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车架横梁上加强筋对局部应力和整车质量影响分析 罗 运 张 怡 陈吉清 （华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州，510640） 摘 要：通过建立某半承载式客车整车骨架有限元模型，利用有限元分析手段，采用对比的方法提出加强筋布局的有效加强区域和非有效加强区域，从最大应力角度分析加强筋在有效加强区域内不同布局对V型推力杆支座连接件在制动瞬间的加强效果，体现加强筋的加强作用。在连接关系和焊接工艺允许的前提下提出三种加强筋布局方案，并对比三种方案的应力分布规律和应力极值，确定加强筋在有效加强区域内的最优布局，并以最优布局的结构为基础， 在整车模型下进行尺寸优化和优化结果的分析验证。由分析结果得出，在有效加强区域内合理设计加强筋，能有效提高局部承载能力，在保持原承载能力的基础上进行尺寸优化，减轻结构的质量。 关键词：车架横梁；加强筋；有效加强区域；尺寸优化 1 引言 客车前围骨架风挡下横梁和侧围第一立柱接头、后围骨架风挡下横梁和后围立柱接头都设计有加强筋，加强筋的布局位置单一；车门上框架以及车桥前后仓门立柱和侧围腰梁接头处设计有加强型钢，加强型钢的布局位置确定，这两种情况的加强结构有效的提高接头的强度。 目前市场上很多豪华型大型客车均采用空气悬架系统，车架一些结构同传统的板簧式客车车架有些差别，车架的某根横梁承受客车制动瞬间的冲击载荷，为了保证横梁具有足够的强度，在横梁上设计两块加强筋，加强筋的位置由设计者对结构的感知程度确定。 市场上一些客车的横梁加强筋都设计在横梁中部，沿ZX面对称分布。但这种设计方式能否改善横梁的应力分布及横梁制动瞬间承受冲击载荷的能力，需要分析验证。本文通过横梁带有加强筋和没有加强筋的分析确定目前加强筋设计方案可行性，并通过对比其它的加强筋设计方案，确定加强筋设计的优选方案，最后对选择的结构进行了尺寸优化。 客车车身是一个极其复杂的空间薄壁杆系结构，同时包括部分应力蒙皮。由于一些非主要承载件对骨架结构的变形和制动工况纵向和横向推力杆支座连接件应力分布影响很小，而且考虑这些结构对问题的求解规模和准确性有很大的影响，因此本文分析模型不考虑蒙皮和装饰件，整车模型如图1所示。 由于分析的客车采用空气悬架系统，前悬架和后悬架处纵向和横向推力杆、横向稳定杆和前后车桥都根据实际尺寸和形状，采用梁单元模拟；对形状不规则的车桥做适当简化以便于模拟，简化后的后悬架模型如图2所示。 制动瞬间，空气弹簧刚度变化非常微小，故可采用大刚度弹簧单元模拟制动瞬间空气弹簧的特性。采用实体单元离散所有推力杆支座，其余骨架结构采用基本尺寸为15mm的壳单元划分网格。优先采用节点合并的方法处理焊接关系，其次考虑用刚性单元模拟。乘客、发动机、油箱、行李和空调等部件的质量在实际质心位置以集中质量单元模拟，整车骨架总共1088114个单元。 制动工况下的边界条件为：约束右后轮1、2、3平动自由度；约束左后轮1、3平动自由度；约束右前轮2、3平动自由度；约束左前轮3平动自由度，释放四轮全部转动自由度。由于有限元模型质量为9吨，为模拟质量为18吨的实车真实制动情况，须在有限元模型上沿客车前进方向施加1.6g的当量加速度。 V型推力杆支座连接件（车架第四横梁）由五块10mm厚钢板组成，上下连接板各一块，中间连接板一块，加强筋两块，见图2。中间连接板Z向两个端面同上下连接板满焊连接，Y向两个端面都是自由面，没有同其它部件连接；V型推力杆支座完全焊接在中间连接板上。根据它们之间的焊接关系和V型推力杆传给中间连接板X、Y向的冲击载荷，可以得知制动瞬间中间连接板外侧部分是大变形和高应力区域，一是此处是最主要的受力区域，中间连接板两端区域不仅沿X轴向产生变形，同时还沿Y轴向产生变形；二是中间连接板Y向两端和其它结构没有连接，没有构成闭合的受力结构，既不能有效疏导一部分力，也不能消除中间连接板两端区域的大变形。 第四横梁有加强筋和没有加强筋模型分析结果如表1所示。由表1可知，两种方案下的第四横梁中间连接板和上下连接板的应力基本相同，说明原车第四横梁的加强筋没有起到加强作用；第四横梁加强筋之间的区域和邻近区域应力值基本相等，为50Mpa，最大应力在中间连接板与支座焊接处，为297.1Mpa，加强筋的应力也仅51Mpa，说明加强筋之间以及邻近区域为非有效加强区域。第四横梁所有零件采用Q450钢材，最大应力在1.5安全系数以内，满足理论要求；该车已经投入市场，而且没有反馈制动过程中出现失效或是支座连接板出现撕裂现象，分析的结果和实际情况一致。如果仅考虑保持原车第四横梁承受制动载荷的能力，则可删除原车的两块加强筋 。由于在非有效加强区域内设计加强筋结构不能有效地改善该局部结构的应力分布和应力极值，加强效果不明显，所以在设计加强筋时，尤其是在加强筋有充分的设计空间的情况下