公交客車是我國城鎮居民最主要的交通工具。隨著城市的發展，城市人口數量大幅增長，市民活動范圍也大幅擴大，這對城市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。

該客車車架采用的是三段式結構，即分為前駕駛區域、中部乘客聚集區域以及后部發動機區域。車身骨架主要由型鋼搭接焊接而成。在設計之初，試驗樣車尚未定型，整體結構設計是否滿足強度要求無法掌握，因此有必要借助有限元分析技術，通過仿真分析四種典型工況下的車身骨架和車架的強度，找出應力集中的區域，優化結構設計，降低結構應力，以達到設計要求。同時可以大大減少研發成本，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，強度計算通過OptiStruct實現，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個單元，751928個節點，其中四邊形單元717767個，三角形單元4465個，三角形單元占總單元比例為0.6%。

建模過程中將整體骨架劃分為7個部分：前圍、后圍、左側圍、右側圍、車內扶手、頂棚和車架。通過模塊的劃分，一方面可以增加協作性，項目組每個成員劃分一個部分的網格，然后整體連接；另一方面可以減少模型連接的錯誤，在每個劃分的總成里面獨立檢查模型，然后整體檢查模型的連接。 

建模過程總成劃分圖

有限元模型中，縫焊的模擬主要采用兩種方式：一種是節點共用，這種方式的精度很高，但是建模效率較低；另一種是采用剛性梁單元在縫焊位置連接相應的單元節點來模擬實際的焊接，這種連接方式不必要求節點嚴格對齊，可大大提高效率。本文主要采用共用節點的方式，對于部分接頭，共用節點比較困難，則采用剛性連接。

本分析主要研究四種典型工況下的強度，工況描述如圖所示。圖中a、b、c、d四點表示四個板簧中心點位置，通過約束這四個點來組合模擬各種工況。表格描述了四種工況，其中g表示重力加速度，約束的數字表明的是該位置的自由度方向，“1、2、3”分別表示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

計算工況描述示意圖

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

制動工況應力云圖

轉彎工況應力云圖

極限工況應力云圖

彎曲工況應力云圖

根據以上強度分析結果，應力集中主要出現在以下區域：

（1）左、右側圍后立柱處。在極限工況下，接頭位置最大應力超過了300MPa，而材料的屈服應力為240MPa，其他工況中，應力也較大，此處設計存在較大風險。

側圍后立柱應力結果（單位：MPa）

（2）右側圍中門立柱連接處。中門位置由兩個立柱通過短梁搭接到車架上。經過四種工況分析，發現在彎曲，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300MPa。如圖，可見接頭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力均超過了300MPa，超過材料的屈服極限。需要加強該位置的接頭設計，提高連接強度。如圖是該位置的應力結果，可見連接位置的應力集中比較明顯。

 頂蓋接頭位置應力結果（單位：MPa）

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

發動機安裝梁搭接處應力結果（單位：MPa）

根據有限元分析，可以明確整體結構應力分布情況，找到應力集中區域。然后對結構設計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，減少上下兩個立柱之間交叉形成的剪切力。

（2）改進中門立柱處連接形式。    

（3）加強頂蓋橫梁與縱梁之間的連接。

（4）增大后縱梁材料厚度和垂向高度。將厚度由初始設計的4mm增大到5mm，同時將縱梁垂向高度h增大10mm。                   

根據以上優化方案，改進結構后重新進行四個工況的強度分析，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，達到了較好的效果。下圖是經過更改后的四個局部區域結構應力分布云圖。

側圍后立柱更改后應力

中門立柱結構更改后應力

頂蓋接頭增強后應力

后縱梁更改后應力

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，通過四種典型工況的評估，找到結構應力集中的區域，并優化改進這些區域的局部結構，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，可以大大提高設計效率，減少試驗次數，降低研發成本，獲得可觀的效益。