以某電動(dòng)客車(chē)為例，對(duì)其車(chē)身強(qiáng)度進(jìn)行ANSYS有限元分析，并對(duì)其進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

   8 m電動(dòng)客車(chē)是國(guó)家“863”重點(diǎn)項(xiàng)目。作為電動(dòng)客車(chē)，其動(dòng)力總成為電池組。電動(dòng)客車(chē)車(chē)架承載也與一般客車(chē)不同，一般后置式發(fā)動(dòng)機(jī)客車(chē)安裝發(fā)動(dòng)機(jī)的位置，現(xiàn)放置電池，行李艙位置也放置電池，要求車(chē)身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度必須足夠。而車(chē)身輕量化對(duì)提高客車(chē)的動(dòng)力性，降低成本，延長(zhǎng)行駛里程，提高經(jīng)濟(jì)性都有重要意義。因此，如何優(yōu)化車(chē)身結(jié)構(gòu)，在保證強(qiáng)度和剛度滿足使用要求的情況下使其輕量化非常重要，而且也是該車(chē)設(shè)計(jì)中一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。 

   1 車(chē)身模型的建立 

   (1) 首先，通過(guò)在三維設(shè)計(jì)軟件PROE上建立電動(dòng)大客車(chē)的整車(chē)結(jié)構(gòu)幾何模型。然后，利用ANSYS軟件[ 2 ]建立該車(chē)整車(chē)的詳細(xì)有限元模型。

   (2) 電動(dòng)客車(chē)的骨架采用標(biāo)準(zhǔn)的矩型管型材組焊而成，因此，在用有限元進(jìn)行車(chē)身結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，采用梁?jiǎn)卧Ｐ?，其?yōu)點(diǎn)是劃分的單元數(shù)目和節(jié)點(diǎn)數(shù)目少，計(jì)算速度快，而且模型的前處理工作量不大。 

   (3) 采用梁?jiǎn)卧獣r(shí)，做了以下一些簡(jiǎn)化： 

   ① 略去蒙皮和某些非承載構(gòu)件，如面板、窗玻璃等。 

   ② 將車(chē)身中的各微曲梁直化處理，對(duì)側(cè)圍和頂蓋中一些曲率較小的構(gòu)件近似地看作由直梁?jiǎn)卧侄谓M成。 

   ③ 對(duì)兩個(gè)靠得很近但并不重合的交叉連接點(diǎn)簡(jiǎn)化為一個(gè)節(jié)點(diǎn)處理。 

   ④ 對(duì)兩個(gè)并聯(lián)焊在一起的梁當(dāng)作一根梁，相應(yīng)橫截面積加大。 

   ⑤ 取約束、載荷作用點(diǎn)處為梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)。模型中載荷、約束模擬真實(shí)的精確程度對(duì)整體結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力影響很大。因而載荷的類(lèi)型、作用點(diǎn)、大小，約束的類(lèi)型、作用點(diǎn)應(yīng)盡量逼近實(shí)際情況。

   由于采用了簡(jiǎn)化處理，會(huì)使結(jié)果出現(xiàn)誤差，但從簡(jiǎn)化措施來(lái)看，相當(dāng)于降低了整車(chē)的強(qiáng)度和剛度，會(huì)使應(yīng)力結(jié)果偏大，是一種偏安全的分析，因此是比較可靠的。 

   2 載荷和約束處理 

   電動(dòng)客車(chē)使用情況不是很復(fù)雜，基本上是在城市普通公路上行駛，因此選取彎曲、扭轉(zhuǎn)、緊急制動(dòng)和急轉(zhuǎn)彎四種工況。

   2.1彎曲工況 

   根據(jù)GB /T 6792 - 1996《客車(chē)車(chē)身骨架應(yīng)力、變形測(cè)量方法》，彎曲工況主要是對(duì)客車(chē)滿載狀態(tài)下，模擬客車(chē)在靜態(tài)下，或良好路面下勻速直線行駛時(shí)的應(yīng)力分布和變形情況。 

   載荷處理：結(jié)構(gòu)自重、各裝備重量、乘客重量。座位上的乘客與座椅載荷分配到相近的節(jié)點(diǎn)上；站立乘客載荷均布于車(chē)廂通道地板上，電池載荷均布于其支撐梁上；控制箱、空調(diào)、電機(jī)及其控制器、空氣壓縮機(jī)、電容等載荷則各自平均分配到相應(yīng)的支撐節(jié)點(diǎn)。 

   約束處理：將懸架彈簧與車(chē)架連接點(diǎn)6個(gè)方向自由度全部約束。 

   2.2 緊急制動(dòng)工況 

   緊急制動(dòng)工況主要考慮當(dāng)客車(chē)以最大制動(dòng)加速度017 g制動(dòng)時(shí)，地面制動(dòng)力對(duì)車(chē)身的影響。由于低地板客車(chē)前后橋均采用空氣懸架，空氣彈簧僅能承受垂向力，而縱向和橫向力必須通過(guò)拉桿傳遞到車(chē)架上，此時(shí)，拉桿及拉桿座將承受較大的拉壓載荷，必須具有足夠的強(qiáng)度。 

   載荷處理：除了集中載荷同彎曲工況外，在X方向上還要附加- 0.7 g的慣性力。 

   約束處理：同彎曲工況。 

   2.3 急轉(zhuǎn)彎工況 

   急轉(zhuǎn)彎工況主要考慮當(dāng)客車(chē)以最大轉(zhuǎn)向加速度014 g轉(zhuǎn)彎時(shí)，慣性力對(duì)車(chē)身的影響。與緊急制動(dòng)工況類(lèi)似，橫向力必須通過(guò)拉桿傳遞到車(chē)架上，此時(shí)，拉桿及拉桿座將承受較大的拉壓載荷，必須具有足夠的強(qiáng)度。 
   載荷處理：除了集中載荷同彎曲工況外，在Y方向上還要附加014 g的離心力。 

   約束處理：放松一側(cè)Y方向的位移約束。 

   2.4 扭轉(zhuǎn)工況 

   扭轉(zhuǎn)工況主要考慮一個(gè)車(chē)輪懸空而另一車(chē)輪抬高時(shí)施加在車(chē)橋上的扭矩的作用。這是最嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)工況，但在電動(dòng)大客車(chē)的使用過(guò)程中不易出現(xiàn)，因此計(jì)算時(shí)只將左前輪懸空。此種扭轉(zhuǎn)工況下的動(dòng)載，在時(shí)間上變化得較緩慢，其扭轉(zhuǎn)特性可以近似地看作是靜態(tài)的，許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果也都證實(shí)了這一點(diǎn)，即靜扭實(shí)驗(yàn)下的骨架強(qiáng)度可以反映出實(shí)際強(qiáng)度。因此，利用靜扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)可以反映出車(chē)身骨架的實(shí)際強(qiáng)度。 

   載荷處理：同彎曲工況。

   約束處理：去掉下沉的前輪的約束。 

   3 計(jì)算結(jié)果分析 

   按照所給工況和載荷、約束條件，分別建立模型進(jìn)行計(jì)算，得出車(chē)身骨架最大應(yīng)力及最大位移。

   由計(jì)算結(jié)果可知：在這幾種工況下，大部分車(chē)身骨架應(yīng)力值都不太大，最大處均在后懸架連接部位，以左前輪懸空車(chē)身扭轉(zhuǎn)時(shí)為最大。該車(chē)骨架均采用16 Mn， 由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知： σb = 470 ～620MPa，取中間值550MPa，可得最小安全系數(shù)為 n =σb /σ = 550 /307.958 = 1.79

   由于計(jì)算時(shí)用的是極限工況，且最大應(yīng)力值只出現(xiàn)在后懸架連接點(diǎn)，而其它部位的應(yīng)力很小，所以安全系數(shù)能滿足要求。

   4 車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)

   通過(guò)對(duì)電動(dòng)客車(chē)車(chē)身骨架有限元建模計(jì)算，結(jié)果表明，該車(chē)身骨架的強(qiáng)度和剛度有足夠余量。實(shí)際上，本模型由于略去了蒙皮和非承載構(gòu)件的影響，所計(jì)算的車(chē)身強(qiáng)度和剛度比實(shí)際的偏低，而應(yīng)力分布不均衡，大部分車(chē)身的應(yīng)力不超過(guò)100 MPa，因此，進(jìn)行輕量化分析是很有實(shí)際意義的。

   (1) 選擇輕量化結(jié)構(gòu)件的原則：

   ①該部件的質(zhì)量在車(chē)身結(jié)構(gòu)件總質(zhì)量中占有較大的比重。 

   ②該部件的改變對(duì)整車(chē)的剛度影響不大。

   (2) 通過(guò)客車(chē)車(chē)身各部分結(jié)構(gòu)件對(duì)整車(chē)剛度影響的分析，采取如下措施：

   ①各種工況下，頂棚骨架應(yīng)力都較小，考慮將其中間位置的橫、縱梁的厚度由2 mm縮小到1.5mm。 

   ②車(chē)身左右圍的骨架側(cè)窗上、下縱梁的厚度由2 mm縮小到1.75 mm；部分橫梁由2 mm 縮小到1.75 mm；斜支撐梁全部由2 mm縮小到1.5 mm。 

   ③將應(yīng)力低的底架牛腿、橫梁、縱梁的厚度縮小。底架斜支撐梁厚度由原來(lái)的2 mm縮小到1.5mm。

   (3) 將輕量化后的車(chē)身再次進(jìn)行有限元計(jì)算，在最危險(xiǎn)的扭轉(zhuǎn)工況下，最大應(yīng)力為307.958 MPa，最大變形為17.193 mm。其最大應(yīng)力位置與輕量化前的相同，是后懸架面與后橋連接點(diǎn)。

   從結(jié)果分析得出，經(jīng)過(guò)輕量化后電動(dòng)客車(chē)車(chē)身骨架總質(zhì)量減少了98.32 kg， 占原車(chē)總質(zhì)量的9.7% ，而整車(chē)的最大應(yīng)力只增加了1.3%， 為307.958MPa，仍在允許范圍內(nèi)，變形量也不大，只增加了原來(lái)的0.7%。

   5 結(jié)束語(yǔ)

   本文采用ANSYS有限元軟件對(duì)8 m電動(dòng)客車(chē)進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度分析。通過(guò)計(jì)算表明，該車(chē)身骨架的強(qiáng)度和剛度有足夠余量。根據(jù)結(jié)果對(duì)車(chē)身進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)：在車(chē)身的強(qiáng)度和剛度滿足要求的條件下，車(chē)身骨架總質(zhì)量可減少98.32 kg，占原車(chē)總質(zhì)量的9.7%。