基于Hyperworks的客车建模及侧翻分析

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。

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。

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。

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。

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：

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

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。