系列客車底架及骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)算

1、JT6700系列客車底架及骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)算孫澤銀交通部重慶公路科學(xué)研究所，400067摘要：針對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的客車底架及骨架空間薄壁梁超靜定結(jié)構(gòu)，文中介紹了應(yīng)用 有限元計(jì)算分析技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行靜，動(dòng)態(tài)多工況計(jì)算與分析的情況。 關(guān)鍵詞：客車底、骨架結(jié)構(gòu)，有限元，剛度，強(qiáng)度，靜態(tài)，動(dòng)態(tài)JT6770客車是交通部“九·五”重點(diǎn)科技項(xiàng)目，由交通都重慶公路科學(xué)研究所和長(zhǎng)沙客 車制造廠聯(lián)合開發(fā)設(shè)計(jì)。該車采用三段式底架承載結(jié)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)后置。由于客車底、骨架是個(gè)很復(fù)雜的空間薄壁梁超靜定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)分析難度很大，不是用傳統(tǒng)的方法所能完成的。 為了設(shè)計(jì)出較佳結(jié)構(gòu)，我們采用有限元計(jì)算、分析技術(shù)，對(duì)該客車底、骨架

2、結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài) 計(jì)算和分析，基本上可全面了解其應(yīng)力分布和變形情況，以便得到自重輕、結(jié)構(gòu)合理、剛度強(qiáng) 度符合要求的客車骨架結(jié)構(gòu)。1計(jì)算概況11計(jì)算應(yīng)用軟件 此次計(jì)算采用的是交通部重慶公路科學(xué)研究所開發(fā)的“客車零部件微機(jī)cADcAE軟件”系統(tǒng)，主體計(jì)算程序?yàn)镾uperSAP。應(yīng)用該有限元軟件能夠進(jìn)行客車底、骨架或其它零部 件結(jié)構(gòu)的靜態(tài)位移，應(yīng)力、固有頻率，振型、動(dòng)態(tài)位移，應(yīng)力、譜響應(yīng)和頻率響應(yīng)分析以及框架 結(jié)構(gòu)或板殼框架組合結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析。12計(jì)算分析內(nèi)容121靜態(tài)計(jì)算分析內(nèi)容 (1)車身骨架和底架各單元內(nèi)力計(jì)算，包括軸力、剪力、扭矩和彎矩的計(jì)算，找到各內(nèi)力最大值及其位置；(2)車身骨架和底架

3、各單元應(yīng)力計(jì)算，包括軸向應(yīng)力、截面兩個(gè)方向的彎曲應(yīng)力以及最 不利應(yīng)力，找到各軸力最大值及其位置；(3)車身骨架和底架各節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算，每個(gè)節(jié)點(diǎn)輸出三個(gè)方向的線位移和三個(gè)方向的角 位移，并計(jì)算駕駛員門框、乘客門框、左右側(cè)窗框和前后風(fēng)擋玻璃窗框?qū)蔷€的變化量。 122動(dòng)態(tài)計(jì)算分析內(nèi)容(1)前20階固有頻率及振型的計(jì)算與分析； (2)動(dòng)力響應(yīng)的計(jì)算與分析。通過(guò)以上靜動(dòng)態(tài)計(jì)算和分析，可以全面了解該客車骨架結(jié)構(gòu)各部位在靜、動(dòng)態(tài)時(shí)的受力 和變形情況以及其固有頻率與振型情況，從而考察其強(qiáng)度和剛度究竟如何，以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合 理性和可靠性，并提出修改意見。·51·13 JT6770客車總體參數(shù)總

4、長(zhǎng)7 655 mill總寬2 320mm總高3 1001211"1軸距3 800mm前輪距1 740 mm后輪距l(xiāng) 586mitt空車整備質(zhì)量4 600 kg滿載總質(zhì)量 6 800 kg14結(jié)構(gòu)計(jì)算模型 該結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型為整體空間粱模型，如圖1所示。困1培椅整體空同模型圖結(jié)構(gòu)總體坐標(biāo)按汽車車身制圖標(biāo)準(zhǔn)確定。 單元組數(shù)2(梁?jiǎn)卧瓦吔缭?節(jié)點(diǎn)總數(shù) 662單元總數(shù)996(其中梁?jiǎn)卧獢?shù)為990，邊界元數(shù)為6) 總自由度數(shù)3 972計(jì)算模型作了以下幾方面的處理：(1)頂棚橫粱與車身側(cè)面相連處的弧線段按折線粱處理，以簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)文件； (2)大梁后段與其加強(qiáng)粱合并；(3)第一、五橫柵槽鋼和矩形管貼

5、合，作合并處理； (4)大粱前段和中段，中段和后段搭接處，因模型簡(jiǎn)化而形成90 mm的高度差，建模時(shí)分別處理為與搭接處同長(zhǎng)寬、90 mm高、與較薄的大粱等厚的剛性梁；(5)前板簧處理為兩根軸向剛度等于板簧剛度12的柔性豎梁與一根大剛度縱粱的組合。 15載荷處理在備胎及支架、轉(zhuǎn)向器總成、冷凝器總成、蒸發(fā)器總成、發(fā)動(dòng)機(jī)總成、散熱器總成、變速器 總成、空調(diào)壓縮機(jī)總成、油箱及支架、電瓶及支架、進(jìn)氣系統(tǒng)、曖風(fēng)機(jī)總成及支架、排氣系統(tǒng)、·52·乘員和駕駛員座椅、行李和乘員等所有載荷中，除行李艙內(nèi)行李作為分布載荷處理外，其余 都作為集中載荷處理，分別等效作用于各節(jié)點(diǎn)上。動(dòng)態(tài)分析時(shí)，將集中載

6、荷作為集中質(zhì)量處理，同時(shí)作用于x軸、y軸和Z軸，并將工況號(hào)(LOAD CASE)改成0即可。 16計(jì)算工況161靜態(tài)計(jì)算工況 靜態(tài)計(jì)算中我們模擬客車在平路上的受載狀況即彎曲工況(文件標(biāo)記為JT6770W)和在凸凹不平路上的受載狀況即扭彎工況。而扭彎工況又分將右前輪自由懸空(文件標(biāo)記為JT6770X)和被動(dòng)下沉240 ram(文件標(biāo)記為JT6770L)兩種工況。|62動(dòng)態(tài)計(jì)算工況由于低階模態(tài)對(duì)客車振動(dòng)的影響最大，所以計(jì)算了該客車骨架結(jié)構(gòu)滿載時(shí)前20階的固 有頻率和振型(文件標(biāo)記為JT67701)，并分別模擬客車滿載時(shí)在中等路面上中、高速行駛 (文件標(biāo)記為JT677021)和在壞路面上低速行駛(文

7、件標(biāo)記為JT677022)兩種工況進(jìn)行動(dòng)力 響應(yīng)計(jì)算。17結(jié)構(gòu)所用材料車身骨架使用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235，其流動(dòng)極限應(yīng)力為235 MPa，客車底架使用低碳合金 結(jié)構(gòu)鋼16Mn，其流動(dòng)極限應(yīng)力為340 MPa，這兩種鋼材，質(zhì)量密度為口800 kgm3，彈性模 量E取200GPa，泊松比取0Z7。2結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析21靜態(tài)計(jì)算與分析211內(nèi)力從計(jì)算所得內(nèi)力中，分別列出各工況下軸力、兩個(gè)方向的剪力、扭矩和兩個(gè)方向的彎矩 的最大值及其位置，見表1。各工況最大肉力比較表表lJT6770WJT6770LJT6770X最大值7286N10652N16013N軸力位置第四橫櫥第四橫第四橫柵最大值3941N5723N

8、8412N2軸剪位置第四橫據(jù)第四橫櫥第四橫柵力堆大值6095N9405Ni4123N3軸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輔彎位置大檗右后段大橐右后段第五橫櫥矩最大值2945 N·m566：6 N·rg1055N·m3軸位置大集中、后段交接處大橐中、后段交接處大桀中、后段交接處·53·212應(yīng)力從計(jì)算所得應(yīng)力中，分別列出各工況下PA、M2J2

9、、M313和最不利應(yīng)力Worst(=PA+M212+M3J3)的最大值及其位置，見表2。各工況最大應(yīng)力比較表表22·1·3變形根據(jù)節(jié)點(diǎn)位移可計(jì)算門、窗框?qū)蔷€的變化量，見表3表5(正數(shù)表示增長(zhǎng)、負(fù)數(shù)表示 減短)，各對(duì)角線位置見圖2圖4：圄2駕駛員門框和左側(cè)窗框?qū)蔷€圈圖3乘客門框和左側(cè)窗框?qū)蔷€圈llIIilIlIIl_叫，l，駕駛員門框和左側(cè)窗框?qū)蔷€變化量表(ram)表3原長(zhǎng)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簡(jiǎn)要分析(1)強(qiáng)度·54·剪力的影響是局部的，主要集中在底架后段的大粱及第三、四橫柵上。彎曲工況最大剪 力值為60947 N，在大粱后段的212單元114節(jié)點(diǎn)上，由此剪力引起的應(yīng)力為3286 MPa， 對(duì)強(qiáng)度影響不大。扭矩的影響也是局部的，主要集中在中、后段大梁上。彎曲工況最大扭矩值為5483 N·m，在大粱后段的

11、941單元上，由此扭矩引起的應(yīng)力為7611 MPa，對(duì)強(qiáng)度影響不大。 前、后風(fēng)擋玻璃窗框?qū)蔷€變化量表(ram)表5軸力的影響范圍較大，既包括底架，又包括 車身骨架。彎曲工況最大軸力值為728645 N， 在第四橫柵的88單元上，由此軸力引起的應(yīng)力 為一2721 MPa，為壓應(yīng)力；最大拉應(yīng)力為208 MPa，在第四橫柵的237單元上，因該處其它內(nèi)力引起的應(yīng)力不大，所以對(duì)強(qiáng)度影響不大。圖4駕駛員門框和左側(cè)窗框?qū)蔷€圖對(duì)強(qiáng)度影響最大的是彎矩，底架尤其是第四橫柵和大梁后段最明顯。彎啦工況最大彎矩 值為1998 N·m，最大正應(yīng)力為7749 MPa，在第四橫柵的141單元140節(jié)點(diǎn)上，最大負(fù)

12、應(yīng) 力為6402 MPa，在第四橫柵的141單元141節(jié)點(diǎn)上。綜合考慮，彎曲工況最大最不利正應(yīng)力為8240 MPa，位于第四橫柵的114單元231節(jié) 點(diǎn)上，最大最不利負(fù)應(yīng)力一8836 MPa，位于第四橫柵的86單元23節(jié)點(diǎn)上。因?yàn)樵摽蛙嚨?架使用低碳合金結(jié)構(gòu)鋼16Mn，其流動(dòng)極限應(yīng)力為340 MPa，車身骨架使用碳素結(jié)構(gòu)鋼 Q235，其流動(dòng)極限應(yīng)力為235 MPa，所以此結(jié)構(gòu)在彎曲工況下是滿足靜強(qiáng)度要求的。而在右前輪自由懸空扭彎工況下，最大最不利應(yīng)力為1321 MPa，是滿足靜強(qiáng)度要求 的。在右前輪被動(dòng)下沉2401Tim扭彎工況下，最大最不利應(yīng)力為1957MPa，但考慮到此時(shí) 其右前輪的下沉量

13、已達(dá)到540 mm，這在實(shí)際行車中是不可能達(dá)到的，放此結(jié)構(gòu)在扭彎工況 下是滿足靜強(qiáng)度要求的。(2)剛度計(jì)算中，我們主要考察了駕駛員門、乘客門、左右側(cè)窗、前后風(fēng)擋玻璃窗框?qū)蔷€的長(zhǎng)度 變化，以此來(lái)評(píng)價(jià)本車的整體剛度。從表3表5可以看出，在彎曲工況和被動(dòng)下沉扭彎工 況下，以上各對(duì)角線中變化量最大才482mm，滿足剛度要求。而右前輪自由懸空扭彎工況 下，其右前輪的下沉量已達(dá)到540 mm，這在實(shí)際行車中是不可能達(dá)到的，故此時(shí)表3表5 中的變形是一種極限情況而不易產(chǎn)生的。因此，可以說(shuō)該客車底、骨架的靜剛度是滿足使用要求的。22動(dòng)態(tài)計(jì)算與分析221模態(tài)分析 因低階模態(tài)對(duì)客車振動(dòng)的影響最大，所以下面計(jì)算了

14、該客車滿載時(shí)前20階固有頻率和·55·振型。(1)前zo階固有頻率 經(jīng)計(jì)算，得到模型的前20階固有頻率見表6。前20階固有頻率表表6(3)部分振型圖第六階振型的軸側(cè)圖見圖5，第八階振型的軸側(cè)圖見圖6。222動(dòng)力響應(yīng) (1)概況動(dòng)力響應(yīng)分析可以模擬客車以一定的車速在凸凹不平的路面上行駛時(shí)，客車骨架的受 力、變形情提。我們用正弦函數(shù)來(lái)表示路面不平度。根據(jù)汽車?yán)碚?，相位角取。時(shí)正弦波形 的路面不平度可表示為：Q：=A。sin(Z，rvtL。)(1)若路面空間波長(zhǎng)厶。取為標(biāo)準(zhǔn)技長(zhǎng)2；r(m)，則上式可變?yōu)?；Q；=A。sinVt(2)式中："為車速(ms)，t為時(shí)間(s)A

15、。為路面振幅(m)·56·圈5第六階振塑的軸側(cè)田圖8第八階振型的軸側(cè)罱 (圖中標(biāo)出的為變形超過(guò)0 0489 m的點(diǎn))(田中標(biāo)出的為變形超過(guò)00648 m的點(diǎn))根據(jù)道路施工路面平整度驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，一、二級(jí)瀝青路面其不平度應(yīng)5 mm，三級(jí)瀝膏路 面其不平度應(yīng)8 mm，一、二級(jí)水泥路面其不平度應(yīng)3 mm，三級(jí)水泥路面其不平度應(yīng)5 mm。計(jì)算中分為兩種工況：JT677021，模擬的是中等路面中高車速工況，路面振幅A：一o045 m，車速口=20 m s(即72 kmh)，則激振自然頻率，一口2=202z=31831，相應(yīng)的路面激振加速度為：d：一Q匕一一18 sin20t(ms2)(3

16、)JT677022，模擬的是壞路面低車速工況，路面振幅A。=018 In，車速口一10 ms(即36 krah)。則激振自然頻率f=v27r=lO2n=15915，相應(yīng)的路面激振加速度為：a：=Q0一一18 sinlot(ms2)(4)下面用振型迭加法分別對(duì)這兩種工況進(jìn)行計(jì)算(2)應(yīng)力表8表9列出兩種工況下該客車骨架產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)最大最不利應(yīng)力值(MPa)及其位置：中等路面中高速工況表8從表8中可知，在中等路面中高車速工況下，最大最不利應(yīng)力為1575 MPa，大應(yīng)力主·57·要分布于笫四橫柵和高地板梁上。 從表9中可知，在壞路面低車速工況下，最大最不利應(yīng)力為1844 MPa，大

17、應(yīng)力主要分布于第四橫柵和高地板梁上。由此可見，客車骨架的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度還是較好的。(3)變形中等路面中等車速工況下，在f一034 s時(shí)該客車底、骨架的最不利正應(yīng)力最大，此時(shí)其 變形見圖7；壞路面低車速工況下，在=026 s時(shí)該客車底、骨架的最不利負(fù)應(yīng)力最大，此 時(shí)其變形見圖8。根據(jù)節(jié)點(diǎn)位移可計(jì)算門、窗框?qū)蔷€的變化量，見表10表12(正數(shù)表示 增長(zhǎng)，負(fù)數(shù)表示減短)，各對(duì)角線位置見圖2圖4。壞路面低車速工況表9時(shí)閫序列i234567 8最大位24·3750151293251 741 s5613583 3505 9位置行李艙粱高地板粱前段時(shí)問(wèn)序列91011121314 15最大值1271145

18、 61639177 3184 4183 9175 2位置 高地板粱前段第四橫柵 時(shí)間序列161718 19最大值15811327ioio6909位置第四橫柵左側(cè)圈后立柱圖7扭o 34 s時(shí)JT6770客車底、骨槊變形軸側(cè)圖圖8 l=0 26 s時(shí)JT6770客車底、骨架變形軸側(cè)圈 (圖中標(biāo)出的為變形超對(duì)oIZ5 m的點(diǎn))(田中標(biāo)出的為變形超過(guò)0 183 m的點(diǎn))駕駛員門框和左側(cè)窗框?qū)蔷€變化量表(ram)表】o】23456789io原長(zhǎng)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·乘客門框和右側(cè)窗框?qū)蔷€變化量表(ram)表11分析時(shí)，我們主要考察了駕駛員門、乘客門、左右側(cè)窗、前后風(fēng)擋玻璃窗框?qū)蔷€的長(zhǎng)度 變化，以此來(lái)評(píng)價(jià)本車的整體剛度。從表9表11可以看出，在中等路面中等車速工況和壞 路面低車速工況下，以上各