（光学工程专业论文）大客车骨架结构静动态特性分析.pdf

文连理，大学疆士学位论文 摘要 车身是客举的基体和主熏承载部件，其结构性能的好坏直接关系到车身的寿命和整 车性能。大力发展我函客车工业的关键就在于发簏车身技术。将有限滗技术藏餍予客车 车隽妻勺结捣分掇，提出改进戆见，使结均能够满足强度釉网4 度要求，已经成为车身设计 的重要组成部分。随蒲计算机及其技术的发展，备种大溅有限煎软件，如鲇姻y s 、 n a s t r a n 、p a r t r a n 等绞纷推窭，蠢羧元鼓本广泛竣痤霸予车身终擒豹静动态特蛙 分析和模态分析等领域。实践证明，利用有限元法对客车车身骨架结构进行分析悬有效 的，可避行静动态分析，并对结构酾承载特往释强动特往遴行译价，充分认镶箕强度帮 爨有摄裂，了聪车身掰能会祷的应力和变彤情况。有限无法在汽车领域的应用已经最示 出其优点，与传统的设计方法不同，它不需要先镣0 造样牟，是一种高散低耗的分析方 法，霉稻子汽攀熬没诗、毒l 逑羁改避过程巾戆缝构i 美度灼分攒。 本文作者以某型豳产客车为例，在二维工程图纸的基础上，首先利用a n s y s 软件 建立7 全车青繁结梅耱冗簿模鳌。然后茅l 蹭粱擎毙，蘩应7 洪疆度量 箨豹骞辍元模罄莠 邀行了嫩化。襁有限冗模型的建立过程中，不但考虑了边界条件的处理与简化，述考虑 了骨架结构以及作用在其上的载荷的处理方法。结合客牟在实际运彳亍中出现的圈种典登 王况，麴壹线匀速行驶，爨耀裹低不乎感现单轮瓣闯悬空，紧急毒动及急遮转弯等工 况，详尽地进行了车身骨架结构的强度计算。然后计算了客车骨架的自由掇动模态，研 究了如何使焉a n s y s 软件游行窖警车身绻梅豹搂态分掇，获褥了率茏裁霜：蓐蘩搴及秘 应的振泌；计算结果寝明，文中建立的有限元模激是合理的，分析是芷确的，所得结果 可直接厢于指导客军设计的改进和性能评价。 关键滴：车身骨架；宥隰元；言构分拼；a n s y $ 大客车骨架结构静动态特性分析 t h e s t a t i c & d y n a m i ca n a l y s i so f t h eb u ss k e l e t o n a b s t r a c t t h ef i - a m 必, v o r ko f b u s b o d y i st h em a i na n dt h eb a s e p a r t s t ob e a rt h e w e i g h t t h es | a 端瓣r e s c a p a b i l i t y i sd i r e c t l yr e l a t e dt oi t sn a t t l 地l i f ea n dt h e p e r f o r m a n c e o f t h e b u s d e v e l o p p i n g b u s b o d yt e c h n i q u e i st h e k e y t od e v e l o po u r c o u n t r y sb u si n d u s t r y a p p l y i n g t h ef i n i t ee l e m e n t t e c h n i q u et 。a n a l y z e t h e s t r u c t u r e p u tf o r w a r d b e t t e ro p i n i o n st os a t i s f i e dt h e b o d y sr e q u e s t s i n s t i f f n e s s a n d s t r e n g t h , b e c o m e t h e m a i n p a r t i n b o d y d e s i g n i n g a l o n g w i t h t h e t e c h n i c a l d e v e l o p m e n t 撼c o m p u t e r , l a r g e s o f t w a r es u c ha sa n s y s ，n a s 豫a n ，p a r t r a na n ds oo n a r e d e v e l o p e d n o w , t h e f e m c 8 n b e a p p l i e d i n t h es t 8 d 州蝴越嫡ca n a l y s i s , a l s o t h e m o d e a n a l y s i s o f b o d ys t r u c t u r e i t h a s b e e n p r o v e d t h a t u s i n g f e a i n b u s b o d y a n a n l y s i s i s e f f i c i e n t , t h es t a t i c & d y n a m i c a n a l y s i s c a n b e p r o c e e d e d , t h e b e a t i n g c a p a b i l i t y a n d v i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c c a r lb ee v a l u a t e d , t h es t i f f i l e s s s t r e n g t ha n d 矗幽曝燃c ev i b r a t i o nm o d e l g a sb e r e c o 辨i z e d w e c a n a l s o k n o w t h e p o s s i b i es t r e s s a n d d i s t o r t i o n o f t h e b u s b o d y 曩1 嚣f e m h a s s h o w n i t s a d v a n t a g e s i n t h ea p p l i c a t i o n i n a u t o i n d u s t r i e s u n l i k e t h e t m d i 矗o n a l d e s i g n m e t h o d w h i c h d e p e n d s 0 1 1 m a n u f a e t t t r i n gr e a l v e h i c i e , t h e 蒯i s a k i n d o f v e r y h i g h - e f f i c i e n t a n d c o s t - e f f e c t i v e m e a n s i th a sb e e nc a r r i e do ns t r u c t u r es t r e n g t ha n a l y s i si n t h ec o u r s eo f & s i g n i n g , 翔绷建鞋黥趣ga n d m a p m v m g i nt h et h e s i s ，t h ea u t h o rt a k ea b u sa sa l le x a m p l e , o nt h e b a s i so f t w o - d i m e n s i o n a l p r o j e c t d r a w i n g s t h ea u t h o rf i r s t l y e s t a b l i s h e da g e o m e t r y m o d e lo f t h e 舢s c a l eb u ss k e l e t o n 喇z i n g 忿瞒y s 羚yu s i n g b e a md 黜e n t , t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l f o rs a - e n 静8 a n a t y s i s w 蠢s s e t u p a n d s i m p l i f i e d t h e f e m m o d e l a l s o i n v o l v e s t r e a t m e n t s o f b o u n d a r y c o n d i t i o n s , s i m p l m e d t r e a t m e n t o f s o m e s k e l e t o n p a r t s a n d d e a l s w i t h t h e f i x e d w e i g h t a n d l o a d i n g t h a t i s p u t o n t h e s t r u c t u r e c o n s i d e r i n gf o u rt y p i c a lo p e r a t i o ns i t u a t i o n ，s u c ha s t h eb u s r t m n i n g w i t ht h eu n i f o r m v e l o c i t y ；, o n e o f t h e w h e e l s h a n g i n t h e 癌r w h e n t h e b u s r u n n 魄o n a n b i l e v e n r o a d ；龇蕊王s b r a k e ss u d d e n l ya n dt h eb u ss t e e r sq u i c k l y t h ec a l c u l a t i o no f s t r e n g t ho f b u s 酶c l y s s t r u c t u r e a r ee x p a t i a t e d t h e nt h er e s e a r c hc a l c u l a t e st h e f r e ev i b r a t i o nm o d e so f t h eb u ss k e l e t o n t h e c a l c u l a t i n g r e s u l t sp r o v e st h a tt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l e s t a b l i s h e di nt h et e x ti sr a t i o n a l ，t h e a n a l y s i s i s c o r r e c t , a n d t h e r e s u l t s c o u l d d i r e c t l y h e l p t oe v a l u a t e a n d i m p r o v e t h e d e s i g n o f t h e p a s s e n g e r c a r k e vw o r d s ：b u ss k e l e t o n ；f i n i t ee l e m e n t ；s t r u 咖r ea n a b 2 s l s ：a n s y s 珏一 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：辑日期：- d 业 大连理王失学颈七学捷论文 1 绪论 1 1 课题的研究背景、国内外现状 1 1 1 研究背景 汽车诞生一百多年来，葵按术经_ j 叠不断圭| 亟发矮，要l 瑗在蠢经藏为簇传统王篷帮燕晕萼 技于一身豹典型的机媳产品。而且随着经济和社会的发展，汽车日益成为重要的交通运 输工具。汽车工业在带动其谨各行备业的发展过程中，逐步显示出其作为莺强支柱产业 款 睾期。终灸公路客运主要工具的餐车，给人类社会带来了曩犬的方便霉玎经济效兹。 我豳的客车生产融有5 0 年以上的历史。解放初，汽车修酉己厂家利用国步 底盘改装 客车，s 0 年代螽蘩一汽建成没产，筏餮客车生产转薅饕l 羯一汽生产熬缛教瓣载货汽车 改装成备种城市客车、公路客车，实现了犬客车的批量生产，成为我闰客车发展中的第 一个重大转折时期；进入7 0 年代，随着：汽及熬他一麓汽车缴产厂家的投产，绘客车 发展提供了更好豹底盘条件，在城市客车、公路客车迅速发展的同时，团体客车的生产 逐步发展壮大，并形成了一定的批避生产能力，客车发展进入第二个麓大转折时期；进 入8 0 零钱，改革开放政策楚国琵缎济豹发震注入了生枫帮溪力，旅游韭豹兴起戈鞠髂 客车开辟了更为广阔的市场，各种旅游客车应运而生，客车生产技术水平有了新的飞 跃，跨上了一个新静台阶。秘蔚产赫不仅满是国内市场，并鼠嚣始遴军罾舔市场，我藿 客车制造业进入了一个蓬勃发展的历史时期，即客车发展的第三个熏大转折时期。 应该看到，在经济全球化迸程加快、客车制造市场竞争圈益激烈的今天，客率的毹 造技零越来越是邀。我薄弱客车豢l 逑监在淫接发震枫遏戆同时，也嚣炼差曩大约挑战。 一方面，市场经济的发展使供求关系发生了变化，已经由卖方市场逐渐向哭方市场转 交，这虢要求企韭不断开发耨产葫，满蹩客户瓣举霹需要；努方瑟，雷辩嚣秀豢磁豹 接轨，也向客车生产企业撮如了许多薪的课题。研制和生产结构合理、性目黩优越、质量 可靠、安全舒适的客车，成为各客车生产企业在市场竞争中取胜静蓑键。 惑之，企渡要在激烈熬枣场竞争中立予不败之地，溉必须要不凝保持产品创掰。 c a d c a m 技术是实现仓u 新的关键手段，而c a e ( c o m p u t e r a i d e d e n g i n e e r i n g ) 技术是 实瑗割耩设计瓣最羔黉菝拳穰障。c a e 楚疆有鼹元分裾技零炎基蹬，综台了逶遽发展 中的计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算机技术而形成的一 门综合陛、知识密集型学科，裙美的软佟称为c a e 软件。随着高僚能诗算梳系统豹发 震，c a e 软搏已成为工程燃实现工程剑裁和产黥刨薪的褥力勘手和荫效工典。在客车 3 ， 大客车骨架结构静动态特性分析 生产领域，利用c a e 软件，可以对设计方案或已有的设计快速进行性能和可靠性分 析，并可进行虚拟运行模拟，及早发现设计缺陷。这样就避免了以往必须利用样车作参 考的分析模式，还可以对多种方案进行评价，在提高设计质量的同时，降低研究开发成 本和缩短产品的开发周期。 1 1 2 客车车身骨架的结构特点 客车车身具有规则的厢式形状，大多有完整的骨架【1 1 。车身按承载型式可分为以下 三大类： ( 1 ) 非承载式车身 在客车发展初期，其车身通常由专业化车身厂生产，然后安装在现成的货车底盘车 架上。车身通过橡胶垫等柔性支撑与车架连接，因此载荷主要由车架承受，而车身只承 受很小的载荷。这是一种传统的客车结构形式。这种车身型式除了便于在同一形式的底 盘上安装不同的车身以外，还具有如下优点：1 ) 挠性橡胶垫可隔振、降噪；2 ) 装配工 艺简单：3 ) 便于各总成安装。因此现在仍有少数客车厂所采用。 但是这种车身也存在缺点：1 ) 车身不参与承载，车架需保留较大的强度，从而增 加了整车质量，不利于油耗的降低；2 ) 整车高度不易降低；3 ) 底盘大梁较为笨重。 ( 2 ) 半承载式车身 为了克服非承载式车身自重过大的缺点，同时仍然要保持车身的足够强度，可在现 成的客车专用底盘上将车架用若干悬臂梁加宽并与车身侧围刚性连接，使车身骨架也参 与承载【3 1 ，其结构特点是：车身底部与车架刚性相连，车身也承担一部分弯曲载荷和扭 转载荷。与非承载式车身相比，这种结构减轻了车架的重量，但仍未充分利用车身接体 结构的承载能力，属于过渡方式。我国的大多数客车都是属于这种承载型式。 ( 3 ) 承载式车身 为了使车身结构合理化，满足长途客运需要有较大行李仓的要求，有的客车制造厂 家采用了承载式车身结构，具体可以细分为两种形式： 有底架承载式：在底盘基础上焊铆侧围、顶围形成封闭式的车身结构，有三段大粱 式底盘，也有桁架结构的客车底盘。其结构特点为： 1 ) 结构由截面尺寸相近的薄壁矩形钢构成： 2 ) 承载式车身是封闭的空间结构具有较大的扭转刚度，一般较前两种车身结构型 式抗扭刚度提高2 3 倍； 3 ) 方便底盘厂系列化生产而客车厂进行个性化车身设计。 d 大连理1 。丈学硕士学位论文 整体承载式：车身的上下结构均由截丽相近的小梁段通过缀焊构成统一整体，不存 纛独立的底契。理论上翅累s 够设计基等强度数车身结构，就熊够搜攀身矮蕊减辍、强 度有保_ l 难。但魑该种车型对材料焊接工艺疆求较搿，一般客车厂不易旗备这种生产条 件，效滚予捂广使蘑。 1 ，1 3 客率车身骨架结构分析的意义 随麓国内释车市场的繁荣及高遽公路的发展。我国的客车拥有量越来越多，大力发 袋客车戏秀汽举工选发壤豹必然趋势。客车车身楚整车懿重要缀戍部分，摄案关姿糕统 计，客率车身的质量约占整牢质量的4 0 6 0 ，而车舟成本占整车成本的酉分比有的 已经超谶了5 0 。因诧，车鸯设计授术静先进写糟不仅彩响客车本身懿结稳性能，嚣置 述对客擎的节目降耗谢直接的影响。我国的客车工业同发达国窳相比仍然落后很多，归 根结底就是因为车身技术的相对落聪，车麝开发中存在着裙当多的关键技术随隧亟待研 究姆决。大力发展我溺熬客攀工业豹关键在于发矮车身技术。燕医戈如此，我国早在 “九五”期间就将车街开发技术列为重点攻关的课题之一。 客攀车身鬻粲是客车静童要承载都 牟，是整率懿蓦体，葵缝梅性缝熬好耀蛊羧关系 到车身的寿命和整车性能。车身骨架在结构上要满足客车总体布置的隳求；强度上鬻能 承受静载荷和运行中所受到的各种渤载荷；它还努须兵肖足够的弯荫辩渡和扭转靖度， 以使车：努嚣絮和装于其上的菇它总成及部件在客车运行躲多种正况下，不致产生过犬的 变形而损坏或破坏客牟正常的工作条件f 越。因此，如何刿断车身结构的合理健及静渤态 褥往豹线劣，并对车赛结梭设计避行爨纯，是一矮十癸蓬要熬芏馋。 客车车身可看作烙一种复杂的空间薄建杆件结构，从结构力学的观点来着，它是由 空闯曹絮、抗驽薄板、壳体鞠应力蒙疫等搦件穗成静空阉裔次越静定结掏戮。壹予结稳 上鲍震鼹，各抒件截灏形状务不相间，承受拉、压、弯曲、扭转等各种载荷，使车身骨 架的受力情况比较复杂，特别是对予我们陶内的客车丽富，道路行驶条侔更为严唆嘲。 篓客车程褰低起伏豹路上嚣驶嚣，憋个车舞蜃絮会反复鼗裂援转，产生成免擎桨强菠主 要问题的反复扭转应力。在这样的情况下。要想对车身骨架结构进行静动态强度分析， 难度之大可总黼知，掰经典力学方法不可髓褥要l 精确麓。特要l 楚在浚计裙麓，嚣天实测 数据，只能依鼯经验葶日类比设计，因而缺芝建立在力学分析基础上的幂； 学依据 5 1 。 车身的设计与制造是开发新擎墅最重瑟的缀成部分。由于爱各种条件的限帝，目前 我霞基零土远程沿蠲转统豹等工设计方法嬲连接妓弱设计与毒4 造过穗。在汽牟结构嬲设 计中，设计人员的重簧任务乏一是确定零部件的强度和刚度，保证零部件能够达到定 鹩使用时闻。蠡= l 于客攀车身楚复杂的空阂结梅，车身秘率桨又是客车串维稳謦彗受力馕况 5 ， 火客车骨架结构静动态特性分析 都 较复杂静舔 孛，嚣囊蚕少厂家获毙缀验或进嚣癸e e 设计，毽镣静蘩结稳强度过剩或 强度不足。强度过剩，带来结构的粗笨和材料的浪费；强度不足又会发生早期失效，甚 至酿成事故。一个合理的设计应该是使越在不正常的恶劣运行条件下偶尔出现故障，在 歪鬻条 孛下不发生严重失效。客车车隽零羹车黎懿分攒翔憨在手提褒葵承载戆力秘捩变形 能力、减轻其自身重量并节省材料。另外，就整车而离，当车架和率身重量降f 蕊之后， 自然会改善熬车的动力性和经济性等性熊，因此探讨率身和车架的分析方法是很肖实用 意义抟。 1 a 4 客车率势结擒分耩熬现状 目前，豳内对汽车结构件的设计与研究，已从生隳依靠经验设计发展到应用霄限元 法进行静强度计算和模态分析除段。实践证明，有隈元法是一种鸯澈的数值计冀方法， 葶l 角有疆嚣滚计算譬妥静缀掏整移荔；鼯藏力场，萄毅俸舞结捧设谤豹嚣始麓据或作必结 构改进设计的基础。采用肖限元法之后，能比较准确和迅速的计算出各种设计方案的结 果。因此，谢限元分析( f e a ，f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s ) 目前已成为汽车设计与研究中 静一令重要舔苓。 有限元稷序是有限芄分析的重要组成部分，随着有限元技术的撮广，各种分析软件 也随之被开发出来。大型的通用有限元糕序有a n s y s 、n a s t r a n 、a l g o r 等，它们 鲍特点是功熊强大，齄够遴妤较为精确始臻梅分柝，融经成为结梅分叛孛强有力露孽工 其，国内外研究者剥焉这魏程亭进行了多领域静戮究。 在汽车工业领域，有限元程序也得到了多方面的威用，并取得了丰富的研究成果。 夜限元技术的不断丰富和寇罄，使模型的规模从最初的几十、几百个简单的单元发展到 了翔今翡足万甚至是豆菇令攀元，分据i 重蒙遣耄蔽魏静静态虚力发震甍汽车鹣凌态螭 应、空气动力学计算、噪声、优化设计、汽车碰撞翱被动安全性的研究。应用大熬的有 限元软件，娥立汽车的有限元模型，进杼汽车的动静态分析，完成汽车的优化设计，已 经成为冬大汽车公霉营遮采耀懿一穗筝歉。 美国稻特汽车公司程7 0 年代就便麓n a s t r a n 软件，用板、粱单元进行率囊的有 限元静态分析，找出高应力区，并改进威力分布。日本五十菱汽擎徐司在8 0 年代来已 将c a e 应用至i 车身设计的器个阶段，从最初设计阶段的糖略模型垂设计中、屠期的细 纯模墼，分析静范国包括强度、嚣滢、振动、疲劳、疆撞及形状耧霪蠢豹往琵。遴入 9 0 年代有限元分析得n t 照为广泛的应用。美国道用汽车公司在通用有限元程序的基 础上自主_ 丌发了后处理程序，将发动机和道路激励载赫集成到数据库中，进行汽车对发 葫凝羁遴路激藏翁确应分孝螽秘改送，大大筵毯了分掇进程。羁本慰爨汽车公司翻建育疆 6 大连理l ：大学蘸学位论文 元分析仿真来带动整率性能的优化，其分析中使用的模挺已经包括悬架、发动机、轮胎 帮转囱捉魏。 2 0 世纪8 0 年代以来，网内汽车行业融开始将有限元应用于车架强度计髯。目前， 耐莆有隘元法进行箝汽车结梅分橱龟括禳多方嚣，大至l 车身、牟橥，小到汽车善零部 件，如车门、发动机涟杆、憋架横断稳定枰等都有人进行了分析和研究。 近几年来，国外的研究领域还进一步拓展到了利用宥限元法进行车身巍的声学设 诗。运_ i 霆车奏巍声模泰与整车摸态熬藕合，评绘浆员感受豹噪声并进行噪声控制。攥特 汽车公镯曾利用c a e 在其新车开发中提高n v h 性能，取得了嶷好的效果。目前，国内 乡 大鳘的客车厂家大多采嚣蠢隈元分褫较转送行客车车鑫豹结橡努辑，蒡致缮了事赛熬 研究成果吼 c a e 技术可以程提高产晶质蠢和建立舀主产品开发能力方面，隽汽车众盈提供棱 大帮助。 睾为c a e 行业第一太软 孛供应鼹的美潮a n s y s 公司研发的a n s y s 系列大型 通用有限元分析软件缀具有代表性。a n s y s 是最早通过i s 0 9 0 0 1 质擞认诞的设计分析 软件，黎金瑟静分辑萌蕤涉毅结稳、疫劳、热、滚薅、电磁场、建攘、钣金娥形等汽车 行业所需的各种分析仿真功能，产龋应用的深度、广度、解算结果的高精度及其图形界 黼的易学易用，已经使之成为汽窜产品开发必不掰少静袄律。 国鞲上，在广泛废用a n s y s 进行产酝开发的企业中，有限元分析已是设计链中必 颓的常规。a n s y s 裔限元分析软件有大濑的模型库，书富盼鼢柝功髓，分析结果舆有 缓寒熬霹靠蛙。鼗嬲强内氇囊不少壤掏和入虽在从事孳是结构方嚣熬职究王作，这些研 究工作錾本可以分为两类： ( 1 ) 壹按使用鬣夕 有琵元分轿软俸进行客车车骞脊隈元分析，麴遥周誓数学院汽 举交通垮工程系的巢凯年与成都客车厂合作，用a n s y s 软件对c d k l 0 5 和c d k 6 1 0 8 大客车骨架进行了分析计算，武汉遵工大学的何天明等用a d i n a 软件对s 赫西7 0 麟叠 客车进行车身强度分辑，上海交通大学豹蹶力强翻转中钦应用s u p e rs a p 9 l 慰n ，c 6 1 0 0 高级旅游客车车身结构的静幼力学性能进行了有限元分析等。 ( 2 ) a n s y s 是遽用静眷限元分辨歉俘，虽然萃嚣痒、材料瘁事塞，倦是著没考势 对客车难身结构的特点提出专门的分析模块，因此要利用其建立完全符合实际情况的客 车车身的有限元模型，并确定适当的边界条件仍然有糯当的难度。函诧有的错究入员藏 开始考虑在通用有限嚣分掇软 牛豹基础上进行二次玎发，加入适合客车车身结构分析的 专用模块。西安公路交通大学的陈涛等人，在通用的有限元分析软件v i z i c a d 的基础 7 ， 一奎查璺：量塑缝塑墼垫查楚堡熊堑 上，开发了在客车结构分析方蕊的前后处理专用程序。这类研究开发农一定愆义上弥 了大型通用软件针对憔不强的弱点，使客车结构分析的效率有定的提高。 1 2 课题的磅究态窑翔意义 1 2 1 课题研究内蜜 本课题来源于辽宁黄海汽车( 集团) 公司客牮制造公司，目的是研究该公司1 9 9 9 年生产茨d d 6 9 8 0 孛型城奉客牵车身夤絮懿转动态特洼瓣莲。该车长9 4 2 0 m m ，最嵩车 速1 1 5 k m h ，最大总质量1 1 3 5 0 k g ，采用纵梁式率架，半承载式车身结构，前置发动 机，两乘客f j 一个餮予祷辖乏籍，一个位予车身中部。 本文酋先介绍了有限元的概念、原理及分析的基本思路，说明了有限元法在事：魁结 构分析中的应用，然后以d d 6 9 8 0 型客车为具体分析对象，讨论了利用a n s y s 软件建 立客车车蹇骨架足 霉摸整鹣方法， ；走及翔箨将足舞模型转纯成霹供分掇诗算鲍枣鼹嚣模 型；并对分析中涉及到的梁单元作了详细的介绍。接着采用有限元软件a n s y s ，结食 客车在实际运行串胃能邂魂静多释典蕤工嚣，魏鸯线萄遮幸亍襞，籍瑟蔫绦不平鑫瑗肇轮 瞬间悬空，紧急制动及怠速转弩等工况，研究了相应载箭及边界约束条件施加的实现方 法，分析了车身结构强度、两目度。并在此基础上对整车车身进行了较全面的自由振动模 态分援，凝蜃檄摄有限元分柝熬结果对该客车鲮攀赛嚣絮进行谬髅，先车身缕麴设计的 改避提供了较准确可靠的理论依据。 本漾题器l 采焉静磷究方法： ( i ) 研究分析d d 6 9 8 0 客率的结构特点，利用a n s y s 的建模功能。在二绒工程图纸 的基础上，建立车身骨架的三维几何模型； ( 2 ) 形成商限元计算模溅：依撼大型鸯限元分橱软l 牛a n s y s 6 。1 ，根据客车车身骨 架的特点，确定单元类型，同时确定吏承及边界条件，滋意模型中各种支承、连接关系 与实际结构要裰符，形成诗冀糖爨熬骞限露模型。 ( 3 ) 确定需耍计算的各种工况，以及载荷如何选取和加载，选择有限元软件 a n s y s 6 1 作为分祈计算豹工鬃，上税进行试箅并潮断模羹静准确幢； ( 4 ) 修改计算模型：当结果与经验值绶实测馕相差过大时，说明误差较大，就斑 重新修改甚至更新模型。修改模型可阻从单元类型、节点与单元的划分和边界条件着 手；再次上壤邀 手试冀； ( 5 ) 进行正式计算及结隳整理，给出对研究对象结构设计方案的评估结论。 8 - 犬迤理j ：大学硕士学霞论文 1 2 2 课题意义 汽攀王监瘸予裹投本产攮，要设计塞髅能谯越、安全毒靠熬汽车，不利鼹诗冀糗辕 助设计分析是根本无法实现的 ”。我国汽筚工业采用c a d 技术，从无到有，已经有近 3 0 年豹历史。爆管大多数酶厂家已经采丽一定静c a d 技术应掰予车巍设诗，焱鬻燕静 a u t o c a d 等辅助设计软件，但是这些软件一般劳不具育结构分析的功能。由于客车结 构的日菔复杂化，采用原来的设计分析方式已不能满足需要，必须摄也更为有效的分析 方法。 另外，我豳的汽翠工业还有自融的特殊性：是引进国外设计，国产化生产；= 是 侨镧或改装设c t ，寄激独立开发设谤筋耨产晶缀少。瑟瑟态许多厂家在丈客车静设计、 制造和潋进过程中仍童要依靠和沿用传统的手工设计方法和设计理念，从而造成产品存 在缺陷崴结构设计的不合理，主要袭现在两个方蕊：一是局部率于丰率强度余煮较大，无法 及早判凝，造贼材料躯浪费；二是在车鳜实际使阕过程巾出现局部强度甭足闯题。所 以，产晶国产化或改装后，在使用过程中往往会出现强度、寿命、振动、噪声等方颟的 闻蘧。这些都绦我嚣客车产菇质量瓣提鸯带来困灌，氇造残了经用串鹃安全隐悫。由于 一系列辫观条件的限制，我豳客车制造厂家对有问题的区域往往采取局部加强的方法， 遨不但需要迸彳亍多次龛面盼懿车试验才髂确定箕肖效性，丽且会导致使车熏的不繇增 热；男乡 ，对一些结糖上的改进和优化，出于缺少一定的理论依据，往往褥不割很好的 实施 8 】d 在汽车缕梅设诗孛采曩蠢隈元法进嚣分摄，建近见十摹来发震怒瓷魏耨粒谤冀方法 和技术。有限元法的独特优点是能够解决结构形状和边界条件都非常任意的力学问题。 攀朔由于有限觉法所鬻求解酌闻舔计算禳模都磁较大，黼计算梳靛逮度和容爨寄戳，所 以造成肖艰元滋在使用上的魑限性。现在这些都不再是主要矛盾，只簧注意所建有限元 模型中各种支承、连接关系尽量与舞际结构相符，载荷和动态分析中的激励能反映支承 黪翡熹。载饕，特别楚动态裁薅豹变纯曲线戆精确获褥趺及在诗算枣妇嚣擞载，橙驶、 制动、转弯工况的载衔如何选取等问题，就可以得到满足精度簧求的有限元分析结果。 汽车结构盼静、动态分析静主要酲翡是鸯鞠车身戆应力分布黎变形状琵，嚣分辑模态及 潮有频率，则可以检验车身结构的食理性。 ， 随潜有限元技术的成熟和高速计算机的出现，各种通用稷序、专用程序的求解功能 郝缀齐全，羲蓐处理瞧缀方馒，汽车终搀中绝大郏分寰5 传甚至整车的毒碾元静、动态分 析和固有特性分析等都可应用这些通用程序或专用程序来分析计算。 9 大客车骨架结构静动态特性分析 现在，利用有限元法进行汽车结构的静、动态特性分析已经成为一种趋势。在西方 发达国家的汽车企业中，有限元分析已经成为其产品设计链中必须的常规。基于我国客 车工业的总体水平仍然落后的现实，在大客车的设计、制造和改进过程中，引入有限元 分析是必要而有意义的，有大量的工作需要去做。本文研究的客车车身静动态特性的有 限元分析方法，对客车行业车身结构的设计与优化具有一定的参考和借鉴价值，对相关 人员的研究工作提供了解决问题的思路。可以预见，在大客车的结构设计与分析评估 中，全面深入的利用有限元法已成为今后研究的重要环节和发展趋势。 1 3a n s y s 软件简介 有限元程序作为有限元研究的一个重要组成部分，是随着电子计算机的飞速发展而 迅速发展起来的。国际上早在2 0 世纪5 0 年代末、6 0 年代初就投入大量的人力和物力 开发具有强大功能的有限元分析程序。其中最为著名的是由美国国家宇航局( n a s a ) 在 1 9 6 5 年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的n a s t r a n 有限元分析系统。 该系统发展至今已有几十个版本，是耳前世界上规模最大、功能最强的有限元分析系 统。从那时起到现在，世界各地的研究机构和大学也发展了一批规模较小但使用灵活、 价格较低的专用或通用有限元分析软件，主要有德国的a s i ( a 、英国的p a f e c 、法国的 s y s t u s 、美国的a b q u s 、a d i n a 、a n s y s 、b o s o r 、c o s 矾0 s 、e l a s 、m a r c 和s t a r d y n e 等公 司的产品。 美国的j o h ns w a n s o n 博士于1 9 7 0 年创建的a n s y s 公司开发的a n s y s 软件是融结 构、热、流体、电磁、声场和耦合场分析于一体的c a e 通用有限元分析软件，应用领域 十分广泛。该软件开发初期是为了应用于电力工业，现在已广泛应用于机械、航空航 天、土木工程、电子、交通运输、教学科研等众多领域，s & 够满足各行业有限元分析的 需要，a n s y s 是这些领域进行国际国内分析设计技术交流的主要分析平台唧。该软件可 在大多数计算机及操作系统( 如w i n d o w s 、u n i x ) 中运行。a n s y s 文件在其所有的产品系 列和工作平台上均兼容。3 0 多年来，a n s y s 公司一直致力予分析设计软件的开发，不断 吸取世界最新的计算方法和计算机技术，领导着有限元界的发展趋势。目前的最新版本 为a n s y s8 1 ，新版本的功能更加强大，使用更加便利。 13 1a n s y s 的组成及圭要技术特点 a n s y s 作为一个功能强大、应用广泛的有限元分析软件，主要包括三个部分：前处 理模块、分析计算模块和后处理模块1 9 l 。 1 0 大连理j 丈学硬士学霞论文 ( 1 ) 前处理模块：提供了强大的实体建模及网格划分工舆，用户可l 奠方便地构造 蠢戛元搂型。软 串还提供了1 0 0 摹孛以上熬单元类挺，援寐模拟工程中熬冬转结擒翻窖才 料。 ( 2 ) 分耩计算模袋：可避孬餐播结秘分辑( 线毪分析、 爹线蛙分轿霸离度 莓线经 分析) 在内的多种分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析 能力； ( 3 ) 嚣处理模块：包援邋尾露处理模块和时闰历穗后处理模块。 通用后处理模块可以很容易获得求解过程的计算结果并对其进行显示，这些结果包 摇谴移、应力帮瘟交簿。将计算结莱麸续栗文馋中读入垂l 数据疼爱，裁霹班暹过鬟缮显 示或数据列表米观察和查询模型在某一特定时刻( 或某载荷步、频率) 的计算结果， 从而对模型结泶迸行分析。 计髯结果以图形方式显示是一葶孛十分有效的袋示方法，更为直观形象。从图形上， 用户可以非常迅速地了解到所观察的结果数据在蹩个模篷上的分布变化。如梯度线闺和 缡梅交形酉就可疆分蒡g 显示诗篓结果数变纯婧嚣釉结擒在荣载作弱下熬交影媾况。 列袋显示w 以详细给出所要分析数据项的具体数值，是计算结果的准确表示方式。 所有节点解数据、单冗解数据、反律用力数据、攀元表数据及其它数据瓣胃舞表嚣示。 对婀历程詹处理模块用予检查在一个时间段戏子步历程中的结果，可以了解模型中 特定点计算结采随时间( 荷虢步) 变化情况，如节点位移、应力或支菠力。将节点鲁出 发解、犟元勰、复据髑力瑟、闯骧力数据粒求麟数据定义残交基，还蘑以键到时阉历程 曲线或数据列寝。 磷s ￥s 瓣蘩零功鼹( 与汽车结梭分轿裙关懿) 奄撂缩构静力学分耨、结构凌力学分 析和结构非线性分析等： ( 1 ) 结构静力学分析：用来求解矫载荷引起的位移、应力和力。静态分析适含求 鳃蠼性j 弱阻愿对结构影响菇不显蓑豹阅鼷。a n s y s 程序审的静力分折不仅可以进纷线性 分析，而且可以进行非线性分析，如塑性、蠕交、大应变、大变形殿接触分析。 ( 2 ) 结搦动力学分辑；结穆动力学瑙来隶鳞隧辩闼交亿瓣载蔻瓣结稳域罄热鹣影 响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对腿尼和惯性的影 响。a n s y s 可迸行的绪构动力学分祈类型毽括：瓣闻动力学分析、搂态分析、谐波响应 分辑及髓孝几振动晌盛分扳。 一一 点查主塑：墨堕笪墼垫查蹩然坌堑 ( 3 ) 绥掏 # 线性分轿：结梅 线瞧导致结梅或帮 孛静响应楚羚载荷不藏滗铡变 化。a n s y s 程序可求解静态幂甜瞬间非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非 线性材料3 种。 ( 4 ) 秘办学势辑：蛾s ￥s 霉鞋分弦太鍪三缝柔俸避动。当运裁熬获暴影瞧怒主要 作用时，可使用动力学分析来分析复杂的物体在空间中的运动特能，并确定结构中由此 产生的应力、应变和变形。 a n s y s 懿烹要特点是紧躁诗算辊赣嫒佟发震敕最麟水平，功麓霉富，用户券疆发 好，前后楚懋和图形功髓究器，并且使鞠离效的有蔽惩系统。它搠肖丰富的、完蒋的单 元库，材料模烈库和求解器，能够解决很多实际问题。归纳其技术特点，主要表现在以 下几个方厦【9 】： ( 1 ) 数据统一：a n s y s 镬瘸统一豹数蠢疼来夺嵇旗鍪羧蕹瑟求媾结象，实糯藏詹 处理、分析求解及多场分析的数据统一。 ( 2 ) 强大的建模能力：h n s y s 具备墨维建模能力，依靠a n s y s 的图形用户界颇 ( g u i ，g r a p h i c a lu s e ri n t e r f 8 c e ) 裁霹建立冬秘炙杂粒建稼攘羹。 ( 3 ) 强大的加载求解能力：在a n s y s 中，包括位移、力、温魔在内的任何馘荷都 可以直接加裁在任意几何宓体或者有限既实体上，载梅可以是具体数值，也可以怒与时 阉或者坐标农关的任意蔹数。同对提供了数种求解嚣，爝户可以裉掇要求选择台遥的求 解器。 ( 4 ) 智能网格划分：a n s y s 具有智能网格划分功能，可根据模型的特点自动生成 育限元网格。 ( 5 ) 爨好懿鼗稼凌缝：秘弼矮s ￥s 豹僦设诗麓戆，楚户髫瓣确定最爨莰诗方 案；利用a n s y s 的拓手卜优化功能，用户w 以对模型进彳亍外形优纯，器求对材料的缳佳利 用。 ( 6 ) 强大豹嚣处瑾缝力；零i 用a n s ￥s 可戳获褥镁俺磐赢、单惩的数豢。这魏数撂 其有列表输粥、图形显示、动萄模攒等多种数据输出形式。诧外，酵润历程分耩功髭还 可以对载荷爨加进行分析计算。 ( 7 ) 提供与其链摇序的接口：a n s y s 提供了与多数c a d 软件( 如p r o e n g i n e e r 、 u n i g r a p h i c s 、i - d e a s 、a u t o c a d 、s o l i d w o r k s 等) 帮窍藤元努耩欲耱懿数蕹接鞠，可 实现数据共摩和交换。 ( 8 ) 良好的用户开发环境：a n s y s 开放式的结构使用户可以利用a p d l 、u i d l 和 u p f s 霹荬邀行= 次开发。褥瑙是a n s ￥s 羝统含毒载参数建设诗语蠢( a p d l ) ，獒寒参 1 2 大连理工大学硬士学经论文 数、数攀函数、宏( 予过程) 、判断分支及循环簿高级语言要素，最个瑗惩静程序流 穗控卷9 藩言， 爨适合避行有限元计算和高级的抗化分毒吁。 我i 鞫的汽车行业凭明确的载荷规范，汽车零部件的工况、工作载荷大小、类型不是 摄窝确，给汽攀零都传豹膏羧元分氍壤翔了霾难，瞧莛a n s y s 为汽誊潼提拱熊解决方案 允许将分析对苏扩大麓总成、系统、直至蹩车，从而绕过了零部件内部复杂的受力关系 这一难麓。在a n s y s 中，一个分析模登可叛进行多项分耄斥，如疲劳寿命计算、振动噪声 分扳、车辆碰攘历程0 真、减撞时隳员安全保护等多种结构 # 线性分丰厅。慰时可以进行 烂车舒适性、商速行驶性能和操纵稳定性研究。 1 3 。2 _ 蓦la x s y s 遂纷鸯畏元分耩熬过程 结构分析跫有限咒分析方法最常用的个应用领域，绝大多数a n s y s 单元类型都 可用于结构分析。有限元法的分析过程菲常程式化，整个分祈过程筠珂密计算梳安驻， 它的一般过程怒； ( 1 ) 明确分析对象和分析目的：有限元分析必须明确分析的对象和分析日的，必 绥掇往燕要矛藩，数遮至嚣舞分辑嚣戆。一个分辑对象骞多令势辑嚣数黠，莓轶分藏几 个计算进行； ( 2 ) 确慰摸鍪! 纯方案：在建立模鍪l 之前，鬻要依牒努袄对象帮分辨嚣豹，确定建 模方案，并对实际魁题做出合理的简化，选择合适的攀元类型，确定单元大小和数量， 建立几何和计算模型。还要对计算费用( c p u 时间) 和计算结果的精度进行平衡考虑： ( 3 ) 确定载萤及速爨袈箨：载薅及迭暴条传戆确定是谤冀攫蛩浆一令灌要部分， 而且是技术上比较难的工作，可能影响计算结果的成败。必颓把握的原则熄计算模型的 力移i 盔器条彳孛簧符合分析对象静工作条 牛，当不霹蕤鞠旃簿建议襞爰实验、诗冀稳互结 合约方法加以确定： ( 4 ) 在a n s y s 中建模、加载、计算求解：选择合理的求解方法进行求解： ( 5 ) 缝聚处理秘分叛势撰写分辑摄告。 进行结构有限元分析时应注意的问题： ( 1 ) 誊才稀特缝瀚处毽：= 莛登靛糖辩特缝惫捂弹性撰囊、密度窝潞蹬魄等。在分爨 过程中应注意材料特性即单元特性及其本构关系； ( 2 ) 载衍特性的处理：针对不同的结构特性，对其载葡氍结输特点送行分桥，找 到其麦装豹影蛹嚣素，才g 想到正确豹分板结暴； ( 3 ) 边界条件的处理：根据不同的结构，弓f 入特定的约束和载荷条件，分析求 鳞。 1 3v 一一盔查圭量墨丝塑墼垫查壁些坌堑 a n s y s 的典型分析过程由前处理、求解计算和后处理三个部分组成。 ( 1 ) 前处理： 首先需要定义工作文件名并设置分析模块，然后进行必要的定义，包括定义单元类 型和选项、定义实常数和材料屙陛( 弹性模量、泊松比) 等；接着就可以建立分析几何 模型，定义横截面类型和单元坐标系，对模型进行网格划分，形成有限元单元、节点， 得到有限元分析模型，然后施加荷载及约束； ( 2 ) 求解计算： a n s y s 的求解就是解方程。通过各类求解器，求解由有限元方法建立的联立方程 组，其结果是得到节点的自由度解，并进一步得到单元解。用户可以选择求解类型并进 行求解选项设定。 ( 3 ) 后处理： 后处理指的是检查a n s y s 的计算分析结果，从某种意义上讲，可能是整个分析过 程中最重要的一个环节。通过后处理，可以读入原有的数据文件和恢复其他数据项，也 可以通过后处理器，以多种方式显示分析结果，这有助于用户查看所加载荷在所建模型 上产生的影响。 a n s y s 向用户提供了两种后处理工具查看计算结果，通用后处理器p o s t l 和时间 历程后处理器p o s 2 2 6 。 前者用来查看模型在某特定时刻( 或某一载荷步、频率) 的结果，如轮廓线显 示、变形形状，以及分析结果的列表。p o s t l 还提供了其它的功能，如误差估计