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基于Hyperworks的客车建模及侧翻分析


基于 Hyperworks 的客车建模及侧翻分析
火进梁耕龙张国滨 北京汽车新能源汽车有限公司北京 102606

摘要: 首先通过 HyperMesh 建立了客车的有限元分析模型,然后应用 OptiStruct 进 行了多工况下的强度和刚度分析;并在 HyperWorks 提供的模板下进行了侧翻模 型设置;分析计算结果表明,该款大客车骨架及上部结构

强度、刚度均满足国标 要求;分析过程也充分体现 HyperWorks 在汽车设计中能够提供高效解决方案的功 能。 关键词:HyperMesh,OptiStruct,客车,侧翻

0 概述 客车作为最主要的交通运输工具之一,其结构强度刚度是否满足安全需要一直 是人们关注的焦点;客车由于制造成本高,价格昂贵,所以用实车做物理试验相比 轿车需要更高的成本和更长的周期,从而,在客车设计过程中 CAE 技术的应用就优 势更加凸现。

1 有限元建模 客车结构多采用异性钢管和薄壁板壳结构焊接而成, 所以在建模过程中主体结 构采用四边形网格, 此外, 部分底盘结构采用了带有不同截面属性的梁单元来模 拟,以提高计算效率。共有单元 674,056 个,其中壳体单元 640,545 个;带有截面 属性的梁单元 192 个;模型如图一所示。

图 1:HyperMesh 划分的大客车整车网格模型

2 模型设置 2.1 材料特性定义 HyperWorks 具有非常友好的用户界面,从网格划分到模型设置均为用户提供 了便利, 可以很方便地直接选择材料类型并将参数输入。 以普通弹性钢材料为例, 输入格式如下:

2.2 属性定义 单元属性的定义也有着丰富的类型可供选择,以壳体单元为例:

可供选择的单元类型如下:其中客车板壳件模拟用壳体单元类型,选用 2D 即 可。打开编辑选项后,定义板壳厚度即可。

2.3 连接方式 由于客车结构的特殊性,在建模过程中,焊接接头的处理和近似方法就显得很 重要;通常采用节点匹配模拟接头连接、rigids 单元模拟并管焊缝,用 CBEAM 单 元模拟普通螺栓连接等。

图 2:焊接接头简化方法

2.4 载荷工况定义 为校核客车骨架强度刚度,应用 Optistruct 进行了四工况下的静力分析;为考 察客车上部结构强度,应用 Hyperworks 提供的强大接口和友好界面,设置了第 三方求解器求解模型,以考察客车在发生侧翻时生存空间是否被侵入。 2.4.1 静力分析工况设置 应用了四个载荷步模拟客车在静止或行使过程中可能遇到的工况:(1)制动工 况用于模拟客车在满载行驶时紧急制动的工况; (2)转弯工况用于模拟客车在满 载转弯时的工况; 3) ( 弯曲工况用于模拟客车在满载匀速行驶或者停止时的工况; (4)扭转工况用于模拟满载客车在崎岖不平的道路行驶时的工况。其中扭转工 况是比较恶劣的工况,模拟客车在行驶时左前轮陷入凹坑的工况。 2.4.2 侧翻分析工况设置 2.4.2.1 客车侧翻试验方法 根据国标 GB/T 17578 规定的试验方法图(三)所示:被试客车可以未全部完工, 但整车整备质量、 质心位置和质量分布应符合该车技术要求的规定。客车停放在 一个水平的翻转平台上, 采取措施防止客车纵向滑移,试验装置采用侧向挡壁防 止车轮侧向滑移, 试验装置应确保客车各轴的同步侧倾,客车在没有摇晃和不受 其他外力影响的情况下侧倾直至翻倒。 侧倾角速度不应超过 5°/s 0.087rad/s) ( ; 采用高速摄影、变形规或其他适宜的装置来确认要求是否得到满足。

图 3: 客车侧翻试验示意图

2.4.2.2 生存空间确定 汽车的上部结构应具有足够的强度,以确保在整车的侧翻试验过程中和试验 后生存空间没有受到损害。这是指:(1)在测试开始时在生存空间之外的其他汽 车的零件(如立柱、吊环、行李架等),在测试过程中不得侵占生存空间。在对生 存空间被侵占进行评估时,任何原先位于生存空间中的结构部件均应不计入(如 垂直扶手、隔板、小厨房和卫生间等) 。(2)生存空间的零件不能突出到变形结构 的轮廓外,变形结构的轮廓线应在相邻的窗户和(或)门立柱间依次确定。两个变 形立柱之间的轮廓线理论上应是一个平面, 由立柱内部相关点相连接的直线确定, 侧翻试验前这些点应在地板上处于同一高度。生存空间的确定方法如图(四)所 示:

图 4: 座位客车生存空间示意图

2.4.2.3 侧翻模型设置 根据法规试验方法及对生存空间的要求,设置了侧翻分析模型;由于客车在触 地之前对于上部结构强度没有任何损伤,为了节省计算成本,侧翻分析从触地瞬 间开始计算;根据能量守恒定律换算出触地时的初始速度,在 Hypermesh 中定 义该初速度,并将地面假定为刚性。

图 5:客车侧翻模型设置

3 结果及后处理 3.1 客车骨架静力分析结果 计算结果用 Hyperview 进行处理,四工况下应力分别如表(一)所示,从表中 可以看出前三个工况下应力都比较小,第四个工况及扭转工况下应力较大,因为 扭转工况为极端恶劣工况,正常行驶中较为少见。

表 1:静力分析结果 动 载 系数 制动工况 转弯工况 弯曲工况 扭转工况 1.5 1.2 2.5 1.3 最大许用应力 (Mp) 223 271 130 250 计算最大应力 (Mp) 166 180 125 234 车架后部 车架后部 车架中部 车架前部 出现位置

3.2 客车侧翻分析计算结果 分析计算表明,该客车发生侧翻后发生了变形,但变形较小,生存空间没有 被侵入, 也没有零部件发生撕裂出现尖角等现象, 侧翻变形后的应力云图如图 (六) 所示。

图 6:客车侧翻分析计算结果

4 结论 静力分析结果表明,该款客车车身及车架骨架具有足够的强度和刚度;侧翻 分析结果表明, 该客车上部结构强度也达到国标设计要求,乘员生存空间没有被 侵入,也未发生零部件撕裂等现象;并且强度和刚度均有较大的优化设计空间,

主要是这种全承载式客车具有承载能力强结构坚固的特点所确定, 后续工作可通 过 Optistruct 对其进行结构轻量化设计。 将进一步体现 CAE 分析在设计校核和优 化中周期短、成本低、改进方案灵活、见效快的优势。也充分体现了 Altair 公司 多元化的 CAE 产品库为车企提供了丰富的解决方案。

Bus Modeling and Side Turn Analysis Based on HyperWorks Huo Jin Liang Genglong Zhang Guobin Abstract:A bus FEA model was created by Hypermesh software, and strength and stiffness of the bus was analyzed by Optistruct; At the same time, the bus roll model was setup in the amity interface of Hyperworks and launched by collision software. The results show that the strength and stiffness of the bus is enough. Apparently, the analysis process also reflect fully that Hyperworks can provide more effective solution to vehicle design. Key words:Hypermesh Optistruct Bus roll


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