開口截面車架的一些應(yīng)力分布規(guī)律，提出改善車架扭轉(zhuǎn)應(yīng)力分布的具體措施，對(duì)汽車車架設(shè)計(jì)方案的擬定和車架應(yīng)力分析具有指導(dǎo)意義；2006年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張進(jìn)國(guó)、陳曉輝等利用ANSYS軟件對(duì)汽車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，對(duì)車架載荷作用下的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行了計(jì)算；2006年，沈陽(yáng)理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院的李湘寧、余傳文等采用ANSYS建立了汽車車架的參數(shù)化

19、有限元，給出了生成分析文件、定義優(yōu)化變量以及設(shè)置和優(yōu)化的具體步驟，通過(guò)仿真技術(shù)，對(duì)縱梁截面尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使車架總體積降低了9％；2007年，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的王暉云、呂寶占等利用Pro/E軟件進(jìn)行邊梁式車架零件的CAD建模。應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件對(duì)車架進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算出了車架自由狀態(tài)下的固有頻率及振型特性對(duì)整車性能的影響。在ANSYS中用耦合來(lái)模擬車架縱、橫梁以及連接板之間的鉚接； 2007年，廣州本田汽車有限公司的杜海珍、榮見(jiàn)華采用有限元分析和結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法，建立數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上，基于彎曲板的應(yīng)力靈敏度分析和性能指標(biāo)，建立了應(yīng)力約束下車架的拓?fù)鋬?yōu)化準(zhǔn)則。 目前

20、，國(guó)內(nèi)外對(duì)客車結(jié)構(gòu)研究主要是在對(duì)客車和轎車車身的強(qiáng)度和剛度方面。一般主要目標(biāo)是重量最輕、通過(guò)計(jì)算彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種典型進(jìn)行靜強(qiáng)度和靜剛度的優(yōu)化。 1.４ 課題的研究?jī)?nèi)容 本論文研究對(duì)象是某一大型客車底盤車架，表1.1給出了該客車的主要參數(shù)。運(yùn)用CATIA軟件建立底盤車架模型，用有限元軟件ANSYS對(duì)車架的各種工況進(jìn)行整體分析，得到它的應(yīng)力分布，根據(jù)各部分的受力狀態(tài)進(jìn)行分析研究，指出車架結(jié)構(gòu)的合理性與不足之處，為設(shè)計(jì)生產(chǎn)提供依據(jù)。 表1.1 某客車主要參數(shù) 車長(zhǎng)（mm） 11990 車寬（mm） 2550 車高（mm） 3830 軸距（mm） 6150 前懸（mm） 24

21、50 后懸（mm） 3390 整備質(zhì)量（kg） 13400 主要從以下方面入手： 1. 以GB13094－2007為主，熟悉相關(guān)的國(guó)家法規(guī)條例； 2. 查閱相關(guān)資料，熟悉客車底盤車架中的各種結(jié)構(gòu)布置，熟悉各種底盤車架布置的運(yùn)用條件和場(chǎng)合，熟悉底盤車架的加工工藝； 3. 查閱國(guó)內(nèi)外客車發(fā)展和研究的相關(guān)資料，歸納總結(jié)國(guó)內(nèi)外車架有限元技術(shù)的研究現(xiàn)狀； 4. 研究有限元法基本理論，以及靜態(tài)力學(xué)分析、模態(tài)分析的理論基礎(chǔ)； 5. 利用CATIA軟件建立底盤車架三維實(shí)體模型，用ANSYS軟件建立有限元模型； 6. 對(duì)底盤車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析； 7. 幾種工況下對(duì)車架進(jìn)行靜態(tài)分析，根

22、據(jù)實(shí)際車架受力情況對(duì)底盤車架進(jìn)行加載； 8. 根據(jù)以上分析，得出相應(yīng)的結(jié)果，并對(duì)客車底盤車架結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)意見(jiàn)，以利于今后產(chǎn)品的進(jìn)一步開發(fā)和完善。 1.5 本章小結(jié) 本章從本課題的選題背景、研究目的和意義及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀等方面說(shuō)明了研究領(lǐng)域的工程實(shí)踐意義和發(fā)展前景。并且簡(jiǎn)要介紹了本文的研究?jī)?nèi)容。隨著有限元理論和有限元方法發(fā)展，加之不斷完善的有限元軟件，現(xiàn)代CAE技術(shù)在現(xiàn)代客車設(shè)計(jì)中的日新月異，正發(fā)揮著不可替代的作用。 第2章 客車底盤車架的設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ) 2.1 客車底盤車架的類型和主要形式 汽車發(fā)展至今，大多數(shù)都以底盤車架作為整車基礎(chǔ)，底盤車架是支撐大多數(shù)汽車的主要部件。汽車都是通

23、過(guò)車架來(lái)固定其大部分部件和總成（如引擎、傳動(dòng)、氣泵、水箱、車橋、駕駛艙、轉(zhuǎn)向、車箱和相關(guān)控制機(jī)構(gòu)）的位置的。車身的主要功能是支承在機(jī)器結(jié)構(gòu)的各部分的連接，車身同時(shí)也要承受于各種物體的內(nèi)部和外部的力。首先應(yīng)以汽車總布置的要求來(lái)設(shè)計(jì)客車車架的結(jié)構(gòu)行駛?？蛙囋谙鄬?duì)平坦的道路上行駛時(shí)，要保證車身上各總成和零件之間位置相對(duì)不變且不發(fā)生干涉。而當(dāng)汽車在條件較差的路面上行駛時(shí)，底盤車架在各種內(nèi)外載荷作用下易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)形變和彎曲變形。這些工況下車身上的各部件之間的相互位置會(huì)發(fā)生變動(dòng)，都影響各零部件的正常工作。所以足夠的強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)膭偠葘?duì)車架來(lái)說(shuō)必不可少，還要求車架的質(zhì)量盡可能小以追求汽車的輕量化。再者，為了提高

24、汽車的行駛穩(wěn)定性，減低整車的質(zhì)心位置，必須使車架的位置相對(duì)較低，這點(diǎn)對(duì)轎車和客車來(lái)說(shuō)比較重要。 近年來(lái)，車架和非承載式車身（圖 2.1）的結(jié)構(gòu)形式出現(xiàn)了各式各樣復(fù)雜多變的形式，尤其是轎車車架的變化更是多種多樣。目前，按車架縱梁，橫梁的結(jié)構(gòu)特征，客車底盤車架的結(jié)構(gòu)樣式主要有三種：直通大梁式（圖2.2）、三段式（圖2.3）和全桁架式（圖2.4），分別與車身構(gòu)成非承載式、半承載式和全承載式結(jié)構(gòu)。根據(jù)其不同的工藝特點(diǎn)和用途，車架與車身一般采用彈性或剛性連接?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外大都采用剛性連接，以便使車架與車身共同承載，受力趨于合理化，進(jìn)而提高車輛的可靠性和安全性。 (一) 直通大梁式底盤車架 此結(jié)構(gòu)是傳

25、統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式，采用矩型或槽形截面縱梁，有些車型還有加強(qiáng)副縱梁。根據(jù)不同的需求，縱梁的設(shè)計(jì)可前后貫通，也可以前、中和后搭接成不同高度或不同寬度的結(jié)構(gòu)，有些車型受到后橋和地板高度要求的限制而在該處設(shè)計(jì)成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的“Ω”型。橫梁結(jié)構(gòu)通常用“I”型或雙槽背對(duì)形成的“I”型，偶爾也采用“O”型。根據(jù)布置和總成的安裝要求，同一底盤車架可以同時(shí)采用多種型式的組合和不同的橫梁翼面，底盤車架總成可以設(shè)計(jì)成前后等寬或不等寬結(jié)構(gòu)。 直通大梁式底盤車架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性能好，但是存在質(zhì)量大、布置困難、受力不均和損壞后難修復(fù)等缺點(diǎn)，適用于城市公交和普通短途客運(yùn)的車輛。 (二) 三段式底盤車架 該結(jié)構(gòu)前、后段為槽形大

26、梁，中段為桁架結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同的車型和承載情況，用不同規(guī)格異型鋼管焊接成箱形框架結(jié)構(gòu)，通過(guò)焊接（或焊接和鉚接）同前后大梁連接在一起。對(duì)鋼板彈簧懸架，中間桁架一般不超過(guò)懸架安裝區(qū)域；但是對(duì)于空氣彈簧懸架，為了增加行李箱容積，某些底盤的中間桁架超過(guò)懸架安裝區(qū)，只有發(fā)動(dòng)機(jī)區(qū)域和操縱區(qū)域用較短的槽形大梁。 此結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)外被普遍用于旅游車、長(zhǎng)途高速大客車，國(guó)內(nèi)的豪華大客車基本都采用這種結(jié)構(gòu)型式。該結(jié)構(gòu)容易設(shè)計(jì)制造，增大了行李箱的容積，但前后縱梁與桁架的連接—復(fù)雜，工藝性要求高。 (三) 全桁架式底盤車架 此結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代大客車用車架的發(fā)展趨勢(shì)，是由底架和骨架共同組成的承載結(jié)構(gòu)，都是用異型鋼管焊接而成。用

27、有限元法設(shè)計(jì)，可以使其受力分布均勻合理、結(jié)構(gòu)安全可靠。該型式車架已被部分豪華旅游客車采用，其優(yōu)點(diǎn)為： ① 質(zhì)量輕，能夠合理承受所有的載荷； ② 尺寸結(jié)構(gòu)靈活，方便布置各總成和零部件，并能夠最大限度地增大行李箱的容積； ③ 局部損壞后維修方便，可靈活替換損壞區(qū)； ④ 能滿足對(duì)底盤車架的特殊要求，但是零件多，技術(shù)工藝要求嚴(yán)格，生產(chǎn)成本高，而且焊縫多，降低了允許應(yīng)力。 第3章 有限元概論及相關(guān)軟件 3.1 有限元法的基本思想與基本理論 3.1.1 有限元基本思想 有限元法基本思想是把一個(gè)實(shí)際的結(jié)構(gòu)彈性連續(xù)體劃分為有限大小的，研究有限數(shù)目的單元組合體。這些單元只在節(jié)點(diǎn)處連接，單元之

28、間的載荷也只在節(jié)點(diǎn)傳遞。這種過(guò)程稱為有限元的離散化，或者叫單元?jiǎng)澐?。有限?shù)目的單元簡(jiǎn)稱單元。 利用離散而成的有限元集合體替代原來(lái)的彈性連續(xù)體，建立近似的力學(xué)模型，對(duì)此模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過(guò)分別對(duì)這些單元進(jìn)行分析，建立其位移與內(nèi)力之間的關(guān)系，以變分原理為工具，把微分方程化為代數(shù)方程，再把單元組裝成結(jié)構(gòu)，形成整體結(jié)構(gòu)的剛度方程： KU=Q 式中：K——結(jié)構(gòu)的整體剛度矩陣； U——節(jié)點(diǎn)位移列陣； Q——節(jié)點(diǎn)載荷列陣元。 離散后的單元節(jié)點(diǎn)的設(shè)置、性質(zhì)和數(shù)目應(yīng)該根據(jù)問(wèn)題的性質(zhì)、描述變形形態(tài)的需要和計(jì)算精度而定。通常情況下，單元?jiǎng)澐衷郊?xì)，則描述變形情況越精確，即越接近實(shí)際變形，但是計(jì)算量也越大

29、，所以有限元法中分析的結(jié)構(gòu)已經(jīng)不是原有的物體或結(jié)構(gòu)物，而是同樣材料的由眾多單元以一定方式連結(jié)成的離散物體。這樣做的結(jié)果造成用有限元分析計(jì)算所獲得的結(jié)果只能夠是近似的。如果劃分單元數(shù)目多而合理，則所得到的結(jié)果就與實(shí)際情況相符合。 在分析的過(guò)程中首先從單元分析入手，確定單元內(nèi)的位移、應(yīng)力、應(yīng)變模式，并且確定單元節(jié)點(diǎn)力與單元節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系，建立單元?jiǎng)偠染仃嚒８鶕?jù)離散化結(jié)構(gòu)的連接方式，組集各個(gè)單元?jiǎng)偠染仃嚕玫椒从痴w結(jié)構(gòu)位移與載荷關(guān)系的總體剛度方程。再求解該剛度方程得出各個(gè)單元的位移，然后利用單元分析得到的關(guān)系可求出單元應(yīng)力及應(yīng)變。由此可見(jiàn)，有限元分析的主要內(nèi)容是：?jiǎn)卧x散化、單元分析、整體分析。

30、 3.1.2 有限元基本理論 客車行業(yè)在發(fā)展的過(guò)程中出現(xiàn)了很多的技術(shù)問(wèn)題，由于其具有一些復(fù)雜形狀的非線性特性或結(jié)構(gòu)，造成難解決的現(xiàn)象。其解決途徑有兩種：一是引入化簡(jiǎn)的傳統(tǒng)方法假定代數(shù)方程和邊界條件來(lái)解決問(wèn)題，但是許多簡(jiǎn)化可能會(huì)導(dǎo)致更大的偏差，其可能是完全錯(cuò)誤的解決方案；二是利用現(xiàn)代代數(shù)學(xué)、力學(xué)的基本理論，通過(guò)現(xiàn)代科學(xué)和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)產(chǎn)品的現(xiàn)代方法獲得的數(shù)值分析技術(shù)，來(lái)解決項(xiàng)目要求的數(shù)值求解技術(shù)。 如今，在工程領(lǐng)域有很多常用的數(shù)值解析方法，例如：邊界元法、離散單元法、有限元法和有限差分法。其中，有限單元法應(yīng)用最廣泛。20世紀(jì)五十年代，出現(xiàn)了大型計(jì)算工具，使得有限元方法在計(jì)算數(shù)學(xué)、力學(xué)和工

31、程科學(xué)領(lǐng)域正快速成為計(jì)算的最為有效的方法。經(jīng)歷50多年的發(fā)展，不但使各種有限元法非常不同，其理論基礎(chǔ)也是很完美。盡管汽車機(jī)械構(gòu)造十分復(fù)雜，然而，在結(jié)構(gòu)靜力學(xué)能用有限元法完整地對(duì)車身、車架同時(shí)進(jìn)行分析，同時(shí)也對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的分析。目前在各大汽車公司內(nèi)，有限元法已成為汽車設(shè)計(jì)計(jì)算的重要工具之一。 3.3 有限元法在客車結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用 在客車研發(fā)的過(guò)程中，計(jì)算機(jī)輔助工程分析（CAE）是最重要的手段，其是實(shí)現(xiàn)客車從設(shè)計(jì)概念到產(chǎn)品驗(yàn)證的十分有效的工具?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元理論的不斷發(fā)展，給客車的結(jié)構(gòu)分析提供了有力的工具。計(jì)算機(jī)計(jì)算速度的提高，極大縮短了計(jì)算分析周期，加上有限元軟件功能的完善又促進(jìn)了

32、有限元分析在客車領(lǐng)域的發(fā)展。 客車現(xiàn)代有限元分析法包含的內(nèi)容比較多，包括客車基本結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)態(tài)特性分析、振動(dòng)分析以及噪聲等?？蛙囓嚿?、底盤車架是復(fù)雜的承載結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，如果用經(jīng)典力學(xué)方法計(jì)算其強(qiáng)度和剛度，或進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，需要作很多假設(shè)和簡(jiǎn)化，計(jì)算過(guò)程復(fù)雜且精度不高。而在計(jì)算復(fù)雜構(gòu)件時(shí)，需初步給出結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，并且按照已知的結(jié)構(gòu)載荷工況來(lái)分析計(jì)算根據(jù)計(jì)算出的應(yīng)力、應(yīng)變修改幾何尺寸后再進(jìn)行分析，如此反復(fù)，才有機(jī)會(huì)選取最佳方案。而且方案的有效性還須通過(guò)實(shí)車試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)，周期長(zhǎng)，需要的費(fèi)用多，這就使得有限元法成為計(jì)算底盤車架的一種有效而實(shí)用的工具。 對(duì)客車底盤結(jié)構(gòu)分析的有限元基本思路是化整為零和積零為整

33、，把復(fù)雜的結(jié)構(gòu)看成由有限單元所組成的連續(xù)彈性體。有限元計(jì)算的第一步是結(jié)構(gòu)的模型化，即將實(shí)際工程問(wèn)題離散化為有限元計(jì)算模型。而模型化的關(guān)鍵就是選擇適當(dāng)?shù)膯卧獊?lái)模擬結(jié)構(gòu)，單元的選擇包括單元精度選擇和單元類型選擇兩個(gè)方面的內(nèi)容。 根據(jù)工程實(shí)踐，應(yīng)該按照分析目標(biāo)，例如強(qiáng)度分析、剛度分析等的不同，選取適當(dāng)?shù)挠?jì)算模型，先整體后局部、先粗后細(xì)的分析方法在客車底盤車架結(jié)構(gòu)特性分析中，如果只看重求解結(jié)構(gòu)某方面的特性，可采用較簡(jiǎn)單的模型。 用有限元法分析靜態(tài)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)剛度是現(xiàn)代客車底盤車架設(shè)計(jì)的必要手段。用現(xiàn)代有限元結(jié)構(gòu)分析技術(shù)，使客車底盤車架的結(jié)構(gòu)分析不用再只憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，并且可獲得設(shè)計(jì)的參變量與結(jié)構(gòu)響應(yīng)如輸

34、出的應(yīng)力和位移之間的某種關(guān)系，還可利用軟件提供的可視化技術(shù)，實(shí)時(shí)觀察計(jì)算分析的結(jié)果，利用這些信息就可對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。 最初的有限元軟件僅僅擁有少數(shù)單元，功能有限、界面簡(jiǎn)單、分析結(jié)果粗略而且不直觀，前后處理復(fù)雜，無(wú)法滿足客車強(qiáng)度設(shè)計(jì)的實(shí)際需要。通過(guò)多年的發(fā)展，現(xiàn)代有限元軟件已經(jīng)今非昔比。其擁有大量滿足建立不同力學(xué)模型需要的線性與非線性單元，提供了靜力和動(dòng)力分析模態(tài)分析、隨機(jī)振動(dòng)分析、瞬態(tài)動(dòng)力分析、大變形非線性分析、屈曲分析等功能，極大地改進(jìn)了人機(jī)界面，同時(shí)計(jì)算結(jié)果也能以直觀彩色渲染圖形表示，使得人們一目了然。而且前處理、分析計(jì)算和后處理三者達(dá)到了一體化。這一切都使有限元法在客車設(shè)計(jì)領(lǐng)域邁入了實(shí)

35、用階段，成為設(shè)計(jì)人員全面評(píng)價(jià)客車底盤車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和改進(jìn)設(shè)計(jì)不可缺少的強(qiáng)有力的工具。 3.4 有限元相關(guān)軟件 3.4.1 ANSYS Workbench軟件介紹 ANSYS Workbench是用于計(jì)算機(jī)輔助工程的有限元分析軟件，該軟件是一個(gè)功能強(qiáng)大靈活的設(shè)計(jì)分析及優(yōu)化軟件包，其可以在許多計(jì)算機(jī)及操作系統(tǒng)上運(yùn)行，其文件可在其所有的產(chǎn)品系列和工作平臺(tái)上兼容，在PC機(jī)上生成的模型同樣可運(yùn)行于巨型機(jī)上。 下面從幾方面對(duì)ANSYS Workbench進(jìn)行詳細(xì)介紹： （1） 界面——ANSYS Workbench軟件功能強(qiáng)大、涉及范圍廣、圖形用戶界面（GUI）友好、程序構(gòu)架易學(xué)易用； （2）

36、 圖形——完全交互式圖形已經(jīng)成為ANSYS Workbench程序中不可分割的組成部分，其對(duì)于校驗(yàn)前處理數(shù)據(jù)和在后處理中檢查求解結(jié)果都是十分重要的； （3） 處理器——ANSYS Workbench分為：一個(gè)前處理器、一個(gè)求解器、兩個(gè)后處理器以及幾個(gè)輔助處理器（如設(shè)計(jì)優(yōu)化器等）。ANSYS前處理器用于生成有限元模型，指定隨后求解中所需的選擇項(xiàng)；ANSYS求解器用于施加載荷及邊界條件，然后完成求解算；ANSYS后處理器用于獲取并且檢查求解結(jié)果，從而對(duì)模型做出評(píng)價(jià)，從而進(jìn)行其它感興趣的計(jì)算； （4） 數(shù)據(jù)庫(kù)——ANSYS軟件使用統(tǒng)一的集中式數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存貯所有模型數(shù)據(jù)及求解結(jié)果。模型數(shù)據(jù)（包括實(shí)體

37、模型和有限元模型、材料等）通過(guò)前處理器寫入數(shù)據(jù)庫(kù)；載荷和求解結(jié)果通過(guò)求解器寫入數(shù)據(jù)庫(kù)；后處理結(jié)果通過(guò)后處理器寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)一通過(guò)某一處理器寫入數(shù)據(jù)庫(kù)中，即可被其它處理器使用。 （5） 文件格式——文件可以用于將數(shù)據(jù)從軟件的某一部分傳輸?shù)搅硪徊糠帧⒋尜A及輸出。ANSYS Workbench文件包括數(shù)據(jù)庫(kù)文件、計(jì)算結(jié)果文件、圖形文件等等。軟件生成的文件或者是ASCII格式或者是二進(jìn)制格式。在缺省設(shè)置下，ANSYS Workbench軟件生成外部格式（IEEE標(biāo)準(zhǔn)）的二進(jìn)制文件，該格式允許在不同硬件系統(tǒng)中移置，如當(dāng)某一用戶在某一計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中生成模型幾何數(shù)據(jù)后，該數(shù)據(jù)可方便地傳輸給另一系統(tǒng)中的另一

38、個(gè)ANSYS Workbench用戶。 ANSYS Workbench軟件的分析過(guò)程包括：前處理、求解及后處理。 1) 前處理：前處理用來(lái)定義求解所需的數(shù)據(jù)。用戶可以選擇坐標(biāo)系統(tǒng)、單元類型、定義實(shí)常數(shù)和材料特性、建立實(shí)體模型并且對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分、控制節(jié)點(diǎn)和單元等。 2) 求解：用戶在求解階段已經(jīng)通過(guò)求解器獲得分析結(jié)果。在這個(gè)階段用戶可定義分析類型、分析選項(xiàng)、載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項(xiàng)，進(jìn)而開始有限元的求解。 3) 后處理：ANSYS Workbench的后處理過(guò)程在前處理和求解過(guò)程后，其可通過(guò)用戶界面獲得求解過(guò)程的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，這些結(jié)果包括位移、應(yīng)力、應(yīng)變等，輸出的形式有圖形顯示和數(shù)據(jù)列

39、表兩種。 把計(jì)算結(jié)果讀入到數(shù)據(jù)庫(kù)后，可通過(guò)圖形顯示或數(shù)據(jù)列表來(lái)觀察和查詢模型在某一特定時(shí)刻的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)而對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行分析。 計(jì)算結(jié)果以圖形方式顯示是一種非常有效的表示方法，更加直觀形象。從圖形上，用戶可以迅速地了解到所觀察的結(jié)果數(shù)據(jù)在整個(gè)模型的分布變化。輸出的圖形包括：變形圖、等值線圖、矢量圖、反力圖、路徑同、粒子流軌跡圖和帶電粒子軌跡圖、混凝土斷裂等。 ANSYS Workbench軟件的基本功能包括：結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)非線性分析等。 （1） 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析：用于求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力，便于求解慣性及阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響不大的問(wèn)題。靜力分析包括線性分析和非線

40、性分析。非線性靜力分析通常通過(guò)逐漸施加載荷完成，以便獲得精確的解。 （2） 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析：用于求解隨時(shí)間變化的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)或部件的影響。該載荷包括交變力、沖擊力、隨機(jī)力及其他瞬態(tài)力。 （3） 結(jié)構(gòu)非線性分析：結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化。ANSYS Workbench可以求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問(wèn)題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性3種。 3.5 本章小結(jié) 本章主要介紹了有限元理論的發(fā)展、思想理論基礎(chǔ)和基本理論，了解了有限元在客車結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用，并詳細(xì)介紹了大型有限元分析軟件ANSYS Workbench發(fā)展與各項(xiàng)功能，為后面的課題研究作理論和軟件基礎(chǔ)。 第

41、4章 客車底盤車架有限元建模 4.1 底盤車架幾何模型的建立 4.1.1 CATIA軟件介紹 CATIA是法國(guó)達(dá)索公司開發(fā)的高端CAD/CAE/CAM一體化軟件，在世界CAD/CAE/CAM領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。CATIA的內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、三維建模、分析計(jì)算、動(dòng)態(tài)模擬與仿真、工程圖的生成到生產(chǎn)加工成產(chǎn)品的全過(guò)程，其中還包括了大量的電纜和管道布線、各種模具設(shè)計(jì)和分析、人機(jī)交換等實(shí)用模塊。CATIA提供了強(qiáng)大的設(shè)計(jì)能力：從產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)到最終產(chǎn)品的形成，以其精確可靠的解決方案提供了完整的2D、3D、參數(shù)化混合建模及數(shù)據(jù)管理手段；從單個(gè)零件的設(shè)計(jì)到最終電子樣機(jī)的建立。同時(shí)，作

42、為一個(gè)完全集成化的軟件系統(tǒng)，CATIA將機(jī)械設(shè)計(jì)、工程分析及仿真、數(shù)控加工和CATweb網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用解決方案有機(jī)地結(jié)合在一起，為用戶提供嚴(yán)密的無(wú)紙工作環(huán)境，尤其是CATIA中針對(duì)汽車、摩托車業(yè)的專用模塊，使得CATIA擁有了最寬廣的專業(yè)覆蓋面，從而達(dá)到縮短設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量及降低費(fèi)用的目的。 4.1.2 底盤車架的CATIA三維實(shí)體建模 客車底盤車架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅要考慮到整車的承載能力、各個(gè)零部件的強(qiáng)度要求，而且需協(xié)調(diào)底盤各系統(tǒng)的安裝以及與車體骨架的連接，還要使底盤各裝置的安裝在符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的情況下具有良好的裝配工藝性。所以在開發(fā)過(guò)程中需要對(duì)應(yīng)各方面的協(xié)調(diào)進(jìn)行頻繁的調(diào)整。而CATIA具

43、有在整個(gè)產(chǎn)品周期內(nèi)的、方便的、修改能力，尤其是后期修改性，無(wú)論是實(shí)體建模，還是曲面造型。由于CATIA提供了智能化的樹結(jié)構(gòu)，用戶可方便、快捷地對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行重復(fù)修改，即使是在設(shè)計(jì)的最后階段需要做重大的修改，或者是對(duì)原有方案的更新?lián)Q代，對(duì)于CATIA來(lái)說(shuō)，都是非常容易的事。所以本課題的客車底盤車架的幾何模型選用CATIA軟件來(lái)建立。 本文分析時(shí)所采用載重為4.5t的大型客車，車架構(gòu)造為典型的桁架式大型客車車架構(gòu)造，各桁架結(jié)構(gòu)通過(guò)焊接連接而成，車架最大截面尺寸為：5×5×5mm（寬×高×厚）。 4.2 底盤車架有限元模型的建立 4.2.1 有限元建模的幾個(gè)基本問(wèn)題 有限元分析的最終目標(biāo)是要還

44、原一個(gè)實(shí)際工程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)行為特征，因此，在對(duì)具體問(wèn)題進(jìn)行有限元分析的時(shí)候，首先得建立針對(duì)該問(wèn)題的有限元模型。建立準(zhǔn)確而且可靠的結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型，是一項(xiàng)非常重要的工作，其直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)果是否正確。但實(shí)際工程問(wèn)題往往十分復(fù)雜，結(jié)構(gòu)形狀、支撐邊界、載荷等存在各種可能的情況，想原樣照搬是不現(xiàn)實(shí)的，所以就要求在建立計(jì)算模型過(guò)程中，必須進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，否則，這種結(jié)構(gòu)的有限元運(yùn)算會(huì)變得十分困難。這種簡(jiǎn)化結(jié)果，使計(jì)算模型只能夠近似地反映工程實(shí)際問(wèn)題。通常來(lái)說(shuō)，這種計(jì)算模型的誤差要比有限元法本身的計(jì)算誤差大。由此可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)有限元法分析結(jié)果準(zhǔn)確性取決于計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。 為了使得有限元分析達(dá)到預(yù)期效果，對(duì)建

45、立的計(jì)算模型有幾個(gè)基本要求： 第一，計(jì)算模型必須有充足的準(zhǔn)確性。所形成的計(jì)算模型要能夠基本上準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。不但要考慮形狀與構(gòu)成的一致性，而且要考慮到支承情況及邊界條件的一致性，還要考慮到載荷與實(shí)際情況相一致。 第二，計(jì)算模型要有良好的經(jīng)濟(jì)性。復(fù)雜的計(jì)算模型通常來(lái)說(shuō)有較高的準(zhǔn)確性，但相應(yīng)地會(huì)增加前處理、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作和上機(jī)計(jì)算時(shí)間，從而使得計(jì)算費(fèi)用極大地增加。尤其是當(dāng)需要對(duì)大型結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析計(jì)算時(shí)，在建立模型的時(shí)候，必須要考慮模型的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。 當(dāng)前，計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，工作站、微機(jī)性能的提高，計(jì)算時(shí)間和費(fèi)用已經(jīng)不成問(wèn)題，這使建立計(jì)算模型時(shí)，要更加重視計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，只是適

46、當(dāng)兼顧它的經(jīng)濟(jì)性。 ANSYS Workbench軟件提供了以下幾種生成模型的方法： 第一：直接用ANSYS Workbench創(chuàng)建實(shí)體模型，即通常所說(shuō)的實(shí)體建模； 第二：直接先確定各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置，以及各單元的形狀、尺寸，再定義實(shí)體模型； 第三：在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）系統(tǒng)中創(chuàng)建好相應(yīng)模型，然后導(dǎo)入到ANSYS Workbench環(huán)境中，只需要做適當(dāng)?shù)男薷木涂赊D(zhuǎn)化為有限元模型。 在以上方法中，實(shí)體建模的方法相對(duì)更加常用，其適用于龐大而復(fù)雜的模型，特別是三維實(shí)體模型。雖然提供的實(shí)體造型功能不及某些專業(yè)CAD系統(tǒng)方便，但是也可建立復(fù)雜的模型。此外，實(shí)體建模還容易對(duì)幾何模型進(jìn)行修改，易于

47、改變單元屬性。 4.2.2 底盤車架有限元模型建立的原則 當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)底盤車架有限元模型時(shí)，本文主要從以下幾個(gè)方面的問(wèn)題考慮： (一) 建立底盤車架有限元模型時(shí)應(yīng)該盡力從幾何特性和力學(xué)特性同時(shí)接近原車架的實(shí)際構(gòu)造； (二) 網(wǎng)絡(luò)劃分時(shí)，要使任意兩個(gè)相鄰單元有公共的節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格的形狀盡可能規(guī)則，對(duì)一些特殊位置的網(wǎng)格容許其退化為三角形類型； (三) 對(duì)一些螺紋孔或無(wú)關(guān)緊要的鉚釘孔和圓角，進(jìn)行及時(shí)忽略； (四) 使得結(jié)果達(dá)到一定的精度，并且根據(jù)應(yīng)力集中的特征載荷車體結(jié)構(gòu)的分布可導(dǎo)致在應(yīng)力位置的急劇增加時(shí)，網(wǎng)格建模來(lái)優(yōu)化網(wǎng)格的位置，即把這些容易出想問(wèn)題的地方進(jìn)行網(wǎng)格調(diào)整和細(xì)化。 4.2.3

48、 底盤車架有限元建模 有限元模型是由簡(jiǎn)單單元組成，單元之間通過(guò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，并承受一定的載荷。結(jié)構(gòu)有限元模型化涉及的主要工作有：模型的簡(jiǎn)化、幾何模型的建立、單元的選擇、模型離散等。構(gòu)建有限元模型的關(guān)鍵是選擇合適的單元來(lái)模擬機(jī)體結(jié)構(gòu)，對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)上具有力學(xué)特性的點(diǎn)或局部部位都可根據(jù)需要采用相應(yīng)的單元來(lái)模擬。構(gòu)成計(jì)算模型的各個(gè)單元的力學(xué)特性應(yīng)近似于真實(shí)結(jié)構(gòu)在這個(gè)區(qū)域的力學(xué)特性。 (一) 整體坐標(biāo)系的建立：一般應(yīng)與設(shè)計(jì)圖紙上規(guī)定的保持一致，可方便建模。本文采取的坐標(biāo)系與原圖紙略有不同：以通過(guò)前軸總成中心線的垂直平面與客車縱向?qū)ΨQ面的交線與車架上平面的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)；以客車前進(jìn)的反方向?yàn)閄軸的正方向

49、；以從原點(diǎn)垂直向上的直線為Y軸的正方向；由右手定則確定Z軸。 (二) 單位制和材料參數(shù)：在本車架建模時(shí)采用t-mm-s單位制。材料屬性包括彈性模量、泊松比及密度等。該底盤車架采用各向同性材料16Mn制造而成，其材料性能參數(shù)如表4-1所示。 表4-1 材料性能參數(shù) 材料 屈服極限（MPa） 彈性模量（GPa） 密度（kg/mm3） 泊松比 16Mn 355 207 7850 0.3 (三) 單元類型的選擇及網(wǎng)格劃分：由于該客車底盤車架縱梁、橫梁以及連接板均為薄壁件，因此在網(wǎng)格劃分時(shí)采用SHELL板殼。該殼單元能夠承受多種力的作用，并且該單元節(jié)點(diǎn)有沿X、Y、Z軸的平動(dòng)，以

50、及繞X、Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)等5個(gè)自由度。常用的網(wǎng)格劃分方法有：通過(guò)指定單元邊長(zhǎng)來(lái)控制網(wǎng)格劃分過(guò)程、通過(guò)面上劃分單元的數(shù)目來(lái)控制網(wǎng)格劃分?？紤]到底盤車架的大小以及計(jì)算機(jī)CPU計(jì)算的時(shí)間，在保證其計(jì)算精度準(zhǔn)確的前提下，故將網(wǎng)格劃分得稍大一些。如圖4.1所示為考慮空氣彈簧的客車底盤車架有限模型，劃分網(wǎng)格厚的底盤車架有限元節(jié)點(diǎn)Nodes總數(shù)592569個(gè)，單元Elements總數(shù)203377個(gè)。 4.3 底盤車架的受載分析 4.3.1 底盤車架受力模擬 底盤車架按作用形式可分為靜載荷和動(dòng)載荷。 (一) 靜載荷 客車靜止時(shí)，底盤車架只承受空氣彈簧以上部分的載荷，它是由車架和車身的自身質(zhì)量、車架上的各總

51、成與附屬件質(zhì)量以及有效載荷（乘客及其行李的總質(zhì)量）組成，其總和稱之為靜載荷。對(duì)于該客車底盤車架靜載荷分布按照部件的安裝位置和其重量的大小進(jìn)行處理： a) 車身的重量和載荷按集中載荷在其支架上進(jìn)行平均分配； b) 發(fā)動(dòng)機(jī)的重量按其支承位置進(jìn)行分配，并且按照集中載荷處理； c) 油箱、方向機(jī)和蓄電池等按集中載荷進(jìn)行加載； d) 車架重量簡(jiǎn)化為均布載荷，對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)施加自身重量。 (二) 動(dòng)載荷 行駛中的客車主要承受動(dòng)載荷作用，動(dòng)載荷又可分為對(duì)稱的動(dòng)載荷和非對(duì)稱的動(dòng)載荷。當(dāng)客車在平坦的道路上高速行駛時(shí)，產(chǎn)生對(duì)稱的動(dòng)載荷，其大小不但取決于作用在底盤車架上的靜載荷及其在車架上的分布，而且取決于

52、靜載荷作用處的垂直加速度，受到此載荷作用，底盤車架會(huì)發(fā)生彎曲變形。當(dāng)客車在崎嶇不平的路面上行駛時(shí)，前后幾個(gè)車輪可能不在同一平面，因而產(chǎn)生非對(duì)稱動(dòng)載荷，其大小取決于道路不平程度，以及車身、底盤車架和懸架的剛度，受此載荷作用，底盤車架會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。底盤車架除承受純彎曲、純扭轉(zhuǎn)外，還受彎曲和扭轉(zhuǎn)的復(fù)合變形。動(dòng)載荷和靜載荷對(duì)底盤車架的作用不相同，在以后的分析中，會(huì)簡(jiǎn)化不同的形式，但作用力的分布與靜載荷相同。 4.3.2 約束條件模擬 在建立有限元分析模型時(shí)，還必須考慮到載荷和約束的影響。底盤車架通過(guò)懸架系統(tǒng)、車橋和車輪支承在路面上。輪胎的剛度比懸架的剛度大得多，為此，將前后懸架用彈簧單元簡(jiǎn)化模擬

53、，賦予剛度，一端聯(lián)接在車架上，另一端固定約束。前懸架以及后懸架的前彈簧單元定義為一維，只在Y軸方向有變形運(yùn)動(dòng)，而后懸架的后彈簧單元定義為二維，因?yàn)榭諝鈴椈珊蠖嗽试S有縱向的位移，可在XY平面做變形運(yùn)動(dòng)。 4.4 本章小結(jié) 本章以有限元的基本理論為基礎(chǔ)，利用ANSYS Workbench軟件對(duì)客車底盤車架進(jìn)行了有限元建模。在建模過(guò)程中，對(duì)車架進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，用四節(jié)點(diǎn)殼單元對(duì)底盤車架進(jìn)行離散，采用自適應(yīng)法對(duì)車架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，邊界條件和作用載荷與車架的實(shí)際工況相同，為下一步的分析做好準(zhǔn)備。 第5章 底盤車架的有限元靜態(tài)分析 5.1 計(jì)算工況的確定 與客車底盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有直接關(guān)系的主要是彎

54、曲工況和滿載扭轉(zhuǎn)工況。許多文章在對(duì)客車車架做靜態(tài)強(qiáng)度和剛度分析時(shí)往往只考慮這兩種工況，但客車底盤車架實(shí)際工作時(shí)的其受力工況是很復(fù)雜的，如彎曲、扭轉(zhuǎn)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、單邊牽引等等。主要是在高速道路、一般道路、彎道上行駛的彎曲、扭轉(zhuǎn)、緊急制動(dòng)等三種典型工況。本文主要對(duì)滿載彎曲工況、滿載扭轉(zhuǎn)工況和滿載制動(dòng)工況進(jìn)行了底盤車架結(jié)構(gòu)的靜態(tài)強(qiáng)度和剛度分析，獲得了底盤車架的應(yīng)力分布和剛度水平。 5.2.2 平面問(wèn)題與薄板彎曲 本文中所討論的底盤車架結(jié)構(gòu)都是由薄鋼板組裝而成，板厚度在5~7mm之間，遠(yuǎn)小于其平面尺寸。其受力方式可以認(rèn)為是薄板彎曲問(wèn)題。 彈性力學(xué)中，對(duì)薄板彎曲情況作如下假設(shè)： （1） 薄板法線

55、沒(méi)有伸縮； （2） 薄板法線在薄板彎扭后，保持為薄板彈性曲面的法線； （3） 薄板中面內(nèi)的各點(diǎn)，沒(méi)有平行與中面的位移； （4） 擠壓應(yīng)力引起的形變可以忽略不計(jì)。 取薄板的中面為XY面，Z軸垂直于中面，如圖5.1所示。 薄板受到載荷時(shí)，可以將每個(gè)載荷分解為兩份載荷，一個(gè)作用在薄板中面內(nèi)，另一個(gè)垂直于中面。這樣就得到兩組載荷：一組載荷作用在中面內(nèi)，可認(rèn)為是沿薄板厚度均勻分布的；另一組載荷垂直于中面，可以按薄板彎曲問(wèn)題求解出主要應(yīng)力分量，將兩組應(yīng)力分量迭加，可以得到組合應(yīng)力分量。 以薄板的中面為XY平面，垂直于中面的軸為Z軸。在平面應(yīng)力問(wèn)題中只有平行于XY的三個(gè)應(yīng)力分量，，=，這三個(gè)分量

56、沿厚度h不變，它們只是x和y的函數(shù)，與坐標(biāo)z無(wú)關(guān)。其余分量為零。平面應(yīng)力的胡可定律表示為： 薄板彎曲變形后，中面由平面變成曲面，稱為彈性曲面。中面內(nèi)各點(diǎn)在垂直于中面的方向的位移稱為撓度。當(dāng)遠(yuǎn)小于厚度h時(shí)，可認(rèn)為中面無(wú)線應(yīng)變也無(wú)角應(yīng)變，此時(shí)稱為薄板彎曲的小撓度問(wèn)題。薄板彎曲的應(yīng)力應(yīng)變與變形間的關(guān)系可表示為： 5.3 三種典型工況靜力分析 5.3.1 滿載彎曲工況下車架的應(yīng)力計(jì)算與分析 滿載彎曲工況計(jì)算主要是對(duì)客車滿載狀態(tài)下，四輪著地時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核，主要模擬客車在良好路面下勻速直線行駛時(shí)的應(yīng)力分布和變形情況。研究滿載情況下底盤車架的抗彎強(qiáng)度。底盤車架質(zhì)量和載荷乘以動(dòng)載系數(shù)(本

57、文動(dòng)載系數(shù)取1.5 )，方向豎直向下，以模擬客車在平坦路面上以較高速度行駛時(shí)產(chǎn)生的對(duì)稱垂直動(dòng)載荷。 利用ANSYS Workbench軟件對(duì)車架施加靜力載荷（包括駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)總稱、水箱及貨物的質(zhì)量），計(jì)算時(shí)約束左前輪處的UZ、UX、UY，約束右前輪處的UZ、UX，約束左后輪處的UZ、UY，約束右后輪處的UZ；釋放其他自由度（縱向：X，橫向：Y，垂向：Z）。文中的分析以前后空氣彈簧各自前后裝配位置中心處作為施加約束的支撐。本有限元模型中的坐標(biāo)系原點(diǎn)位置為軟件默認(rèn)的位置。 如圖5.1，5.2所示，由于發(fā)動(dòng)機(jī)后置，客車整車設(shè)計(jì)上也重心偏后。計(jì)算表明最大位移發(fā)生在底盤車架中部的橫梁上，最大位移為

58、5.1194mm。此處位移產(chǎn)生的原因是中部大量乘客及其行李導(dǎo)致下沉，這和實(shí)際是相符的。由于發(fā)動(dòng)機(jī)后置，且后橋上的空氣懸架剛度較大，質(zhì)量加載后傾，在中前部處應(yīng)力最大，最大應(yīng)力達(dá)到266.5MPa。底盤車架的整體情況依然能滿足性能要求，此處的結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。 5.3.2 滿載扭曲工況下車架的應(yīng)力計(jì)算與分析 滿載扭轉(zhuǎn)工況計(jì)算主要考慮一個(gè)車輪懸空而另一車輪抬高時(shí)施加在車橋上的扭矩作用，這是最嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)工況。實(shí)踐表明：底盤車架遭受最劇烈的扭轉(zhuǎn)工況，通常都是發(fā)生在客車低速通過(guò)崎嶇不平路面的時(shí)候。該扭轉(zhuǎn)工況下的動(dòng)載，時(shí)間上變化得很緩慢，所以慣性載荷很小，底盤車架的扭轉(zhuǎn)特性可近似地看作是靜態(tài)的。

59、因此，利用靜扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)可以反映出底盤車架的實(shí)際強(qiáng)度。 本文在計(jì)算時(shí)，左前輪處施加0.2m的位移并約束UZ，右前輪約束UZ、UY，左后輪約束UZ、UX，右后輪約束UZ、UX、UY；釋放其它自由度。 在滿載扭轉(zhuǎn)工況下底盤車架上最大變形為5.1091mm，出現(xiàn)在車架中部上橫梁上，最大應(yīng)力出現(xiàn)在車架中前部下方，為266.71MPa，這是因?yàn)檐嚰苤胁可戏綖榇罅砍丝统俗恢?，重量大。在這種比較復(fù)雜的工況下，底盤車架的整體情況依然能滿足其性能要求。 5.3.3 滿載制動(dòng)工況下車架的應(yīng)力計(jì)算 滿載制動(dòng)工況計(jì)算主要考慮當(dāng)客車以最大制動(dòng)加速度10m/s制動(dòng)時(shí)，地面制動(dòng)力對(duì)底盤車架的影響。由于某型客車前后橋

60、均采用空氣懸架，空氣彈簧僅能承受垂向力，而縱向力和橫向力須通過(guò)拉桿傳遞到底盤車架上，此時(shí)，推力桿及推力桿座將承受較大的拉壓載荷，必須具有足夠的強(qiáng)度。 滿載制動(dòng)工況下的約束條件為：左前輪裝配位置處約束節(jié)點(diǎn)的平動(dòng)自由度UX、UY、UZ；右前輪裝配處約束UX、UY、UZ；左后輪裝配位置處約束UZ、UX；右后輪裝配處約束UZ、UX；釋放節(jié)點(diǎn)其它各自由度。 如圖5.5、5.6所示，由于制動(dòng)產(chǎn)生慣性力作用，在位移變化的情況下，緊急制動(dòng)會(huì)產(chǎn)生車架的前傾，最大位移為5.1133mm，產(chǎn)生于底盤車架行李架中上部。由于該客車前后橋均采用空氣懸架，空氣彈簧僅能承受垂向力，而縱向和橫向力須通過(guò)拉桿傳遞到車架上，最

61、大應(yīng)力在空氣懸架附近處，最大應(yīng)力為267.66MPa，并且在制動(dòng)工況下。說(shuō)明，緊急制動(dòng)工況下，行李架各桁架強(qiáng)度要求較高，設(shè)計(jì)上應(yīng)加強(qiáng)考慮此種工況下的強(qiáng)度校核。 5.3.4 分析結(jié)果總結(jié) 該客車車架主要采用16Mn材料，其屈服強(qiáng)度為355MPa，對(duì)最危險(xiǎn)的緊急制動(dòng)工況，最大應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)這個(gè)值，由此可見(jiàn)車身結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。除個(gè)別應(yīng)力集中點(diǎn)外，其他各點(diǎn)的安全系數(shù)在5.0以上，存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間。 5.4 本章小結(jié) 本章對(duì)有限元分析的步驟進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，然后根據(jù)客車底盤車架實(shí)際運(yùn)行中的極限工況，對(duì)車架進(jìn)行了滿載彎曲工況、滿載扭轉(zhuǎn)工況、滿載制動(dòng)工況下的變形和受力情況進(jìn)行了分析，得出了具有

62、一定實(shí)際參考價(jià)值的分析結(jié)果。在以上各種工況里，滿載彎曲下的變形量最大。本章的計(jì)算為客車底盤車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)和車架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供了依據(jù)。 結(jié) 論 本文對(duì)某客車底盤車架進(jìn)行了靜態(tài)有限元分析，并對(duì)結(jié)果做了討論分析。結(jié)果表明，本文所建立的有限元模型合理，基本反映了車架實(shí)際情況，為該客車底盤車架的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。文中比較合適地使用了CATIA V5R21與ANSYS Workbench17.0兩種軟件對(duì)某型號(hào)的客車底盤車架進(jìn)行了幾種極限工況的分析。 本文主要做了下列工作并得出以下結(jié)論： （1） 在得到實(shí)際的結(jié)構(gòu)尺寸后，使用CATIA V5R21和ANSYS Workbench17.0逐步

63、建立了該型客車底盤車架的三維實(shí)體模型和有限元模型，并對(duì)該模型進(jìn)行了詳細(xì)的求解。 （2） 文中在有限元模型的基礎(chǔ)上，模擬滿載彎曲、滿載扭轉(zhuǎn)和滿載制動(dòng)三種極限工況下的約束條件，對(duì)各個(gè)工況進(jìn)行了一一詳細(xì)的分析。就底盤車架總體受力而言，除少數(shù)位置的應(yīng)力比較大以外，大部分結(jié)構(gòu)體上的受力相對(duì)于材料的屈服極限來(lái)說(shuō)比較小。對(duì)于應(yīng)力較大的一些部位可以考慮加厚鋼板或者進(jìn)行其他處理，保證底盤車架整體的安全性能。在三種典型工況中，可以看出滿載彎曲工況下車架的形變量是最大的，易導(dǎo)致車架疲勞破壞，所以在平時(shí)的使用中盡量避免該情況的出現(xiàn)，不要在路面狀況太差的道路上長(zhǎng)時(shí)間行駛。 展 望 由于對(duì)底盤車架的有限元分析及設(shè)計(jì)涉及的內(nèi)容很多，范圍較廣，受經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)面及能力的限制，本文還存在一些不足之處，需要進(jìn)一步加以完善。 （1） 在模型簡(jiǎn)化過(guò)程中，對(duì)縱梁上所有孔對(duì)車架產(chǎn)生的影響都沒(méi)有考慮，單元的連接直接用剛單元進(jìn)行連接，沒(méi)有考慮到螺栓及鉚釘?shù)娜岫?，所有這些簡(jiǎn)化對(duì)分析的結(jié)果存在一定的影響。 （2） 建模過(guò)程中對(duì)空氣彈簧的簡(jiǎn)化，采用六個(gè)獨(dú)立的彈簧單元來(lái)模擬空氣彈簧，約束彈簧單元下端，采用線性靜力求解，而沒(méi)有考慮到每片空氣彈簧在變形過(guò)程中的非線性情況。 （3） 在以上分析的基礎(chǔ)上，對(duì)車架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性。