張遠(yuǎn)+鄧偉偉

【摘要】淺談客車限元法CAE技術(shù)的分析方法與試驗(yàn)方法，以及現(xiàn)階段其在國內(nèi)的發(fā)展情況，其目的在于拋磚引玉，激起各位同行的探討話題，以至使CAE技術(shù)在客車行業(yè)能夠得到更好的運(yùn)用。

【關(guān)鍵詞】客車 CAE技術(shù) 有限元 分析 試驗(yàn)

客車CAE技術(shù)，首先需要介紹有限元法CAE技術(shù)的概念，分析方法以及試驗(yàn)方法等。其目的是讓大家對(duì)CAE技術(shù)有個(gè)初步的了解，然后循序漸進(jìn)、逐步深入。

有限元法是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展而發(fā)展起來的，用于各種結(jié)構(gòu)分析的數(shù)值計(jì)算方法。起源于上世紀(jì)六七十年代，到目前已發(fā)展的相當(dāng)成熟，逐漸成為支持工程技術(shù)人員進(jìn)行進(jìn)行創(chuàng)新研究和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要工具和手段，其主要是運(yùn)用離散概念，把連續(xù)體劃分為有限個(gè)單元的集合體，通過單元分析和組合，并模擬考慮邊界條件和載荷，而得到一組方程組，求解此方程組后獲得相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)的一種新興技術(shù)，是集數(shù)學(xué)、力學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與電工、電子、檢測(cè)技術(shù)等各個(gè)學(xué)科于一體的高新技術(shù)。

現(xiàn)代客車車身底盤結(jié)構(gòu)分析的方法包括數(shù)值模擬法與實(shí)驗(yàn)分析法。數(shù)值模擬分析法主要是運(yùn)用有限元CAE技術(shù)。這種方法是依據(jù)實(shí)物、技術(shù)資料等建立車身底盤結(jié)構(gòu)的有限元模型，應(yīng)用通用或者專用有限元軟件，計(jì)算分析車身底盤結(jié)構(gòu)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)等特性指標(biāo)，獲得相應(yīng)剛度、強(qiáng)度、動(dòng)力性、可靠性、安全性以及N VH（噪音、振動(dòng)、和運(yùn)轉(zhuǎn)的平順性等）等性能的關(guān)鍵指標(biāo)。而實(shí)驗(yàn)分析法主要是電測(cè)法，應(yīng)用傳感器、測(cè)量儀、濾波器、轉(zhuǎn)換器、分析儀等，對(duì)車身實(shí)物零部件或小比例縮放模型進(jìn)行支撐、加載和測(cè)試。

數(shù)值模擬分析法可以在車身底盤結(jié)構(gòu)開發(fā)初期就預(yù)測(cè)和優(yōu)化車身底盤結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)，從而在產(chǎn)品生產(chǎn)或試制之前，就能避免相關(guān)設(shè)計(jì)缺陷，提高產(chǎn)品的性能，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。其精度取決于對(duì)有限元基本知識(shí)的理解，對(duì)數(shù)學(xué)、力學(xué)、機(jī)械、材料等學(xué)科的掌握程度和工程經(jīng)驗(yàn)。而實(shí)驗(yàn)分析法雖然沒有數(shù)值模擬分析法得到的數(shù)據(jù)充分，但它更直觀可信，是數(shù)值分析模型驗(yàn)證的主要手段，可見二者也是相輔相成的，所以現(xiàn)在C A E技術(shù)的概念又有所延伸?？蛙囓嚿碓囼?yàn)分析的成功與否，取決于對(duì)車身結(jié)構(gòu)、試驗(yàn)理論的掌握。

客車車身結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)內(nèi)容有：客車靜態(tài)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度試驗(yàn)；客車動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度試驗(yàn)；客車結(jié)構(gòu)的模態(tài)試驗(yàn)；動(dòng)力匹配試驗(yàn)；車身空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)；NVH試驗(yàn)；車身快速疲勞試驗(yàn)和碰撞試驗(yàn)等。但在目前，國內(nèi)做的較好的也僅限于客車的靜態(tài)強(qiáng)度、剛度試驗(yàn)；客車的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度、剛度試驗(yàn)以及模態(tài)試驗(yàn)這三類。而前兩類在客車的輕量化設(shè)計(jì)上，運(yùn)用的比較成功，后一類則在客車的減振降噪等方面運(yùn)用的較為廣泛。諸如動(dòng)力匹配實(shí)驗(yàn)，碰撞試驗(yàn)等，在國內(nèi)也僅僅是剛起步。

客車車身結(jié)構(gòu)靜態(tài)強(qiáng)度和剛度試驗(yàn)主要是研究車身結(jié)構(gòu)在靜載荷作用下的強(qiáng)度和剛度特性，包括應(yīng)力分布和主要?jiǎng)偠葏?shù)。客車車身結(jié)構(gòu)靜態(tài)強(qiáng)度和剛度試驗(yàn)規(guī)范現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟，其試驗(yàn)工況主要模擬客車在實(shí)際使用過程車身承受的彎曲和扭轉(zhuǎn)狀況，是車身結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)的基礎(chǔ)；車身結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)?zāi)康脑谟跍y(cè)定車身結(jié)構(gòu)在實(shí)際行使過程中所承受的最大動(dòng)應(yīng)力和應(yīng)變，其試驗(yàn)一般由道路試驗(yàn)來完成，包括鵝卵石路面、山區(qū)路面等典型路面。試驗(yàn)工程中也常常采用路障試驗(yàn)，路障試驗(yàn)方法也稱典型凸塊試驗(yàn)方法，這種方法可以簡單、快速、有效地測(cè)定車身結(jié)構(gòu)最大動(dòng)應(yīng)力和應(yīng)變；車身結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)主要測(cè)量車身結(jié)構(gòu)的固有頻率、固有振型和阻尼等車身結(jié)構(gòu)的固有特性，一般在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。在車身工程上，主要測(cè)定低介彈性模態(tài)，以避免客車車身在常規(guī)工作范圍內(nèi)產(chǎn)生共振和高噪聲。其試驗(yàn)方法涉及車身的支撐方法、激振方法、信號(hào)識(shí)別方法、信號(hào)采集和處理方法。

客車車身結(jié)構(gòu)靜態(tài)強(qiáng)度和剛度試驗(yàn)常常需要用到的傳感器和儀器有：電阻應(yīng)變片、靜態(tài)電阻應(yīng)變儀、預(yù)調(diào)平衡箱、力傳感器、位移傳感器、千分表以及高度尺等；車身結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和剛度試驗(yàn)傳感器和儀器有：電阻應(yīng)變片、動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀、示波器、磁帶機(jī)、實(shí)時(shí)信號(hào)采集和處理儀等；車身結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)傳感器和儀器有：加速度傳感器、電荷放大器、信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、激振器、阻抗頭、示波器、磁帶機(jī)、實(shí)時(shí)信號(hào)采集和處理儀等。

值得一提的是，現(xiàn)在的高速計(jì)算機(jī)和開發(fā)的專用軟件，在電測(cè)量和信號(hào)處理方面發(fā)揮了很大的作用，增加了數(shù)據(jù)處理和分析的參數(shù)選擇范圍，使動(dòng)應(yīng)力和加速信號(hào)處理的質(zhì)量和效率都顯著提高，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理變得簡便易行。

有了以上的介紹，大家現(xiàn)在大概對(duì)CAE技術(shù)有了一個(gè)初步的感性認(rèn)識(shí)，當(dāng)然，怎樣使CAE技術(shù)在企業(yè)里得到很好的運(yùn)用，怎樣去為公司創(chuàng)造效益，怎么去提升公司產(chǎn)品的品質(zhì)，試驗(yàn)怎么去做，試驗(yàn)儀器和設(shè)備如何選擇，又需要怎樣去處理分析結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些問題的解決才是CAE技術(shù)的關(guān)鍵所在。當(dāng)然，這里面有好多學(xué)問，有些我至今也沒搞明白，如果那位同行有高見，本人十分歡迎一起探討。

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