（车辆工程专业论文）城市公交大客车车身结构分析与优化研究.pdf

摘要 摘要 随着计算机技术的发展，c a e 技术广泛应用于汽车行业。客车车身骨架是 整车主要承载结构，基于有限元方法的客车车身c a e 越来越受到人们的关注， 国内外相关研究已经取得了相当大的成果。 本文在调研国内外相关研究的基础上，建立某城市公交大客车车身骨架有限 元模型，进行了梁单元与板单元两种模型静态刚度、强度对比分析，发现了车身 结构的薄弱区域，并与刚度实验结果进行了比较分析，验证了有限元模型的可信 性。 在车身骨架的模态分析基础上，进行了车身结构的低阶模态灵敏度分析，根 据计算结果，提出了结构改进意见，为优化分析后对梁截面尺寸调整提供了依据。 静态、模态分析结果表明客车车身骨架刚强度存在进一步优化的空间，为结构优 化提供了依据和参考。 梁结构优化是本文研究的另一个方面。汽车轻量化不仅可以节省材料，而且 有利于提高整车的动力性和经济性并减少排放。本文在进行车身骨架刚度、强度 和模态有限元分析基础上，并结合相关研究及工程实践经验，提出结构优化方案， 减轻车身重量。按照此方案，得到对骨架整体和型材骨架的两个优化结果，在车 身静态模态性能略有提升的前提下，车身骨架分别减轻3 2 5 k g 和2 2 3 k g 。 最后，总结了全文，并对今后研究方向进行了展望。 关键词：客车车身骨架有限元方法强度分析模态灵敏度分析结构优化 a b s t r a c t a b s t r a c t c a et e c h n o l o g yi s w i d e l ya p p l i e di n a u t o m o b i l ei n d u s t r y a l o n gw i t ht h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y f o rb u s b o d yf r a m ei s m a i nb e a r i n gp a r to f w h o l eb u ss t r u c t u r e ，b u s b o d yc a em e t h o d ，w h i c hi sb a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，c a t c h e sp e o p l e sa t t e n t i o nm o r e ，a n dt h e r eh a v eb e e ng r e a ta c h i e v e m e n t si n t h ed o m a i nd o m e s t i c a l l ya n do v e r s e a b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no ft h er e l a t e dd o m e s t i ca n do v e r s e a sr e s e a r c hi nt h e d o m a i n ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fb u s b o d yf r a m ei se s t a b l i s h e d ，a n ds t a t i ca n a l y s i s f o rb o t hb e a m e l e m e n ta n ds h e l l c l e m e n tm o d e l si se a r n e do n t h ew e a ka r e a so nt h e b u sf r a m ea r ef o u n d r e s u l t e sc o m p a r i s o nb e t w e e nt e s ta n da n a l y s i sv e r i f i e st h a tt h e f m i t em o d e li sc o o c ta n db e l i e v a b l e b a s e do nm o d a la n a l y s i s ，t h es e n s i t i v i t ya n a l y s i sa n da p p l i c a t i o no fl o w - o r d e r m o d a lp a r a m e t e rm o d i f i c a t i o na b o u ti n t e g r a lb u sb o d ya r es t u d i e d ，s o m ep r o p o s e sa r e p u tf o r w a r dm o d i f y i n gb o d ys t r u c t u r e ，a l s oc o n t r i b u t i n gt om o d i f i c a t i o no fd e s i g n v a r i a b l e s o p t i m i z a t i o no ft h eb u sf r a m es t r u c t u r ei sa n o t h e ra s p e c to f t h i sp a p e r b u s - b o d y f r a m el i g h t w e i g h ti sp r o p i t i o u st or e d u c ew h o l ev e h i c l ew e i g h t r e d u c t i o no fb o d y w e i g h tc a nn o to n l ys a v em a t e d a l s ，b u ta l s oi m p r o v ea c c e l e r a t i o np e r f o r m a n c ea n d f h e le c o n o m yo ft h ev e h i c l ea n dr e d u c ee n g i n ee m i s s i o n t h eo p t i m z a t i o ns c h e m ef o r b u sf r a m el i g h t w e i g h t , d i s c u s s e di nt h i sp a p e r , i sb a s e du p o nt h er e s u l t so fc a e a n a l y s i sa n ds t a t i ca n dd y n a m i ct e s t ，a n da l s ob a s e du p o ne x p e r i e n c eo fr e l a t e d r e s e a r c ha n de n g i n e e rp r a c t i c e ，a c c o r d i n gt ot h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t e sf o rb o t ht h e w h o l ef r a m em o d e la n dt h ef o r m e ds e c t i o nf l a m em o d e l ，3 2 5 k ga n d2 2 3 k go ft h e b u s b o d yf r a m ew e i g h t i sr e d u c e d ，b u ts t r e s sd i s t r i b u t i n gc h a n g eb e t t e ra n dt h e b u s b o d yf r a m es t i f f n e s sp e r f o r m a n c em e e t sr e q u i r e m e n t s f i n a l l y , t h i sp a p e ri ss u m m a r i z e da n dt h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e rs t u d i e sa r e d i s c u s s e d k e yw o r d s ：b u s - b o d yf r a m e ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d , s t i f f n e s sa n a l y s i s ，m o d a l s e n s i t i v i t ya n a l y s i s ，s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电予版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供西录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月目 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声窝：掰呈交的学位论文，是本大在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的虑容臻对本论文所涉及酶研究工俸做出贡献鳃其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 年月日 操：l 葭绪论一 1 1 引言 第1 章绪论 客车是现代社会中的主要交通工具之一，客车对发展国民经济和促进人民生 活水平提高发挥着重要作用。世界各主要客车生产厂无不应用最新科技成果潜心 致力于客车新产品的研制和开发，不断地向市场提供有竞争力的新型客车。各大 汽车公霭无不利用现代手段和方法缩短其换型开发周期，以求尽快、尽早地推爨 新产品抢占市场。我国客车工业的发展，走过了引进技术、合资生产及国产化工 作之路，曩前国家的产业政策己调整为积极鼓励各企业尽快形成童主开发能力， 企业也深感为适应国内外两个市场激烈竞争的需要，必须不断更新车型，开发自 己的品牌，方能设计制造出适应顾客个性需求的各种客车产品。这就需要企业掌 握客车现代设计与试验方法，有效地建立自己产品的特性资料库，迅速积累研发 经验，从而提高竞争力。 嚣前客车轻量佬已成为发展的趋势豁蝴1 ，国内也已取得部分研究成果，主要 是从结构和材料两个方面着手处理，其中，在对客车车身的结构优化当中，c a e 技术作为普遍使糟的客车设计开发方法，己经在国内外得到非常广泛和深入的应 用，门类齐全的各种c a e 软件共同提供了一个完成精益设计的工具平台。 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 自上世纪5 0 年代出现以来，在经过 2 0 多年的发展盾，理论上已比较成熟，并作为工程结构静动态强度分析的有效 工具而得以广泛应用。在主要的工业化国家，有限元法己普遍应用于汽车设计与 分析。实践证明，有限元法是一种有效的数值计算方法。利用有限元法计算得到 车身的应力分布、结构位移场和低阶振动频率可作为车身结构改进设计的基础。 在传统的产品开发过程中，汽车设计方案更改的可行性必须通过实车试验来检 验。因此，开发周期长，需要的费用多。如果使用经过精，t l , 建立的有限元模型， 可准确地模拟汽车各部分的受力和变形情况，从焉可在计算机上得到整车或零部 件的有关力学特性，并对其进行判断，直接对不符合设计要求部分进行修改或改 进。这样可大大减少得到的优化方案所需时间，对车身的再设计具有很强的指导 意义。 1 2 课题背景及意义 汽车俸老现代化社会大工遂的产物，在推动人类文臻向莉跃进并绘人类生活 第l r 章绪论 带来了便捷舒适的同时，对大自然生态环境的恶化也有着难以推卸的责任。据资 料显示，当今世界汽车保有量己超过8 亿辆，每年仍以5 的速度增加，每年汽 车的石油消耗量保持在近1 0 0 亿桶；同时每年向大气排放大约几亿吨的有害气体， 占大气污染物的6 0 以上，被认为大气污染的“头号杀手”。汽车工业迅速发 展带来了能源、环境等问题。1 。 随着人们对环境保护的r 益重视，以缓解石油资源紧缺所带来的能源危机， 节能环保技术越来越多为广大汽车公司所采用。汽车轻量化是汽车节能环保关键 技术之一，相关研究表明，客车、轿车和多数专用汽车车身的总质量约占整车自 身质量的4 0 6 0 ；货车车身质量约占整车质量的1 6 3 0 ；其各车型的车身 占制造成本的百分比甚至还超过以上给出的上限值。而提炼原材料、制造汽车 和使用汽车所消耗能源三者的比例为l o ：5 ：8 5 ，汽车自身质量每减l o o k g 可节 油0 2 l l o o k m 0 3 l 1 0 0 k m 心1 ，减轻汽车自身质量意味节约了能源和材料。各国和 相关的汽车公司投入大量资金和人力进行相关研究，研究涉及汽车材料、汽车设 计思想和汽车相关的材料成型技术，从而促进了相关汽车设计理念、制造工艺、 汽车零部件成型技术迅速发展，为汽车工业的发展带来一片新天地。 建国以来，我国汽车工业从无到有、由小到大有了很大的发展，2 0 0 2 年末， 我国民用汽车保有量已达2 0 0 5 3 1 7 万辆。“。2 0 0 4 年我国大型客车产量达到了2 6 2 万，其中大型客车为2 6 l 万辆，各型客车产量为1 2 3 9 5 万辆。长期以来车身设 计技术一直是我国汽车工业中的薄弱师节。国内客车普遍存在的问题是整车协调 性较差，一方面对减少构件、减薄材料和改变结构形式无法准确判断，从而造成 材料局部余量较大，出现材料浪费的情况；另一方面，设计中对出现局部强度不 足的地方往往采取局部加强的方法，这就使得车重越加越大。因此丌展客车车身 结构强度和刚度的计算工作，使其在满足结构强度和刚度的前提下，合理地进行 结构设计，以达到轻量化的目的，对车身优化设计具有重要意义。 本课题就是在上述背景下提出的，目的在于研究客车车身结构使之受力合 理，等强度及等寿命设计。最终达到保证客车在性能和功能不受影响或有所提高 的情况下，实现客车车身结构的优化设计。并为相关企业提供一套汽车有限元分 析及强度试验方案，提高企业自主研发能力，增强企业竞争力，实现民族工业的 健康迅速发展1 1 3 国内外研究现状和发展动态 大客车车身大多是由薄擘构件焊接而成。从结构力学来看，大客车车身是由 空i 剞骨架、抗弯薄板、壳体和应力蒙皮等构件组成的空问高次超静定结构。由于 2 、瓤1 一章绪论 结构需要，各杆件结构界面尺寸和厚度各异，而且杆件之间的连接方式也是各种 各样的。因此，车身骨架的受力情况也比较复杂，结构分析的难度较大，用经典 的力学不可能得到精确解。 近二十年来，为解决车身设计中所碰到的复杂问题，计算机技术得到了 广泛的瘦黑。如：利用计算机进行车身分桥计算、设计n 造和实验。在汽车开 发的全过程中，计算机辅助工程分析是最为蓬要的手段，它是实现从概念车设计 到产品验证的强有力工具，它主要包含：车身基本结构的静态和动态分析，噪声、 振动，疲劳寿命的预测，结构的优化，车辆的碰撞模拟，车辆动力特性的研究等 等。 1 3 1 国外研究现状 经过几十年的积累和发展，国外许多大汽车公司建立了高性能的车身计算桃 辅助工程系统，形成了完艇的设计、分析方法与试验程序。图1 1 为国外普遍采 雳的车身结构设计系统和流程汹。 车身结构羔 维实体皴援 笃餐既 羹 臻 拗 建 浚 谵 籽蕊元弼格龆分 驯| | 分辑绦鬃谬债 豳1 1 车身绪构分析系统集成檄图 目前，国外新车型开发周期己经缩短到2 4 至3 6 个月，这与采用现代车身结 构设计方法分不开的。现代车身结构设计出原来的经验、类比、静态设计，向建 模、静动态分析、动态优化及虚拟现实设计转变。现代车身结构设计方法有以下 几个明曼的特点秘3 ： 、 ( 1 ) 设计与分析平行。从早期以满足定性能要求为目标的机构选型、结 构设计，到具体设计方案的比较及确定、设计方案的模拟试验，车身结构设计的 各个阶段均有结构分析的参与。车身结构分析贯穿了整个设计过程，这样确定的 车身结构设计方案，基本上就是定型方案，出此方案设计出的样车只需一定的验 料至警 第1 章绪论 证使用即可定型，大大缩短了车身丌发及研制的周期。 ( 2 ) 结构优化的思想被应用在设计的各个阶段。轻量化要求和舒适性安全 性要求的不断提高，使车身设计的难度越来越大。为了满足这些要求，必须在设 计的丌始阶段就引入优化设计的思想，并将其贯穿整个设计阶段。 ( 3 ) 大量的虚拟试验代替实物试验。虚拟试验不仅可以在没有实物的条件 下进行，而且实施迅速、信息量大。利用虚拟试验，一方面可以在多个设计方案 中选择最优，减少设计的盲目性，另一方面可以及早发现设计中的问题，从而进 一步减少设计成本，缩短设计周期。 对于结构优化设计，国外也已经具有很成熟的方法。早在8 0 年代，美国通 用汽车公司研究试验室主管副主任p a u l f c h e n e n 先生就曾极有预见性地对客车 车身结构必须满足的一系列约束和应达到的目标作了详细的阐述制。国外在设计 车身时，一般将静态扭转刚度、静态弯曲刚度、低阶固有频率和车身重量作为汽 车车身设计目标。除了用有限元法分析车身的静强度、静刚度、模态和动态响应 外，还可利用有限元软件进行车身形状优化( 拓扑优化) 和结构参数优化雎9 。 通过结构优化设计，车身大约能减重7 n7 1 。美国a n s y s 公司与国内大型 客车生产厂家厦门金龙合作对其生产的某型豪华快速客车车身进行结构静动态 分析，通过机械结构优化设计后车身质量下降了2 5 0k g 。在e q1 0 6 0 f 驾驶室车 身的优化设计中，以车身自重与j 下面迎风阻力为目标函数，约束条件为最大应力、 车门变形及固有频率，设计变量为前围、后围及顶盖梁构件的厚度值，采用了统 一目标函数法寻求最优解，得到了比较满意的优化结果，车身自重与空气阻力分 别下降了3 7k g ，7 0 n 。这些都是将有限元法应用于车身轻量化的成功范例。 1 3 2 国内研究现状 我国大中型客车的生产开发经历了修造、仿制、改装、c k d 组装、技术引 进以及自主开发等阶段。但总体上来说，只有少数几个厂家具备较强的自主丌发 能力，大中型客车整体自主丌发能力仍然较低，与国际先进水平还存在较大的差 距。我国大中型客车的安全性、经济性、动力性、稳定性、排放以及噪声等指标 仍有很大差距，如客车专用底盘的技术水平大部分只达到了国外上世纪8 0 年代 末水平m 1 ，只有个别企业引进产品的技术水平接近国外先进水平。 2 0 世纪8 0 年代以来，国内汽车行业丌始将有限元应用于车架强度计算。目 前，利用有限元法进行的汽车结构分析包括很多方面，大到车身、车架，小到汽 车各零部件，如车门、发动机连杆、悬架横向稳定杆等都有人进行了分析和研究。 强度和刚度的静态分析是国内对客车车身进行的分析采用的普遍方法，而在动态 分析上起步较晚。这一方面是由于受到所具备的计算机软、硬件条件的制约，另 4 第1 章绪论 一方面车身建模过程涉及因素多而且结构很复杂，还有待于作进一步的研究和探 索。目前，国内利用各种有限元分析软件在对车身骨架进行结构分析方面已经取 得了不少成果强卜驺筑，但成果主要集中在静态分析上，动态分析较少，与国外的车 身结构分析相比明显存在着许多不足。主要差距有哺儿2 2 1 。 ( i ) 车身结构开发工作主要还是依赖经验和解割进口结构进行参照性设计 的，多用来解决样车试验以后出现的设计问题，设计与分析未能真证做到并行。 ( 2 ) 由于软硬件对计算模型规模的限制，模型的细化程度不够，因而结构 的刚度、强度分析的结果还比较粗略。计算结果多用来进行结构的方案比较，离 虚拟试验的要求还有相当大的差距。 ( 3 ) 有限元分析主要应用在结构的强度和刚度分析方面，在碰撞、振动、 噪声、外流方面的模拟计算才刚刚起步，对车身结构或部件的各项性能指标进行 系统分析研究的实绷还未广泛进行。 4 本文主要研究内容 本课题来源于上海申沃客车有限公司，其研究目的为：了解申沃公司提供的 一款城市公交大客车的车身骨架强度和刚度分布情况；在保证其强度和刚度及振 动性能的前提下，对客车车身骨架进行结构优化。该车总长1 1 2 9 0 m m ，最大总 质量1 6 5 0 0 k g 。 目前，车身骨架有限元分析模型建立的方法主要有两种：是将车身骨架简 化为盘梁单元缝成的框架结构，其优点是模型处理速度快，缺点是计算结果比较 粗略，不能较细的反映出某些复杂结构处的真实情况；另外种方法是将车身简 化为壳单元，其优点是能相对真实的反映处连接部的情况，缺点是前处理时间工 作量大，计算时间长。在本次课题中，将采用两种方法分别建模，并进行静态对 比分析，由对比分析的结果来检验模型建立的合理性，然后对梁单元模型进行结 构优化分析。具体内容如下： ( 1 ) 建立车身结构三维模型及有限元模型。根据申沃公司提供的二维c a d 图纸，利用专业三维几何建模软 警e a t i a v 5 r 1 5 进行客车车身三维凡鬻建模。然 后在三维模型的基础上，分别以梁单元和板单元进行有限元建模，并确定约束、 载荷等边赛条件。 ( 2 ) 车身结构静态刚强度分析。由静态刚强度分析可以显示车身骨架的应 力分靠和变形情况，从而揭示车身骨架的薄弱环节，并作为车身结构优化的状态 变量。此次静态分析包含了以下几种工况：静态弯曲工况、静态弯扭组合工况、 紧急转弯工况、紧急制动工况、坡道一轮悬空工况、试验扭转工况。 第l 章绪论 ( 3 ) 车身扭转刚度实验。对客车空载整体进行一轮悬空扭转刚度实验，主 要用来验证有限元模型分析的可靠性。 ( 4 ) 车身结构模态灵敏度分析。通过振动模态计算可以检查有限元建模的 完整性，并评价其模态指标。通过进行灵敏度分析对模型进行进一步评价，为结 构优化后的梁截面尺寸调整提供参考依据。 车身结构优化分析。以车身总重量为目标函数，以车身各梁截面尺寸为设计 变量，对车身骨架的应力和位移进行约束，进行车身骨架结构的优化分析，并探 索了一种适合承载式车身的优化分析方案。优化综合分析完成后，对修改后车身 的刚强度、模态等指标进行了验算。 6 翔章：客中下身结构有限元模型建立 第2 章客车车身结构有限元模型建立 车身结构有限元分析的第一步是车身结构的模型化，即将工程问题离散化为 有限元计算模型。而模型化的关键是选择合适的单元来模拟车身结构，因为在车 身结构上具有力学特性的点或局部部位都可用相应的单元来模拟。显然，构成计 算模型的各个单元的力学特性应近似于真实结构在这个区域的力学特性。当然， 计算模型决不可能等同于实物，但是，它必须和实物保持严格的相似关系，只有 这样，才能利用从模型所取得的数据和结论来揭示整车在受力情况下的内在规 律。从总体来说，就是在模型的建立过程中应尽可能如实地反映客车车身真实结 构。本章主要描述了客车车身骨架有限元模型的建立过程，首先由二维图纸建立 车身骨架三维模型，进而建立车身结构有限元模型，并描述了在各种不同工况下 车身模型的约束与载荷的模拟方法。在这个过程中详细记载了客车车身骨架建模 的简化方法，并对梁单元与板单元两种模型进行了对比分析。 2 1 三维几何模型 在建立客车车身的有限元模型之f j ，首先要建立其三维几何模型。根据申沃 公司提供的二维c a d 图纸，利用专业三维几何建模软件c a t i a v 5 r 1 5 进行客车车 身三维几何建模。 客车车身整体按焊接总成分为前围、后围、顶盖、左侧围、右侧围、底架、 地板隔栅等七部分，如图2 1 ，- - - 2 8 所示。 模型建立较为细致，精确反应了车身骨架的结构形式与零件特征。除了准确 建立梁结构位置与尺寸，还建立了包括托钩总成、雨刮支架等附件以及所有的骨 架间焊接板。 为了方便建立板单元车身有限元模型，这里采用片体进行几何建模，对车身 骨架选择建立其外表面，对骨架间焊接板建立其与骨架相接触的面。 车身壳体整体坐标系的建立，是以前轴中心线与客车纵向对称面的交线为坐 标原点，以轿车前进的反方向为x 轴的正方向，从以原点垂直向上的直线为z 轴 的正方向，由右手定则确定y 轴。在整个分析过程中单位制的选择为m m ( 毫米) 、 s ( 秒) 、t ( 吨) 、m p a ( 兆帕) 。 7 第2 章客车午身结构有限兀模，n 建立 陶26 侧同日架 芏f21 摧体目一架二维模型 蚓27 地扳隔栅 同通汐固露z 秽 第2 章客车车身结构有限元模型建立 2 2 有限元模型 目28 底架 有限元计算模型的准确度直接关系到计算结果的正确度和精确度。而有限元 模型的规模叉关系到计算的经济型。这两方面对于车身结构分析都是非常关键 的。车身有限元模型的建立应满足以下要求m ： ( 1 ) 计算模型必须具有足够的准确性，所形成的计算模型耍能反映工程结 构的主要力学特性，车身结构的实际状况。在此既要考虑形状与构成的一致性 又要考虑支撑情况和边界约束条件的一致性，还要考虑载荷和实际情况的一致 性。 ( 2 ) 计算模型要具有良好的经济性。复杂的汁算模型一般具有较高的准确 性，但计算模型并不是越精确、越复杂越好。复杂的计算模型的建立帽应的会花 费更多的时问、人力、物力进行数据前处理，数据计算和后处理，从而使计算费 用大大增加。 在本次课题中，将采用两种方法分别建模，并进行静态对比分析，由对比分 析的结果柬检验模型建立韵合理性，然后对梁单元模型进行结构优化分析。 2 21 粱单元模型 用梁单元模拟整个车身骨架，其优点是：计算量较小建模方便：反应整体 情况简单明了，尤其适台大客车车身骨架的进一步优化分析。用板壳单元模拟车 身骨架川焊接板件。 梁译元模型建直利用了c a t i a v s r l 5 th y p e r m e s h 70 以及美国m s c 公司的专 业有限元分析软件n a s t r a n 2 0 0 4 和其配套的前处理器p a t r a n 2 0 0 4 。 第2 章客车车身结构有限元模型建 由于梁单元模拟的局限性，建立粱单元有限元模型时作了如下简化处理： ( 1 ) 省略了尺寸较小的、非加载的支架、螺栓孔等。 ( 2 ) 没有对悬架支架建模，而是直接把约束点加在横粱的相应位黄上：见 图2 l l a ( 3 ) 忽略了底架横梁上的一些工艺孔，仍将其视为完整的槽形梁；见圈21 l b ( 4 ) 省略了一些连接处的加强板，而补充了一些焊点加强粱间连接，如底 架中部连接件等。 骨架有限元划分时采用基本单元尺寸为5 0 m m 的b a r 单元，对于局部连接处 和短梁可适当调节梁单元的长度。骨架白j 焊接板有限元划分时采用基本单元尺q 为5 0 r a m 的s h e l l 单元。材料都为钢。密度为78 e 9 v m m ，弹性模量2 1 0 0 0 0 m p a ， 泊松比03 。模型信息见表2 1 。 丧2l 模1 4 信息 1 t 点总数单元总数桨单元数四边形单元数二角形单元数 r b e 2 单元数村料种类 4 5 6 1 94 9 7 】41 7 8 1 23 0 4 0 66 5 3 客车骨架整体模型见图2 9 。将地板隔栅合并入底架中，整体模型分为前围、 后围、顶盖、左侧围、右侧围、底架六部分。根据各总成问的焊接关系与焊接方 式，用全约束主从节点r b e 2 ( 见图21 0 ) 单元模拟车身焊接关系，保持焊距大约 1 0 0 m m 。 赢口一 幽29 客卞日架梁模型凹 第2 章客车车身结构寡限元模型建立 蕞攀善骥辚辇 墼蕊纛戮瀛谶 a ) 扳与粱主从节点r b 吐连接( b ) 粱与粱主从节点r b e 2 连接 瞄21 0 ( a ) 悬架连接支架 222 板单元模型 图21 1 ( b ) 底架横桨 采用板单元模拟车身分析具有以下优点： ( 1 ) 模型精确，能精确模拟局部结构特征，如底架纵梁连接处、悬架支架 等。 ( 2 ) 计算精度高，能较好地反应局部结构应力分柿及变形情况。 ( 3 ) 在模态分析中，可吐清晰地反应局部模态。 ( 4 ) 客车车身骨架板模型的建立，运用了美国a l t a i r 公司c a e 分析软件 h y p 曲m e s h 70 ，其具有的强大的有限元网格前处理功能和后处理功能。 用板单元模拟申沃客车车身骨架及其削焊接板件，并对几何模型某些结构进 行如下简化处理： ( 1 ) 忽略某些较小的、不承受载荷的支架，见图21 2 ： ( 2 ) 所有螺栓孔、铆接孔以及某些粱、支架上直径较小的孔不模拟，见图 2 1 3 ； ( 3 ) 对于某些焊接加强板，采用增加相同区域网格的厚度方法模拟，见图 2 1 4 ： 豢鼍泣葱羹迸 第2 章客午车身结构有限元模型建立 幽21 2 后围上的小支架 。= t = = 二二= 二= 二二= = = = = = 二二二二 幽21 3 项盏上的螺栓孔 图21 4 右纵粱加强板 为了更好地反应约束情况，对后桥后纵梁局部结构进行了细化，模拟出后悬 架空气弹簧支架及其螺栓孔，见图21 5 。 陶2l b 屙枞巢局部彼地缃化幽 板单元尺寸为6 0 m m ，局部细化结构单元尺寸为1 0 m m 。控制整体三角形单 元不超过4 ，局部不超过6 。用节点重台或者全约束主从节点r b e 2 ( 见图21 7 ) 单元模拟车身焊接关系。材料都为钢，密度7 8 e _ 9 t r r a n ，弹性模量2 1 0 0 0 0m d a ， 泊松比03 。车身骨架板模型信息见表2 2 。 鼻2 章彝难乖身拮构有限元模型建立 袭22 强度分析模型的单元信息 节点总数单元总数四边形扳单元数三角形板单元数r b e 2 单元数材料种类 9 8 3 1 11 0 2 6 9 89 9 6 1 7 3 0 8 l 客车骨架整体模型见图21 6 。将地板隔栅合并八底架中，整体模型分为前围、 后围、顶盖、左侧围、右侧围、底架( 古地板) 六个总成。顶盖、前围、后围、 侧围之间的拼接基本采用节点重台的方式，板单元重合的地方保留一层网格，但 厚度叠加。底架与侧围之间采用全约束主从节点r b e 2 连接。 ( a ) 主从节点r b e 2 连接 2 3 约束与载荷 瞰21 6 客车骨架整体模型图 蚓21 7 b ) 节点重合连接 在同种工况中，粱单元模型和板单元模型中采用的约束与载茼具有相同的大 小、位置、及方式。只是由于模型不同，约束与载荷的具体形式略有不同。 嚼警 一 _ ； 第2 审客车车身结壮有限冗模1 9 建立 2 31 弯曲工况 车身骨架实际弯曲工况约束如表2 3 所示。该客车采用空气悬架，其前悬架 左右各有三处支撑点( 对称) ，后悬架左右各有四处( 对称) ，如圈21 8 、21 9 所 示。板单元模型与粱单元模型的具体约束对比如图22 0 22 3 。 磊鬻 幽21 8 以前恳絮支架( 红圈处)圈21 9 左后悬架支架( 红罔处) 表23 实际弯曲【。况车身骨架整体约求点及其约束自由度 r 声觐 b- 伊”吲 图22 0 架单元模型左前轮约束 图22 1 粱单元模型左扁轮约求 毋 幽22 2 扳单兀模型左前轮约束 幽22 3 板单元模刑左后轮约求 根据实际载荷分布设定弯曲工况下载荷施加的位置和大小，详细参照表24 。 考虑动载系数2 5 。除去袁中所列载荷，其它簧载质量以当量质密度等效到车身 第2 章客车车身结构有限元模型建立 骨架上，即密度乘以当量系数( 1 9 5 ) ，并考虑动载系数25 。 袭24 模型上的载荷分布 加戴方 藏荷分布嘲 载荷名称式膻太 墼单元扳单元 小( k ) r ” 1 鱼 怛。r “1 l i 发动帆厦支点集 寸 动力系统中力 审 审寺 鞠 相* 设备 8 舛 | j i 盘点集 f 秒厂 爹 窄*中力 3 0 0 支点集n 熨 油箱中力 o ， 2 7 7 誓 。“5 已互r 一 珥驶员世 支点集 嗨照弋 中力 阴强一 胜椅 1 0 2 第2 章客车车身结构有限元模型建立 集中均 妒 过道乘客布力 6 5 虾0 座椅! o 乘 等娃羹 鼽弧。 哿 l 客 竹5 ” 前轮覃座 等效集 f 剃出 赢 中力 位乘客 7 55 3 登r 嘲嘲隧：嘲 - 嘲嘲， 瞄一哪 叠_ k 詹 后转军座 等效集 灞a 叠砬急矗融鞫譬_ _ _ _ _ _ _ _ 中力 位乘客 7 55 q 一醐 第2 章客车车身结构有限元模型建立 2 32 弯扭组合工况 弯扭组合工况强度分析是在弯曲工况的基础上，分别模拟分析右前轮悬空、 右后轮悬空、丘后轮悬空下车身骨架的强度，约束条件见表25 表27 。施加载 荷的大小与位置与弯曲工况相同，考虑动载系数1 5 。 丧25 前轮磕空1 况约束列表 第2 章客乍乍身结构有限元模型建立 2 3 3 转弯工况 转弯工况约束条件的施加如表2 8 所示，具体施加位置与实际弯曲工况相同。 载荷方案：施加垂向l g 加速度，侧向0 6 9 加速度，并按照实际载荷分布，把所 有载荷乘以侧向加速度值，作为额外侧向载荷施加于相同位置。 表2 8 转弯一l 况客车骨架约束 2 3 4 制动工况 制动工况约束条件的施加如表2 9 所示。施加z 向l g 加速度，x 向o 8 9 加 速度，并按照实际载荷分布把所有载荷乘以纵向加速度值，作为额外纵向载荷施 加于相同位置。 表2 9 制动! l ：况下客车骨架约束 2 。3 5 坡道一轮悬空工况 在实际扭转工况分析的基础上，对客车模型进行坡道上右前轮、右后轮悬空 工况的分析。道路坡度为1 2 ，以改变重力场方向的方式模拟；约束方式与弯扭 组合工况右前轮悬空与右后轮悬空的约束方式相同；载荷大小与位置与弯扭组合 工况相同。考虑动载系数1 5 。 第2 章客车车身黠构有阻元摸型建立 2 36 试验扭转工况 图22 4 扭转刚厦分斩中的约球 车身骨架扭转刚度分析模拟台架试验工况，采取前轮悬空后轮约束的方法， 约束示意图见图22 4 ，后悬架空气弹簧支架处约束z 向自由度，横向推力杆约束 x 、y 自由度，纵向推杆约束x 自由度，前部t 型加载粱中点约束x 、y 、zi 个 移动自由度和0 、q 两个转动自由度，如图2 2 5 所示。 加载情况如下： 1 1 考虑动载系数15 ； 2 1 材料密度采用当量质密度15 7 5 6 。1 0 川，： 3 1 计及动力总成、空调、油箱、座椅、暖风机、后地板等载荷，具体加载 位置请参看“申沃客车粱模型静强度分析报告”中的表12 2 。 4 1 根据轿车台架试验标准，在粱两端加载大小为2 2 0 5 0 n 、方向相反的z 向力，具体计算方法可参考( 刘惟信汽车设计北京：清华大学出版社， 2 0 0 1 ) ： 其中最大扭转载荷( 考虑除动力总成咀外的车身自重) m - 05 前轴最大负荷轮距( n m ) = o5 2 4 7 5 98 2 i - 2 5 4 6 7 n m 由于所加的t 型粱长度约为11 5 5 m 所以两端所加力为 f = m 门15 5 = 2 2 0 5 0 n 第2 章客下节身结构有限元模型建立 。，。一 譬 酗22 5 扭转剐度分析所加载荷 ! ! 兰查! 堡墨! 丝燮查坌堑一一一 第3 章客车车身结构有限元静态分析 应用实践证明，用有限元法对车身结构进行分析，呵在设计图纸变成产品前 就对其刚度、强度、固有频率及振型等有充分认识，以了解车身的应力和变形情 况，对不足之处及时改进，使产品在设计阶段就可保证满足使用要求，从而缩短 设计试验周期，节省大量的试验和生产费用，它是提高产品可靠性既经济又适用 的方法之一。本章主要计算了客车车身结构有限元模型的静态特性，考虑了弯曲、 弯扭、转弯、制动、坡道及试验扭转等六种工况。对六种工况下的车身刚度和强 度进行了评价，按各种不同工况对粱模型和板模型的静态分析结果进行对比分 析，验证了有限元模型合理性。发现了车身结构存在的刚度和强度上的薄弱点， 并提出改进意见，为结构优化设计时状态变量的设置提供了依据。 3 1 弯曲工况强度及刚度分析 31 1 应力分析 弯曲工况下，以梁单元为主的骨架模型的等效应力分布如图31 所示，模型 绝大部分区域最大应力在2 1 0 m p a 以下( 以低碳台金钢板的弹性极限为车身强度 评价极限是国际上_ 。般采用的方法) ，大应力区域主要分布在前、后轮附近以及 门、窗框与横梁连接处。骨架粱单元部分最大应力为3 4 3 m p a ，出现在后桥搁栅 小总成右前支撑与后纵梁的连接小腿处，见图3 2 圆圈标记处。骨架板单元最大 应力为1 2 6 m p a ，出现在右后轮罩与后地板搁栅的连接处，见图3 3 圆剿标记处。 a ) 骨架粱单元( h ) 目架扳单元 幽3 l 目架模型麻力分布嘲 - i 第3 章客屯车身结构有限兀静态分析 目34 弯曲j - 况扳模型骨絮总体麻力分布圈35 弯曲【况板模犁旨架最_ 人应力位置 粱单元模型与板单元模型分析结果中等效应力值在1 6 0 m p a 以上的结构主 要分布如表31 所示。 表31 弯曲【况f 车身人麻力点分布 1 奇置名称蛙大心山值肝a位置名称蛀大j 衄山值肝a 后桥搁栅小总成支撑 前过道横粱 小腿 左侧嗣后轮附近骨架r ，门踏步横粱 右侧崮罱轮附近骨架世 巾门后立 ：1 = l 端 巾门后立杜l 端 底架巾部右边搁栅横粱 前过道问横粱 312 挠度分析 如图3 6 所示，弯曲一l 一况下粱啦元骨架模型z 向最大挠度为1 08 m m ，出现 尊3 章落车j 幽嚣构 新静落分析 在顶盖卒调悬挂处，局部挠度分南见图37 。末端发动机抽屉粱处变形也较大， 这是由于此处布置发动机及其动力总成。此外，中门槛踏步横粱也出现较大局部 变形。 图36 弯曲1 况骨架模型挠度分布酗37 弯曲l 况最大挠度位置 弯曲工况下板单元骨架模型的变形情况如图3 8 所示，最大挠度为一92 1 r a m ， 出现在顶盖空调悬挂处，见图3 9 。同样，末端发动机抽屉梁处变形也较大。此 外，在满载情况下，前门槛、后门槛、前部过道横粱与地板局部搁栅小总成也出 现较大挠度。 9 ：i 酒 。 篓l 目38 模型整体娈形蚓图39 弯曲【况最人变形幽 313 小结 通过对客车骨架梁单元模型与板单元模型弯曲工况下的强度和变形对比分 析，u r 得出以下结论： ( 1 ) 两个模型的弯曲工况分析结果整体分布相同，大应力区域基本一致， 整体变形趋势以及局部变形区域也基本一致，这在定程度上反映丁有限元模型 的合理性。 ( 2 ) 综台考虑两个模型的分析结果，该客车车身骨架在弯曲 ：况下的大应 力区域集中在前后轮附近以及门窗框与横粱连接处，尤其后悬架支架与后桥搁栅 2 3 ipi nubi+h_ 彩 nuiil - _ ，_二i_h_ 第3 章客车车身结构有限元静畚分析 小总成支撑小腿两处出现应力集中，属于危险区域，需要对结构进行优化；而顶 盖中部变形较大，也需要加强。 ( 3 ) 出两个模型的结果可以看出该客车车身骨架的人部分区域应力很小， 大应力区域非常集中，这说明从强度方面考虑，该车身骨架结构还有很大的优化 潜力，让车身承载比例加大弱化危险区域的应力集中。 3 2 弯扭组合工况强度及刚度分析 3 21 应力分析 32 1 1 右前轮悬空 右前轮悬窀工况下，梁单元骨架模型的等效应力分布如图31 0 、31 1 所示。 骨架梁竹元撮大应力为1 9 2 m p a ，出现在前悬架前中横梁处，见图31 2 圆圈标记 处。板尊元最大应力为1 5 2 m p a ，出现在亢前宁气弹簧支架上见图31 3 圆圈标 记处。此外，在后桥搁栅小总成也有较大应力集中，应力值为1 4 8 m p a ，其它部 件的应力均较小。 禳 削31 0 “前轮息宅目架梁单元麻力陶31 1 矗前轮悬空骨架板单 幽31 2 以前轮悬空目架粱单元最人麻力幽31 3 矗前轮悬空目架扳单兀虽人戌力 _ _ 堕3 章一客车主身绪梅毒阻元静态分析 板单元模型右前轮悬空工况等效应力分布见图31 4 所示，最大应力为 2 2 7 m p a ，出现在后底架纵梁加强板处，见图31 5 ；前过道横梁出现了较大应力 集中，应力为1 8 2 m p a ，见图31 6 。其它部件应力均较低。 圉31 4 辑车骨架右前轮悬空应力分布幽 豳31 5 客车骨架出前轮悬空最大麻力分布嘲 n g 图3 1 6 前过道横梁 32 1 2 右后轮悬空 右后轮悬空工况下，以梁单元骨架模型的等效应力分布如图31 7 、31 8 所示。 骨架梁单元展大应力为5 5 3 m p a ，出现在后桥搁栅小总成左后小腿处，见图3 1 9 n 骨架板单元最大应力为2 1 8 m p a ，出现在左后轮挡泥板处，见图3 2 0 。其它应力 大于2 1 0 m p a 的部件主要有：庄侧围后轮附近骨架、后底架横粱，底架后部纵梁。 n l j 目 ! i n=hbq-i l _ _ l 1瑁m翔增|渭叫1】 一!j_- - l 第3 章客车车身结构有限元静态分析 剀31 7 廿后轮悬空桨单元府力分布幽 蚓31 8 ，后轮悬空扳单元麻力分布幽 幽31 9z 后轮息空粱单元昂人应力分布_ 墨j32 0 厉轮咎空扳单元最人麻力分布 板单元模型右后轮悬空工况下等效应力分布见圈3 2 1 所示，虽大应力为 6 5 4 m p a ，出现在后悬架空气弹簧左后支架处，局部麻力见图32 2 。其它出现较 大应力集中的部件有：后桥搁栅小总成2 2 2 m p a 卉后轮挡泥板2 5 6 m p a 。 蚓32 1 客4 瑁架山后轮悬空应力分布幽凹32 2 客车骨架右后轮悬空最大应力位置 凹32 3 后轿搁栅小总