客车车架结构有限元分析

摘　要：客车车架是客车上非常重要的承载部件，车客车受到的各类载荷最终都作用在车架上，因此，车架的结构好坏可以直接影响整车的性能。本研究以某种客车车架为研究对象，运用有限元分析软件ANSYS对客车车架的结构进行三维建模、对车架的静态特性进行了分析研究，最后得到车架的变形情况和应力分布，同时提出了几种车架结构上的改进方案。

关键词：车架 有限元 静力学分析 ANSYS

中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）10（b）-0082-01

伴随着计算机技术的发展，有限单元法越来越成为一种重要的工程计算方法。当前在工程研究和设计领域得到了相当广泛的运用，再加上原理算法的优越性，有限元法在车辆、船舶、飞机、等机械工程领域都得到了极为广泛的应用。我们把有限元法作为一种先进的设计手段运用再车架设计上，通过有限元计算，可以寻找出原始设计中存在的一些问题，为今后的车架改进设计提供重要的参考依据。因此，运用有限单元法对客车车架分析静力学情况并进行优化设计对指导车架设计工作有着重要的意义。

1 建立客车车架有限元模型

分析对象我们选定为某型号客车车架，其纵梁间宽为700　mm，长11000　mm，牛腿长度700　mm，最高车速为90　km/h，车架簧上重量包括发动机1100　kg，离合器加变速器280　kg，水箱70　kg，备胎90　kg，蓄电池150　kg，油箱250　kg，方向机50　kg，3个储气筒50　kg，空气过滤器20　kg，乘客每人按65　kg计算，共60人，平均分布到横梁、纵梁和牛腿上，加载等效压强。

我们通过对客车车架结构的分析可知，车架大部分是薄板和薄壁结构，所以有限元模型可选用beam单元或者shell单元。但是因为beam单元不能有效的反映车架纵梁与横梁连接处应力变化的情况，故而我们选用shell单元完成建模。客车车架的材料性能参数如表1所示，最终建立的客车车架模型如图1所示。

2 客车车架静力学分析

客车车架的刚度是其自身所固有的特性，它反映了车架抵御变形的能力，是评价客车车架结构性能的重要指标之一，我们针对车架满载时静态弯曲工况，利用有限元软件ANSYS对客车车架进行如下变形以及应力的分析。

客车车架有限元静力学分析的过程主要分为以下几个步骤：选择单元类型、定义实常数、网格划分、添加约束和添加载荷等。本论文所研究的车架载荷的处理方法为：忽略车架自身的质量；发动机、油箱蓄电池、水箱、空气过滤器、变速器和离合器、备胎、储气筒是以分布力的形式加在各个单元上；车身和乘客的重量是以分布载荷的形式平均的加到纵梁上。本研究中的约束施加位置为前悬2500　mm处，后悬3200　mm处，为了使车架不能移动，纵梁在四个车轮的位置各个方向进行全约束即节点位移为零。施加完载荷与约束的车架模型如图2所示。

3 客车车架静力学分析结果

根据上述，再通过分析可知，因为蓄电池和水箱的重量较大，使得这一侧的纵梁比另一侧应力要大，所以最大应力则发生在这一侧车架弹簧的后支撑处，σmax=186　MPa。对比40Cr材料的强度极限可知这个值远远小于额定的强度极限980　MPa，车架满足强度要求。客车车架前端和后端有较大的变形，而最大的变形为车架后端安装水箱的横梁处，δmax=26.89　mm。这个变形量在车架最大变形要求的范围之内。针对车架的应力集中现象，可通过增加纵梁厚度或再添加其他横梁等方法来降低最大应力。

4 结语

本研究通过采用shell93单元创建有限元模型，然后对车间模型进行了详细的静力学分析，最后得到客车车架的变形情况和应力分布，对车架最大位移以及最大应力处出现的情况进行了原因分析，对照40Cr材料属性校核了客车车架的强度和刚度，并提出了降低客车车架应力和变形的方法，最终结果显示通过增加接触面积的方法可以减小最大应力和最大变形。

参考文献

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