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CATIA是一款強(qiáng)大的三維建模軟件，在飛機(jī)和汽車行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。隨著有限元分析在機(jī)械設(shè)計中的作用越來越重要，CATIA有限元分析模塊也獲得了較快的發(fā)展，其有限元分析模塊完全可以滿足一般機(jī)械設(shè)計有限元分析的要求。運(yùn)用CATTA可以將三維設(shè)計和有限元分析同步完成，避免了不同軟件之間的相互轉(zhuǎn)換，方便了操作。隨著市場對LNG車輛需求的增加，對整車氣瓶的安裝位置和氣瓶支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了要求。本文采用CATIA軟件對一中型客車氣瓶支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行靜強(qiáng)度CAE仿真分析。
氣瓶安裝在整車中部車架右側(cè)位置。初步設(shè)計使用兩套氣瓶支架固定于車架縱梁上，氣瓶安放于兩套支架上面。
支架和車架縱梁之間使用螺栓固定，緊固后基本沒有相對運(yùn)動。為了方便分析，減少計算量，在應(yīng)用CATIA進(jìn)行有限元靜應(yīng)力分析時，使用“扣緊連接特(Fastened Connection Property)模擬氣瓶支架的連接特性。在“扣緊連接特”添加前需要建立結(jié)合而之間的“通用連接(General Analysis Connector)”作為“扣緊連接特”的添加承載基礎(chǔ)。
氣瓶支架采用四而體實體單元進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。氣瓶在加滿燃?xì)夂罂傎|(zhì)量約為405 kg。根據(jù)工程經(jīng)驗，采用1.5倍的安全系數(shù)，即對氣瓶質(zhì)量進(jìn)行1.5倍放大處理。在兩套支架上采用均布力來模擬氣瓶重力對支架的作用。
從靜強(qiáng)度分析結(jié)果可知，支架的最大應(yīng)力為267.2MPa，已經(jīng)大于材料屈服極限245 MPa；支架的最大位移為11.28 mm。該位移過大會造成氣瓶歪斜，影響氣瓶的正常使用。根據(jù)仿真結(jié)果可以確定，該初步設(shè)計方案不能滿足使用要求。
為了減少支架的最大應(yīng)力和變形位移，在支架與車架縱梁之間添加支撐，同時將兩個支架通過連接支架連接在一起，最后使用連接支架將氣瓶支架與車身側(cè)圍相連在一起。這樣整個支架的支撐點就有縱梁和車身側(cè)圍前后三處。
由分析結(jié)果可得，最大應(yīng)力為87.43 MPa，遠(yuǎn)小于材料屈服極限245 MPa；最大位移為2.33 mm。該位移對氣瓶平衡性基本不會產(chǎn)生影響。由此可知，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。為了進(jìn)一步分析改進(jìn)后的支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能否滿足使用要求，在整車振動、制動和轉(zhuǎn)向三種極限工況下對其進(jìn)行有限元分析。在X，Y，Z三個方向分別加載加速度場來模擬振動、制動和轉(zhuǎn)向三種工況。
由分析結(jié)果可知，三種工況下的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于245 MPa，最大位移沒有超過3 mm。改進(jìn)后的懸置支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度完全可以滿足振動、制動和轉(zhuǎn)向三種極限工況的使用要求。
本文介紹了使用CATIA軟件進(jìn)行中型客車氣瓶支架結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析的一般過程。使用CATIA軟件可以將結(jié)構(gòu)的三維設(shè)計和有限元分析有效地結(jié)合在一起，做到設(shè)計和分析同步，并且設(shè)計、分析在同一個軟件中進(jìn)行，可以避免因為模型文件的轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的誤差和工作時間的損失。同時也降低了產(chǎn)品設(shè)計的盲目性，為產(chǎn)品的開發(fā)提供了理論依據(jù)，節(jié)約了成本，縮短了開發(fā)周期。
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