CAE于某公交客车的强度分析与优化
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，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。
图1车架结构示意图
2、有限元分析
（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）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
图4计算工况描述示意图
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。
图5制动工况应力云图（单位：MPa）
图6转弯工况应力云图（单位：MPa）
图7极限工况应力云图（单位：MPa）
图8弯曲工况应力云图（单位：MPa）
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。
图15顶盖横梁与纵梁接头更改示意图
（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。
图16后纵梁示意图
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。
图17侧围后立柱更改后应力（单位：MPa）
图18中门立柱结构更改后应力（单位：MPa）
图19顶盖接头增强后应力（单位：MPa）
图20后纵梁更改后应力（单位：MPa）
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。
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