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該客車(chē)車(chē)架采用三段式結構，即分為前駕駛區域、中部乘客聚集區域以及后部發(fā)動(dòng)機區域，如圖1所示。車(chē)身骨架主要由異型鋼管焊接而成。在設計之初，試驗樣車(chē)尚未定型，整體結構是否滿(mǎn)足強度要求無(wú)法掌握，因此，有必要借助有限元通過(guò)仿真CAE分析四種典型工況下的車(chē)身骨架和車(chē)架的強度，找出應力集中的區域，優(yōu)化結構設計，降低結構應力，以達到強度要求。同時(shí)可以大大減少研發(fā)成本，提高設計效率。
整個(gè)客車(chē)骨架模型用殼單元劃分網(wǎng)格，單元基本尺寸為10m左右，整個(gè)骨架共劃分722232個(gè)單元，751928個(gè)節點(diǎn)，其中四邊形單元717767個(gè)，三角形單元4465個(gè)，建模過(guò)程中將整體骨架劃分為7個(gè)模塊：前圍、后圍、左側圍、右側圍、車(chē)內扶手、頂棚和車(chē)架，如圖所示。通過(guò)模塊的劃分，一方面可以增加協(xié)作性，項目組每個(gè)成員劃分一個(gè)部分的網(wǎng)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(gè)劃分的總成里而獨立檢查模型，然后整體檢查模型的連接。
有限元模型中，縫焊的模擬主要采用兩種方式：一種是節點(diǎn)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?jiǎn)卧诳p焊位置連接相應的單元節點(diǎn)，這種連接方式不必要求節點(diǎn)嚴格對齊，可大大提高效率。本文主要采用共用節點(diǎn)的方式，對于部分接頭共用節點(diǎn)比較困難的則采用剛性連接。完整的有限元模型如圖所示。
主要分析四種典型工況下的強度，通過(guò)約束懸架四個(gè)板簧中心點(diǎn)位置(見(jiàn)圖)來(lái)組合模擬各種工況。表1描述了四種工況，其中g(shù)表示重力加速度，約束的數字表明該位置的自由度方向，"1，2，3”分別表示X，Y，Z三個(gè)自由度方向，“一”表示該位置無(wú)載荷或者無(wú)約束。
分別根據以上四種工況的載荷與邊界條件，提交Nastran分析，根據強度分析結果，找到整體結構中主要的應力集中區域。應力集中主要出現在以下區域。
1)左、右側圍后立柱處。如圖5所示，在極限工況下，接頭位置最大應力超過(guò)300 MPa，而材料的屈服應力為240 MPa。其他工況中，應力也較大，此處設計存在較大風(fēng)險。
2)右側圍中門(mén)立柱連接處。中門(mén)位置由兩個(gè)立柱通過(guò)短梁搭接到車(chē)架上。經(jīng)過(guò)四種工況分析，發(fā)現在彎曲、極限和轉彎工況下，門(mén)立柱連接位置均出現應力集中，最大應力均超過(guò)了300 MPa。如圖6所示，可見(jiàn)接頭處明顯出現應力集中。
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(guò)了300MPa，超過(guò)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。圖7是該位置的應力結果，可見(jiàn)連接位置的應力集中比較明顯。
4)車(chē)架后端，發(fā)動(dòng)機安裝縱梁搭接處。發(fā)動(dòng)機安裝在三段式車(chē)架的后端，整個(gè)自重完全由兩個(gè)縱梁來(lái)承擔，因此，承載梁的連接處應力較大。
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