西華大學吉林大學汽車學院汽車專業(yè)客車骨架有限元分析A.ppt

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1,客車骨架有限元分析,姓名：李勇學號：20030623指導教師：巢凱年交通與汽車工程學院車輛工程,2,客車骨架有限元分析過程,（一）概述本次畢業(yè)設計采用ANSYS軟件，對成都客車廠生產(chǎn)CDK6593N客車的進行有限元分析。主要分析客車骨架的應力和變形。經(jīng)過分析，客車骨架的應力小于許用應力，變形較小。經(jīng)過改進后，客車骨架的強度得到了增強，重量減輕，達到了設計的目的。本次設計采用國際單位制：米，千克，牛，帕等，采用的坐標系為：X為汽車的長度方向,Y為寬度方向,Z為高度方向。（二）單元的選擇1）BEAM188—三維線性有限應變梁單元2）COMBIN14—彈簧阻尼單元,3,（三）定義實常數(shù)采用的彈簧單元需要實常數(shù)彈簧剛度K。由《汽車理論》的知識我們知道，其中，是車身部分固有頻率，K是懸架彈簧的剛度,m2是汽車的懸掛質(zhì)量，它由車身、車架及其上的總成所構(gòu)成。通過估算，車身部分固有頻率f0=3赫茲，汽車的懸掛質(zhì)量m2=4500千克，經(jīng)過計算，懸架彈簧的剛度K=1597255.2牛/米，懸架彈簧由8個彈簧構(gòu)成，因此每個彈簧的剛度=199657牛/米。,,,,,,,4,(四)材料的定義本次設計采用的結(jié)構(gòu)材料為Q235鋼，它的密度是7850，除剛性梁外的結(jié)構(gòu)的彈性模量是Pa，泊松比是0.3，剛性梁的彈性模量采用Pa。（五）橫截面的定義根據(jù)圖紙，本次設計定義骨架桿件共用了15種截面，其中7種模擬矩形空心型鋼，4種模擬角鋼，4種模擬槽鋼。（六）建立有限元模型根據(jù)客車骨架的圖紙，先建立客車骨架的幾何模型，然后定義各根鋼管的方向點，指定每根梁的橫截面，然后劃分網(wǎng)格。由于梁單元的內(nèi)力、應力和變形的計算都是精確的，所以單元劃分可以大一些。在本次設計中，指定單元的長度都是0.1米。,,,,5,建立的客車骨架有限元模型如圖所示：,6,(七)分析工況的選擇由于彎曲工況是車輛經(jīng)常處于的工況，而扭轉(zhuǎn)工況下車身的應力較大，所以，在研究分析內(nèi)容時，選擇了滿載彎曲工況，滿載左前輪和左后輪懸空工況,后者是車輛可能發(fā)生的一種極限工況。(八)施加約束客車車身骨架一般是由型鋼焊接而成的整體結(jié)構(gòu)，所以在進行有限元分析時將車身作為一個整體來考慮，所以車身的邊界條件就體現(xiàn)為板簧支座的位移。,7,如圖所示是客車骨架的邊界條件約束位置，整車滿載彎曲工況的約束方案是：節(jié)點5自由度全部約束，節(jié)點2，8，11的自由度均約束UY，UZ，ROTX，ROTZ,并對每個彈簧的上下節(jié)點進行UX，UY方向耦合。整車滿載左前輪懸空的工況約束的自由度是：5，8，11節(jié)點約束和彎曲工況約束的自由度相同，2節(jié)點不約束。整車滿載左后輪懸空的工況約束的自由度是：8，11節(jié)點約束和彎曲工況約束的自由度相同，2節(jié)點全部自由度被約束，5節(jié)點的自由度不約束。,X,,,,,Y,Z,8,（九）施加載荷作用在車身上的彎曲載荷是由車身的自重、車輛總成和乘客的重量提供的,車身結(jié)構(gòu)件的重量通過加垂直方向的、大小為9.8的加速度來模擬；估計發(fā)動機和變速箱的質(zhì)量為600千克，加滿油后的油箱的質(zhì)量為150千克，二者作為集中載荷，施加在相應的節(jié)點上；其它載荷如轉(zhuǎn)向機、離合器、電瓶、水箱、座椅、乘客（19人）等質(zhì)量總和估計為2000千克，均布作用在底架上。,,9,客車骨架施加約束和載荷后，如下圖所示：,10,(十)求解的結(jié)果分析后處理主要是將客車骨架有限元分析的結(jié)果以等值圖的方式的顯示，并且進行剛度、強度等分析。下圖是彎曲工況下的豎直位移圖：,11,下圖是在彎曲工況下的應力圖：由結(jié)果我們可以看出，滿載彎曲工況下，客車骨架前圍、側(cè)圍、后圍和頂蓋的大部分區(qū)域應力小于10MPa,應力比較大的區(qū)域是發(fā)動機加載的橫梁及周圍的縱梁上，應力最大值是70MPa左右。,12,下圖是左前輪懸空扭轉(zhuǎn)工況下的豎直位移圖：,13,下圖是左前輪懸空扭轉(zhuǎn)工況下的應力圖，客車骨架的很大部分應力小于20MPa，在發(fā)動機加載的縱梁和橫梁周圍產(chǎn)生了較大的應力，約60MPa，在右圍的乘客門的豎直的梁上部分區(qū)域也產(chǎn)生了較大的應力，約50MPa，前圍的支撐擋風玻璃的橫梁應力也有些大，但小于許用應力。,14,下圖是左后輪懸空扭轉(zhuǎn)工況下的豎直位移圖：,15,下圖是左后輪懸空扭轉(zhuǎn)工況下的應力圖，客車骨架的很大部分應力小于25MPa，在發(fā)動機加載的縱梁和橫梁周圍產(chǎn)生了較大的應力，約100MPa，在右圍的乘客們的豎直的梁上部分區(qū)域也產(chǎn)生了較大的應力，約70MPa，前圍的支撐擋風玻璃的橫梁應力也有些大，但小于許用應力。,16,（十二）各工況分析總結(jié)經(jīng)過以上三種工況的分析，本車型在以上3種工況下運行，強度是足夠的。應力比較大的區(qū)域是：發(fā)動機加載的橫梁和縱梁上乘客門立柱的下半部分前圍風窗下矩管連接處,17,第四章客車骨架改進設計中的結(jié)構(gòu)分析（一）客車骨架改進方案通過對上述彎曲，扭轉(zhuǎn)工況的分析，我們可以看出客車骨架在三種工況下，客車骨架的頂蓋、后圍的應力均低于25MPa，客車的底架上出現(xiàn)應力不均的現(xiàn)象。因此，改進方案是：對客車骨架的頂蓋的部分矩管截面尺寸減小，去掉原來后圍的兩根立柱的角鋼，對底架上的橫梁，在發(fā)動機加載處，多加兩根橫梁，同時去掉后半部兩根對底架應力不大的橫梁，以試圖增強客車骨架的強度，減少重量。（二）客車骨架改進前后比較通過在原有的模型的基礎上修改模型，然后在改進后的模型上施加約束和載荷，施加約束和載荷的方法和改進前的方法相同，然后用ANSYS軟件重新計算。由于三種工況下的位移和改進前相比，變化較小，詳見說明書，所以在此只對比三種工況下應力的變化情況：,18,1）彎曲工況比較下圖是客車骨架改進后彎曲工況下的應力圖，我們可以看出，改進后，客車骨架的頂蓋和后圍的應力仍小于12MPa，原來應力比較的大的發(fā)動機加載點，應力集中的區(qū)域減少了許多，此處最大應力約50MPa。而在底架的后半部去掉兩根橫梁，應力增大到20MPa，應力小于許用應力，滿足安全要求。,19,2）左前輪懸空工況比較我們可以看出，改進后，客車骨架的頂蓋和后圍的應力仍小于27MPa，原來應力比較的大的發(fā)動機加載點，應力集中的區(qū)域減少了許多，此處最大應力約90MPa。而在底架的后半部去掉兩根橫梁，應力增大到60MPa，小于許用應力，滿足安全要求。,20,3）左后輪懸空工況比較我們可以看出，改進后，客車骨架的頂蓋和后圍的應力仍小于28MPa，原來應力比較的大的發(fā)動機加載點，應力集中的區(qū)域減少了許多，此處最大應力約80MPa。而在底架的后半部去掉兩根橫梁，應力約為20MPa，應力小于許用應力，滿足安全要求。,21,結(jié)論,經(jīng)過改進后，客車骨架的重量由原來的501.2千克減小為497.7千克，骨架的重量得到了減輕。并且在比較薄弱的地方加上兩根橫梁，應力減少，達到了本次設計的目的。,22,致謝,最后，我要感謝巢老師給予的耐心、細致的指導；感謝大學四年來所有的老師，為我們打下汽車專業(yè)知識的基礎；感謝交通與汽車工程學院的研究生—李永生，能夠?qū)ξ覠o私的幫助；同時也要感謝在畢業(yè)設計中和我一起探討、解決問題的同學。,