基于CATIA的客车低地板前轴有限元分析 |
| 2012-08-12 11:25 作者：于珊珊 穆存远 彭双 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网8月12日消息 《硅谷》杂志2012年第13期刊文称，低地板前轴初步设计完毕后，采用CATIA三维软件中的有限元分析模块计算低地板前轴的在客车垂直静载工况、客车紧急制动工况、客车侧滑工况的应力场和位移场分布，并得出结论，为其整体项目中的前轴设计提供理论依据。
目前国内使用的城市客车多为二级或三级踏步的产品，其地板高度约为600mm～700mm，对于这样的产品采用普通的前桥即可达到使用的要求，但随着城市的不断发展，人民生活水平的提高，二级或三级踏步的产品存在着特殊群体上下车不便，在交通拥挤地区影响上下车时间等缺点，已经越来越不能适应人们的需求，城市客车需要一级踏步的产品，而要实现城市客车一级踏步这个要求，必须实现将地板降低高度，地板高度约为360mm～400mm，降低地板意味着空间减少，现有的前桥因其前轴落差小而无法满足这样的要求，为解决此问题必须设计出大落差的低地板前桥，而低地板前桥的核心部件就是低地板前轴，对于全新开发的前轴产品，首先需要进行全面的有限元分析已校验其模型是否符合设计规范、满足使用要求。
本文采用CATIA三维软件中的有限元分析模块计算低地板前轴的在客车垂直静载工况、客车紧急制动工况、客车侧滑工况的应力场和位移场分布，证明其完全满足设计要求，可以进行样件生产并进行相关台架试验及路试试验。
1分析模型建立
1.1前轴参数
轮距：2101mm，簧距1180mm，一级落差75mm，二级落差130mm；轮胎型号11.00R20，新胎设计半径522.5mm。
1.2有限元模型建立
根据分析需要，采用CATIA三维软件中的有限元分析模块作为解算器，建立7.5吨低地板前轴模型，整个模型网格基本尺寸10mm，采用抛物线型四面体单元模拟。
1.3材料数据
前轴材料：42CrMo屈服强度930MPa断裂强度1080MPa
2前轴有限元边界分析
2.1垂直静载工况
当汽车静止在水平路面上时，前轴承受垂直方向载荷，计算时在前轴主销孔处施加满载轴荷及轮胎对前轴主销中心点的扭矩，在前轴骑马螺栓孔处施加约束。
约束：左侧骑马螺栓孔：约束x、y、z平动自由度；
右侧骑马螺栓孔：约束x、z平动自由度。
载荷：左侧主销孔：FZ左=37398N，MX左=-5383Nm；
右侧主销孔：FZ右=37398N，MX右=5383Nm。
2.2紧急制动工况
汽车紧急制动时，由于惯性的作用，前、后轴荷重新分配，前轴轴荷加大，此时，前轴受垂直力、前后力、扭矩，计算时将上述载荷、扭矩施加于主销孔处，在前轴骑马螺栓孔处施加约束。
约束：左侧骑马螺栓孔：约束x、y、z平动自由度，约束y轴转动；
右侧骑马螺栓孔：约束x、z方向平动自由度，约束y轴转动。
载荷：左侧主销孔：FZ左=51396N，FX左=-39694N，MX左=-7392Nm，MY左=20482Nm，MZ左=-5696Nm；
右侧主销孔：FZ右=51396N，FX右=-39694N，MX右=7392Nm，MY右=20482Nm，MZ右=5696Nm。
2.3侧滑工况
汽车转弯时，受侧向惯性的作用，使左右车载荷重新分配，且两侧受力不均，前轴受垂直力、侧向力、扭矩，这里假定右侧受力，对此侧进行计算，计算时将上述载荷施加于主销孔处，在前轴骑马螺栓孔处施加约束。
约束：左侧骑马螺栓孔：约束x、y、z平动自由度；
右侧骑马螺栓孔：约束x、z平动自由度。
载荷：右侧主销孔：FY右=-46713N，FZ右=76325N，MX右=13134Nm。
（a）
3结论分析
3.1垂直静载工况
3.1.1位移
前轴最大位移出现在前轴拳头位置，为2.96mm。
3.1.2应力分析
因在骑马螺栓孔处施加约束，所以不考虑此处应力，前轴最大应力点在锁销孔与主销孔交接位置，为433Mpa；前桥几处易破坏区域分析结果，如表1所示。
表1垂直静载工况危险区域分析结果
主销处 下弯角处 下板簧座处 上板簧座弯角处 车桥中部
433MPa 170MPa 698MPa 263MPa 无明显应力集中
3.2紧急制动工况
3.2.1位移
前桥最大位移出现在前轴拳头位置，为5.7mm。
3.2.2应力分析
因在骑马螺栓孔处施加约束，所以不考虑此处应力，前轴最大应力点在上板簧座弯角位置，为897Mpa，前桥几处易破坏区域分析结果，如表2所示。
表2紧急制动工况危险区域分析结果
主销处 下弯角处 下板簧座处 上板簧座弯角处 车桥中部
584MPa 494MPa 897MPa 715MPa 无明显应力集中
（a）
3.3侧滑工况
3.3.1位移：
前桥最大位移出现在侧滑一侧的拳头部位，为1.77mm。
3.3.2应力分析
因在骑马螺栓孔处施加约束，所以不考虑此处应力，前轴最大应力点在锁销孔与主销孔交接处，为720Mpa，前桥几处易破坏区域分析结果，如表3所示。
表3侧滑工况危险区域分析结果
主销处 下弯角处 下板簧座处 上板簧座弯角处 车桥中部
720MPa 无明显应力集中 258MPa 228MPa 无明显应力集中
4结论
垂直静载工况：位移值为2.96mm，应力最大值为433MPa。参照汽车行业驱动桥桥壳垂直弯曲刚性试验评价指标满载轴荷时每米轮距最大变形不超过1.5mm，该前桥位移值符合要求；前轴材料为42CrMo，屈服极限为930MPa，应力满足设计要求。
紧急制动工况：位移值为5.7mm，应力最大值为897MPa。前轴材料为42CrMo，屈服极限为930MPa，应力满足设计要求。
侧滑工况：位移值为1.77mm，应力最大值为720MPa。前轴材料为42CrMo，屈服极限为930MPa，应力满足设计要求。
低地板前轴位移值与应力值均满足设计要求，可以进行样件生产并进行相关台架试验及路试试验。（原文载于《硅谷》杂志2012年第13期，硅谷网及《硅谷》杂志版权所有，未经允许禁止转载）
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