（光学工程专业论文）桁架式客车车身结构重分析.pdf

摘要 摘要 本文对佛山飞驰客车厂生产的桁架式客车f s q 6 8 9 0 在有限元软件a n s y s 中 用梁单元建立整体模型，分别在匀速工况、制动工况、左扭工况和右扭工况四种 典型工况下进行整体有限元分析，分析结果表明在匀速工况下f s q 6 8 9 0 右后钢板 弹簧前吊耳销座处存在强度储备不足。七辆f s q 6 8 9 0 试用近万公里后也在此区域 出现了早期裂纹，同整体分析中匀速工况下强度储备不足区域相吻合，验证了以 梁单元建立客车车身整体有限元分析模型能够满足整体分析的工程应用精度要 求。 针对匀速工况下计算的强度储备不足的区域，利用子模型法建立了右后钢板 弹簧前吊耳销座处的子模型，依据整体分析中的相应切割边界处的单元的节点作 用力作为子模型分析的边界条件，并用a n s y s 中提供的接触工具对吊耳销座处的 铆钉以及吊耳销处的具体结构形式进行了定义，较真实地反映强度储备不足区域 的结构。子模型分析得到了该区域更加精细的应力分布，可作为该处结构的改进 依据。 针对客车车身设计中常用的加强方式：加斜撑、增加壁厚或加宽以及加斜撑 三角板块，进行了力学等效处理，为计算结构重分析时刚度矩阵的变化量提供公 式。由子模型分析的结果，针对右后钢板弹簧前吊耳销座处的具体结构，对于强 度储备不足的区域采用了并行梁来替代原有的梁。对于改进后的结构，由于仅是 局部结构的修改，为减少计算量和计算时间以及建模的时间，发展了结构重分析 法。结构的重分析表明改进后的f s q 6 8 9 0 强度储备满足要求。 利用a n s y s 二次开发工具u i d l 和a p d l ，结合客车车身结构分析的实际需 求，在a n s y s 软件的基础上开发了由梁到壳体子模型法模块和结构重分析模块。 结合客车车身设计中的特点，该工具可以在客车车身设计阶段进行有限元分析时 起到辅助作用，完成结构存在缺陷车身的局部子模型分析和改进结构后的整体重 分析。 关键词：桁架式客车车身；有限元；a n s y s 软件；予模型法；结构重分析 华南理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t i n t r o d u c t i o no fc a ea p p l i c a t i o ni nt h ef o s h a nf e i c h ib u sc o m p a n y sn e w p r o d u c t i o n sd e v e l o p m e n ta n dt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo f t h eb o d yf r a m eo f f s q 6 8 9 0 b u si sb u i l ti nt h ea n s y ss o f t w a r eu s i n gt h eb e a me l e m e n t i nt h ea n a l y s i sp r o c e s s ， t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eb u sb o d yf r a m ei si n t r o d u c e di nd e t a i l a n dt h es t a t i c a n a l y s i sf o rt h ef s q 6 8 9 0 sb o d yf r a m ei s c o n d u c t e du n d e rf o u rt y p i c a lc o n d u c t i o n s s u c ha sb e n d i n g ，l e f ta n dr i g h ts i d et o r s i o n ，e m e r g e n tb r a k i n g t h ea n a l y t i cr e s u l t s h o w st h a tt h e r ee x i s tt h es t r u c t u r a ld e s i g nd e f e c t sn e a rt h ea r e ao ft h er i g h tr e a rs p r i n g s u s p e n s i o ns h a c k l ep i ns o c k e t t h e r ea l s oa p p e a rf l a w sn e a rt h ea r e ao f t h er i g h tr e a r s p r i n gs u s p e n s i o ns h a c k l ep i ns o c k e ta f t e rt h es e v e r a lb u so p e r a t e da b o u tt h o u s a n d s k i l o m e t e r s ，w h i c hc o n f i r m e dt h a tt h ea n a l y s i so ft h ee n t i r e b u sb o d yf r a m ew a s e f f e c t i v e ，a n dm o d e l i n gt h ee n t i r eb u sb o d yf r a m ew i t ht h eb e a me l e m e n th a se n o u g h p r e c i s i o ni na n a l y z i n g t h eb u sb o d y t ot h ea r e ae x i s t i n gt h ei n s u f f i c i e n ts t r e n g t hr e s e r v e ，t h es u b m o d e lm e t h o di s u s e dt om o d e lt h er i g h tr e a rs p r i n gs u s p e n s i o ns h a c k l ep i ns o c k e t i na n a l y z i n gt h e s u b m o d e lt h ef o r c ea n dt h ed i s p l a c e m e n to ft h en o d e so nt h ec u t t i n g b o u n d a r ya r e u s e da st h eb o u n d a r yc o n d i t i o n i no r d e rt od e f i n et h er i v e ta n dt h es h a c k l ep i ni nt h e r i g h t r e a rs p r i n gs u s p e n s i o ns h a c k l e p i ns o c k e t ，t h ec o n t a c t t o o l si su s e di nt h ea n s y s s o f t w a r e a n dt h em o r ep r e c i s es t r e s sd i s t r i b u t i o ni sa c h i e v e di nt h es u b m o d e l i n g a n a l y s i s t h e b u sb o d ys t r u c t u r ec a nb e i m p r o v e da c c o r d i n gt o t h e s u b - m o d e l i n g a n a l y s i sr e s u l t a st ot h ef r e q u e n t l yu s e ds t r e n g t h e n i n gm e t h o di nt h eb u sb o d yd e s i g ns u c ha s a d d i n gd i a g o n a lb r a c i n g ，t h i c k e n i n go ra d d i n gd i a g o n a lb r a c i n gb l o c k ，m e c h a n i c s i s u s e dt oa c h i e v et h ef o r m u l a s ，w h i c ha r eu s e dt oc a l c u l a t et h ee l e m e n ts t i f f n e s sm a t r i x c h a n g e t h ep a r a l l e l b e a mi su s e dt oa m e l i o r a t et h ea r e ae x i s t i n gt h ei n s u f f i c i e n t s t r e n g t hr e s e r v ea c c o r d i n g t h es t r u c t u r eo ft h er i g h tr e a rs p r i n gs u s p e n s i o ns h a c k l ep i n s o c k e ta n dt h er e s u l to ft h es u b m o d e l i n ga n a l y s i s t ot h ei m p r o v e db u sb o d ys t r u c t u r e ， o n l yt h ep a r ts t r u c t u r ei sc h a n g e d t h es t r u c t u r er e a n a l y z i n gm e t h o d i su s e dt or e d u c e t h ec a l c u l a t i n gt i m e ，c a l c u l a t i n gl o a da n dm o d e l i n gt i m e t h er e s u l to f t h es t r u c t u r e r e a n a l y s i ss h o w s t h a tt h ei n t e n s i t yr e s e r v ei ss u f f i c i e n t a c c o r d i n gt o t h er e q u i r e m e n to ft h eb u sb o d ys t r u c t u r ed e s i g n ，t h ea n s y s s o f t w a r e ，sd e v e l o p m e n tt o o l ss u c ha s u i d la n da p d la r eu s e dt od e v e l o pt h e b e a m t o s h e l l s o l i dm o d u l ea n dt h es t r u c t u r e r e a n a l y z i n gm o d u l e k e yw o r d s ：f r a m eb u sb o d ys t r u c t u r e ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；a n s y ss o f t w a r e ； s u b m o d e l i n gm e t h o d ；s t r u c t u r er e a n a l y s i s 1 1 1 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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后果由本人承担。 作者签名：立栏、夸c日期：沙d 4 年i 月4 日 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。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：立 继、夸己 导师签名：柳凯 日期：如辛年6 月斗日 日期：伊甲年k 月斗日 第章绪沦 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 国产大中型客车的发展 大中型客车是用于向社会提供运输服务的车辆，同比于其他运输工具，大中 型客车有很强优势，表1 - 1 列举了不同运输工具的使用成本及效率。 表1 - 1 各种运输工具的对比表 t a b l e1 - 1c o m p a r i s o nb e t w e e nt h ed i f f e r e n tc o n v e y a n c e s 指标大型客车中型客车 轻型客车 出租汽车 平均运行速度( k m h ) 1 2 2 01 5 2 32 0 3 03 0 5 0 载客量( 人车) 8 0 1 0 04 5 6 01 9 2 5 1 4 占用道路面积( 米2 人) l 1 51 5 23 5 54 5 5 5 油耗比 1 1 61 76 成本比 1242 4 从表1 1 可以看出，大中型客车的载客量以及使用成本都是较低的，所以各 个国家都大力发展大中型客车的公路运输。从而推动了大中型客车在中国的飞跃 发展。无论在客车的生产产量，以及客车的制造技术、设计手段都有了飞跃式的 发展。 国产大中型客车至1 9 9 3 年以来不断增长，特别是1 9 9 9 年以后，由于国民经 济的飞跃发展而带动公路运输快速增长，同时中国高速公路的发展，使得大中型 客车产量每年都保持在4 0 左右的增长率。图1 一l 为从1 9 9 3 年2 0 0 2 年中国大 中型客车产量的分布图。 图1 - l 我国大中型客车产量表 f i g l lt h eq u a a t i t i e so f t h el a 唱cs i z eb u sa n dm i d d l es i z eb u si nc h i n a 1 一幂一哪。辟神刊襄 华南理工大学工学硕士学位论文 客车产量需求增长的同时，也带来客车技术的发展。质轻、安全、环保、舒 适和低开发成本成为客车发展的方向。 1 1 2 客车车身结构发展f j j m j f 4 j 汽车乘员人数不少于1 1 人时称为客车，大客车是指客车车身长度大于l o r e 。 中型客车是指客车车身长度在7 m 和l o r e 之间的客车。其中大中型客车车身的结 构形式已从原使用货车车架的非承载式，发展到车架和车身参与承载，以至现在 的使用所有结构件都参与承载的桁架式的全承载式客车车身。 车身结构轻量化是现代客车的发展趋势，传统的由五大片组焊成整体骨架结 构，前后围采用大型冲压成型的薄壁壳结构，使骨架和蒙皮一体化，侧围和顶棚 保留骨架结构，车身两侧外蒙皮采取棍轧成形工艺。 目前，欧洲客车厂普遍采用的无车架式底盘与骨架结构车身相结合的结构方 式，底盘和骨架由扭转刚性强的矩形管材构成整体封闭承载结构。附加的外蒙皮 起装饰作用。这种结构侧窗开口很大，立柱细，质量轻。使得乘客的视野开阔。 同时这种由有限种类的矩形管材组成的结构还便于进行结构计算，易于设计的计 算机化帮结构优化。 桁架式底盘的客车车身就是全承载式车身中较为典型的一例。全承载式车身 整个车身都参与承载，车身由六大部分组成，分别是：前围、后围、底围、顶围、 左围和右围。它们共同组成了车身的统一整体。桁架式客车车身各段调整方便， 以满足使整个车身结构稳定和均衡的目的。桁架结构是全承载式车身的基础承载 件，取代了大梁式车架，使得整个车身质轻，转化车型灵活。 桁架式客车车身是由异型钢材焊接而成先组成格栅式底盘，然后分别使用不 同规格的异型钢材焊接而成客车车身的前围、后围、定围、左围和右围。在设计 车身时为了尽量使用较少的不同规格的异型钢材，常在设计过程中，针对强度储 备不足的部分进行加强。 1 1 3 客车车身结构分析技术的现状吲7 i 现代客车厂在设计方面都特别重视刚度与强度，无论大厂还是小厂都采用 c a d 、c a m 技术进行车身设计，对车身框架进行有限元计算与分析，以满足刚度 和强度的要求。 随着客车底盘结构的复杂化，以及空气悬架等运用，客车车身有限元分析时 仅仅使用粱单元难于满足局部结构更高精度的需求；如果全部以实体壳单元进行 建模，则建模和计算耗时太多，工作量大，事实上大部份结构使用粱单元分析精 度已能满足一般工程要求。故寻找合适的分析方法仍然对于客车厂的车身合理设 计有重要作用。 文献 2 6 】、 2 7 、 2 8 】中介绍了东南大学和北京理工大学在分析客车车身中， 第一章绪论 仍然使用单一的梁单元进行计算。并且说明了整体分析过程中，梁单元就能满足 精度。文献【2 5 】中介绍了上海交通大学在分析配置空气悬架的客车车身时，使用梁 单元同实体壳单元相结合的方法。用实体单元模拟较为复杂的部位。 1 2 结构有限元分析软件l a n s y s 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的通用有限元分析软件， 应用领域十分广泛。a n s y s 具有多种物理场的耦合功能，允许在同一个模型上进 行各式各样的耦合计算。a n s y s 软件可以解决：结构的线性、非线性分析、电磁 分析、计算流体力学分析、优化设计、接触分析、自适应网格划分以及a n s y s 的二次开发工具a p d l 、u i d l 和u p f s ，可以建立基于菜单系统的对话框、下拉 菜单和子菜单，进行数据输入和功能选择。表1 2 表明a n s y s 软件在有限元分析 中分析的性价对比。 表1 2 各种f e a ( 有限元) 软件性能对比 f i g1 - 2t h ec o m p a r i s o n b e t w e e nt h ed i f f e r e n tf e as o f t w a r e s 疲劳分析价格易用性使用范围二改开发 弼s c n s u 翦 s c p 茸m m s c h r c i s c 矗i 丌f o 硒e i s c s u p e r f - o r g e m s c s 切1 e r f 。r m s c d y r r n m s c 眦i g u e 曲 q u s n s 船 l s d y 眦 矗d i n a a u r c 0 s 舯s d e f c 嘲 f e p g f l u e n t s p 2 0 0 0 1 2 1a n s y s 的发展 1 9 7 0 年，j o h ns w a n s o n 博士在美国宾夕法亚洲的匹兹堡创建了a n s y s 公司， 并与1 9 7 1 年推出a n s y s 的第一个版本2 0 。几十年来，a n s y s 公司致力于设计 分析软件的开发，不断吸取新的计算方法和计算技术，引领有限元技术的发展。 a n s y s 程序融入交互式模式后，在进行分析时，可用交互式的图形来验证模型的 几何形状、材料及边界条件，同时在分析完成后可以对计算结果进行图形显示。 功能的加强和使用的便利化使得a n s y s 软件在实际工程中得以迅速地推广。 1 2 2a n s y s 软件的特点 2 2 5 a 3 3 a 3 5 5 1 0 i 1 2 5 5 4 5 5 5 3 a 3 a 3 5 5 5 3 3 2 1 3 5 2 1 4 3 2 2 2 2 2 4 5 2 a 5 5 1 1 2 4 5 4 4 a a a 5 4 5 5 5 4 a 3 5 1 5 a 4 2 4 0 o 0 o 5 5 5 o 5 5 3 o o o 4 华南理工大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 用户界面 a n s y s 的图形用户界面g u i ( g r a p h u s e r i n t e r f a c e ) 便于有限元分析的进行。 ( 2 ) 图形显示功能 完全交互式图形是a n s y s 程序的重要组成部分，可以用于对前处理的检验和 后处理中结果的检查。a n s y s 的图形功能包括：显示所建立的几何模型；在 实体模型和有限元模型上显示边界条件；计算结果的彩色等值线显示；x y 平面的数据显示等。 ( 3 ) 处理器 a n s y s 中包括一个前处理器、一个求解器、两个后处理器和几个辅助处理器 如优化处理器等。可以用于完成不同的功能。 ( 4 ) 数据库 a n s y s 程序使用统一的集中式数据库来存储所有模型数据和求解结果。在利 用a n s y s 进行有限元分析时，软件把模型、材料、边界条件、结果等数据统一写 入到数据库中。 1 3 课题的研究意义、目标和内容 1 3 1 课题的研究意义 研究桁架式客车车身结构，针对桁架式客车车身设计的特点，设计适合工程 应用的分析手段，利于提高客车厂的设计产品的能力，增强产品在市场上的竞争 力。 该课题来源于广东省交通厅科技资助项目( 粤交科函【2 0 0 0 1 3 0 9 9 号n o 3 5 ) 。 同佛山飞驰客车厂合作，就其开发的f s q 6 8 9 0 、f s q 6 9 0 0 桁架式、整体承载客车 的车身结构进行技术分析。 f s q 6 8 9 0 和f s q 6 9 0 0 系列桁架式客车属于整体承载式车身，车身的各个部分 都参与承载，车身上、下两部分形成整个车身。整个车身使用异型钢材焊接而成， 设计合理时可以做到等强度设计，充分利用材料的性能，从而减轻车身自重，并 保证足够的强度和刚度。f s q 6 8 9 0 和f s q 6 9 0 0 车身的底围采用格栅式结构。 f s q 6 8 9 0 和f s q 6 9 0 0 的整体承载式车身采用异型钢材( 方管) 作基本构件， 经焊接形成封闭的空间桁架结构。设计底围时在车厢地板下部布置两条纵向贯穿 全车的多层桁架，中间焊接相应的横向梁同纵向桁架连接，进而形成中心骨架， 客车的部件总成布置在纵向桁架中间。中心骨架向两侧延伸与侧壁骨架连接，同 时向下扩展，设计出用于储物的行李箱【l ”。 1 3 2 研究目标 对桁架式客车车身的结构整体分析，以发现f s q 6 8 9 0 车身存在强度储备不足 的单元，经道路使用试验发现，城市运行一万公里左右的数辆试验车该区出现裂 4 第一章绪论 纹，验证整体分析的合理性。对f s q 6 8 9 0 在使用中出现早期裂缝进行研究。结合 桁架式客车车身的结构特点，提出在整体有限元分析的基础上，利用由梁到壳体 的子模型法来进一步分析某处结构的受力，以便更精确了解细部应力分布，为局 部结构改进方案提供理论依据。根据车身的结构形式比较不同的加强方式后，对 局部改进的整体车身结构进行重分析。最后依据所提供的子模型分析理论和结构 重分析理论，在a n s y s 软件的基础上进行二次开发，嵌入由梁到壳体子模型法 和结构重分析方法模块，为客车厂提供新的设计手段。 1 3 3 研究内容 本科题包括四部分的内容：1 、分析桁架式客车车身结构特点，结合有限元分 析理论，对f s q 6 8 9 0 进行整体分析，为子模型分析提供边界条件；2 、介绍子模型 法的基本概念，然后根据圣维南原理提出由梁到壳体的子模型法，并完成f s q 6 8 9 0 的吊耳销处的子模型分析，分析f s q 6 8 9 0 使用中出现早期裂纹的原因；3 、根据子 模型法分析的结构，提出加强方式，同时完成结构的重分析，对改进措施进行评 价；4 、在a n s y s 的基础上进行二次开发，嵌入由梁到壳体子模型法和结构的重 分析模块。 第一部分介绍佛山飞驰客车厂生产桁架式客车f s q 6 8 9 0 ，该桁架式客车是由 安凯客车厂提供的底盘。对f s q 6 8 9 0 的整体结构形式、底盘结构形式以及基本设 计参数进行介绍。叙述了有限元的分析理论，给出了梁单元、弹簧单元、壳单元 和体单元形函数或者单元刚度矩阵。介绍了客车车身分析时边界条件的处理，以 及工况的处理。最后完成了对f s q 6 8 9 0 的整体结构分析。 第二部分介绍了子模型方法的基本原理，并利用圣维南原理提出由梁到壳体 的子模型法，依据第一部分整体分析所得到的结果，作为予模型切割边界的边界 条件。对吊耳销作子模型分析后，依据设计规则，指出f s q 6 8 9 0 在使用早期出现 裂纹的原因及部位，并同使用情况进行了对比。 第三部分介绍了结构的重分析，依据第二部分分析的结果，接合f s q 6 8 9 0 吊 耳销处的具体结构，提出了相应的加强方式，并对三种加强方式进行了力学等效。 推导出结构重分析公式后，依据三种加强方式的力学等效，完成结构重分析，并 对加强方式进行评价。 第四部分介绍了使用a n s y s z - 次开发工具开发出嵌入工具：由梁到壳体子模 型和结构重分析方法。首先介绍了a n s y s 的两个主要开发工具：a p d l 和u i d l ， 并使用这两个开发工具开发出子模型法和重分析法的菜单和基本对话框h 1 2 ”。 1 4 研究方法和技术路线 1 4 i 研究方法 本课题的目的在于对桁架式客车车身的特点进行技术分析，同时开发出一套 华南理工大学工学硕士学位论文 适用于桁架式客车车身的有限元分析的软件。该软件充分结合客车厂设计产品的 特点，即先按检验设计结构出样车，对样车结构进行整体有限元分析，对可能出 现不足的部位进行加强，然后对结构进行重分析，对加强措旌进行评价。 在开发使用的设计软件时，主要是借助于a n s y s 这类有限元通用软件的功 能，结合桁架式客车车身的结构特点，应用相关的力学知识在通用软件的基础上 进行二次开发，开发合适的专用的软件。图1 2 列出本文中提出的客车车身分析 方法的流程。 1 4 2 技术路线 图1 - 2 分析流程图 f i g i 一2t h e f l o wc h a r ti na n a l y z i n gt h eb u sb o d y a n s y s 具有强大的结构分析功能。利用梁单元建立有限元分析模型，进行车 身结构的第一轮分析。必要时对于结构复杂的部位利用子模型方法进行第二轮较 精细的分析。根据圣维南原理，在a n s y s 基础上开发使用的由梁到壳体的子模 型法，可对客车车身若干部位进行更为精确的分析，必要时对结构的薄弱部位进 行加强，在此基础上对改进的结构进行结构重分析。结构重分析建立在对整体刚 度矩阵方程的矩阵变换上，推导出结构局部小范围修改的结构重分析方法。达到 既满足分析精度要求，又节约计算工作量的目的。借助于a n s y s 易用的二次开发 工具a p d l 及u i d l 针对由梁到壳体的子模型法和结构的重分析，在a n s y s 上 进行二次开发，使得通用软件较好地应用于专业领域。 1 5 小结 这一章详细介绍了课题的研究背景、结构有限元软件以及课题研究的内容、 方法和技术路线等。结合客车行业的发展背景、课体的内容、工厂开发产品的特 点以及结构有限元分析软件的现状，提出了用于处理桁架式客车车身结构局部改 变有限元分析方案，并分析了通过二次开发实现的可能性。 6 第二章桁架式客车车身结构及有限元分析过程 第二章桁架式客车车身结构及其有限元分析 大客车车身是由一系列杆件组成的空间超静定结构。从结构力学的角度看， 客车车身是由空间骨架、抗弯薄板、壳体和剪力蒙皮等构件构成的高次超静定结 构。有限元的发展为客车车身的力学分析提供了有效的手段。 课题针对佛山飞驰客车厂开发的f s q 6 8 9 0 进行了有限元分析。f s q 6 8 9 0 的底 盘是格栅式结构，整车为桁架式整体承载式车身。 2 1 客车车身分类 按照车身承载型式客车车身可以划分为：非承载式、半承载式和承载式。 非承载式1 1 4 1 ”】。 2 1 1 非承载式客车车身 非承载式客车车身则是通过多个橡胶衬垫沿车身总长安装在车架上。在底盘 车架上组装车身，也属于有车架式的一种。非承载式车身其载荷主要是由车架来 承担，车身只是在很小的程度上承受由于车架弯曲和扭转所引起的载荷。非承载 式客车车身由于不参与承载，设计时都有强度足够大的车架，从而导致整车的自 重增加。同时由于车架的存在使得降低整车高度受到限制，无法开发出低地板客 车。 2 1 2 半承载式客车车身 半承载式车身将车身和车架刚性相连，车身参与承载，从而可以减轻车架的 质量。半承载式车身结构的特点是：车身下部与底架刚性相连，使得车身也分担 一部分弯曲和扭转底载荷，达到增加底架强度和刚度的目的，使客车重量减轻。 半承载式客车车身的特点是仍存在明显的车架。 2 1 3 承载式客车车身 承载式客车车身可以近一步减轻车身自身质量，同时使车身结构合理化，通 常称为无车架式结构。根据客车车身上部和下部受力程度不同，又分为基础承载 式客车车身和整体承载式车身。 基础承载式车身 基础承载式车身是将车身侧围腰线以下部分设计成车身底主要承载式，车顶 则设计为非承载件。 整体承载式车身 整体承载式客车车身底上、下部结构形成一个统一的整体，在承受载荷时， 整个车身都承受载荷，可以作到空间结构等强度设计。 2 2 桁架式客车车身结构及其特点 2 2 1f s q 6 8 9 0 的车身结构 7 华南理【大学工学硕士学位论文 佛山飞驰客车厂生产的f s q 6 8 9 0 属于整体承载式客车。车身是由不同截面的 矩形钢管焊接而成，车身上、下部分形成统一整体，构成整体式车身。底部是一 系列矩形钢管焊接而成空间框架，其车厢地板下部布置有两条纵向贯穿全车的多 层桁架，中间用横向梁段将纵向桁架结构连接，形成中心骨架，构成格栅式底围 结构，中心骨架向两侧延伸，与车身侧围梁形成封闭框架，即为底围的桁架式结 构。图2 1 为f s q 6 8 9 0 客车车身的底围框架图。 图2 1f s q 6 8 9 0 客车车身的底围框架图 f i g 2 - 1t h e l o ww a l lo f t h ef s q 6 8 9 0 2 2 2 桁架式客车车身的特点 桁架式客车车身是由一系列矩形截面钢管焊接而成的承载式客车车身，其具 有以下特点： ( 1 ) 桁架式车身由截面尺寸相近的冷弯型钢杆件组成，易于建立较符合实际 结构的有限元计算模型，具有较高的计算精度； ( 2 ) 可以通过改变桁架式客车车身钢杆件的布局，调节杆件的受力，易于进 行等强度设计： ( 3 ) 桁架式客车车身具有较高的抗扭刚度； ( 4 ) 桁架式客车车身使用矩形钢管，可以节约钢材，利用冷弯型钢代替钢板 冲压件，可以简化构件的成形过程。 ( 5 ) 强度储备不足的部位可以通过加斜撑、增加矩形钢管截面尺寸、改变矩 形钢管的材质等措施进行加强，而不必改动整车基本结构，简化工艺，节省成本。 2 3 有限元的基本原理 2 3 1 概述 有限元方法最基本的出发点是将分析对象的结构或者实体划分为有限个细小 第二章桁架式客车车身结构及有限元分析过程 单元体，称为“单元”，两相邻单元间通过节点相连接。将作用在结构体上的载荷 只由节点承担按静力等效原则分解为等效节点载荷向量，以这些单元体的集合替 代原来的连续结构实体，这一过程称为连续体的离散化。 离散化过程就是将被分析的连续实体划分为有限元计算模型的过程，因此也 称为模型化过程。有限元方法是在离散化的模型上求解，将复杂的连续弹性体分 析的问题转化为在离散化的模型上解一个多元代数方程。有限元方法的求解过程 简单，方法成熟，同时计算机和通用有限元软件的弓i 入解决了计算工作量大的难 题。 有限元发按照节点的基本未知数可以分为位移法、应力法和混合法。而应用 最多的是位移法。 在位移法中，通常选取多项式函数近似地表达单元体内位移分量的分布，这 一通过节点位移表达单元内部位移规律的函数称为插值函数，不同单元形式可以 有不同类型插值函数。有了插值函数，就可以利用变分原理建立单元节点力向量 和节点位移向量之间的关系，即单元刚度矩阵。然后应用节点力平衡条件和协调 条件，将所有单元刚度矩阵方程扩展后叠加，建立结构整体的节点力和节点位移 的关系方程一一结构整体刚度方程，结构整体刚度方程是一个以节点位移向量为 基本未知数的代数方程组。引入约束条件后即可用计算机求解结构节点位移，代 入单元刚度方程即可求得节点力和进一步求出各单元内部应力和应变分量。 2 3 2 有限元法分析过程”1 8 】【” 【2 0 】【2 l 】 应用有限元法求解弹塑性问题的分析过程，概括起来可以分为以下几步： 1 ) 结构的离散化 结构的离散化是有限元分析的第一步，它是有限元法的基础。这一步是把要 分析的结构划分成有限个单元体，并在单元体的指定位置设置节点，把相邻单元 在节点处连接起来组成单元的集合体，以代替原来的结构。若分析的结构是连续 弹塑性体，则为了有效逼进实际的连续体，就要根据计算精度的要求和使用计算 机的容量大小，合理地选择单元的现状，确定单元的数目和较优的网格划分方案。 2 ) 选择位移插值函数 为了能用节点位移来表示单元内任意一点的位移、应变和应力，首先假定单 元内任意一点的位移是坐标的某种简单函数，即位移函数 占 - i 陋 。 ( 2 - 1 ) 式中f 田为单元内任意一点的位移列矩阵， 田。为单元的节点位移列矩阵，【n 】为 形状函数矩阵。 3 ) 分析单元的力学特征 单元的力学特征包括： 利用弹性力学的几何方程，导出用节点位移表示的单元应变，即 9 华南理工大学工学硕士学位论文 忙) = 陋r( 2 2 ) 式中，【剀为几何矩阵。 利用物理方程，导出用节点位移表示的单元应力 盯j = d 】【b 】 万 。= s 】 占 8( 2 - 3 ) 式中， 剐为单元应力矩阵。 利用虚功方程建立作用于单元上的节点力和节点位移之间的关系式，即单元 的刚度方程，从而推导出单元的刚度矩阵。 ，) 8 = 七r 田。 时：艘【d 】 曰扮 2 - 4 式中，【纠8 为单元刚度矩阵。 4 ) 计算等效节点载荷 连续弹性体经过离散化以后，便假定力是通过节点从一个单元传递到另一个 单元。但是实际的连续体，力是不可能仅由假定的节点传递。因此，作用在单元 上的集中力、体积力以及作用在单元边界上的表面力，都必须等效的移置到相应 的节点上去，形成等效节点载荷。 5 ) 整体分析 集合所有单元的刚度矩阵，建立整个结构的平衡方程，从而形成总体刚度矩 阵。整体刚度矩阵反映的是结构整体力向量同整体位移向量之间的关系，所以组 集整体刚度矩阵时，可以按照整体位移向量的顺序对单元刚度矩阵进行运算。即 k i a = f )( 2 - 5 ) 式中，晖】为整体结构的总体刚度矩阵， ) 为整体结构的节点位移列矩阵， 目为 整体结构的等效节点载荷列矩阵。 6 ) 应用边界条件 应用边界条件，消除整体刚度矩阵暖】的奇异性，可以求出式( 2 - 5 ) 的解。 7 ) 求解单元位移 结构的平衡方程是以整体刚度矩阵为系数的线性代数方程组，解这个方程可 以得到整体结构的节点位移。按照结构离散化模型，可获得各单元的位移向量 毋。 8 ) 计算单元应力 由式( 2 - 3 ) 可以计算单元的应力。 9 ) 分析计算结果 2 4 坐标变换d 6 1 有限元法进行单元分析时，采用的是局部坐标系。对于一定类型的单元，它 的局部坐标系方向往往都有明确的规定( 比如梁单元的x 轴就是梁的轴向) 。采用 第二章桁架式客车车身结构及有限元分析过程 局部坐标系，对不同方向上的单元采用统一形式的单元单元刚度矩阵。但是在组 集整体刚度矩阵的时候，要把单元的局部坐标系转化到整体坐标系下。图2 - 2 为 整体坐标系和局部坐标系的关系图。 x y x 图2 - 2 整体坐标系同局部坐标系示意图 f i g r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h eg l o b l ec o o r d i n a t i o na n dt h el o c a l 设 ， 。、( 0 3 2 、 后) 。分别表示单元在局部坐标系o x y z 中的节点力、节点位移及刚 度矩阵； f g 、 田；、f 砧；表示在整体坐标系o x y z 下的节点力、节点位移及刚度矩 阵。设坐标转换矩阵为 t 】，则由式( 2 - 6 ) 表示它们之间的关系。 n 。= 卅 ，) ； 0 3 。= 【t 0 3 ： ( 2 - 6 ) 【七 ；= 【r 】1 【七】8 r 】 坐标变换时，设坐标转换矩阵为【t 。则在三维坐标时： lc o s ( x ，x ) c o s ( x ，即c o s ( x ，z ) i 口】- lc o s ( y ，x ) c o s ( y ，y ) c o s ( y ，z ) i ( 2 - 7 ) lc o s ( z ，z ) c o s ( e ，y ) c o $ ( z ，z ) f 式中，( x ，x ) 表示局部坐标系的x 轴同整体坐标系x 轴之间的夹角，其它表示 类似的意义。 针对桁架式客车车身结构，梁单元的局部坐标系作这样的规定：梁的轴向为x 轴，正向为梁的小节点号到大节点号的方向：单元截面y 轴平行于整体坐标系的 x o y 平面，而z 轴则用右手原则确定。梁单元还存在如下的两种特殊情况：1 梁 的轴向同y 轴平行；2 梁的轴向同z 轴平行。 梁的两种特殊情况如图2 - 3 所示。在梁的轴向同y 轴平行时， o1 0 【t 】_ l _ l 0 0 1 l 001 l 一一一兰堕翌三盔兰王兰堡圭堂垡笙壅 l 001i 【即= l 010 i l 一1 0 0 j 图2 - 3 梁单元局部坐标系的两种特殊情况 f i a 2 - 3t w os p e c i a lc o n d i t i o no ft h el o c a lc o o t d i n a t i o no ft h eb e a m 2 5 客车车身结构有限元分析 2 5 1 概述f 1 4 1 车身骨架是一个复杂的结构，用经典力学方法极难求解。利用有限元法建立 客车车身有限元模型，可以较为精确的计算出客车车身骨架在不同载荷状态下的 受力分布。作为设计客车车身的依据。 建立车身骨架的有限元模型时，既要如实的反映客车车身实际结构的主要力 学特性，又要尽量采用较少的单元和简单的单元形态，以求得到满足工程要求的 计算精度前提下，尽量缩小解题规模。有限元计算结果的可信度高低也是直接受 分析模型、载荷处理、约束条件等模型参数与实际过程结构力学特性符合程度的 影响。 在客车车身有限元分析建模时，用壳实体单元建立车身骨架有限元模型，可 能较梁单元建模有较高的精度，但建模及计算的工作量大大增加，而用梁单元建 立的车骨架有限元模型，具有简单、计算量小且精度基本满足要求的优点。但是， 用梁单元对于复杂的部位以及对于危险部位的表现力度不足，不能较准确地捕捉 到危险的部位，也不太容易为设计师提供较好的细部设计改进依据，在改进后的 分析时又要重新建模分析，其中重复工作太多。依据这样的实际情况，在客车车 身结构的整体分析阶段，使用梁单元建立有限元分析的力学模型；在针对感兴趣 的部位利用由梁到壳体的子模型法精细分析，然后针对分析的结果提出改进的意 第二章桁架式客车车身结构及有限元分析过程 见，利用结构重分析方法对改进的车身结构进行重分析。可保证细部分析精度， 又能方便地、简单地计算出局部改进后的车身的受力分布。 建立车身骨架整体分析的有限元模型时，采取工程上常用的简化处理措施： 1 ) 略去蒙皮和某些非承载构件，比如面板、窗玻璃、前后保险杠、脚踏板的 支架等的承载作用： 2 ) 将车身中的各种微曲梁直化处理，对侧围和顶盖中一些曲率较小的构件近 视地看作由直梁单元分段组成； 3 ) 合并相靠很近的节点，比如水箱支撑与横梁； 4 ) 对于空间叠交的两根焊接梁，若其中心线之间的距离较大，合成等效梁将 引起较大的误差，则可以直接使用双梁单元； 5 ) 对于同向驳接对焊梁段，因其焊接处强度近似于材料内部强度，故可将其 视为一个等效梁来简化， 6 ) 取约束、载荷作用点处为梁单元节点。模型载荷、约束模拟真实的精确程 度对整体结构的位移、力影响很大。因而载荷的类型、作用点、大小、约 束类型、作用点等效尽量逼近实际情况。 2 5 2 计算工况1 1 4 】 在对客车车身有限元分析过程中，主要考虑的工况有：匀速工况、扭转工况 和制动工况三种。 1 ) 匀速工况 在匀速工况下，主要考虑客车在匀速行驶时，车身受到垂直载荷作用相对于 车身在静力作用下的弯曲状态，此时车速高，受冲击影响大。处理载荷时把满载 负荷均布于车厢地板上，再等效到相应的节点上。 2 ) 扭转工况 对于大客车在满载下有两种极限情况：左扭和右扭。到一个前轮遇障抬高( 或 下陷) ，使另一轮处于完全卸载悬空( 或完全承载) 时，前轴受到最大扭矩作用。 模拟实际应用中车身遭受最剧烈的扭转工况，这种工况一般在汽车以低速通过崎 岖不平路面时发生的。 3 ) 制动工况t 2 2 1 由于制动时客车的前、后轴荷发生急剧变化，由于制动减速度的存在，使客 车的前轴载荷增加较大，应对制动工况下的客车车身受力进行分析，制动工况下 一般取制动附着系数妒= 0 7 。 2 5 3 边界条件【1 4 1 1 2 2 】 客车钢板弹簧处的结构如图2 - 4 所示，钢板弹簧处的力学特性，用两个线弹 簧单元和两个梁单元进行模拟，根据行使工况进行合理约束。车身结构主要外力 是惯性力、重力和悬架机构传递的纵向( 制动) 和垂向力。在不同的工况下，设 华南理工大学工学硕十学位论文 定两个梁单元相连的节点3 ( 模拟轮心) 处的约束，不同的约束反映不同的行驶工 况，下面对于几种工况及各