車體分析
關注創建者：車尚歡 創建時間：2015-08-04
車體分析的實例教程
表2所示為車體前6階模態結果對比，以有限元方法的仿真結果為參考，前6階模態頻率最大相對誤差為4.8%，平均相對誤差為2.45%，具有很好的一致性，模態振型結果也一致。
2.3 車體結構靜態分析計算對比
車體結構的靜態分析工況下，約束車體兩側第5平衡軸支座6個方向的自由度，在車體兩側第一平衡軸支座處添加方向垂直向上，大小為10 000 N的力。
靜態分析工況下，兩種方法計算得到的車體應力分布情況如圖6所示，可以看出靜態分析下，兩種分析方法車體的應力分布情況具有很好的一致性，有限元方法中靜態分析的最大應力為99.7 MPa，無網格方法中靜態分析的最大應力為97.2 MPa，以有限元中仿真分析結果為參考，車體靜態分析最大應力值的相對誤差為2.5%，最大絕對誤差為2.5 MPa。
表2 車體前6階模態分析結果對比
圖6 車體靜態分析對比
2.4 車體結構動態分析計算對比
車體結構的動態分析工況下，約束車體兩側第5平衡軸支座6個方向的自由度，在車體左側第1平衡軸支座處添加垂直向上的8g沖擊加速度，在車體右側第1平衡軸支座處添加垂直向下的8g沖擊加速度。圖7給出了車體動態工況邊界條件及沖擊加速度隨時間變化的曲線。
圖7 車體動態分析工況邊界條件
動態分析工況下，有限元方法和無網格方法計算得到的車體最大應力幅值以及整體應力分布狀態均比較一致，計算結果如圖8所示。其中，有限元方法計算得到車體的最大應力為190 MPa，無網格方法計算得到的車體最大應力為193.6 MPa，車體動態分析最大應力值的相對誤差為1.9%，最大絕對誤差為3.6 MPa。
圖8 車體動態分析對比
2.5 仿真計算效率對比
圖9給出了車體結構仿真的無網格方法和有限元方法在計算時間上的對比。
展開 1.引言
iSolver為一個完全自主的面向工程應用的通用結構有限元軟件，對標Nastran、Ansys、Abaqus設計和實現，具備結構有限元常用分析類型和單元、材料、載荷等基礎算法組件，精度和Abaqus一致。本文以軌道客車車體模態分析為例，演示iSolver的分析流程，并將iSolver和Abaqus計算結果進行對比。
2.案例背景
振動模態是彈性結構固有的整體特性。通過對軌道客車車體進行模態分析，可以得到車體固有頻率和相應的振型，避免車體的共振（尤其是車體與轉向架之間）引發災難性的后果。
3.有限元模型介紹
整車模型主要采用殼單元模擬，主要設備（如空調、變流器等）采用質量點模擬，設備與車體的連接通過MPC約束模擬。模型共包括殼單元1222916個，質量單元6個。
展開 隨著CAE技術在高速列車車體研發中的應用，高速列車車體的研發中碰到的技術難點都一一得到了解決，下面具體介紹CAE技術在高速軌道車輛車體的研發中的應用：
CAE技術在高速軌道車輛車體的研發中的應用，根據研究對象的不同，可分為兩部分：車體結構分析和流固耦合分析，車體分析包括對車體的強度、氣密強度、剛度與模態以及車體模態與轉向架固有模態的關系，車體局部模態與車內振動及車體局部模態與車內噪音的關系進行仿真分析等一系列技術項目，主要解決車體輕量化與車體剛度、強度提高之間的矛盾；流固耦合分析包括對列車表面壓力分布、氣動阻力、氣動升力、交會壓力波、側向力及隧道效應和列車運行的側風平穩性、氣動噪聲等諸多方面等數值仿真項目，為提高高速列車車體的空氣動力學性能提出解決方案，同時還為車體結構分析提供外部流場載荷，用于結構分析。根據公司前期軌道車輛車體設計和仿真分析的經驗，我公司建立了適合高速軌道車輛車體仿真分析的CAE技術平臺，制定了科學的仿真分析流程，可以同時進行車體分析和流固耦合分析。
以高速列車車體研發流程為例來介紹CAE技術在高速列車車體設計中的實際應用，首先對高速列車車體的設計方案進行流固耦合分析，應用流體動力學軟件對列車表面壓力分布、氣動阻力、氣動升力、交會壓力波、側向力及隧道效應和列車運行的側風平穩性、氣動噪聲等諸多方面進行仿真分析，根據仿真結果對車體結構和車體斷面尺寸進行優化設計，例如：車體初次設計時在車頂受電弓安裝座處沒有設計導流罩，仿真計算結果表明該處氣動阻力過大，同時產生嚴重的氣動噪聲；根據仿真分析的結果，改進了受電弓安裝座，并增加了導流罩；在對受電弓安裝座以及導流罩的多個設計方案分別進行了仿真分析后，得到了最優的設計方案；從最初的仿真分析到得到最優的設計方案，由于CAE技術的幫助，只需要兩周時間，極大的縮短了設計周期。
展開 二、使用meshfree進行變形分析
將模型導入meshfree。由于meshfree的處理方式，只需要刪掉一些無用的零部件就可以了，最終生成的部件數321個和解除對902個。約束條件為地腳約束，載荷為重力載荷。如下圖所示：
對其進行受力分析，從模型處理到計算完成整個過程約1個小時。
從以上可以看出，整體的變形最大為1.4mm，垂向最大位移為0.79mm，小于標準值，安全
三、abaqus計算
此模型在使用abaqus進行計算時首先使用hypermesh進行網格劃分。由于對稱結果，采取1/2建模。模型（局部）如下：
對其進行分析。由于大量的板殼結構，需要進行復雜的幾何處理，并定義不同的截面屬性，整個分析大約一周。結果如下
由上可以看出，最大變形位移1.8mm。
展開 V型彈簧由橡膠超彈性材料構成，具有高度的材料非線性，在工作載荷作用下變形很大，應用小變形線性理論分析無法求解。目前應用的經驗公式誤差較大，已失去了實用意義。為確定產品結構，進行設計時，通常是先出實驗樣機，然后進行樣品三向剛度實驗，根據樣品實驗的結果，對產品結構進行修改，反復循環設計修改一樣品實驗，直到設計能滿足產品所需技術要求。
ABAQUS軟件具有強大的非線性分析功能，是橡膠材料有限元分析的標準軟件，提供了豐富的橡膠材料本構，同時還可以考慮橡膠材料的粘彈性和應力軟化等材料行為。同時，利用借助ABAQUS優化設計功能，可以對影響三向剛度因素進行參數化處理。
空氣彈非線性有限元分析簧的
對空氣彈簧的有限元分析比較復雜，因為涉及了有限元力學分析中的各類非線性問題，具有強烈非線性行為的橡膠材料，彈簧的大變形等，并要對空氣彈簧中的氣體進行適當的模擬，這樣才可能得到有價值的結果。Abaqus提供相關的氣體單元可以使膠囊中的氣體進行模擬分析。
車體分析
車體是容納運輸對象的裝置，在整個車輛的自重中，車體所占的比例最大。在當前車輛輕量化、高速化的趨勢中，也是所受影響最大的機車部分。采用新材料，新工藝對車體實施輕量化后必須對其強度剛度進行評估，以使其在減重的同時還可以保持同樣或更高的強度。
同時，車輛減重后不可避免地會帶來結構振動,噪聲增加等問題,此時就要關注車體動態特性,要對車體進行模態分析。
利用ABAQUS的非線性求解器，可以對工作中存在大變形以及接觸問題的強度剛度問題進行快速準確的計算。同時，對于象車體這樣的復雜的大規模模型，ABAQUS還提供了子模型分析功能。在進行了總體分析以后，可以把自己敢興趣的區域進行網格的細化，將總體模型中得到的載荷以及邊界條件加到子模型中，進行進一步的分析。
ABAQUS中的Lanczos求解器可以快速準確的進行特征值的提取。
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2.3 車體結構靜態分析計算對比
車體結構的靜態分析工況下，約束車體兩側第5平衡軸支座6個方向的自由度，在車體兩側第一平衡軸支座處添加方向垂直向上，大小為10 000 N的力。
本文以軌道客車車體模態分析為例，演示iSolver的分析流程，并將iSolver和Abaqus計算結果進行對比。
2.案例背景
振動模態是彈性結構固有的整體特性。通過對軌道客車車體進行模態分析，可以得到車體固有頻率和相應的振型，避免車體的共振（尤其是車體與轉向架之間）引發災難性的后果。
計算結果與試驗結果的比較
在整車正碰中通過考察前圍板侵入量、前縱梁變形模式以及 B 柱的加速度等特性來分析車體結構特征。整車側 碰工況中通常考察 B 柱內板侵入量、門內板關鍵部位侵入量、門外板變形模式以及 B 柱的速度特性等來分析車體結 構特征。
一、模型和場景介紹
中車集團的主要產品為軌道車輛產品。對于某特殊地鐵車輛，需要定義一個檢測工裝，工裝如圖所示（由于保密問題對模型進行了處理）
對于該工裝，最主要的關注點是變形問題，要求變形不得超過1mm/m，總變形不得超過3mm。
由圖可以看出，該工裝屬于復雜的板殼類結構，處理起來非常復雜。
二、使用meshfree進行變形分析
將模型導入meshfree。由于
本文通過建立仿真模型，對某車輛車體生產線進行分析，確定目前生產線存在的問題和瓶頸，對工序瓶頸工位進行分析、改善和平衡，定量提出解決的關鍵措施，改善結果達到企業提高產能的目標，這對現有裝配線優化、解決現有問題，以及規劃新生產線有重要的指導意義
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根據公司前期軌道車輛車體設計和仿真分析的經驗，我公司建立了適合高速軌道車輛車體仿真分析的CAE技術平臺，制定了科學的仿真分析流程，可以同時進行車體分析和流固耦合分析。
車體分析
車體是容納運輸對象的裝置，在整個車輛的自重中，車體所占的比例最大。在當前車輛輕量化、高速化的趨勢中，也是所受影響最大的機車部分。采用新材料，新工藝對車體實施輕量化后必須對其強度剛度進行評估，以使其在減重的同時還可以保持同樣或更高的強度。
同時，車輛減重后不可避免地會帶來結構振動,噪聲增加等問題,此時就要關注車體動態特性,要對車體進行模態分析。
參考文獻
[1] 吳濤等，“基于路譜頻域的車身疲勞分析”，計算機輔助工程，第21卷 第2期，2012年4月；
[2] 康晨辰，聶宏，“飛機尾翼聲振疲勞疲勞壽命分析”，學科分類號：082501， 論文編號：1028701 16-S155；
[3] 樸明偉，方吉，“基于剛柔耦合仿真的集裝箱車體振動疲勞分析”中圖分類號：U270 U272。
現在 ,車輛設計者借助于電子計算機進行有限元計算方法(如ANSYS軟件) ,來分析車體的受力、變形以及應力分布情況 ,充分地利用了材料的高抗拉強度 ,設計出薄壁筒型和板梁結構的車體。車體鋼結構主要由側墻、底架、車頂、外端等部件構成。
不銹鋼車體結構受力部件主要使用不同強度等級 SUS301L 不銹鋼 ,此外在底架等關鍵部位還采用了少量的高強度耐候鋼、低合金結構鋼和鋁合金等材料。
SAMCEF在車輛仿真方面，一方面，在車體結構分析方面，可利用其提供的線性/非線性求解器完成車身材料分析，結構強度以及振動分析；另一方面，在發動機仿真方面，可利用其專業的轉子動力學解決方案完成發動機曲軸的分析，此外，其提供的Mecano非線性求解器，又可以完成車輛在特定任務運動過程中的動力學分析。
鏈接是samcef mecano在汽車發動機方面的應用的一些視頻與資料。
