客车的强度与刚度分析文献综述

本文格式为Word版，下载可任意编辑——客车的强度与刚度分析文献综述某客车车身结构强度与刚度分析文献综述

一课题意义

车架将发动机、底盘和车身等各个主要组成部分连成一个整体,是汽车的关键承载部件,它承受的载荷包括汽车自身的质量和行驶时所受到的冲击、扭曲、惯性力等.车架设计和校核以前多采用简化力学模型,且主要考虑静力分析,由于车架的结构和受力的繁杂性,合理的设计目标很难实现.随着计算机的快速发展,国内汽车行业将有限元技术应用于车架强度计算,但汽车的行驶工况十分繁杂,不可能完全模拟实际行驶过程中的所有工况.因此,本文着重分析客车车架在匀速、扭转、紧急制动、急速转弯等几种典型工况下的承受载荷状况和变外形况,所得结果可直接用于汽车设计的改进和性能评价.结合全承载客车的开发,应用有限元分析工具建立该车车身结构的CAE模型,并对该车进行静态工况计算及模态分析。指出该车在设计中可能存在的问题,针对该问题提出改进方案,通过分析比较,说明改进方案的有效性和合理性。客车车身结构型式按承载方式可分为非承载式、半承载式和全承载式。三种结构型式在承载方式、结构设计原理以及加工制造工艺上均有明显不同。全承载式车身骨架与其他两种车身结构相比，其突出特点是没有相对独立的底盘车架，客车载荷主要靠由小截面型材焊接而成的封闭骨架承受。所以全承载式客车车身必需具有足够的强度，保证其使用寿命和足够的刚度，以保证其使用要求。

二课题的发展状况

1匀速直线行驶工况

匀速直线行驶工况的计算主要是对客车满载状态下(也称满载纯弯曲工况)四轮着地时的结构抗弯强度进行校核,可以了解客车在良好路面下匀速直线行驶时的应力分布和变外形况.用车身骨架质量和载荷乘以动载系数(本文动载系数取25),方向竖直向下,以模拟客车在此工况产生的对称垂直动载荷.在分析时,为了防止车身刚体位移吞噬车身的弹性位移,所选择的工况在弯曲工况的基础上忽略钢板弹簧、轮胎的刚度和前、后桥的重量[1].

有限元分析模型的4个支承点分别取在对应车轮的轴心,工况分析可以只约束4个支承点处在整体坐标系中的Z方向的平动自由度.如图1为匀速直线行驶工况下车架的结构强度和刚度分析图.

2扭转工况

扭转工况的计算主要考虑一轮悬空时施加在车架上的扭矩的作用.根据客车实际行驶状况,一般考虑左、右前轮分别悬空.扭转工况下载荷的处理方式与车身静弯曲工况一致.模拟某轮悬空的方法是:释放悬空轮的全部自由度约束,约束其它3个支承点的相应平动自由度[2].图2~7(见82页)为左扭

转工况下车架的结构强度和刚度分析图.图8~13(见82、83页)为右扭转工况下车架的结构强度和刚度分析图.表1为扭转工况下车身各部分最大应力统计表.表1扭转工况下车身各部分最大应力统计表名称最大应力值(MPa)

左前轮悬空右前轮悬空

右侧围13160左侧围12458顶盖12355车架7935前围7030后围5633

3紧急制动工况

紧急制动工况的计算主要考虑:当客车以最大制动加速度07g制动时,地面制动力对车身的影响.载荷处理与静态弯曲工况基本一致.约束的处理方法是:约束4个支承点处的全部Z方向的平动自由度,约束前后轮支承点的X方向的平动自由度.

4急速转弯工况

急速转弯工况的计算主要考虑:当客车以最大转向加速度04g转弯时,惯性力对车身的影响.载荷处理的方法同紧急制动工况类似,只是将纵向的制动力影响改为横向的惯性力影响,制动加速度07g改为向心加速度04g,用于模拟转向惯性力对车身的影响[3].

约束的处理:约束各支承点处的Z方向的平动自由度,放松所有的转动自由度.如图18、图19为左急速转弯工况下车架的结构强度和刚度分析图.图20、

图21为右急转弯工况下车架的结构强度和刚度分析图.表2为4种典型工况下车身各部分最大应力统计表.结果说明,该车身骨架的强度有足够表2四种典型工况下车身各部分最大应力统计表名称最大应力值(MPa)静弯曲工况扭转工况紧急制动工况急速转弯工况的余量.需要强调的是,在扭转工况下,车身各部分的最大应力都出现在左前轮悬空的工况下,原因主要是该车型结构上的不对称造成的.急速转弯工况的最大应力是综合考虑了两种不可怜况而得出的结果.实际上,本模型由于略去了蒙皮和非承载构件的影响,因此所计算的车身强度和刚度比实际偏低.从节省材料的角度来说,应当可以对其结构进行优化.在该车型的前后轴距基本不变、车门位置不变的状况下,可以合理安排载荷的分布位置,根据计算所得到的结果,适当调整车身骨架各梁的截面形状和尺寸,改变梁截面的惯性矩,尽可能满足各处等强度和等扭转刚度要求,以达到充分利用材料、降低整车重量目的.右侧围151312632左侧围151242834顶盖8123252239车架137943213前围7670224229后围3095647312

1车身结构有限元模型的建立

在建立车身结构有限元模型时,为避免问题过于繁杂,在尽可能如实反映车身结构主要力学特征的前提下,根据车身的结构和承载特点对模型进行适当的简化。(1)将车身简化为空间梁框架结构(即采用梁单元建模),忽略车身蒙皮及玻璃对车身总体结构的强度和刚度的加强作用,从而使计算结果偏安全。(2)将车身骨架上的空间交织点全部定义为节点,对相距很近而又不重合的交织连接点进行简化处理(即用一个取中的节点代替)。(3)忽略某些对整体结构变形和

应力分布影响较小的非承载件,如:车顶及车身侧围的一些承载较小的连接杆和支撑件。本文并没有采用全壳单元建立整车身模型,主要是考虑工程实际中所需计算周期以及工作量的问题,工程实际中,往往需要控制新车开发周期,在工程师设计终止之后,我们需要尽快找出设计缺陷或者危险零部件,以及知道其所受大致应力,这样十分有利于在新车试制之前就对设计进行改进,而有限元仿真的周期就显得很重要,简单的应用梁单元计算精度虽不如壳单元,但是梁单元最大的优势就是其有限元模型建立便利快速,如采取适当的修正补偿措施同样可以获得满足工程需要的分析精度。2车身骨架的静力学分析

弯曲工况和弯扭组合工况是客车车身的主要受力变形模式,为此进行弯曲和弯扭组合静力工况下应力变形分析,以确保车身的强度和刚度满足要求。静载弯曲工况(如图2~3),主要进行客车在静态满载时车身骨架和底盘的抗弯刚度和强度分析(车身自重和载荷乘以2~2.5倍的动载荷系数,模拟客车在水平路面以较高车速行驶时的动载荷)。左、右轮悬空工况(如图4~7),主要研究客车以相对低速通过凸凹不平路面时的抗弯扭强度和刚度,它反映了车身结构的实际最大静态强度问题(车身自重和载荷乘以1.2倍的动载荷系数)。

3车身骨架的模态分析

模态是系统的某一本质的振动形态,在这种振动形态下,系统表现