公交客車是我國城鎮居（jū）民最主要的交通工具。隨著城市的發展，城市人口數量大（dà）幅增長，市民活動範圍也大幅擴大，這對城市（shì）公交客車提出了更高的要求和需求。為了滿足這種逐漸增長的需求，某汽（qì）車集團研發了一款低地板一級踏步8米公交客車。

該客車車架（jià）采用的（de）是（shì）三段（duàn）式結構，即分為前駕駛（shǐ）區域、中部乘客聚集區域以及後部發動機區域。車（chē）身骨架主要由型鋼搭接焊接而成（chéng）。在設計之初，試驗樣車尚未定型，整體結構設計是否滿足強（qiáng）度要求無法（fǎ）掌握，因此有必要借助有限元分析（xī）技術，通過仿（fǎng）真（zhēn）分析四種典型（xíng）工況下（xià）的車身骨架和車（chē）架的強度（dù），找出應力集中的區域，優化結構設計，降低結構應力，以達到設計（jì）要求。同時可（kě）以大大減少研發成（chéng）本，提高（gāo）設計效率。

車架結構示意圖

整個客車骨架的（de）有限元模型，在HyperMesh中創建，強度計算通過OptiStruct實現（xiàn），結果在HyperView中處理。

用殼單元劃分網格，單元基本尺寸為10mm左右，整個骨架共劃分722232個（gè）單元，751928個節點，其中四邊（biān）形單元717767個，三角形單元4465個，三角形單元占（zhàn）總單元比例為0.6%。

建模過（guò）程中將整體骨（gǔ）架劃分為7個部分：前圍、後圍、左側圍（wéi）、右側圍、車內扶手、頂棚和車架。通過（guò）模塊的劃分，一方麵可以增加協作性，項目組（zǔ）每個成員劃分一個部分的網格，然後（hòu）整體連接；另一方麵可以減少模型連（lián）接的錯誤，在每（měi）個劃分的總成裏（lǐ）麵獨立檢查模（mó）型，然後整體（tǐ）檢查模型的連接。 

建（jiàn）模過程總成（chéng）劃分圖

有限元模型中，縫焊的模擬主要（yào）采用兩種方（fāng）式：一種是節點（diǎn）共用，這種方式的精（jīng）度（dù）很高（gāo），但是建（jiàn）模效率較低；另一種是采用（yòng）剛性梁單元在縫焊位置連接相應的單元節點來模（mó）擬實際的焊（hàn）接，這種連接方式不必要求（qiú）節點嚴（yán）格對齊，可大大（dà）提高效率。本文主要采用共用節點的方式，對於部分接頭，共用節點比較困（kùn）難（nán），則采（cǎi）用剛性連接。

本分析主要研究四種典（diǎn）型工況（kuàng）下的強（qiáng）度，工（gōng）況描述如圖所示。圖（tú）中a、b、c、d四點表示四個板簧中（zhōng）心點位置（zhì），通過（guò）約束這四個點來組合模擬各種工（gōng）況。表格描述了四（sì）種工況，其中g表示重力加速度，約（yuē）束（shù）的數字表明的是該位置的自由度（dù）方向（xiàng），“1、2、3”分別表示X，Y，Z三（sān）個自由度方向，“-”表示該（gāi）位置無載荷或（huò）者無約束。

工況描述（shù）表

計算工況描（miáo）述示意圖

根據以上四（sì）種工況的載荷（hé）與邊界條（tiáo）件設置分（fèn）析工（gōng）況，提交OptiStruct分析，計算整體結構強（qiáng）度。根據（jù）強度分析結果，找到整體結構中（zhōng）主要的應（yīng）力集中區域。下圖是四種工（gōng）況（kuàng）下的強度分析結（jié）果。

製動工況應（yīng）力雲圖（tú）

轉彎工況應力雲圖（tú）

極限工況應力雲圖

彎曲工況（kuàng）應力雲圖

根據（jù）以上強度分析結果，應力集中主要出（chū）現（xiàn）在以下區域：

（1）左、右側圍後立柱（zhù）處。在極限工況下，接頭位置最大應力超過了300MPa，而材料（liào）的屈服應力為240MPa，其他工況中，應力也較大，此處設計存（cún）在較（jiào）大風險。

側圍後立（lì）柱應力結果（單位：MPa）

（2）右側圍中門立柱連（lián）接處。中門（mén）位置由兩個立柱通過短梁搭接到車架上。經過四種工（gōng）況分析（xī），發現在彎曲（qǔ），極限和轉彎工況下，門立柱連接位置均出現應力集中，最大應力均超過（guò）300MPa。如圖，可見接（jiē）頭（tóu）處的明顯出現應力集中。              

中門立柱附近應力結果（單位：MPa）

（3）頂蓋上縱梁與橫梁搭（dā）接處。在極限工（gōng）況和轉彎工況下，頂蓋縱梁與（yǔ）連接橫梁之間應（yīng）力均超過了300MPa，超過材料（liào）的屈服極限。需要加（jiā）強該位置的接頭設計，提高連接強度。如圖是（shì）該（gāi）位置的應力結果，可見連接位置的應力集中（zhōng）比較明顯。

 頂蓋接頭位置應（yīng）力結果（單位：MPa）

（4）車架後端，發動機安裝縱梁搭接處。發動機安裝在三段式車架的後端，整（zhěng）個自重完全由兩個縱梁來承擔，因此承載梁的連（lián）接處應力較大。如圖所示。

發動機安裝梁搭接處應力結果（單（dān）位：MPa）

根據有限元分（fèn）析，可以明確整體結構應力分布情況，找到應力集中區域。然後對結構設計（jì）不合理的區域進（jìn）行優化。根據以上分析針對四個應力集中區域分別改進設計。主要優化措施（shī）如下：

（1）將上下兩端立柱對齊，減少上（shàng）下兩個立柱之間交（jiāo）叉形成的剪（jiǎn）切力。

（2）改進中（zhōng）門立柱處連（lián）接形式。    

（3）加強頂蓋（gài）橫梁與縱梁之間的連接。

（4）增大後縱梁材料厚度和垂向高（gāo）度。將厚度由初始設計的4mm增大到5mm，同時將（jiāng）縱梁垂向高度h增大10mm。                   

根據以上優（yōu）化方案，改（gǎi）進結構後重新進行四個工（gōng）況的（de）強度分析，可見幾個區域（yù）的應力有了比較明顯的改變（biàn），最大（dà）應力大小由原始結構的超過300MPa，減小到200MPa左右，滿足強度要求（qiú），達到了較好的效果。下圖是經過（guò）更（gèng）改（gǎi）後的四（sì）個局部區域結構應力分布雲圖。

側圍後立柱更改後應力

中門立（lì）柱結構更改後應力

頂（dǐng）蓋（gài）接頭增強後應力

後縱梁更改後應力

本文應用有限元方法分析了一款8米城市公交客車骨架的強度，通過四種典（diǎn）型工況的評估，找到結構應力集中的區域，並優化改進這些區域的局（jú）部結構，改善了（le）應（yīng）力集中情況，實現了強度設計目標。通過應用HyperWorks輔助設計，可以大大提高設（shè）計效率，減（jiǎn）少試驗次數，降低研發成本，獲得（dé）可觀的效益。