（光学工程专业论文）城市客车车身结构特性分析及优化.pdf

江苏大学硕士学位论丈 摘要 本文针对某型城市客车在城市公交运行中出现底架支架开裂脱焊的 情况，进行有限元分析，并对局部加强方案进行计算验证。在此基础上， 进行结构优化和过障碍应力分析。本文所做主要工作如下： 1 利用有限元分析软件a n s y s ，建立原型车车身的有限元模型，进 行静态计算检验车身强度。对比计算结果与实际情况，分析车架裂纹及 局部开裂的成因，验证模型的合理性。 2 根据加强方案，建立加强车的有限元模型，进行静态计算分析加 强车的强度，考察加强方案的效果。 3 提出对有限元分析加载方法的新思路，主要是提出一种用质量单 元对车厢内乘客进行模拟的新方法，通过强度计算与原计算结果加以比 较，验证了有限元模型和加载方法的有效性，并根据车辆的实际使用情 况，进行了紧急制动和急转弯工况下的计算。 4 对加强后的客车模型进行了静态和动态灵敏度分析，根据灵敏度 分析结果选择设计变量，对客车车身骨架进行轻量化优化设计。 5 对优化前后的模型进行了过障碍应力分析，并分析对比了优化方 案对整车过障碍应力的影响。 由此可见，加强方案有效解决了底架支架开裂情况，并且对加强车 的轻量化优化方案具有可行性。本文在结构优化方面进行了一些有益的 探讨，同时分析结果对于实际客车生产结构改进方面有一定指导意义。 关键词：有限元，客车，灵敏度，轻量化，乘客 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ra p p l i e df e mt oa n a l y s i st h ef r a m ef r a c t u r ea n dv e r i f yt h e i n t e n s i f yp r o g r a m t h e n ，s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o na n dt r a n s i e n ta n a l y s i s i s c o n d u c t e do nt h i sf o u n d a t i o n t h i sp 印e rw i l ld os o m er e s e a r c h 勰f o l l o w s ： 1 t h ef em o d e lo fb u sb e d ys k e l e t o ni 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 i sc o n d u c t e d ，u s i n ga n s y s c o m p a r et h er e s u l to fc a l c u l a t i o nw i t ha c t u a l c o n d i t i o n s ；t h ep a p e ra n a l y z e dt h eo r i g i n a lc a u s eo ff o r m a t i o no ft h ef r a m e f r a c t u r e s oa st ov e r i f yt h er a t i o n a l i t yo ft h em o d e l 2 t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fs t r e n g t h e n e db u sw a sb u i l ta n ds t a t i c a n a l y s i sw a s c a r r i e do u tt oa n a l y z et h ei n t e n s i t yo fs t r e n g t h e n e db u s 3 t h i sp a p e rp u tf o r w a r dan e wl o a dm e t h o dw h i c hn s g sm a s su n i tt o s i m u l a t et h ep a s s e n g e r s t h e nc o m p a r i n gt h eo r i g i n a li n t e n s i t yc a l c u l a t i o n r e s u l tw i t ht h el a t e ro n ea n dv e r i f i e dt h ef e m1 0 a d sm e t h o d 4 s e n s i t i v i t ya n a l y s i s i sc o n d u c t e dt o g e t t h e p r o p e rd e s i g n v a r i a b l e s t h e nt h eb u sb o d yo p t i m i z a t i o ni sc a r r i e do u t 5 t h et r a n s i e n ta n a l y s i si sc a r r i e do u t , t h e na n a l y s i st h ei n f l u e n c eo f o p t i m i z a t i o np r o g r a mt ot h eb u sb e d y t h e r e f o r e ，w ec a l lc o n c l u d et h a tt h es t r e n g t h e n i n gm e t h o ds o l v e st h e p r o b l e me f f e c t i v e l y ，a n dt h eo p t i m i z a t i o ni s f e a s i b l e i nt h i st h e s i ss o m e m e a n sa b o u ts t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o na n dd y n a m i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s w e r ed i s c u s s e da n dt h er e s u l t so fs i m u l a t ec a l c u l a t i o nc a nb e u s e df o r p r a c t i c a ld e s i g no f b u s k e y w o r d s ：f e m ，b u s ，s e n s i t i v i t y ，l i g h tw e i g h t ，p a s s e n g e r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密匦 学位论文作者签名：廖 夕7 年占月：1 屹酬 ， 守 般 厶锡 -乡 j， 。j， 名 月 签 易 师 ： 教 沟 尉 矽 匕日 。 指 加 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：甩 同期：呷引肌”1 妩瑚 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 据资料显示，当今世界汽车保有量已超过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6 0 以上，被认为大气污染的“头号杀手”。城市客车是城市客运 的主要载体，对发展国民经济和提高人民生活水平发挥着重要作用。大力发展大型、 环保型城市客车是缓解城市交通压力、治理城市大气污染的有效途径之一。 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。 在现代汽车设计过程中，车身设计是其中必不可缺的重要方面。据统计，客车 车身质量占汽车总质量的3 0 - 4 0 ，车身制造成本占整车制造成本的比重超过5 0 。 此外，车身直接决定整车的安全性、舒适性、美观以及由车身外形空气动力性能决 定的操纵稳定性、动力性、经济性。因此，车身在汽车整车中占有举足轻重的地位。 国内、外汽车生产的实践表明整车生产能力的发展取决于车身的生产能力， 汽车的 更新换代在很大程度上也决定于车身【n 。现代客车绝大多数都采用半承载式或承载式 车身结构，车身的结构直接影响客车的结构特性，因此，客车车身的结构分析尤为 重要。客车车身结构必须有足够的强度以保证其疲劳寿命，足够的静刚度来保证其 装配和使用要求，同时应有合理的动态特性以达到控制振动和噪声的目的。应用有 限元方法进行客车车身结构静力分析、模态分析能有效地满足客车车身结构设计的 要求1 2 l 。 随着人们对汽车安全性、舒适性、环保性能要求的提高，汽车空调、安全气囊、 隔热隔音装置等设备越来越多的被安装到汽车上，这无形中增加了汽车的质量、耗 油量和耗材斟3 1 。因此，着眼于长远的可持续发展，节约资源、减少环境污染，要使 汽车节油。相关研究表明，汽车车身质量每减l o o k g 可节油0 2 l 1 0 0 i ( i i l 0 3 l i o o k m 4 ，因此，对车身轻量化的研究显得十分重要。目前国内外通常采用有限 元仿真与电测量试验相结合的方法对车身进行轻量化。 l 江苏大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 国外从6 0 年代起就开始用有限元法进行车身强度和刚度的计算1 5 1 。1 9 7 0 年美国 宇航局的n a s t r a n 结构分析程序被引入汽车结构分析中，对车身结构进行了静强度 有限元分析，使车身减轻了自重，为车身轻量化开了先河。1 9 7 4 年l i n a g y 6 1 用予 结构法对车身进行了静态分析。1 9 9 5 年德国保时捷( p o r s c h e ) 公司的美国分公司完 成了u l s a b ( 钢质车身轻量化设计) 的项目，改善了占车体身本体静质量2 5 的零部 件，使轿车车身的总质量由2 7 1 k g 降至2 0 5 k g 。目前，国外各大汽车公司利用有限元 软件进行车身结构静态分析、模态分析的技术已日臻成熟。 国内用有限元法分析车身结构始于7 0 年代后期。浙江省交通科学研究所应用有 限元方法在西门子7 7 3 9 计算机上对大客车车身进行了强度计算；长春汽车研究所、 吉林工业大学等单位也应用有限元方法，对客车进行了静态分析。进入8 0 年代，在 汽车结构分析中，有限元分析方法逐步开始推广应用。冯国胜 7 1 等对客车进行了静强 度分析，表明模拟计算可以提供足够准确的车身刚度特性以及整车结构应力分布的 大致规律，并能够对高应力区进行改进计算。吉林工业大学的王裴和沈阳轿车厂的 刘昕等人探讨了车身车架模型建立和计算中的一些技术问题，并对s y 一6 2 2 b 客车进 行了有限元计算分析。 近几年，国内外利用有限元法进行优化方面也有了很大的发展。d u a n ed e t w i l e r d 对车身进行了结构优化 8 1 。陈吉清、兰风崇等进行了客车概念设计阶段车身结构优化 设计分析 9 1 。 陈鑫、高云凯等进行了轿车车身静态刚度分析及结构优化研究 埘。马 迅等对车架进行了灵敏度分析和优化【1 1 1 。胡志远等对客车车身刚度进行了灵敏度分 析及优化【埘。 国内外车身轻量化研究主要通过以下方面来实现 4 1 1 1 3 1 ： ( 1 ) 用新型材料，如高强度钢、铝、镁及其合金、纤维增强塑料等。如奥迪( a u d i ) 公司1 9 9 4 年生产的伞铝a 8 轿车，采用铝合金车身，使车身质量降低了4 0 。荷兰的 a c c e s s 型概念车，车身及发动机均用铝合金制造，车身静质量8 5 0 k g 。 ( 2 ) 采用新型制造加工技术，如专用焊接技术、专用机械紧固元件等。德国某 公司采用c 0 2 激光焊接l l 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 i l o r e db l a n k ( 泰勒法) 工艺制造车身零件，用这种工艺冲压的车门，各处 2 江苏大学硕士学位论文 厚度可以不相等。瑞士制造的e l i s e 概念车，采用专门的粘结技术及专用紧固件连 接，由铝合金制造的敞篷车，整车质量已降至6 9 0 k g 。 ( 3 ) 优化结构设计，尽量减少零件数量。用有限元法建立车身模型，使车身各 处承载截面及厚度更加合理。如德国保时捷公司的钢质车身轻量化设计项目。 1 3 有限元在汽车行业中的应用 有限元法是将所探讨的工程系统( e n g i n e e r i n gs y s t e m ) 转化成为一个有限元系 统 7 1 ( f i n i t ee l e m e n ts y s t e m ) ，该有限元系统由节点( n o d e ) 及单元( e l e m e n t ) 所组 合而成，以取代原有的工程系统。对汽车的零部件和整体结构进行力学仿真和分析， 是研究其可靠性、寻求最佳设计方案的主要手段。汽车在实际使用中载荷情况很复 杂，采用经典力学的计算方法往往有很大的局限性，而有限元方法( f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ) 的发展和应用，为其带来了一种可靠的计算方法。 进行有限元分析的目的包括： ( 1 ) 计算结构的静动态特性，进行优化设计，预测其疲劳寿命和可靠性。 ( 2 ) 在汽车使用中发生故障时，分析其原因，提出合理的改进方案。 有限元分析软件的组成部分和支撑环境如图卜l 所示。其中数据可视化图形系 统可以借鉴已有的图形支撑环境，如u g 、p r o e 、i - d e a s 、s o l i d e d g e 等【1 4 1 。 美国福特汽车公司在上世纪7 0 年代即使用n a s t r a n 软件，用板梁单元进行车 身的静态分析，找出高应力区，并改进应力分布。日本五十菱汽车公司在8 0 年代末 已将c r e 应用到车身设计的各个阶段，从最初设计阶段的粗略模型到设计中、后期 的细化模型，分析的范围包括强度、刚度、振动、疲劳、碰撞及形状和重量的优化【1 5 1 。 进入9 0 年代，有限元分析得到了更为广泛的应用。美国通用汽车公司在通用有限元 程序的基础上自主开发了后处理程序，将发动机和道路激励载荷集成到数据库中， 进行汽车对发动机和道路激励的响应分析和改进，极大的简化了分析过程。日本尼 桑汽车公司利用有限元分析仿真束驱动整个设计过程，减少了设计时间，在分析中 使用的模型已经包括悬架、发动机、轮胎和转向机构，使花费、重量和n v h ( n o i s e 、 v i b r a t i o n 、h a r s h n e s s 、性能得到优化。美国福特汽车公司也利用c a e 在新车开发中提 高其n v h 性能，取得良好效果。 3 江苏大学硕士学位论文 科学数据的可视化 ( g r a p h i c sd i s p l a y s ) 前处理 ( p r ep r o c e s s o r ) 几何造璎 节点单元，网格 位移，力边界条件 有限元分析计算 ( s o l v e r ) 分析类型 求解器控制 输出控制 后处理 ( p o s tp r o c e s s o r ) 变形图 应力图 误差图 数据库 ( d a t a b a s e ) 图l l 有限兀分析软件的组成 国内用有限元法分析车身结构始于7 0 年代1 6 1 ，浙江省交通科学研究所应用有限 元方法在西门子7 7 3 9 计算机上对大客车车身进行了强度计算。进入8 0 年代，在汽 车结构分析中，有限元分析方法逐步开始推广应用。随着计算机软、硬件技术的发 展，特别是微机的性能大幅提高及普及，在微机上进行有限元分析已不再是难事， 使得有限元分析的应用向广度和深度发展。 1 4 分析单元的选择与简介 本文涉及的分析软件为a n s y s ，该软件是融结构、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，覆盖了绝大多数工程应用领域。 模型化的关键就是选择合适的单元来模拟结构。在具体选用时，是以力求反映 车身结构的力学特性为前提，同时尽可能选用简单的单元，使得模型既合理，又节 约计算费用。本文用壳单元s h e l l 6 3 建立车架底架模型，用梁单元b e a n l l 8 8 和b e a m 4 建立了车身骨架模型，并且还用到了杆单元l i n k 8 和质量单元，本节对上述一些单 元的特性做出说明【m 。 1 壳单元s h e l l 6 3 简介 弹性壳单元s h e l l 6 3 是最为常用的a n s y s 软件提供的单元之一，如图卜2 所示。 它具有弯曲和薄膜能力，允许面内及面法向的载荷。该单元每个结点有6 个自由度： x ，y ，z 方向的平移及转动，包含应力刚化及大变形能力。在大变形( 有限转动) 分 4 江苏大学硕士学位论文 析中可用一致切线刚度矩阵选项。 单元的定义包括四个结点、四个厚度、一个弹性基础刚度、和正交异性材料特 性。正交异性材料的方向参照单元坐标系。单元的x 轴可以通过角度t h e t a ( 度) 进 行旋转。 2 梁单元b e a m 4 及b e a m l 8 8 简介 b e a m 4 是具有张力、压缩、扭转和弯曲能力的单轴单元，如图1 3 所示。该单 元在每个节点上具有6 个自由度：x 、y 、z 方向的平移自由度和绕x 、y 、z 轴的转动 自由度，包含应力集中和大变形能力。 图卜2s h e l l 6 3 弹性壳单元图卜3b e a m 4 单元 b e a m l 8 8 是2 节点的线性单元或3 d 的二次梁单元，如图1 4 所示。该单元适 合于短粗或厚梁单元的分析。该单元在每个节点上具有6 或7 个自由度，十分便于 线性、大转动和( 或) 大应变的非线性应用。 5 江苏大学硕士学位论文 平动。该单元不承受弯矩，具有颦性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形、大应变等功 能。 1 5 本论文的研究内容与方法 根据文献阅读得到的结论，同时结合课题的研究需要，确定本文的研究内容如 下： 1 利用有限元分析软件a n s y s ，采用壳单元s h e l l 6 3 、梁单元b e a m l 8 8 和b e a m 4 单元建立某型城市客车车身有限元模型，进行静态计算检验车身强度，获得各处强 度特性。对比计算结果与实际情况，分析车架裂纹及局部开裂的成因，验证模型的 合理性和方法的可行性。 2 提出局部加强方案，建立加强型车的有限元模型，进行静态计算分析加强车 的强度，验证加强方案的有效性。 3 提出对有限元分析加载方案的改进，用质量单元和杆单元对车厢内乘客等进 行模拟，在此过程中建立了人体的计算模型；通过对车身强度计算与原计算结果加 以比较，验证有限元模型和加载方法的有效性。 4 在获得车身强度分布的基础上进行加强车车身骨架的轻量化优化设计。利用 a n s y s 软件对该车的车身骨架进行静态和动态的灵敏度分析，根据灵敏度分析结果选 择设计变量，以整车一阶扭转频率、一阶弯曲频率、最大应力和扭转刚度和为状态 变量，以车身骨架总质量为目标函数进行优化。 5 对优化前后的模型进行了过障碍应力分析，并分析对比了优化方案对整车过障 碍应力的影响。 综合以上内容，本文工作流程如图卜6 所示。 6 江苏走学硕士学位论文 图1 6 本文一i - 作流程图 7 江苏大学硕士学位论文 第二章有限元模型的建立 有限元分析计算结果的可信度高低直接受分析模型与实际工程结构力学特性符 合程度的影响。客车车身是一个极为复杂的空间薄壁杆、板组合结构，在实际结构 的基础上有效地建立简化而且正确的有限元模型，是保证有限元分析准确的首要条 件。图2 - 1 是本课题研究的城市客车实物照片。 2 1 模型建立的原则 图2 一l 城市客车实物图 建立的模型应满足下列要求旧： 1 计算模型必须具有足够的准确性，能反映车身结构的实际状况。 2 计算模型要具有良好的经济性，在保证模型准确性的前提下尽量降低计算费 用。 2 2 车身结构几何模型的简化 为了提升计算精度和效率，在尽可能如实地反映汽车车身结构主要力学特性的 i ； 提下，对该客车车身结构的简化具体做法如下【1 9 1 1 2 0 1 2 1 】瞄l ： 1 该大客车车身是骨架式结构，蒙皮对骨架刚度加强作用很小，因此分析时可 以不考虑蒙皮的影响吲，车身因此简化为空间框架结构刚。 2 对于顶盖的横梁、i ；i 围的横梁等弯曲杆件，简化为若干直梁来考虑。曲线连 接简化为圆弧连接，将连接部位的很小的圆弧过渡简化为直角过渡瞄l 。 s 江苏大学硕士学位论文 3 省略功能件和非承载构件。如前后保险杠、脚踏板支架、顶棚天窗等。 4 对于距离较近而作用基本相同的构件合成为一个构件，且对截面的形状作适 当的简化。由于客车上一些构件的设计不仅仅是考虑简单的受力，而且还要顾及其 他部件的安装与使用要求形状不规则，所以对于这种截面形状不规则的构件，需要 作适当的简化。对于一些结构上的孔、台肩、凹槽、翻边在截面形状特性等效的基 础上尽量简化，对截面特性影响不大的特征予以忽略。 2 3 车身结构有限元模型的建立 在车身几何模型的基础上，进行模型的离散化，建立有限元模型。有限元分析 计算的速度和结果的准确度直接受分析模型与实际工程结构力学特性符合程度的影 响。 2 3 1 车身和车架有限元模型 本文所研究的大客车的车身为半承载式、骨架式结构车身，以其下部的车架和 车身骨架共同承担载荷。骨架在其立柱下端与底架纵梁两侧悬伸的横梁刚性相连， 即车身骨架下部与车架组合为一整体，车架承担大部分载荷，并通过骨架传递到车 身的各个部分，使车身也分担部分弯曲和扭转载荷。车身部件间的连接大都采用焊 接的方式，在模型处理过程中采用耦合点来模拟部件间的焊接【2 6 l 。 考虑到整个模型计算准确性和计算效率，对于不同部件采用不同单元类型来模 拟。钢板弹簧悬架系统采用柔性梁和刚性梁模拟。车架部分主要由纵梁、横梁和加 强板构成，由很多厚度不同的槽钢、角钢、平板组焊而成，左右纵梁为主要承载构 件，其所受载荷大，应力状况复杂，受到拉、压、弯、扭等几种独立的及其组合工 况的作用，是实际使用中应力状况最恶劣的零件，也是有限元分析计算考虑的重点。 因此以面来建立底架部分的几何模型，在有限元模型中以板壳单元s 玎3 u 奠3 来模拟 底架结构。使用壳单元对车架进行离散化具有较高的精度，由于薄壳理论考虑到了 曲面在弯曲变形处的平面内力，因此更加接近结构的真实情况。原型车架有限元模 型如图2 2 所示。 9 江苏大学硕士学位论文 图2 2 原型车车架有限兀模型 车身骨架包括左右侧围、前后围和顶盖，主要由细长杆件如钢管、角钢、槽钢 等型钢组成，窗立柱较细，车窗开口大，顶盖横梁分布均匀，数目稍多于侧围立柱 数目，很好的保证了骨架的结构刚度。整个骨架部分为杆系结构，由于其所受载荷 相对较小，应力状态也比较简单，主要受拉、压应力。骨架可用实体单元或空间梁 单元处理，利用实体单元可以更详细的反映出结构局部地应力分布状况，但是考虑 到计算效率以及骨架上应力状况并不复杂，在有限元模型中以梁单元b e a m l 8 8 来 模拟骨架结构。外蒙皮对整车应力影响不大，在有限元分析中省去【2 7 】闭。原型车车 身骨架有限元模型如图2 - 3 所示。 本文中车身梁单元和车架壳单元的连接采用主从节点自由度耦合的处理方法。 图2 3 原犁车车车身骨架有限元模型 江苏大学硕士学位论文 2 3 2 钢板弹簧的模拟 钢板弹簧除了作弹性元件外，还起导向作用，因此其在各个方向上均有刚度， 且其在其他方向上的刚度要比垂直方向上的刚度大得多，故用刚性梁一柔性梁结构模 拟钢板弹簧【1 2 1 1 2 9 1 1 3 0 l 。在约束处理中忽略轮胎的变形。刚性梁一柔性梁模拟悬架的等效 如图2 - 4 所示。 图2 - 4 悬架的刚性粱一柔性梁模拟图 悬架弹簧刚度k 用水平柔梁的垂直弯曲刚度来等效；对于刚性梁，为使其受力 时垂直位移远小于水平柔梁的垂直位移，取其轴向刚度为6 0 x 1 0 n t i n 。刚性梁截面 取为正方形，面积由下式计算： a = k x l e ( 2 1 ) 式中：a 一刚性梁的截面积，单位：n 1 1 1 1 2 ； k 一刚性梁的轴向刚度，单位：n r a m ： l - 刚性梁长度，单位：衄； b 钢的弹性模量，单位：n m r 。 柔性梁截面取正方形，h 为截面边长，由挠度公式推出悬架弹簧的刚度k 的倒数 应等于五，即五= 墨= i 1 。 由，= 西h 4 ，可得厅= 浮。 式中：k 钢板弹簧刚度，单位：n r a m ： l 一悬架前后吊耳中心之间的距离，单位：嘲。 1 1 江苏大学硕士学位论文 2 4 载荷处理 2 4 1 传统加载方法 1 对于车架和车身骨架的自重，只需在州s y s 软件的前处理程序中输入相应的 材料密度，程序便根据所输入的单元厚度、实常数等自动将单元载荷因子的信息计 入总载荷，进行计算【3 1 1 。 2 对于车窗玻璃重量的处理，将玻璃重量以均布载荷的形式施加到车身骨架腰 梁的相应单元上。考虑窗框上还有橡皮封条和其他一些附加构件，因此按原始重量 再乘以一个系数1 2 来处理，前后风窗也按此方法来处理【3 2 】。 3 将满载的乘客和座椅质量作为均布载荷施加到车身地板或车架的相应节点 上，取乘客质量为6 5 k g ，座椅质量为1 5 k g 。 4 对于底盘各总成的重量如发动机总成、油箱、蓄电池、方向机等，以静力等 效的原则按其在底盘上的实际位置以集中力的形式施加于相应的车架单元节点上。 若有限元模型上无相应节点的，采用载荷偏置法将载荷偏置到附近节点，并施加相 应力矩1 3 2 1 p 3 1 。 2 4 。2 改进的加载方法 2 4 2 1 乘客的模拟 对于车厢内乘客质量的加载，一般的做法是将满载的乘客质量作为均布载倚施 加到车身地板或车架的相应节点上。本文考虑对于乘客进行立姿和坐姿的区分，建 立计算模型，力求贴近实际情况对其质龟给予加载。 建立乘客计算模氆的思路是首先计算出立姿和坐姿乘客的质心位置，然后在质 心处用质量单元模拟乘客的质量。根据中华人民共和国国家标准6 1 1 0 0 0 0 8 8 中国 成年人人体尺寸刚，结合人机工程知识，计算人体各环节质量及其质心相对位置， 进而可确定乘客质量的加载位置。 一、计算人体环节质星、质心的数学模型的建立1 3 5 l 建立数学模型的目的，是利用中国成年人人体尺寸国家标准中的数据，分别计算 成年人各环节及整体质量和质心的数据，进而统计出成年人人体质心参数。本文根据 江苏大学硕士学位论文 国家标准中关于人体环节质量和质心与人体尺寸的回归方程，将相关人体尺寸转换 为其对应的人体环节质量和质心相对位置。 数学模型的回归方程自变量的选择有以下几个原则【删： 1 选择国际通用项目作为自变量以便分析对比，因此身高体重为首选项目； 2 通过逐步回归选择复相关系数最大的几个项目作为自变量； 3 选择中国成年人人体尺寸标准中包含的人体测量项目； 4 选定项目必须是人们熟悉并便于测量的项目。 基本数学模型是： y b o + b l x l + b 2 x l + b 3 + b 撂4 七b j xs + b 6 xb + b 1 x 1 式中置为系数，查阅g b t1 7 2 4 5 - 1 9 9 8 成年人入体质心；x 。为人体各环节的尺 寸数据，查阅g b i o o o o 一8 8 中国成年人人体尺寸。本文选取人体9 5 百分位数据； 结果中的质量( m ) 的单位是千克( 船) ，质心( m , c ) 的单位是毫米( 删) 。 二、人体环节质量与质心相对位置的计算 将g b l 0 0 0 0 8 8 中国成年人人体尺寸中人体9 5 百分位各环节数据和g b t 1 7 2 4 5 - 1 9 9 8 成年人人体质心中回归方程各项系数代入到回归方程中，通过计算 可得到人体环节质量和质心位置，质心位置数据为质心点到人体环节划分的分界点 的距离。计算结果如表2 一l 所列： 表2 1 人体各环节质量及质心相对位置( 由1 8 6 0 岁成年男子帖百分位数据计算得出) 环节质晕( k g )质心相对位置( m )质心测昔起点 头颈6 1 3 21 3 0 7 2 5头顶点 上躯干 1 2 1 9 91 2 3 3 7 5 颈椎点 下躯干 1 9 8 4 41 8 5 7 9 5 胸f 点 上臂 2 1 0 51 6 9 1 5 0 桡骨点 前臂 1 1 0 11 4 2 5 4 0 桡骨喾突点 手1 3 5 91 2 0 1 9 5 中指指尖点 大腿 1 0 5 9 72 7 1 3 5 5 胫骨点 小腿3 3 8 62 2 9 5 9 5 内踝点 足2 4 0 83 8 9 5 5 足底 整体7 2 8 8 61 1 7 6 5 6 0 足底 注：左右对称部分如上臂、前臂、手、大腿、小腿、足各部分，其环节分界点的名称相同。 江苏大学硕士学位论文 对于立姿和坐姿乘客的质心位置计算，有： 1 由回归方程可直接得出人体标准姿势即直立状态下的质心位置，为从足底向 上1 1 7 6 5 6 r a m 处。 2 对于坐姿乘客的质心位置，应根据客车上的乘客座椅的几何参数及乘坐姿势来 确定。乘客座椅以乘坐休息为主，应保持舒适的乘坐姿势，取靠背角为1 0 0 。，并保持上 躯干和下躯干的轴线重合，座挚角为5 。，则上体与大腿夹角为9 5 。；小腿向前伸，大腿 和小腿之间的角度为8 5 。；坐着的乘客一般将脚平放在地板上，并取小腿与足的夹角为 9 0 。；上臂与躯干平行，前臂水平放于扶手上，乘客头颈保持直立吲嗍。三维人体模型 如图2 - 5 所示，其中各环节数据取自g b t 1 5 7 5 9 - 1 9 9 5 人体模板设计和使用要求。 茗睁坛z z ， z ，。= 气 旦 江苏大学硕士学位论文 在确定了人体质心的位置之后，可在车厢内建立乘客的有限元模型。建立乘客 有限元模型进行加载的思路是：根据车厢内乘客的分布情况，在乘客质心处施加质 量单元m a s s 2 1 模拟乘客，用无质量、不产生扭矩的铰接单元l i n k 8 将质量单元连 接在车架和车身上，模拟乘客在客车行驶中，尤其是制动、转弯过程中颠簸和相互 推挤的状态，可以减小因施加均布载荷而引起的计算误差。 对于乘客分坐姿和立姿两种情况考虑。 1 对于坐在座椅上的乘客，在乘客和座椅这一系统的质心处施加质量单元，实 常数的大小为乘客和座椅的总质量。同时，用3 根铰接单元将该质量单元连接到车 架纵梁的相应部位上，使乘客能够稳定，另外再用1 根铰接单元通过质心处平行连 接到相应的车身侧围部位上，模拟座椅连接在侧围上。 b d 一邕兰1 l 一竺匹! 一 图2 - 6 坐姿乘客有限元模型示意图图2 - 7 立姿乘客有限元模型示意图 图2 - 6 中，m a s s 为乘客与座椅系统的质心：a 、曰、c 点为3 个铰接单元与车 架的连接点；d 点为铰接单元与车身侧围的连接点。 2 对于站立的乘客，首先在车身内用梁单元b e a m 4 建立扶手杆，扶手杆分为 车窗边的扶手杆和带有拉环的立杆两类。扶手杆在建立的过程中做了一定的简化， 具体体现在将车身顶盖和侧围的响应节点作为扶手杆和车身骨架的耦合联接点，以 此保证两节点坐标完全相同，消除可能导致的计算结果的误差。站立的乘客会对扶 手杆施加力，尤其是在制动和转弯的过程中，人体受到地面的摩擦力、质心处的惯 性力，并将相当于一定比例的自身质量分配到扶手杆上。对人体与地板接触点取矩， 可得出分配到扶手杆上的质量约为3 0 的人体体重。因此将站立乘客的3 0 质量平 均间隔地施加到两类扶手杆上，以模拟乘客施加在扶手杆上的力。在乘客的质心处 施加大小为7 0 的乘客质量的质量单元，用3 根铰接单元将其连接到车架纵梁的相 应部位上，另外再使铰接单元平行连接至0 邻近的站立的乘客的质心单元上，以模拟 江苏大学硕士学位论文 乘客在制动、转弯工况下互相推挤的状态。 图2 - 7 中，m a s s l 、m a s s 2 分别为邻近两乘客的质心，两质心之间用铰接单元连 接；m a s s l 、m a s s 2 ，分别为质量单元，模拟乘客施加在扶手杆上的力，虚线代表扶 手杆；a 、a ：、马、j b ：、c l 、c ：分别为连接两个质心的铰接单元与车架的连接点。 2 4 2 2 车窗的模拟 由于该客车车窗开口较大，且车窗玻璃和边框的总质量较大，为了更为准确地 模拟车窗载荷的实际状况及其对车身骨架的影响，本文对于骨架所承受的车窗重量， 本着将车窗质量平均分布的原则，用质量单元将车窗质量加载在各窗角点和各边中 点上。典型加载模型如图2 - 8 所示： 图2 - 8 车窗玻璃加载模璎 图中：两车窗的质量分别为、m ：，点a 、c 、e 、g 、i 、k 分别为车窗各角点，b 、 d 、f 、h 、j 、l 、m 分别为车窗各边中点。 1 ) 在各窗角点及各边中点处，相当于将车窗重量平均分配在八个点上，该处的 质量单元载荷实常数：丢，1 1 ，丢m ：； 2 ) 对于两相邻车窗的公共边上的角点和中点处，如图2 - 8 中k 、m ，e 点，该 处承受相邻两块玻璃的重量，因此其质量单元载荷实常数：；+ m 2 ) ； 3 ) 对于车窗或车门质量并非平均分成八处加载的情况，同样按照质量对称均布 的原则，选择车窗或车门上两边对称节点处加载质量单元。 满载后，整车厂定总质量为1 1 7 0 0 k g ，其中自i f 轴载荷3 7 5 0 k g ，后轴载荷7 9 5 0 k g 。 最终计算模型包含3 5 5 5 2 个节点，3 2 8 8 1 个单元，其中底架使用壳单元s h e l l 6 3 ， 车身骨架采用梁单元b e a m l 8 8 模拟，板簧则使用梁单元b e a m 4 。新方法加载后整车有 限元模型如图2 - 9 。 江苏大学硕士学位论文 图2 9 新方法加载后整车有限元模型 车架采用的材料为b - 6 o 1 6 m n ，车身骨架材料为q 2 3 5 a 钢，参数如下表： 表2 - 2 材料参数 弹性模量密度 强度极限屈服强度 名称泊松比 ( n 2 ) ( k g 咖3 ) ( n m 1 2 )( n m 2 ) q 2 3 5 a 2 1 1 0 5 o 3 7 8 5 1 0 - 6 3 8 02 3 5 b _ 6 o 1 6 m n 2 i 1 0 5 0 3 7 8 5 x i 0 - 6 5 0 9 9 63 4 3 2 5 本章小结 本章介绍了建立城市客车车身模型过程中对结构简化的原则与方法，有限元分 析中对车身和车架单元的选择、钢板弹簧的模拟，建立了车身有限元模型；介绍了 载荷的两种处理方法，重点介绍了对有限元分析加载方法的新思路，提出了用质量 单元代替均布载荷对车厢内乘客进行模拟的新方法。 1 7 江苏大学项士学位论丈 第三章加强方案与静态强度计算验证 本文所分析的公交车在实际使用过程中有多辆出现车架( 左，右后悬架钢板前 吊耳支撑架附近) 开裂及脱焊情况，如图3 一l 、3 2 所示，其故障部位，故障类别， 故障现象大致相同【3 9 1 。 图3 一l 底架开裂图 图3 - 2 支架开裂图 本章对该车型进行静态有限元计算分析以找出开裂的原因，并提出相应的加强 方案。客车的行驶工况比较复杂，过去的理论分析、室内实验和实际使用都表明， 直接关系到客车车身结构强度的行驶工况主要是弯曲和弯扭组合工况p 】川刚。故在本 章中对加强前后的模型进行上述两种工况下的分析，同时验证加强方案的可行性。 3 1 原型车静态分析 3 1 i 弯曲工况计算 该种工况用于模拟汽车在平坦路面上正常行驶情况下的应力分布情况客车处 于满载水平状态，施加沿垂直方向上的载衙，车身产生静弯曲。 3 1 1 i 约束处理 约束的原则是将有限元模型完全约束而又不过约束，因此对于弯曲工况，四个 车轮的z 向平移自由度【，：均被约束，右前轮的y 向平移自由度u 。被约束，左后轮x 向平移自由度u ，办被约束，同时右后轮的x 、y 向平移自由度【，、u ，也被约束。 1 8 江苏大学硕士学位论丈 3 1 i 2 弯曲工况计算结果分析 图3 - 3 原型车弯曲工况车架应力图图3 _ 4 原型车弯曲t 况骨架应力图 由图3 3 、图3 4 可知，在弯曲工况下，车身骨架的应力水平较小，最大应力为 4 6 5 m p a ，位于后悬架附近。车架上最大应力为9 0 m p a 左右，考虑到客车在正常行 驶中的动载荷，整车的应力水平也不高。 3 1 2 弯扭组合工况计算 客车在运行过程中不可能仅仅承受弯曲或扭转作用，这两种工况总是同时作用， 取客车满载、一轮悬空的状态为弯扭组合工况，用于模拟汽车在崎岖不平的路面上 行驶的弯扭工况。由于该车发动机后髭，因此后轮悬空比前轮悬空的工况要恶劣得 多；而且，由于右侧围骨架上开有车门，满载时车身质心会右偏，相对而占，右侧 车身承受更大的载荷。因此，取左后轮悬空工况为本文分析的弯扭组合工况。 3 i 2 1 约束处理 由于左后轮悬空，因此左后轮自由度被释放，右后轮的y 、z 向平移自由度u 。、 u ：被约束，右日口轮x 、y 、z 向平移自由度u ；、u ，、u ：被约束；左d n 轮的z 向平移 自由度u 被约束。 江苏大学硕士学位论文 3 1 2 2 弯扭组合工况计算结果分析 图3 - 5 原型车弯扭 况车架应力图图3 - 6 原犁车弯扭 况车身骨架应力图 图3 7 原璎车弯扭_ 况车架开裂部位局部应力图 从该工况下车身各部位应力图可以看出，应力水平高的区域集中在车架和底架 上，最大应力为2 3 2 m p a ，位于车架左侧后悬架钢板弹簧前吊耳附近。该处由于施加 的载荷比较多，应力相对较大，考虑动载、疲劳等因素，已超出了材料许用应力值。 实际运行中该车在此处出现了车身开裂，证明了计算结果与实际情况足相符的，同 时也说明原型车的有限元建模基本上是正确的。 3 2 加强方案与静态强度验证 3 2 1 加强方案 由以上计算结果和应力云图可以看到，原型车车架上前后悬架连接处应力值较 大，并且在油箱处发现存在明显的应力集中。根据原型车的薄弱之处，对车身骨架 结构提出加强方案1 4 0 l ，主要加强措施有： 江苏大学硕士学位论文 1 加强了后钢板弹簧支架处5 ，后桥上方纵梁与前纵梁交接开裂处4 。 2 加强了前悬架后端处横梁l ，后悬架前支架l i 横梁2 ，后悬架后支架后横梁6 ， 后悬架前支架上方辅助横梁3 ，并将前悬架后端7 到后悬架前端9 之间的所有横梁的 下梁在底盘纵梁方向连成一体，以提高该区域纵梁的有效刚度。 3 加强了油箱托架8 。 加强后的车架如图3 - 8 所示 图3 - 8 加强后的车架模型 3 2 2 传统加载方法计算结果 3 2 2 1 弯曲工况计算结果 加强后弯曲工况的传统加载方法计算结果如图3 - 9 3 1 2 所示。 图3 - 9 加强后弯曲王二况底架局部应力图 图3 一l o 加强后弯曲【况左侧围局部应力图 江苏大学硕士学位论文 图3 一l l 加强后弯曲 况右侧围局部应力图 图3 - 1 2 加强后弯曲工：况顶盖应力图 由图3 - 9 可以看出，由于发动机后畏，相应的离合器、变速器、水箱等部件的 质量大都集中在车架后部，所以在弯曲工况下，该车的最大应力位于车架后部纵梁 附近，为8 3 i m p a 。 车身骨架最大应力出现在右侧围后悬架附近，为6 0 4 m p a ，如图3 一“所示。左 侧围的最大应力为4 9 2 m p a ，同样位于后悬架附近，如图3 - 1 0 所示。由于车身后部 承受较大载荷，以及从后围骨架与车架相连处看，车架刚度远大于后围骨架( 底架梁 壁厚为6 m m ，后围骨架壁厚仅为1 5 m m ) ，从车架后部传递到后围骨架，刚度上发生 突变，所以后围骨架最大应力产生在与车架相连接处，为3 3 9 m p a 。顶盖最大应力位 于后门中部对应的顶盖横梁右侧靠近边梁处，为3 2 9 m p a ，如图3 一1 2 所示。考虑到 客车在正常行驶中的动载荷，在该工况下，整车的应力水平不高。 3 2 2 2 弯扭工况计算结果 加强后弯扭组合工况下的传统加载方法计算结果如图3 - 1 3 3 1 6 所示。 图3 一1 3 加强后弯扭。1 1 况底架局部应力图 图3 - 1 4 加强后弯扭1 ：况左侧嗣局部应力图 江苏大学硕士学位论文 图3 一1 5 加强后弯扭工况右侧围局部应力图 图3 一1 6 加强后弯扭工况顶盖应力图 弯扭组合工况为最恶劣工况。从车架应力图可以看出，应力较大区域集中在后 钢板弹簧前后吊耳附近，该工况下应力最大区域出现在后钢板弹簧前支架后横梁处， 应力为1 2 5 m p a ，如图3 一1 3 所示。 从左右侧围应力图( 图3 - 1 4 、图3 - 1 5 ) 可以看出，两侧围上的高应力区都主要 集中在后轮对应的侧围裙梁处，且右侧围的应力水平值比左侧围的高。顶盖上的最 大应力位置( 图3 - 1 6 ) 和弯曲工况下基本一致，但应力值有所提高。前后围的应力 水平则大大低于上述部件的应力水平。 对于该客车车身骨架材料q 2 3 5 a 钢而占，屈服应力os = 2 3 5 m p a