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

該客車車架采用的（de）是三段式結構，即分為前駕駛區（qū）域、中部乘客聚集區域以及（jí）後部發動機（jī）區域。車身骨架主要由型鋼搭接焊接而成。在設計（jì）之（zhī）初，試驗樣（yàng）車尚未定型，整體（tǐ）結構設計是否（fǒu）滿（mǎn）足強度要求無（wú）法掌握，因此有必（bì）要借助有限元分析技術，通過（guò）仿真分析四種典型工況下的車身骨架和車架的強度，找出應力（lì）集中的（de）區域，優化結構設計，降低結構應力，以達到設計要（yào）求。同時可以（yǐ）大大減少研發成本，提高設計效率。

車架結構示意圖

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

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

建模過程（chéng）中（zhōng）將整體骨架劃分為7個（gè）部分：前圍、後（hòu）圍、左側圍、右側圍、車內扶手、頂棚和（hé）車架（jià）。通過模塊的劃分，一方麵可以增加協作性，項目組每（měi）個成員劃分一個部分的網格，然後整體連接；另一方麵可以減少模型連接的錯誤，在每個劃分的總成裏麵獨立檢查（chá）模型，然後整體檢查模型的連接。 

建模過程總成劃分圖

有限元模型中，縫焊的模（mó）擬主要采用兩種方式：一種（zhǒng）是（shì）節點共用，這種方（fāng）式的精度很高，但是建模效率較低；另一種是采用（yòng）剛（gāng）性梁單元在縫焊位置連接相應的單元（yuán）節點來模擬實際的焊接（jiē），這種連接方式不必要求節點（diǎn）嚴格對齊（qí），可大大提高（gāo）效率（lǜ）。本文主要采用共用節點的方式（shì），對於部分接頭，共用節點比較困難，則采用剛性連接。

本分析主要研（yán）究四種典型工況下的強（qiáng）度，工況描述如圖（tú）所（suǒ）示。圖中a、b、c、d四點表示四個板簧（huáng）中心點位置，通過（guò）約束這四（sì）個點來組（zǔ）合模擬（nǐ）各種工況。表（biǎo）格描述了四種工況，其（qí）中g表示（shì）重力加速度，約束的數字表明的是該（gāi）位置的自由度方（fāng）向，“1、2、3”分別表示（shì）X，Y，Z三個自由度方向，“-”表示該位置無載荷或者無約束。

工況描述表（biǎo）

計算工（gōng）況描述示意圖

根據以上四種工況的載荷與邊界條件（jiàn）設置分析工（gōng）況，提交OptiStruct分析，計算整體結構強度。根據強度分（fèn）析結果，找到整體結構中主要的應力集中（zhōng）區域。下圖是四種工況（kuàng）下的強度分析結果。

製動工況應力雲圖

轉彎工況應力雲圖（tú）

極限工況應力雲圖

彎曲工（gōng）況應力雲圖

根據以上強度分析結果，應力集（jí）中主要出現在（zài）以下區域：

（1）左、右側圍後立柱處。在極限工況（kuàng）下，接頭位置最大應力超（chāo）過了300MPa，而材（cái）料的屈服應（yīng）力為240MPa，其他工況中，應力也較（jiào）大（dà），此處設計存在較大風險。

側圍（wéi）後立柱（zhù）應力（lì）結果（單位（wèi）：MPa）

（2）右側圍中（zhōng）門立柱連接處。中門位置由兩（liǎng）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（lì）柱連接位置均出現應力集中，最大應力均超過300MPa。如（rú）圖（tú），可見接頭處的明（míng）顯出現應（yīng）力集中。              

中門立柱附近應（yīng）力結果（單（dān）位：MPa）

（3）頂蓋上縱梁與橫梁（liáng）搭接處。在極限工況和轉彎工況下，頂蓋縱梁與連接橫梁之間應（yīng）力均超過了300MPa，超過材料的屈服極限（xiàn）。需要加強該（gāi）位置的接頭設計，提高連接強度。如圖（tú）是該（gāi）位置的應力結果，可見連接位置的應力集中比較明顯。

 頂蓋接頭位置應力結（jié）果（單位：MPa）

（4）車架後端，發（fā）動機安裝縱梁搭接處。發動（dòng）機安裝在三段式車（chē）架（jià）的後端，整個（gè）自重完全由兩個縱梁來承擔，因（yīn）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）

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

（1）將上下兩端立柱對齊，減（jiǎn）少（shǎo）上下兩個立柱（zhù）之間交叉形成的剪切力。

（2）改進中門立柱處連接形式。    

（3）加強頂（dǐng）蓋橫梁與縱梁之間（jiān）的（de）連接。

（4）增大後縱（zòng）梁材料厚度和垂向高度。將厚（hòu）度（dù）由初始設計（jì）的4mm增大到5mm，同時將縱梁垂（chuí）向高度h增大10mm。                   

根據以上優化方案，改進（jìn）結構後重新進行四個工況的強（qiáng）度分析，可見幾個區域的應力有了比較明顯的改變，最大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，達到了較（jiào）好的效（xiào）果。下圖是經（jīng）過更改後的四個局部區域（yù）結構應力分布雲圖。

側圍後立（lì）柱更改後應力

中門立柱（zhù）結構更改後應力

頂蓋接頭增強（qiáng）後應力

後縱梁更改後應力

本（běn）文應（yīng）用（yòng）有限元方法分析了（le）一款8米城市公交客車骨架（jià）的（de）強度（dù），通過四種典型工況的評估，找到結構應力集中的區域，並優化改進這些區域的局部結（jié）構，改善了應力集中情況，實現了強度設計目標。通過應用HyperWorks輔助設計，可以大大（dà）提高設計效（xiào）率，減少試（shì）驗次（cì）數，降低研發成本，獲得可觀的效益。