（机械设计及理论专业论文）角板对客车车身基本结构静动态性能的影响.pdf

福建农林大学硕士论文 摘要 我国的大中型客车车身骨架绝大多数是由型钢焊接而成的。受载后，高应力 出现在型钢杆件的接头处。在接头处加焊角板是提高骨架强度和刚度以及提高轻 量化水平的重要措施。然而，目前客车生产企业在生产实际中，对所添加角板的 位置和参数仅凭经验，带有盲目性。因此，探讨接头角板对客车车身基本结构静 态和动态性能的影响，寻找其影响规律，对指导客车车身设计是很有意义的。 本文采用有限元分析法，使用a n s y s 软件逐步探讨接头角板及其位置对客 车车身基本结构静动态承载性能的影响。这些基本结构包括空间三杆结构，平面 框架结构和箱型框架结构。此外，还研究了角板对客车基本结构轻量化的影响。 通过有限元计算分析和归纳，得出以下结论： 1 ) 在接头处添加角板可以显著提高接头不规则的空间三杆结构的承载能力。 对于主杆与两支杆接头无法平齐的情况，采取封闭主杆端面开口和添加角板的方 法能够非常显著地提高该形式空间三杆结构的刚度和强度，应力减小系数达到 8 0 以上。 2 ) 在接头处添加角板有效提高平面框架结构和箱型框架结构的承载性能， 平面框架应力减小系数达到3 0 以上，箱型框架应力减小系数达到7 0 以上。 3 ) 采用分块l a n c z o s 法分析客车车身基本结构的固有频率是可行的。a n s y s 计算结果与解析法分析结果相比：截面相同的杆件，误差随着杆件长度的增加而 减小；长度相同的杆件，误差随着杆件截面的增大而增大：截面、长度相同的杆 件，单元划分精度对误差的影响小于1 4 ) 在接头处添加角板，客车基本结构各阶振型特征不产生改变，但对固有 频率产生影响。相对于其他振型特征，角板对框架结构各阶垂直弯曲固有频率的 影响较大，但不超过5 5 。 5 ) 对客车车身基本结构加角板并减小杆件壁厚的轻量化改进方案是合理可 行的，在本文所计算的例子中，减重效果达到7 5 以上。 6 ) 对空间三杆结构静态性能进行了电测试验，有限元计算结果与试验结果 吻合良好，验证了所建有限元模型的合理性，也证明了有限元计算的可靠性。 本文研究结果对客车车身结构的优化设计具有一定的参考和借鉴价值。对农 业机械结构及其它工程结构设计等也有普遍的参考意义。 关键词：客车结构；接头角板；静态性能；动态性能；有限元法； i n 福建农林大学硕士论文 a b s t r a c t 1 1 1 el a r g e b u sm a n u f a c t u r e db yo u rf a c t o r yw h a t sb o d yf l a m ei sm o s t l yw e l d e d b ys e c t i o ns t e e l t h eh i g hs t r e s sw i l la p p e a r so nt h ej o i n t so fs e c t i o ns t e e lw h e ni ti s l o a d e d a d d i n gb r a c k e to nj o i n t si st h ei m p o r tn l e a s l et oi m p r o v et h el o a d - c a r r y i n g c a p a c i t ya n dl i g h t e n i n go fb u sb o d yf r a m e a c t u a l l y , i nt h ef a c t o r ya d d i n gb r a c k e tj o i n t a l lb ye x p e r i e n c e ，t h em e t h o di sc e c i t y t h e r e f o r e ，d i s c u s st h ei n f l u e n c eo fa d d i n g b r a c k e ti o i n ta n di t sp l a c eo n o ns t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo fb u sb a s i cs t r u c t u r e ， i no r d e rt os e e ki t sl a w s oi tc a no f f e rt h e o r e t i c a lb a s i sf o rb u sb o d yd e s i g n t l l i st h e s i sa n a l y s e st h ei n f l u e n c eo fa d d i n gb r a c k e ti o i n ta n di t sp l a c eo n o n s t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo fb u sb a s i cs t r u c t u r es t e pb ys t e pt h r o u g ha n s y s s o f t w a r eb a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 。刀形s es t r u c t u r ei n c l u d es p a c eb a r s t u c t u r e f r a m es t u c t u r ea n db o x s t u c t u r e f r o mt h ec a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l a n a l y s i s ，t h ef o l l o w i n gr e s u l t sc a nb es u m m e du p ： 1 ) a d d i n gb r a c k e tj o i n t sc a l la p p a r e n t l yr a i s et h er i g i d i t yo fs p a c eb a rs t u c t u r e w i t hi r r e g u l a rj o i n t s o b t u r a t e i n gt h ee n dh a t c ho fm a i n - b a ra n da d d i n gb r a c k e tj o i n t s o fs p a c eb a rs t u c t u r ea n dc a na p p a r e n t l yr a i s et h er i g i d i t yf o ri t f n l em a x i m u n l e q u i v a l e n ts t r e s sd r o p sb ym o r et h a n8 0 2 ) a d d i n gb r a c k e tj o i n t sc a na p p a r e n t l yr a i s et h er i g i d i t yo ff r a m es t u c t u r e ，t h e m a x i m u me q u i v a l e n ts t r e s sd r o p sb ym o r et h a n3 0 f o rt h ef l a m e s t u c t u r e t h e m a x i m u me q u i v a l e n ts t r e s sd r o p sb ym o r et h a n7 0 f o rt h eb o x s t u c t u r e 3 ) i ti sf e a s i b l et oa n a l y s i st h en a t u r a lf r e q u e n c yo fb u sb a s i cs t u c t u r eb yl a n c z o s m e t h o d c o n t r a s tt h er e s u l to fa n s y ss o f t w a r ea n da n a l y t i c a lm e t h o d t h ef o l l o w i n g r e s u l t sc a nb es u m m e du p ：f o rt h eb a rw i t hs a m es i z es e c t i o n , t h ee r r o rd e c r e a s ew i m t h el e n g t ho fb a ri n c r e a s e f o rt h eb a rw i t hs a l n el e n g t h t h eg = r ：r o ri n c r e a s ew i t ht h e s e c t i o no fb a ri n c r e a s e f o rt h eb a rw i t hs a m el e n g t ha n ds e c t i o n , t h ei n f l u e n c eo ft h e p r e c i s i o no fe l e m e n tm e s h i n gi sl e s st h a n1 4 ) a d d i n gb r a c k e ti o i n t so nb u sb a s i cs t r u c t u r e ，t h ev i b r a t i o n t y p eo fb u sb a s i c s t r u c t u r ei sn o tc h a n g e ，b u ti tm a k ee f f e c tf o rt h en a t u r a lf r e q u e n c yo fb u sb a s i c s t r u c t u r e r e l a t i v et oo t h e rv i b r a t i o n - t y p e ，a d d i n gb r a c k e ti o i n t sm a k em o r ee f f e c to n b e n do ff r a m es t u c t u r e 1 e s st h e n5 5 ) i ti sf e a s i b l et ol i g h t n i n gt h eb o d ys t u c t r u eb ya d d i n gb r a c k e tj o i n t sa n d r e d u c e st h et h i c k n e s so fb a r , t h ew e i g h tr e d u c e sm o r et h e n7 5 6 1m a k e sae l e c t r i cm e a s u r e m e n te x p e r i m e n tf o rt h es t a t i cp e r f o r m a n c eo fs p a c e b a rs t u c t u r e ，t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sa c c o r d sw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t aw e l l i tp r o v e s t h er a t i o n a l i t yo fm o d e l sa n dt h er e l i a b i l i t yo ff e m c a l c u l a t i n g n l er e s e a r c hf i n d i n g sc a l lo f f e rt h er e f e r e n c ef o ro p t i m i z a t i o nd e s i g no fb u s b o d y i ta l s oc a nb ew i d e l yr e f e r r e di i la g r i c u l t u r a lm e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n do t h e r e n g i n e e r i n gs t r u c t u r a ld e s i g ne t e k e y w o r d s ：b u ss t u c t u r e ； b r a c k e t j o i n t s ； s t a t i cp e r f o r m a n c e ；d y n a m i cp e r f o r m a n c e ； f i n i t ee l e m e n tm e t h o d i v 独创性声明 本人声明，所呈交的学位( 毕业) 论文，是本人在指导教师的指导下独立完 成的研究成果，并且是自己撰写的。尽我所知，除了文中作了标注和致谢中已作 了答谢的地方外，论文中不包含其他人发表或撰写过的研究成果。与我一同对本 研究做出贡献的同志，都在论文中作了明确的说明并表示了谢意，如被查有侵犯 他人知识产权的行为，由本人承担应有的责任。 学位c 毕业，论文作者亲笔签名：兹跚吼汐7 z 论文使用授权的说明 本人完全了解福建农林大学有关保留、使用学位( 毕业) 论文的规定，即学 校有权送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密，在锣年后解密可适用本授权书。毋 不保密，本论文属于不保密。 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名： 指导教师亲笔签名： 日期： 日期： c 1 7 彭2 ， 侈 t - b ， 福建农林大学硕士论文 第一章引言 1 1 课题研究的背景和目的 环境污染及能源短缺的问题已成为制约我国汽车产业可持续发展的突出问 题。无论从社会效益还是经济效益来考虑，低油耗、低排放的汽车都是节约型社 会发展的需要l l j 。从近二十年来世界汽车发展趋势看，实现汽车轻量化是一条节 约能源的切实有效的途径。对商用车的研究亦表明，汽车质量每减少1 0 0 0 k g ， 油耗可降低6 7 【2 】。 客车轻量化设计是客车开发中的一项重要的任务，从经济性考虑：客车车身 质量每减小l o o k g 可节油0 2 l 1 0 0 l ( i i l 一0 3 l i o o k m 3 1 。从动力性考虑：客车轻量 化后加速性提高l 4 j 。可见，轻量化对客车性能的改善提供了广阔的空间。 实现客车轻量化的主要通过以下三种途径： 1 ) 利用材料技术对客车进行轻量化【5 6 】即采用轻量化材料以减轻客车零部 件的质量。目前可用来减轻汽车自重的材料主要有两大类：一类是高强度材料， 如高强度钢等，另一类是轻质材料，如铝合金、镁合金、高强度塑料等。 2 ) 采用新的客车轻量化制造工艺如专用焊接技术、专用机械紧固元件等。 如德国某公司采用二氧化碳激光焊接1l c m 长的焊缝，使其焊接处强度提高5 0 ； 国外某些汽车厂家采用t a il o r e db l a n k 工艺制造车身零件，用这种工艺冲压的 车门，各处厚度可以不相等【7 j 。 3 ) 进行轻量化设计，主要有以下三种方法： a 、选取轻量的汽车形式和总成部件结构形式。如可采用超轻悬架结构：承 载式车身结构是整个车身都参与承载，这样可以发挥车身材料的承载性能。 b 、整车或零部件小型化【s 】。 c 、车身结构和车架优化设计。国外个别大型客车企业生产的客车车身骨架 根据模拟计算结果，全部采用成型冲压件。我国客车车身骨架大多由型钢焊接而 成，客车车身重量占相当大的比例，客车车身骨架通常采用局部加强的方法来提 高车身强度，这样的做法通常导致车身质量过大。对大量客车车身结构的有限元 分析和试验表明例，我国客车车身自重大多存在偏重现象，而且有很多结构件出 现强度、刚度富余的现象。除小部分结构杆件受力比较大外( 占1 0 左右) ，其 余大部分杆件受力很小u o j 。减少客车的车身，车架重量就减少了客车总重量， 是客车轻量化的重要途径。在方法上，可以采用有限元法、优化方法和拓扑方法。 在保证客车骨架和底架的刚度、强度、舒适性、安全性及工艺构造等因素的条件 下，对车身结构进行尺寸优化、形状优化及拓扑优化，来减轻车身骨架和车架重 量。 目前，在客车车身上使用新材料，普遍存在制造工艺性差的倾向【l l 】，而且由 于成本，加工工艺、环保等方面的问题，新材料和新工艺还很难广泛用于一般车 辆【1 2 j 。因此，对客车车身结构进行轻量化设计，这是被认为当前切实可行的主 要途径。 客车车身骨架受载后，高应力出现在车身结构接头处【1 3 】。这些接头通常出 现在客车车身骨架上的乘客门立柱上角，邻近窗立柱的上、下角【1 4 】及行李仓 骨架中。所以，作为对车身结构影响很大的接头部位来说，如何正确考虑接头结 构的相关参数，理解接头部位的力学特性，将对车身骨架设计过程起到关键的作 用。目前，国内的客车生产企业提高客车车身骨架结构刚度、强度的办法通常是 福建农林大礤论文 通过在车身骨架接头的薄弱点处焊接角板来实现的，如图1 1 所示。但在生产 实际中，对角板参数和位置的设计仅凭经验，带有一定的盲目性。因此，研究接 头角板参数和位置对客车结构静动态性能的影响规律，对指导客车车身设计是很 有意义的。 图l l 某承载式旅游太客车行李仓底架上的空目接头拉加强角扳 本课题研究接头角板拓扑位置对客车基本结构静态、动态性能的影响。采 用有限元方法，使用a n s y s 软件对客车基奉结构进行计算分析，并对计算结 果进行实验验证归纳出接头角板位置对基本结构静态、动态性能的影响规律， 从而为客车车身骨架接头设计提供理论依据。 1 2 国内外研究现状 在上世纪六十年代咀前，汽车工程师们在车身设计和分析过程中都是将车身 骨架的接头部位视为刚性接头，这种算法虽然简单，但是忽略了接头的柔性，对 连接处的真实形状未加考虑。在实验分析和计算中发现，忽略接头柔性会导致计 算结果产生较大的误差，刚性处理的接头严重低估了静态的偏移。因此，为了精 确的预测轿车的静态和动态性能，汽车工程师们认识到接头的柔性必须被考虑。 上世纪七十年代，国内外不少研究工作者都致力于理解接头的变形机理，以 便对接头的模拟能够更符台实际。c h a n g 曾初步研究了接头的柔性在整车结构 性能中的影响。他使用一个由弹簧和铰链组成的单元来说明整个车身刚度分析中 的接头柔性i l 。c o l l i n s 提出了一种随机的接头的定义方法，使用模态形状和自 然频率的测量来评价接头各参数。这种方法统计了测量错误的数量，并提供了参 数评价可靠性的数据”“。 进入八十年代，r a o 确定了一个接头刚度值的范围，它提供了一个比较受认 同的n v h 响应的汽车结构j 。美国的mm 凯墨尔和ja 沃尔夫曾提出“局部 柔量”概念i l ”，他们指出这类变形通常发生在集中载荷和结构连接处，他们认 为将这种“局部柔量”因素考虑在内才能使得车身结构力学模型的计算更加精确。 s a k u r a i 和k a m a d a 研究了由箱形粱构成的t 型支柱下部接头。他们研究发现 板厚及隔板对接头刚度的影响规律，增加外板的厚度比增加内板厚度更能有效提 高接头的剐度”w 。德国不伦瑞克大学的b c c r m a n n hj 等在货车骨架接头方面进 行了深入的研究呷】，他指出将接头视为刚性所得出的分析结果将使整车刚度提 高5 0 0 俨7 0 。国内林中山【2 l 对轿车车顶纵梁平面上构件接头的刚度进行了试验 福建农林大学硕士论文 测定，得出高应力区焊点间距对结构刚度有较显著的影响，最后得出了结论：在 接头设计良好的情况下，微小修改只能对刚度具有微小的效果，而且最有效的微 小修改是减小高应力区的焊点间距。刘文泉用方形钢管组成的t 型骨架接头代 替轿车车身的接头进行了基础分析和试验，从而定量地评价连接刚度，同时还指 出：应用增强接头的隔板等可以有效地抑制接头的断面变形，通过连接刚度可以 建立超精确的车身结构模型1 2 2 1 。 九十年代，s u n a m i 等人研究了单独的箱形梁t 型和l 型接头l z 引。他们确 定了三种和接头柔性相关的的变形机构；即消除，剪切变形和伸长。据他们所言， 接头分支的旋转也可以由纯剪切造成，伸长由正常的应力所产生。他们同时发现， 在截面中嵌入板状隔板，能增加接头的刚度，因为隔板可以有效防止和消除截面 的变形。德国的霍尔斯特皮佩特在研究货车车架结构时指出，在车架的紧要部 位都铆入角板能提高其抗弯曲刚度和强度，以使车架能承受更大的负荷i z 4 。 n i k o l a i d i s 和l e e 发展了一种方法去估算有弹簧组成的简化模型的参数【2 引，该方 法使用细化接头模型的有限元分析。这些研究均说明了如果考虑接头柔性，车身 结构模型将更精确。k e l l a r 在研究轿车车身接头参数时，提出了一种叫t a g u c h i 的方法对车身接头进行优化设计【2 6 j 。l e eyw 深入研究了轿车车身接头柔度与结 构形式、焊点和板厚等因素的影响 2 7 1 ，并对其进行了大量的模拟计算和验证测 试，以研究接头柔度对整车性能的影响。 国内蒋光福等指出车身的刚度主要由车身接头提供，指出车身接头刚度的大 小直接影响到整个车身的承载能力【2 引。沈小泉【2 列等介绍了车身接头刚度系数的 定义、接头数学模型的建立及由柔度矩阵到刚度矩阵的推导。在客车车身接头方 面，福建农林大学陈铭年长期以来做了不少研究【3 0 - 3 2 。他通过试验指出：杆连接 的真实形状必须予于考虑，忽略杆连接的形状会对应力计算产生不可忽略的误 差。因此他提出了考虑杆连接点真实形状的有限元模型，进行了车架和客车的平 面框架的刚度分析和强度分析。还探讨了客车骨架的杆系接头子结构分析方法， 并用以估计斜撑变量对接头强度和骨架承载性能的影响，之后他又提出了混合方 法及子结构等考虑接头柔度和形状的分析方法，虽然所得出的分析结果目前只能 作为估计，但这些都比之前传统的骨架杆系算法进了一步。 到了2 l 世纪初期，m m k l e e 采用有限元法研究了包括粘接和点焊的两种 t 型接头的扭转特性，指出连接技术和接头偏心距是影响t 型接头扭转特性的主 要因素 3 3 - 3 5 】，他还通过研究指出扭转条件下截面厚度、横截面面积和连接技术是 主要影响因素。m h k i m 和m w s u h 3 6 , 3 7 j 对从客车窗立柱上截取的t 型接头 进行有限元分析和拓扑优化分析改善了接头的应力状态，但是该研究方法和结果 只适用于成型冲压件的设计。y a s u a k it s u m m i 等也研究了接头的塑性变形情况， 提出了高精度、高速度的整体局部分析的方法【3 8 】。国内黄金陵等在研究接头模 拟处理方面提出了“接头单元”的概念【3 9 】；以轿车车身某一立柱接头为例，计 算了轿车车身接头柔度；分析了接头柔度对整车刚度的影响，得出结论：证明这 种接头模拟方法主要用于车身的概念设计中。吉林工业大学的邹素平利用接头超 单元模型将客车骨架接头部分用壳单元建模，其他部分用梁单元建模i 删。这种 梁壳结合的模型大大减小了模型的规模，缩短了计算时间，而其计算结果与全壳 单元模型基本一致。 2 0 0 4 年以来，我校研究生对角板参数对客车基本结构承载性能的影响做了 系统的研究，徐建全曾对三角形角板厚度、尺寸及数量等参数对客车车身骨架l 型基本结构承载性能的影响进行过初步探讨【4 l 】。并归纳出下列结论：在骨架接 3 福建农林大学硕士论文 头处焊接角板可以显著提高客车车身基本结构的刚度。角板越大，最大应力下降 得越多。他建议对于对由等壁厚杆组成的l 型结构，角板的厚度可以选择与杆 的壁厚相同。若结构两根杆件壁厚不一样，角板厚度取与两根杆件中壁厚较薄的 一样。邓腾树进一步探讨了角板参数对客车车身骨架t 型结构和空间三杆结构 承载性能的影响【4 2 1 ，并得出以下结论：在接头处焊接角板可显著提高t 型结构和 空间三杆结构的承载性能，并且所加角板的数量和尺寸大小对结构刚度和强度的 影响很大。角板位置对空间三杆结构的承载性能有很大影响。他提出在加载杆和 平行于载荷的杆之间加角板，能显著提高结构的刚度和强度。而在加载杆和垂直 于载荷的杆之间加角板，对结构的刚度和强度影响较小。在两根非受载杆的接头 处加角板时，其对结构的刚度和强度几乎不起作用。袁佳对一个不等截面空间三 杆结构进行探讨，分析在三杆接头的不同位置加不同个数的角板，对三杆结构刚 度和强度的影响【4 3 】。分析结果表明：角板平面与载荷力平行时，能有效提高结 构的刚度和强度；在等宽两杆之间加角板，加单边角板产生的位移和应力减小系 数约为加双边角板的一半；在不等宽两杆之间加角板，若角板加在不平齐的杆面 中间，所产生的最大应力值不但不会减小，反而增大。 他们对接头角板对客车基本结构承载性能的研究已经有了很好的开端，但仅 限于l 型杆、t 型杆和部分空间三杆等基础结构，尚未系统地探讨角板对接头不 规则的空间三杆结构以及框架结构承载性能的影响，尚未研究添加角板对客车车 身基本结构的动态性能所产生的影响。 1 3 本文主要研究内容及研究意义 1 3 1 本文主要的研究内容 1 ) 进步系统地探讨和归纳接头角板对接头不规则的空间三杆，平面框架， 箱型框架等客车基本结构静态性能的影响规律。 2 ) 探讨和归纳接头角板对客车基本结构以及客车前围骨架动态性能的影响规 律。 3 ) 探讨在接头处添加角板对客车基本结构轻量化的影响。 4 ) 对结构进行静态电测试验，验证计算结果。 1 3 2 本文的研究意义 本文所进行的研究及其结果具有如下理论和实际意义： 1 ) 研究并归纳角板对车身基本结构静动态性能影响规律，对汽车行业中车身 的优化设计具有一定的参考和借鉴价值。 2 ) 研究角板对车身基本结构轻量化的影响规律，对相关人员的研究工作具有 一定的意义。 3 ) 研究结果对农业机械结构及其它工程结构设计等也有普遍的参考意义。 1 4 本章小结 本章主要介绍客车轻量化的意义，并简述了车身骨架接头的研究意义，通过 对国内外接头研究现状的分析，提出了研究的意义，阐述了研究的方法。 4 福建农林大学硕士论文 第二章分析方法 2 1 有限元法与a n s y s 软件 有限元法的基本思想是把一个连续体人为地分割成有限个单元，即把一个结 构看成是由若干个通过节点相连的单元所组成的整体，先进行单元分析，然后再 把这些单元组合起来代表原来的结构。这种化整为零、再积零为整的方法就是有 限元法m l 。 在汽车结构分析中，有限元法作为一种有效的数值计算方法，因为具有能够 解决结构、形状和边界条件都非常任意的力学问题的独特优点而被广泛应用【4 5 】。 例如，在客车车身结构设计中对所有的结构件、主要零部件的承载性能和稳定性 能进行分析，以足够的强度和刚度来保证其使用的安全性和寿命。因此用有限元 法分析刚度和静态与动态强度已经成为现代客车车身骨架设计的必要手段。 经过多年的发展，现代有限元分析软件已拥有大量满足建立不同力学模型需 要的线性与非线性单元，提供了静力和动力分析( 模态分析、瞬态动力分析、随 机振动等) ，大变形非线性分析等功能，并且前处理、分析计算和后处理三者达 到了一体化。软件操作界面友好，计算结果直观明了闱。这一切使得有限元法 在客车设计领域成为设计人员全面评价骨架结构强度和改进设计不可缺少的工 具。a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有 限元分析软件【4 卜5 0 j ，该软件整合了世界一流的应力分析和流体分析技术，凭借其 建模、仿真、分析、前后处理的一系列无缝链接形成了一套完整的解决方案。 a n s y s 是当今世界上最优秀的有限元分析软件之一。本文正是采用a n s y s 软 件，探讨角板对客车骨架基本结构的静态和动态特性的影响。 2 2 单元的选择 客车骨架结构大多是由不同厚度的矩形管焊接而成，矩形钢管可以视为典型 的薄壁结构。对于这样的结构采用壳单元比梁单元能取得更高的计算精度。 a n s y s 软件中提供了一种弹性壳单元s h e l l 6 3 s l , s 2 】，该单元既具有弯曲能力又 具有膜力，可以承受平面内荷载和法向荷载。s h e l l 6 3 单元在节点上有6 个自 由度：包括节点x ，y , z 方向的平动和绕节点x , y , z 方向的旋转。它也具备了应力 硬化和大变形能力。在s 髓l l 6 3 中显示了该单元的几何，节点位置和单元坐标 系。它是通过四个节点、四个厚度、弹性支座刚度和正交各向异性的材料性质来 定义。正交各向异性材料方向与单元坐标方向相对应。单元坐标系的方向正如坐 标系中描述的那样。s h e l l 6 3 单元的形状、节点的位置及坐标系统如图2 1 所 示 5 3 1 。 5 福建农林大学硕士论文 x 图2 - - 1 壳单元s h e l l 6 3 的形状、节点的位置及坐标系统 s h e l l 6 3 单元的优点就是可以真实地模拟接头和角板的几何形状，其不足 之处在于使用了较多的基本假定【5 4 1 ，对于计算结果的精度有一定影响。综合以 上，本文采用s h e l l 6 3 单元建立客车基本结构有限元模型。 2 3 建模及计算分析方法 2 3 1 建模方法 使用a n s y s 软件前处理模块的模型生成功能，可以准确、方便地建立有限 元模型。主要的建模方法有以下三种【5 5 。5 7 j ： ( 1 ) 直接用a n s y s 创建实体模型 a n s y s 提供了两种实体建模的方法，即自底向上的建模方法和自上向下的 建模方法。自底向上的建模方法是先创建关键点，然后依次创建相关的线、面和 体等图元。自上向下的建模方法是可以直接创建高级的图元。 ( 2 ) 通过a n s y s 和c a d 接口导入模型 a n s y s 软件虽然本身有建模功能，但是毕竟不够强大。因此，它设置了与 多种c a d 软件如p r o e ，u g ，a u t o c a d 等的数据交换接口。通过这个接口， 用户可以将再c a d 软件中建立好的模型导入a n s y s 中，然后进行网格划分， 加载求解等过程，这种方法主要适用于一些比较复杂的三维实体模型。 ( 3 ) 利用命令流的方式建模 a n s y s 提供了用命令流的方式进行建模，可以在命令输入窗口中直接输入 命令，大大提高解决问题的效率。它的优点在于为修改模型参数提供了方便。 本文所研究的对象为客车基本结构，其形状较为简单，规则，故采用a n s y s 自带的自底向上的建模方法对结构进行建模。 2 3 2 计算分析方法 静力分析的过程采用a n s y s 静力分析的步骤【4 1 】： 1 ) 建立有限元模型。定义单元类型，实常数、材料特性和模型的几何要素。 2 ) 对模型旌加载荷和自由度约束。除了与模型无关的惯性载荷以外，用户 可以在模型的几何实体( 关键点、线、面) 或在有限元模型( 节点和单元) 上定 义载荷和约束 3 ) 求解。 4 ) 检查分析结果。包括基本解( 节点位移) 和导出解( 节点和单元应力、 6 福建农林大学硕士论文 节点和单元应变、单元力、节点反力等等) 模态分析的过程a n s y s 提供了7 种方法模态提取方法：分块l a n c z o s 法、 子空间( s u b s p a c e ) 法、p o w e rd y n a m i c s 法、缩减( r e d u c e d h o u s e h o l d e r ) 法、非对称( u n s y m m e t r i c ) 法、阻尼( d a m p ) 法、q ) q r 阻尼法。用户可 根据模型的实际情况和需要进行选择。本文采用分块l a n c z o s 法，该方法的特点 是计算速度快，输入的参数少，特征值和特征向量的求解精度高。计算某系统特 征值谱所包含一定范围的固有频率时，采用分块l a n c z o s 法提取模态特别有效【4 圳。 模态分析实际上是一种理论建模过程【5 仉”】，主要是运用有限元软件对振动 结构进行离散，建立系统特征值问题的数学模型，用各种近似方法求解系统特征 和特征矢量。模态分析包括以下三个步骤【5 0 1 ： 1 ) 建立有限元模型 2 ) 施加约束( 自由模态不施加约束条件) ，定义分析类型、求解方法和输 出结果控制，并求解 3 ) 提取运算结果 另外，在保证计算模型准确性，适当兼顾其经济性的原则上，为建立正确、 合理的有限元模型，划分网格的数量必须认真考虑，它将影响计算结果的精度和 计算规模的大小。网格尺寸过大会使模型粗糙而不能精确地表现局部的应力水 平，网格尺寸过小会使得计算时间增多，而且计算精度并不会随单元的增加而线 性提高。本文在参考相关资料的基础上【4 l 4 2 1 ，并根据实际情况对模型网格划分所 取的离散化密度是4 3 6 1 ( + r a m 2 ) 。 2 4 计算载荷及结构分析的评价指标 客车在行驶过程中受到的载荷很复杂，有弯曲载荷、扭转载荷、转弯载荷和 加速、制动载荷等。理论分析、室内试验和使用实践都表明，直接关系到车身结 构强度的主要是汽车自身质量和装载质量构成的垂直弯曲载荷，以及由道路不平 引起的车身扭转载荷。本文即对客车基本结构在弯曲和扭转两种载荷下的承载能 力进行研究。为便于研究，本文对空间三杆进行计算时所采用的单位载荷为 1 0 0 n ，而为了与已有的实验数据相比较，对框架结构进行计算时所采用的单位 载荷为1 n 。 结构的变形可用所选结构上的点的位移来表示【5 引。本文用a n s y s 软件计算 结构上所选取的测点在单位载荷下平行于施载方向的最大位移( 即d 似) ，以及 结构在载荷下的最大范米塞斯应力值( 即s m x - ) 及其位置，用这两个参数来表示 结构在载荷下的承载能力，观察角板位置变化对d m x 和s m x 的影响。其中， 范米塞斯应力是采用第四强度理论计算的等效应力，其计算公式为1 5 9 】： ( 2 1 ) 本文评价结构的强度变化采用的是应力减小系数s ，的计算公式定义为： 7 1 0 0 ( 2 2 ) 福建农林大学硕士论文 评价结构的剐度变化采用位移减小系数d ，其计算公式定义为： d =x 1 0 0 ( 2 3 ) 目前对汽车车身模态分析结果的评价尚无统一的标准，大致可以分为两类。 分析评价和类比评价【6 0 1 。分析评价法认为，结构的动态响应由外界激励频率和 该频率下激励分量大小以及结构本身的固有频率和相应振型决定。类比评价法即 以性能较优、技术成熟的同类车型的模态特性为参考标准，对分析结果进行评价。 对于目前国内设计能力较差的客车企业，此方法应被重视，但此方法不能对结构有 本质认识，且在作结构修改时较难做出最优方案。所以本次计算采用分析评价法 作为判断的标准。分析评价判断遵循原则为【6 l j ： 1 ) 结构的低阶固有频率值应要避开发动机怠速的爆发频率，以避免整车的 共振现象。 2 ) 结构振型应尽量光滑，避免有突变根据模态评价线索，应查明汽车在使 用环境下的实际激振频率，以便使汽车整车各阶模态频率尽可能远离这些实际激 振频率。 2 5 本章小结 本章主要介绍有限元法在客车车身设计中的运用，并简述了a n s y s 软件的 特点。针对本文所研究的结构，对计算单元、建模分析方法以及计算载荷和分析 评价指标进行了选择和确定，为下一步的计算分析工作作好准备。 8 福建农林大学砸十论文 第三章接头角板对空间三杆结构承载能力的影晌 31 概述 空间三杆结构是客车日架最基本的结构之一，常见于承载式客车行李仓架中 及客车骨架边角部位。邓腾树曾对接头角扳厚度、数量等参数对规则接头的空间 三杆结构承载性能的影响进行了研究水】，袁佳曾对角板位置对一个不等截面空 间三杆结构强度和刚度的影响进行探讨1 4 。 本文选择了三种接头不规则的空问三杆结构作为研究对象分析在三杆结构 接头的不同位置添加角板对空问三杆结构的刚度和强度影响，探讨角板位置对接 头不规则的空间三杆结构承载性能的影响规律。所谓接头不规则的空问二杆结构 式指杆件接头焊接处高度和宽度不平齐。 32 研究对象 本文所选择的空甸三杆结构由三根闭口矩形钢管焊接而成，并将其中截面尺 寸最大的杆作为主杆，这三种结构分别为： 结构a ：5 0 x 4 0 x 2 ( 主杆) + 4 0 x 3 0 x 15 ( 施载杆) “0 x 4 0 x 2 ( 支杆) m m 。 结构b ：6 0 x 4 0 x 2 ( 主杆) + 4 0 x 3 0 x l5 ( 施载杆) + 3 0 x 3 0 x 2 ( 支杆) m m 。 结构c ：6 0 x 4 0 x 2 ( 主杆) + 4 0 x 4 0 x l5 ( 施载杆) + 3 0 x 3 0 x 2 ( 支杆) m m 。 各结构尺寸以及接头放大图如图3 一l 至3 3 所示。为便于分析，在a n s y s 中设置了坐标轴，如图3 一i 所示。为了便于与试验数据相比较，在a n s y s 建 模中设置主杆( z 向杆) 的长度统一为6 8 4 m m ，支杆( x 向杆) 的长度统一为 15 2 m m ，施载杆( y 向杆) 长度统一为3 9 9 m m 。 薷卵圈 甜 l r 研掣 雠l | 一 福2 农林大学硕论文 3 3 结构的加载和约束 计算时分别对结构a ，b ，c 的主杆和支杆进行约束。在施载杆两侧距端部 1 9 m m ( 即两个单元宽度) 处各施加5 0 n 的载荷。结构在垂直弯曲载荷下的约束 和加载情况如图3 4 所示，结构在扭转载荷下的约束和加载情况如图35 所示。 为研究结构的变形，分别选取加载丰t 上m 、n 两点作为位移测点，计算其在施 力方向上的位移，其中m 点的z 向位移表示结构在弯曲载荷下的变形，n 点的 x 向位移表示结构在扭转作用下的变形。m 、n 具体位置如图3 6 所示。为便 于对比研究，添加角板前后采用相同的约束和加载方式和数值，并采用相同的测 点。 a n n 图3 4 弯曲载荷t 的约m 加载圈3 5 扭# 载荷t 的约束加载 图3 - 6 施载杆目5 点m # n 的位置 3 4 接头角板位置对空间三杆结构承载性能的影响 为探讨接头角板位置对不规则空l 白】三杆结构承载性能的影响规律，在上述约 束和载荷下，利用a n s y s 软件分别对添加角板前后的三种结构a 、b 、c 进行计 算，并对结果进行分析比较。参考徐建全、邓腾树对角板参数对客车基本结构以 及规则的空间三杆结构刚度和强度影响规律得出的研究结果_ 4 “，本章所添加的 三角扳尺寸为5 7 x 5 7 x l5 m m 。 341 接头角板位置对结构 承载性能的影响 结构a 在弯曲载荷和扭转载荷下测点的位移值及结构的最大米塞斯应力值 及位置如表3 一l 所示。 福建农林大学硕论立 衰3 一l 结构a 弯曲载茼和扭转载荷下，测点的d m x 值和s m x 值厦位置 图3 - - 9 结拊a 1 横型 结构a l 在弯曲载荷和扭转载荷下测点的位移值及结构的虽大米塞斯应力值 及位置如表3 2 所示。 裘3 - - 2 结构 1 1 弯曲载荷和扭转载荷下，铡点的i ) m x 值和s m x 值及位置 弯曲载荷 扭转载荷 叫x ( 衄) s 艘( 咿a ) 翦直位置呲( 舯) s m x 0 p a l 数值及位置 o4 0 5 5 40 2 i ，施载杆与主杆接头右上角点焊接处 29 3 1 “4 2 2 蘸靛杆与主杆接头# 上角点埠接址 如图3 1 0 所示 如图3 一1 1 所示 建女# * 女 图3 1 0 结构a 】在弯载荷t v 叩m l s 应力的位置 目卜i l 结目a l 扭# 载荷t 最大 v o n m i s t s 应力的日 计算分析表明：相对于结构a ，结构a l 弯曲载荷下的最大米塞斯应力下降了 3 78 3 ，位置出现在施载杆与主杆接头右上角点焊接处，结构a 1 在扭转载荷下 的最大米塞斯应力下降t 4 86 9 ，位置出现在施载杆与主杆接头右上角点焊接 处。 2 ) 结构a 2 ：在结构a 的施载杆与支杆接头处两侧平行于x 方向的上下两侧 各添加一块角板，如图31 2 所示。 m 3 - 1 2 结构 2 模型 结构a 2 在弯曲载荷和扭转载荷下测点的位移值及结构的最大米塞斯应力值 及位置如表3 3 所示。 一! 竺! 竺! ! 坚! 竺型塞堡苎堡兰 些! ! 竺! 些竺堂塾堕墨垒兰 o3 6 34 92 0 5 臆载杆与杆接头左下角点焊接处 o6 0 35 21 3 5 ，平行于x 方向角扳斜边缘 一 ! ! ! ：! 竖 ! ! ：! ：堕 福建农林大学论文 目3 一1 3 结构a 2 在弯曲载赫t 屠丈 y o n m i r e s 应力的位置 嘲3 一1 4 结构a 2 在扭转载荷下最丈 v o n m l s 应力的位霉 计算分析表明：相对于结构a ，结构a 2 在弯曲载荷下的最大米塞斯应力下降 了4 33 7 ，位置出现在施载杆与主杆接头左下角点焊接处，结构a 2 在扭转载荷 下的最大米塞斯应力下降了8 46 6 ，位置出现在平行于x 方向角板斜边缘上。 3 ) 结构a 3 ：综合a 1 和a 2 两种加角板方式，在结构a 的施载杆与主杆接头处 平行于z 方向的左右两侧以及施载杆与支杆接头平行于x 方向的上下侧各添加一 块角板如图3 一1 6 所示。 图3 1 5 结构模型 结构a 3 在弯曲载荷和扭转载荷下测点的位移值及结构的最大米塞斯应力值 及位置如表3 - - 4 所示。 3 - - 4 结构 3 在弯曲载荷和扭转载荷下，测点的d m x 值自s m x 值发位置 建农# 论! 目3 一1 6 结构a 3 在弯曲载荷下最大 v