转向工况下站立乘客质量加载方式对客车强度的影响

夏德伟，徐志强，施旭峰，王文静，李东芳

（辽宁忠旺集团有限公司北京技术与发展中心，北京 100020）

引言

在客车的设计中，车身和底盘结构设计的强度和刚度直接影响着乘客和司机的安全，为了提前预知设计缺陷，降低研发成本，提高客车的安全性。通过利用有限元分析方法，计算出客车底盘和车身的应力大小，从而判断客车的强度[4-7]。在分析中常用到的有五种工况，即弯曲、制动、转向、驱动和扭转，其中转向工况分左转向和右转向两种情况。在进行转向工况下强度分析过程中，关于站立乘客质量的加载方式，一直没有统一的标准，有的采用均布载荷的方式，将站立乘客的质量加载到客车上，有的采用质量点的方式加载到客车上，不同的加载方式以及加载位置，会导致结果的差异，从而会误导客车的设计。

本文就右转向工况，针对站立乘客质量加载方式对客车强度的影响进行了研究，前处理软件选用的是ANSA，求解器选用的软件是 ABAQUS，后处理选用的软件是 Hyper View，通过以上三种软件来分析右转向工况下，站立乘客质量不同的加载方式对客车强度的影响，从而可以得出在进行有限元计算时，载荷的加载方式以及加载位置对结果的重要性，为有限元分析工程师提供借鉴，避免因载荷施加方式的不合理导致的结果的不准确性，进而影响客车的设计开发。

本文选取客车满载时站立的乘客人数为60人，考虑到前期建模工作量较大，故采用每7人或8人一组为一个质量点的方式进行加载，车尾部是每7人一组，车中部是每8人一组。在本文中针对站立乘客质量加载采用了五种方式， 第一种，X方向为0、Z方向为835mm，第二种，X方向为0、Z方向为500 mm，第三种，X方向为500 mm、Z方向为500 mm，第四种，X方向为500mm、Z方向为835 mm，以上四种情况中Y方向不变，第五种，将站立乘客质量均匀分布到底盘上，通过查看计算结果来判断五种加载方式对车身和底盘的强度影响。

1　模型的建立

1.1　模型导入

客车底盘和车身是比较复杂的空间薄壁结构，底盘是由截面形状不同的矩形管焊接而成，车身也是由不同截面的矩形管焊接而成，底盘和车身之间通过螺栓连接。考虑到客车底盘和车身结构较为复杂，很难对所有的部件建立有限元模型，故在尽可能反映客车结构力学特性准确的前提下，对模型进行相应的简化。去掉模型中对客车整体强度不会产生较大影响的小部件。为提高计算精度，在三维软件中建立客车实体模型，并导入ANSA软件中，最终客车几何模型如图 1所示。

图1　几何模型

1.2　材料属性

客车底盘模型材料选用 Q345钢，力学特性如下：弹性模量为 2.1×105MPa，泊松比μ为 0.26，密度ρ为 7.8×103kg/m3，热处理后的屈服极限为345MPa。客车车身模型材料选用6061T6，力学特性如下：弹性模量为0.69×105MPa，泊松比μ为0.33，密度ρ为2.7×103kg/m3，热处理后的屈服极限为240MPa。

1.3　网格划分

本文中客车底盘和车身采用2D壳单元进行建模，网格尺寸介于2～12 mm之间，焊缝采用Beam连接方式，如图2所示，塞焊采用采用壳单元模拟，相交面采用共节点连接，螺栓孔做两圈washer，采用MPC方式耦合，如图2所示，从而完成客车各部件之间有限元模型的连接。

图2　焊缝处理

图3　塞焊处理

图4　相交面处理

图5　螺栓孔处理

1.4　边界条件

在进行客车右转向工况强度分析时，本文边界条件是约束客车底盘吊耳安装位置处，约束情况如下：

1）左前吊耳安装位置处约束UX，UZ两个方向自由度。

2）左后吊耳安装位置处约束UX，UY，UZ三个方向自由度，如图6所示。

3）右前吊耳安装位置处约束UZ一个方向自由度。

4）右后吊耳安装位置处约束UX，UZ两个方向自由度，如图6所示。

图6　后桥吊耳安装位置约束示意图

2　载荷加载

客车运行过程中会承受各种载荷的作用，为保证分析的准确性必须对载荷进行合理的加载。本文中的客车底盘和车身载荷主要包括电容及支架、驱动电机、发电机、电机控制器、高压线束、动力电池、LNG 气瓶、发动机、转向系统、冷却系统、制动系统、前围玻璃钢、后围玻璃钢、顶盖玻璃钢、乘客门、风挡玻璃、风道、地板、加热器、散热器、顶风窗、空调、侧窗玻璃、仪表台、座椅、雨刮、顶盖线束、前围线束、后围线束、底盘管线、乘客、司机等其它附件重量。

载荷的加载方式，常用的是集中载荷[9]和均布载荷两种。针对客车运动过程中底盘和车身载荷的实际变化情况，对不同载荷采用不同加载方式，分别如下：

1）电容及支架、驱动电机、发电机、电机控制器、高压线束、动力电池、LNG 气瓶、发动机、转向系统、冷却系统、制动系统、前围玻璃钢、后围玻璃钢、乘客门、风挡玻璃、风道、加热器、散热器、顶风窗、空调、侧窗玻璃、仪表台、座椅、雨刮、乘客、司机，以上载荷以集中载荷的方式加载到相应连接处。

2）顶盖玻璃钢、地板、顶盖线束、前围线束、后围线束、底盘管线，该载荷以均布载荷的方式加载到相应位置处。

其中，在对站立乘客进行加载时，质心高度是按中国人男性平均身高除以2，即1670÷2=835mm。X轴方向为客车的左右，Y轴方向为客车的前后，Z轴方向为客车的上下。站立乘客先采用前言所述第一种方式加载，载荷加载结果分别如下图7和图8所示。

然后将站立乘客的质心坐标分别按照前言所述的第一种、第二种、第三种、第四种、第五种，情况设定，来研究站立乘客的质量加载方式对客车强度的影响。

图7　外部载荷加载情况

图8　内部乘客载荷加载情况

2.1　X方向为0、Z方向为835mm

图9　站立乘客加载结果

将站立乘客质心坐标的X方向设为0，Y方向保持不变，Z方向设为835mm，结果如图9所示。

2.2　X方向为0、Z方向为500mm

将站立乘客质心坐标的X方向设为0，Y方向保持不变，Z方向设为500mm，结果如图10所示。

图10　站立乘客加载结果

2.3　X方向为500mm、Z方向为500mm

将站立乘客质心坐标的X方向设为500，Y方向保持不变，Z方向设为500，结果如图11所示。

图11　站立乘客加载结果

2.4　X方向为500mm、Z方向为835mm

将站立乘客质心坐标的X方向设为500，Y方向保持不变，Z方向设为835，结果如图12所示。

图12　站立乘客加载结果

2.5　均布载荷

图13　站立乘客加载结果

将站立乘客质量以均布载荷的方式加载到底盘上，结果如图13所示。

3　计算结果

3.1　X方向为0、Z方向为835mm

将站立乘客质心坐标的X方向设为0，Y方向保持不变，Z方向设为835mm，底盘和车身的应力计算结果如图14和图15所示。

图14　底盘应力云图（右上角局部放大图）

图15　车身应力云图（右上角局部放大图）

3.2　X方向为0、Z方向为500

将站立乘客质心坐标的X方向设为0，Y方向保持不变，Z方向设为500mm，底盘和车身的应力计算结果如图16和图17所示。

图16　底盘应力云图（右上角局部放大图）

图17　车身应力云图（右上角局部放大图）

3.3　X方向为500mm、Z方向为500mm

图18　底盘应力云图（右上角局部放大图）

图19　车身应力云图（右上角局部放大图）

将站立乘客质心坐标的X方向设为500mm，Y方向保持不变，Z方向设为500mm，底盘和车身的应力计算结果如图18和图19所示。

3.4　X方向为500mm、Z方向为835mm

将站立乘客质心坐标的X方向设为500mm，Y方向保持不变，Z方向设为835mm，底盘和车身的应力计算结果如图20和图21所示。

图20　底盘应力云图（右上角局部放大图）

图21　车身应力云图（右上角局部放大图）

3.5　均布载荷

图22　底盘应力云图（右上角局部放大图）

图23　车身应力云图（右上角局部放大图）

将站立乘客质量以均布载荷的方式加载到底盘上，底盘和车身的应力计算结果如图22和图23所示。

3.6　结果分析

由计算结果可以看出，在以上五种站立乘客加载方式下，底盘和车身的强度都没有超屈服，首先，设计上满足强度要求，其次，分析不同加载方式对客车底盘和车身的强度影响，不同加载方式情况下底盘和车身的应力计算结果如表1和表2 所示[8]。

表1　不同加载方式下底盘应力统计

由表1可得，在右转向工况下，当X方向相同、Z方向增大时，客车底盘应力值会增大，但是应力位置没有变化。当X方向增大、Z方向相同时，客车底盘应力值也会增大，应力位置也发生了变化。其中，当站立乘客的Z方向质心为500mm、X方向由0增大到500mm时，安全系数降低0.11，当站立乘客的Z方向质心为835mm、X方向由0增大到500mm时，安全系数直接降低0.35。

表2　不同加载方式下车身应力统计

通过以上数据对比表明，当客车转向时，如果站立乘客双脚位置不变、上半身向客车左侧或者右侧越靠近，客车底盘受到的应力增加较快，安全系数下降较快，如果站立乘客蹲下，上半身向客车左侧或者右侧越靠近，客车底盘受到的应力增加较慢，所对应的安全系数下降较慢。所以，当客车遇到紧急危险情况需要快速转向时，站立乘客应该快速蹲下，从而保证客车安全通过弯道。

由表2可得，在右转向工况下，当X方向相同、Z方向增大时，客车车身应力值会降低，但是应力位置没有变化。当X方向增大、Z方向相同时，客车车身应力值也会降低，应力位置也没有变化。其中，当站立乘客的 Z方向质心为500mm、X方向由0增大到500mm时，安全系数增加0.01，当站立乘客的 Z方向质心为 835mm、X方向由 0增大到500mm时，安全系数增加0.01。

通过以上数据对比表明，当客车转向时，如果站立乘客双脚位置不变、上半身向客车左侧或者右侧靠近，无论站立乘客是否蹲下，客车车身受到的应力和安全系数变化都较小。所以，当客车底盘受到的应力在屈服极限范围内时，站立乘客质心位置变化对车身影响较小。

4　结论

本文通过三维软件建立实体模型，利用2D壳单元建立客车底盘和车身德有限元模型，在右转向工况下，针对站立乘客不同的加载方式，对客车进行了静力学强度分析，结论如下：

1）在右转向工况下，当 X方向相同、Z方向增大时，客车底盘应力值会增大，但是应力位置没有变化。当X方向增大、Z方向相同时，客车底盘应力值也会增大，应力位置也发生了变化。

2）当客车转向时，如果站立乘客双脚位置不变、上半身向客车左侧或者右侧越靠近，客车底盘受到的应力增加较快，安全系数下降较快，如果站立乘客蹲下，上半身向客车左侧或者右侧越靠近，客车底盘受到的应力增加较慢，相应的安全系数下降较慢。

3）在右转向工况下，当 X方向相同、Z方向增大时，客车车身应力值会降低，但是应力位置没有变化。当X方向增大、Z方向相同时，客车车身应力值也会降低，应力位置也没有变化。

4）当客车转向时，如果站立乘客双脚位置不变、上半身向客车左侧或者右侧靠近，无论站立乘客是否蹲下，客车车身受到的应力和安全系数变化都较小。

5）通过表1和表2的综合对比分析可以得出，在右转向工况下如果要检验底盘的设计强度，建议将站立乘客的质心进行适当偏移，如果要检验车身的设计强度，建议将站立乘客的质量加载方式采用均布载荷。

[1] 陈昌明,陈家骐,姚乾华.基于 ANSA 环境的车身主断面有限元分析[J].山东交通学院学报2009,3:1-3.

[2] 马晓峰.ABAQUS6.11有限元分析从入门到精通[M].北京:清华大学出版设,2013.

[3] 王钰栋,金磊,洪清泉. HyperMesh＆HyperView应用技巧与高级实例[M].北京:机械工业出版社,2015.

[4] 沈永峰,郑松林,冯金芝.公路客车车架与车身骨架强度及模态分[J].现代制造工程,2013,7:90-95 .

[5] 冯国胜.客车车身结构的有限元分析[J].机械工程学报,1999,35 (1):91-95.

[6] 兰凤崇,李涛.客车车身结构件对整车刚度的影响[J].汽车工程,2002,24(2).

[7] 谭继锦,张代胜.汽车结构有限元分析[M].北京:清华大学出版社,2009.

[8] 宛银生,周伟,姜再友,袁世林, 基于Hyper Works 的副车架强度及模态分析[J].汽车工程师, 2017,3:16-18.

[9] 徐志汉,王泽平.纯电动城市客车车身有限元分析[J].客车技术与研究2015,11:11-13.