客车有限元模型的建立流程

1、 有限元建模流程:有限元前分析可分成三个阶段：前处理、计算分析、后处理。前处理主要包括几何、材料、边界条件三方面的内容。几何方面主要是网格的划分，也即节点和单元的生成。材料方面，主要确定材料性能。边界条件主要包括载荷和约束的确定。有限元分析后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便地提取信息，了解计算结果。一般通用有限元软件的建模分析流程如图2-2所示。模型修iF1定义材料1定义单元网格划分与惓改前处理部分 -壕性型择井r.届模逸划衆料何元格有材儿单网冇限尤程序有限元分析的流程见图21.；工程问题!调研相关资料制定分析方案获取对象的材料性质机械特性、几何条件外力及边界条件加约束加载荷加时间变化情

2、形 材料属性及梁横截面属性的指定:车身骨架所采用的材料均为各向同性材料16Mn和Q235。其材料参数见表所示。对于BEAM188单元还需要指定其线密度，该材料为2.3864xl0-3(16Mn),2.3742x10-3(Q235)。参数定义命令有MPTEMP、MPDATA、R。a3-2前桶性及机就性能材料抗就限屈服极限弹性模量页切模量密度泊松(MPa)(MPa)(GPa)(GPa)(Kg/mm3)比,16Mn480-520280-350200|79,4o,rQ235175-46923520679.47,8b1060”3车身骨架杆件若采用20号优质碳素结构钢，其材料特性如下表。表1材料特性材料屈

3、服极限强度极限弹性模量泊松比密度(MPa)(MPa)(GPa)(g/cm3)202404102.06E50.37.8单元类型的选取：由于车身有限元模型的复杂性，所以在建模中针对不同的结构特征，要选取适当的单元类型。主要可供选用的单元类型有：空间梁单元、薄板弯曲单元和壳单元等。同时还有用于模拟各种连接方式的单元类型。在选择单元类型时，要遵循两个原则：一、要能够准确反映结构的力学特性，能够得到合理的计算精度；二、尽量选用相对简单的单元类型，降低有限元模型的复杂性，能够节约计算机资源和运算时间。壳单元车身结构主要由薄板冲压件和车身蒙皮构成。而车身结构中的薄板冲压件结构的厚度都远小于其平面几何尺，而且

4、大多都是既要承受拉压载荷，又要承受弯曲载荷，针对这样的力学特性，在建模时采用壳单元。壳单元可以看成是膜单元和板单元的组合。膜单元只能承受平面内的拉压载荷；板单元只能承受垂直于板的弯曲载荷；而壳单元既能承受弯曲载荷又能承受拉压载荷，所以能准确模拟薄板冲压件的力学特性。质量单元整车结构中有一些附件结构比如发动机、离合器等，如果也对其详细建模的话，就大大增加了模型的复杂程度。所以要做适当的简化，有两种方法，既可以作为集中载荷的方式添加，也可以用质量单元来模拟。质量单元用一个置于质心位置的点单元来表示。弹簧阻尼单元EQ6111LH采用空气悬架，共6个气囊，前悬架有2个气囊，后悬架有4个气囊。(问题：什

5、么叫空气悬挂？空气悬架？)弹簧阻尼单元常常被用来模拟汽车悬架装置，这样可以准确模拟车身结构中的受力情况。弹簧阻尼单元的特征参数有：弹簧刚度系数，阻尼系数。在进行强度、刚度和自由模态分析时，阻尼不起作用，此时可直接当作弹簧单元来处理。4用于连接方式模拟的单元车身结构中的连接方式很多，一般有螺栓、铆接、点焊、缝焊、粘接等。在建立有限元模型时，要根据不同的情况，对不同连接方式采用不同的单元类型来模拟。当研究整车的刚度或者固有频率和振型等车身整体性能时，由于局部连接方式对整车性能影响有限，同时考虑到模型的简化，可以不考虑各种连接方式的不同以及它们对结构性能的影响，直接将连接部位的所有对应节点合成一个节

6、点，当成两部件共有节点来处理。当要建立详细有限元模型，研究车身各处应力水平时，由于局部情况不能忽略，则必须考虑连接方式的不同，采用不同的有限元类型来模拟。螺栓和铆钉连接，常用刚性连接单元或者刚性小短梁来模拟。后者比前者计算精度高，但模型的规模相应增加，要视具体情况来处理。近年来，由于粘结质量的提高，在车身连接中得到了广泛的使用，特别是蒙皮和车身骨架的连接。在通常的情况下可以作为点焊来处理。如果要很高的计算精度的话，则可以用弹簧单元来模拟，但相对就比较复杂。缝焊，由于其连接比较均匀，且强度较高，因此可以简单处理，将焊接部位的所有节点设置成两部件共有即可。对零件之间的点焊连接采用不同的建模方法，将

7、影响整体车身的刚度和刚度分布，因此焊点建模对于车身建模有着非常重要的意义。对点焊的模拟，大致可以采用以下一些方法：1采用节点相连的方法。把相同位置的两个节点融合为一个节点，这两个节点具有相同的自由度、相同的（角）位移、（角）速度和（角）加速度。这是一种简洁的处理方法，也是普遍采用的方法。采用这种方法，可以减少模型的自由度，降低建模的复杂程度，节省计算时间，快速地对整体模型作定量的分析。但节点相连会使计算结果有一定的误差，对于连接焊点附近的区域，存在较大误差。要得到焊接区域准确的结果，需要对焊点作进一步分析。对于离焊点区域较远的部位，计算结果是比较准确的。2采用同螺栓或铆钉连接一样的方法，即采用

8、刚性小短梁来模拟。这种方法的优点在于可以较准确反映节点附近的应力分布。3采用实体单元模拟焊点。这种处理方法会使模型增加大量的自由度，对于通过上万个点焊将车身零件连接起来的整体车身来说，需要大量的计算机资源，对机器配置要求也较高。建模单元特性在划分网格之前，通常都要指定所分析对象的特征，即定义单元类型。主要包括3个基本类型的常数定义:单元类型（ElementType）定义,实常数（RealConstant）定义，以及材料属性伽aterialAttrbiute）定义。ANSYS提供了大约200种单元用于工程分析。经常采用的单元有:线单元、梁单元、杆单元、弹簧单元和壳单元等。典型的实常数包括:厚度、

9、.横截面面积、高度、梁的惯性矩等。在ANSYS所有的分析中，都要输入材料特性，包括弹性模量、泊松比、密度、热膨胀系数等。如前文所述，客车车身可看作是一种复杂的空间薄壁杆件结构。其中的绝大多数杆件是闭口薄壁方管，在车身结构中起到空间梁的作用。对于一般的梁来说，轴向的长度要比其它两个方向的宽度大的多，所以一般来说可以抽象为一维模型进行求解。ANSYS中的梁单元就是适用于生成三维结构的一维理想化数学模型，所以对于车身部分，可以考虑利用梁单元来建立骨架的有限元模型，将结构件之间的连接点简化为计算模型中的节点。与实体单元和壳单元相比，梁单元的求解效率可以更高。虽然梁单元模型不能如实反映出结构局部的详细应

10、力分布状况，这也是利用梁单元建立模型的不足之处。但根据整车的设计情况和经验，车身往往是整车结构中强度比较高的部分，相对来说，骨架部分的设计使其在强度上有足够的保障，因此为了降低计算成本，减少计算时间，所以决定采用梁单元来建立车身骨架结构的有限元模型。常用的梁单元主要有以下几类：普通梁单元，如BAEM3,BEAM4;其中BEAM3是一个轴向拉压和弯曲的二维弹性梁单元，而BAEM4是一个轴向拉压、扭转和弯曲的三维弹性梁单元，具有应力刚化和大变形功能。截面渐变梁单元，如BAEM44,EBMA54;其中BAEM44是具有拉伸、扭转和弯曲功能的单轴三维渐变不对称梁单元，EBMA54是具有拉伸、扭转和弯曲

11、功能的单轴二维渐变不对称梁单元。塑性梁单元，如BEMA23,BEMA24;其中BAEM23是具有拉压和弯曲性能的单轴二维塑性梁单元，EBMA24是任意截面(开口或封闭)的单轴三维薄壁梁单元，具有拉压、弯曲和扭转功能。考虑剪切变形的梁单元，如BEMA188,BEAM189;该二单元都是ANSYS从5.5版本开始起增加的新的梁单元，它们将梁的横截面纳入模型的属性中，丰富和方便了对梁单元的定义，而且具有强大的绘制梁单元截面立体图的功能。BEMA188是三维线性有限应变梁单元而BAEM189是三维二次有限应变梁单元，它们都适合于分析细长梁或中等粗短梁结构。网格划分与检查：车身骨架主要时由矩形截面钢焊接

12、而成，板件厚度为1.5mm。在采用板壳单元进行有限元划分时，首先要提取矩形截面杆实体模型的中面。中面是在划分网格时用平面有限元单元来表示某一给定部分的几何层，通常适用于金属冲压而成的薄片、带肋板的塑料模件和其他一些带板件的结构。图2-3養现中面示意骨网格划分是建立有限元模型的一个重要环节，网格的质量和规模对计算精度和效率有直接影响。单元尺寸的确定在划分网格之前，首先要选择合适的单元尺寸大小。对于车身模型的单元类型而言，主要是考虑壳单元的尺寸大小，因为它直接决定了有限元单元数目的多少，从而对模型的复杂程度，计算的精度有着较大的影响。理论上讲，单元尺寸越小，网格越密，则计算精度也越高，但所占用的计

13、算机资源越多，计算时间也越长。而且随着网格密度达到某一规模之后，再增加网格密度，精度提高变得越来越不明显。所以在能满足计算精度要求的情况下，单元尺寸尽量取大一些。另外针对不同的分析类型，要选择不同的单元尺寸大小。比如模态分析和应力分析对于单元尺寸的要求就不一样。应力分析时因为细节会造成应力集中，所以对这些部位的网格要适当细化；而模态分析要求单元均匀一些，相对于应力分析单元尺寸可以适当取大一些。对于究竟取多大的单元尺寸才能满足特性分析的精度要求，并没有统一的标准。在实际的网格划分过程中，可以先根据经验选取某一单元尺寸，然后进行试算，之后再适当减小单元尺寸，再进行试算。如果两次试算的结果误差不大，

14、则前一次的单元尺寸就基本上满足精度要求。对于应力分析，首先应该选取较大的网格建立粗略的有限元模型，然后进行粗算。这样可以确定应力比较集中的地方，可以有针对性地对局部网格进行细化。2网格检查网格质量是指网格几何形状的合理性。网格质量的好坏将影响计算精度。质量太差的网格甚至会造成计算的中止。网格质量可用细长比、锥度比、内角、翘曲量、拉伸值、边节点位置偏差等指标来衡量。细长比(AspectRatio)：单元最大边长与最小边长的比值，一般应力分析的时候要保持在3:1以内；分析变形时最好保持在10:1以内。翘曲量(Warpage)：表示单元相对于平面的偏移程度。对于四边形单元，翘曲量最好在10度以下，若

15、单元的翘曲量太大，可将其剖分为两个三角形单元。雅可比(JacobianRatio)：单元内各个积分点Jacobian矩阵值中的最小值与最大值之比。对于不合格的网格，可以采用网格优化工具进行优化，或者用更小的网格尺寸进行局部细化，直到整体模型的网格质量达到计算要求。网格检查的另外一个内容是检查节点是否连续，即网格是否具有位移协调性。位移协调是指单元上的力和力矩能够通过节点传递到相邻单元。为了保证位移协调，一个单元的节点必须同时也是相邻单元的节点，而不是内点或边界点。模型简化：有限元模型建立的原则和应注意的问题：客车车身不仅是一个极其复杂的空间薄壁杆系结构，还包括大量的蒙皮。由于一些非承载件和非主

16、要的承载元件对骨架结构的变形和应力分布影响很小，而对问题的求解规模和准确性有着很大的影响。因此没有必要并且也不可能完全按照车身的实际结构来构建其有限元模型，而是要根据各个分析的侧重点有针对性的对模型进行一些简化。建立车身骨架的有限元模型时,即要如实地反映客车车身实际结构的重要力学特性,又要尽量采用较少的单元和简单的单元形态,以保证较高的计算精度及缩小解题规模。有限元分析计算结果的可信度高低，直接受分析模型、载荷处理、约束条件等和实际工程结构力学特性符合程度的影响,若有失误则会造成很大误差,严重时将使计算分析失败。在建模时对模型进行了适当的简化，这样不仅可以缩短建模时间，而且可以突出主要问题。模

17、型简化的程度主要取决于分析类型，即分析目的。如果只是要建立用于粗算的模型，则可以去掉次要的构件，同时忽略零件的局部细节。如果是要建立用于分析整车固有频率、刚度、强度以及局部应力水平的详细模型，则简化时要相对慎重，对所分析性能指标有贡献的结构要尽量保留。因此，模型简化的基本原则是要保证不影响计算精度的前提下，对所研究的性能指标影响的结构进行适当简化。建立车身模型的关键是选择合适的单元来模拟车身结构，并弄清楚车身的整体载荷情况，以确定模型施加的边界条件。当然，计算模型不可能等同于实际模型，需要对模型进行近似简化。构成模型的主要结构，可用具有相似力学特性的单元来模拟真实结构的力学特性。本报告主要针对

18、客车骨架结构进行优化，为此对于发动机，变速箱，座椅及木地板等客车构件，则简化成质量或载荷。建立有限元模型时我们采取了以下措施：(根据客车骨架是由矩形管焊接而成的空间杆系结构的特点，我们运用空间壳单元和梁单元两种方式进行了试算。)本课题研究的是车身骨架的静、动态特性，因此建模时根据实际需要对车身骨架采取了以下的简化措施:省略非承载件。对于哪些为了满足某种功能需要，不是为了承载而设置的构件(例如:扶手，制动踏板支架，仪表盘支座，风窗玻璃的鼻梁等)，由于其对整车的变形和应力分布影响较小，可忽略不计。构件表面光顺化。构件表面上的孔、台肩、凹部和翻边等若实际状况许可予以圆整光滑处理。省略工艺孔。车架前后

19、段的实体模型上有很多安装孔和工艺孔。这些孔的存在对模型的应力和变形影响小，而且还增加了建模难度，因此，在建模是不予考虑。忽略蒙皮。蒙皮对骨架起到加强的作用，但影响不大。从简化模型和偏安全的角度考虑，在模型中忽略蒙皮。蒙皮处理原则：对于与骨架连接刚度较大的金属蒙皮，以空间壳单元来模拟；而对于其它对骨架刚度加强作用甚微的蒙皮结构，则不考虑蒙皮的作用。主从节点原则。出于对结构模型病态问题的考虑，为了避免模型病态的问题，对于位置较近的构件结合点则采用适当合并或“主从节点”的方式处理，避免实际计算中可能会导致的方程病态。有些邻接构件在空间交接的轴线不重合,于是出现了两个离得很近的节点,在力学特性上它们的

20、变形很接近,把它们简化成一对主从节点。结构的有些区域在某方向上刚度很大,例如车身立柱与底横梁连接处,车架纵梁上钢板弹簧支座附近等,各节点的位移相近,利用相关位移来处理。这样就避免了可能出现的总刚度阵的病态,同时也可以提高结构分析的效率。问题：(什么是主从节点原则)？曲杆简化为直杆。对于顶盖横梁、前风窗下横梁等曲杆，由于不是主要承载件，将其简化成若干直杆。双(三)梁的简化。对于两同向焊接的梁，因其焊接处强度近似于材料内部强度，因此将其简化为一根梁。经计算验证，该简化处理与在两根梁中间引入刚性梁的简化处理相比，前者引起的误差远小于后者。简化截面形状。由于客车上构件的设计不仅仅是考虑简单的受力，而且

21、还要顾及其他部件的安装与使用要求，因此截面形状可能不很规范，但在离散化时要作适当的形状简化。载荷分配。载荷的分配直接影响计算结果。应对发动机、变速箱、油箱、地板、乘客、座椅及行李等质量作合理的分配，使之作用在适当的位置。取约束、载荷作用点处，和焊接、铆接点处为单元的节点。模型中的载荷、约束的精确程度对整车结构的位移，应力和模态影响很大。模型简化的内容包括：1对于所研究指标影响很小的次要构件，可以去掉；2对于顶盖的横梁、前围的横梁等弯曲杆件，可以简化为若干直梁；3对于连接部位的很小的圆弧过渡，可以简化为直角过渡；4对于加强筋结构，基于分析目的的不同，可以采用不同的简化方法。要研究整车刚度、强度等

22、性能时，可以忽略加强筋；但如果要研究局部变形及应力分布时，则不能忽略加强筋；用于模态分析，求解固有频率和振型时，也不能忽略加强筋。5对于翻边结构，也要视其结构功能来定。对于对构件局部刚度有加强作用的翻边，如果单元数目允许，最好不要忽略。而对于纯粹是工艺上的需求，几乎不影响结构的刚度和强度的翻边结构，可以完全忽略。6对于孔结构，则可视其尺寸来考虑。如果其尺寸相对于其所在部件非常小，则可忽略；如果某个孔的尺寸相对于其所在部件很大，则会对局部结构的刚度和强度有影响，在要注意局部应力集中的情况下要保留。车身质量及载荷的处理：本文以车身骨架为研究对象，认为整车模型的载荷全部由骨架来承担。载荷主要包括以下

23、几个部分:车身骨架自身重量。根据软件自身功能，在ANSYS中输入钢板材料的密度，软件便自动计算出骨架的面积、体积、重量。对于座椅、乘客的重量。此客车载客量额定为45人，外加一名司机，不计超载。根据实际情况，乘客的重量通过座椅的支撑点传递给地板。因此，对于车架来说，所受载荷用均布载荷来模拟，较为准确，而且可以避免因加点载荷而导致的应力集中。乘客的载荷为750N/人，按照实际布置位置正确施加到车架上。对于底盘各总成的重量如发动机、油箱、蓄电池、离合器及离合器壳、缓速器、散热器及附件、电瓶及架、排气管及消声器、压缩机、加热器、油箱(含燃油)、卫生间、备胎等等都以静力等效原则，在其底盘的实际位置上以均

24、布载荷施加到模型上。在车身顶部有一空调主机，重量为2367N，根据实际所占面积施加到顶梁相应位置。在底盘中部，有一个很大的行李舱，在此按每人60kg的行李加上载荷(按45名乘客计)。本模型所有载荷均以均布载荷的形式加到有限元模型中相应的梁单元中。建模时的悬架系统模拟在强度计算中车身模型通过前后悬架支撑在地面上。因此模型建立的一个重要内容是车身支承系统的模拟。支承模拟的正确与否是计算成败的关键，支承模拟的好坏极大的影响计算结果的准确性。建立支承模型的原则是:足够的约束，使结构消除刚体运动的可能，才能获得位移的确定解。不得有多余约束，因为多余约束会使结构产生实际不存在的附加约束力车身或车架是通过悬

25、架系统、车桥和车轮支承在地面上的。为了使计算更加符合使用工况，可将悬架元件与车身或车架组合起来进行计算分析。车架通过悬架系统与车桥相连，不同的悬架系统对车架以及车身骨架的强度和刚度的影响也不同。本课题所研究的车型是采用前后双钢板弹簧的悬架系统。根据以往的参考文献，一般将钢板弹簧的悬架系统看为两个竖放的弹簧和两根刚度很大的平衡杠杆支承在铰支点上。故在有限元建模过程中把悬架等效为两个弹簧连接单元与两个刚度很大的梁单元。ANSYS中的弹簧连接单元自由度可以用位移或扭矩来描述。可以是只有X、Y、Z三方向的平动自由度，也可以只有沿自身轴线的扭转自由度，但有一个原则就是只能沿自己的轴线移动。这与钢板弹簧实

26、际的作用相符合:除了起到减振的作用外，还起到导向的作用，即在其他方向上的刚度远比垂直方向的大。在建模时为了避免悬架塌陷和侧倾，还应设置连接单元节点藕合。在本模型中，对连接单元节点对10和12、6和8、15和13藕合了X、Y平动自由度和RZ旋转自由度。样车前后钢枫弹賛刚度分别为；前钢板弹賁145+14N/IKB,后钢扳弹簧330土30N/i;前后钢板弹黄卷耳中心到驗低端的距离分别为：前钢板弾餐为1斷啊后钢板聲晉为山血亦在模型建立后直接在实常数中输入有关参数.众所周知，汽车是一种活动范围很广的交通工具，其行驶条件异常复杂，当汽车在具有随机微观轮廓的路面上行驶时，车身上的构件所承受的载荷也是随机的，

27、因此，车身在动载荷下的强度计算比之其它交运工具也就复杂的多。而本文所述的静态计算方法，由于它是立足于以寻求最大载荷作为结构设计的强度指标，用来指导设计就难免会加大构件的截面尺寸，即使如此，对于结构在将来使用中的安全程度，却仍然无法作出较准确的预测。这种确定性的解析方法与达不到合适的安全预测指标之间的矛盾，只有通过基于概率统计理论的随机载荷的引入，才能获得准确的解决。随机载荷的研究需要大量试验来支持，而且引入随机载荷，就要引入疲劳，问题比较复杂，涉及路面不平度、工况、客车动态特性、焊接件的疲劳试验数据、几何尺寸大小的影响、表面状况、焊接工艺、质量等，各种因素对疲劳影响的离散性也很大。疲劳分配分析

28、有较大难度。然而，汽车骨架的损坏又大都因疲劳所至。因此,从以上这些方面入手对车身骨架的轻量化进行研究，还可以获得更大空间的改进效果。几何模型的生成：鉴于车身结构的复杂性，直接对整体进行有限元建模比较困难，而且修改起来比较麻烦。通过分析，可以看出EQ6111LH车身结构由顶棚、前围、后围、左右侧围、地板骨架和车架几个部分组成。具体建模时可以对各部分独立建模，然后再组合成车身整体的有限元模型。使用这种建模方法可以使得整个模型层次分明，方便对模型局部的修改和调整，同时有利于多人的分工协作，提高建模效率。该车身的大部分骨架是由型钢和异型管焊接而成的空间薄壁杆系结构，这些结构的有限元模型采用梁单元，其几

29、何模型可以直接在ANSYS中建立。在ANSYS里建立车身的几何模型如图(34)所示：车型采用前二后四的空气悬挂，(问题：什么叫空气悬挂？)底架的前后段结构比较复杂，同时，这两处一直都是事故发生率较高的部位，为了尽可能接近实际的建立模型模拟出这两处部位各构件之间的焊接关系，从而较精确的反映这些构件的应力分布，对这两处的有限元模型，我们采用实体单元来计算。底架的前后段结构很复杂，在实体建模能力相对于三维CAD软件显的很弱的ANSYS中建模是困难的。Pro/E具有很强的实体建模能力，而且与ANSYS有良好的接口。因此，我们采用在Pro/E中建立底架前后段的几何体模型，然后将其导入ANSYS里面。导入

30、的方式有两种:直接导入和转换成IGES导入。第一种方法由于软件不同版本接口的原因导致中的Pro/E中建立的几何模型无法正常导入Ansys。第二种方法采用了标准格式，这种格式是几乎所有CAD软件都可以识别的，在Ansys中输入模型时，可能出现模型断裂的结果，可以通过设置合并重合的关键点、产生实体、删除小面积等选项进行改变，反复试验直到输入满意为止，避免因软件接口而产生的破面问题。我们采用第二种方法。ANAN1413-5降架前段几何悝翌阁3-甘底架些几啊模梨在ANSYS+将车身和导入的底架连接起来，如图（37）所示口车身骨架和车架多采用空间梁单元和空间薄壁梁单元。由于车身骨架为薄壁型钢架结构，因此选用了薄壁梁单元，将骨架梁的交点、连接点取为节点。车身骨架结构中所使用的梁多数为规则几何截面的型钢（如矩管、角钢、U型钢等），但也有少数不规则几何截面的异型管（如裙边梁）。对于规则几何截面的梁，ANSYS提供的截面定义工具可以方便地实现其截面的定义。对于不规则几何截面定义，ANSYS提供了两种实现方法:一是建立截面的几何形状并使用平面单元进行网格划分后，写入的截面文件;二是从特定格式的ASCII文件中读入截面的网格信息。针对裙边梁，本文使用第一种方法建立截面的网格，并使用第二种方法实现了自定义截面的共享。其网格如图3一8所示，具体定义过程参