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半承载式客车车身骨架有限元建模分析 摘要 随着计算机技术的发展，计算机辅助技术广泛应用于传统的机械行业中。 客车车身骨架是整车主要承载结构，车身骨架的受力情况比较复杂，结构分析 的难度也较大。为了满足客车骨架结构在各种工况下的强度要求，对客车采用 不同方式的建模和进行有限元分析越来越受到人们的关注。 本文在调研国内外相关研究的基础上，结合半承载式客车的特点，建立了 某客车车身骨架有限元模型，制定了五种典型的计算工况：水平弯曲工况、极 限扭转工况、紧急制动工况、紧急转弯工况和倾翻工况。计算出客车在各神工 况下的强度、刚度以及弯矩、扭矩等，分析了应力、应变分布特点，并且使用 模态分析技术研究了车身结构动态特性。计算得到前十五阶固有频率，并分析 了低阶固有模态振型。在模拟计算的同时，进行了客车骨架的静态强度试验。 处理不同单元之间的耦合问题是有限元混合模型前处理的一个关键环节。 建立节点之间自由度时，有时需要表达一些特殊的细节，单元不足以表达清楚， 这就需要一种新的方法建立不同自由度间的关系。为此，我们常利用耦合来建 立节点自由度之间的特殊关系，弥补单元所做不到的连接缺陷。耦合的建立， 不但解决了节点间的自由度关系，还可以避免节点的应力集中。 论文综述了整车有限元分析的研究现状，在建模过程中，通过不同单元类 型连接建立三种模型( 梁体模型、梁板模型和纯梁模型) ，分析不同模型在不同 工况下的特性，比较有限元计算结果和试验数据，从而修正计算模型，使有限 元模型尽量和实际相接近，从中寻求最优模型。通过分析，梁体模型较好解决 了建模、计算时间和分析精度之间的矛盾，模型更实用。 关键词：半承载式客车有限元模型强度刚度模态分析耦合最优模型 a n a l y s i so nf i n i t ee l e m e n tm o d e l i n g f o rh a l f - l o a d i n gb u sf r a m e a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c l m o l o g y ，c a et e c h n o l o g yi sw i d e l ya p p l i e di n t r a d i t i o n a lm e c h a n i c a li n d u s t r y as k e l e t o no f ab u sb e d yi sm a i nb e a r i n gp a r to f w h o l ec a r s t r u c t u r e , i ti sc o m p l e xt of u l f i l lt h es i t u a t i o no fs t r e s sa n dab i gd i f f i c u l tt oa n a l y z eo f s t r u c t u r e i no r d e rt om e e tt h es t r e s sn e e du n d e rt h ed i f f e r e n tc o n d u c t i o n s ，m o r ea n dm o r e p e o p l ep a ya t t e n t i o nt od i f f e r e n tk i n d so f m o d e l sa n df e a b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no ft h er e l a t e dd o m e s t i ca n do v e r s e a sr e s e a r c hi n t h e d o m a i n ，c o m b i n e d 讯mt h ec h a r a c t e r i s t i co fh a l f - l o a d i n gb u s ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo f t h eb u sf r a m ew a se s t a b l i s h e d f i v et y p i c a lc o n d u c t i o n sw e l a gm a d eu n d e rt h es t a t i ca n a l y s i s ： r u n n i n g 、珩t l lt h eu n i f o r mv e l o c i t y , l i m i t e dt o r s i o n , e m e r g e n tb r a k i n g e m e r g e n tt u r n i n ga n d o v e r t u r n i n g i nt h i sp a p e r , s o m ed a t aa r ec a l c u l a t e d ，s u c ha ss t r e n g t h ，r i g i d i t y , b e n d i n g m o m e n t , t o r q u ea n ds oo n d i s t r i b u t i o n a lf e a t u r eo fs t r e s sa n ds t r a i nw a sa n a l y z e d ：t h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h eb u sf r a m eh a db e e nr e s e a r c h e di nt h em o d a la n a l y s i s t e c h n i q u e t h ef i f t e e no r d e r sn a t u r a lf r e q u e n c i e sh a db e e nc a l c u l a t e da n dl o w o r d e r v i b r a t i o ns h a p eo f t h eb o d ys t r u c t u r ew a ss t u d i e d m e a n t i m e ，as t a t i cs t a t es t r e n g t ht e s tw a s m a d e t h ec o u p l i n gp r o b l e mo fd i f f e r e n te l e m e n t si sak e yp a r to fp r e p r o c e s s o rt ob l e n d m o d e l s i ti sn e e d e dt h a tan e wm e t h o dt ob u i l dt h er e l a t i o no ft h ed i f f e r e n tl i b e r t yd e g r e e w h e ni tm u s te x p r e s sp e c u l i a rd e t a i l s w eo f t e nm a k et l s eo fc o u p l i n gt ob u i l dt h ep e c u l i a r r e l a t i o ni no r d e rt om a k eu pt h ed e f e c t i tr e s o l v e sn o to n l yt h er e l a t i o no f t h el i b e r t yd e g r e e ， b u ta l s ot h ef o r e c ds t r e s s p r e s e n ts i t u a t i o no ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so nt h ee n t i r ev e h i c l ew a ss u m m a r i z e d ， d u r i n gt h em o d e l i n g ，t h r e em o d e l sh a db e e ne s t a b l i s h e dt h r o u g hd i f f e r e n te l e m e n tt y p e s ， s u c h 弱s o l i d - b e a mm o d e l 。s h e l l - b e a mm o d e la n dp u r r e db e a mm o d e l u n d e rd i f f e r e n t c o n d u c t i o n s ，t h ei n f o r m a t i o no ft h r e em o d e l sw a sg o t t e n i no r d e rt os e e kt h eo p t i m u m m o d e l ，t h ed a t aw e r ec o m p a r e dw i t ht e n t a t i v ed a t a f f t h ec o m p a r i s o ni sv e r yc l o s e ，i tm e a n s t h a tt h ef e mm o d e li ss i m i l a rt ot h er e a l i t ya n di ft h ec o m p a r i s o nh a sg r e a td i f f e r e n c e , i t m e a n st h em o d e ls h o u l db em o d i f i e da g a i n t h r o u g ha n a l y s i s ，s o l i d - b e a mm o d e ls o l v e st h e p r o b l e mo fm o d e l i n ga n dc a l c u l a t i n gt i m ea n da n a l y s i sp r e c i s i o n , t h em o d e li sm o r e p r a c t i c a l k e y w o r d s ：h a l f - l o a d i n gb u s ， f i n i t ee l e m e n tm o d e l ， s t r e n g t h ，r i g i d i t y ， m o d a la n a l y s i s ， c o u p l i n g ，o p t i m u mm o d e l 插图清单 图l l 非承载式车身结构3 图l 一2 承载式车身结构3 图1 3 半承载式车身结构4 图2 一l 正六面体单元局部坐标系示意图 图2 2 薄板内力示意图1 4 图2 3 有限元分析流程1 7 图3 1 有限元与c a d 交互关系 图3 2 纯梁结构前悬架2 2 图3 3 纯梁结构后悬架。 图3 4 纯梁结构几何模型。 图3 - - 5 梁板结构几何模型 图3 6 梁板结构前悬架。 图3 7 梁板结构后悬架 图3 8 梁体结构前悬架 图3 - - 9 梁体结构后悬架 图3 - - 1 0 梁体结构几何模型 图4 一l 定义约束方程对话框 图4 2 刚性区域定义图 图4 3 原模型应力图 图4 4 设置刚性区域后应力图 图4 5 定义约束方程后应力图 图4 6 梁体单元刚性梁连接 图4 7 原模型无刚性梁连接局部图 2 2 2 2 2 2 ：! ： ：! ：! 2 2 ：! ：i ：1 9 图5 - - 1 水平弯曲工况梁体模型应力云图3 8 图5 - - 2 梁体模型高应力区应力云图3 8 图5 3 水平弯曲梁体模型位移图 图5 4 水平弯曲梁体模型轴力图 图5 - - 5 水平弯曲梁体模型剪力图 图5 6 水平弯曲梁体模型扭矩图 ：1 8 ：； ； 3 8 ：1 8 图5 7 水平弯曲工况梁板模型应力云图3 9 图5 8 梁板模型高应力区应力云图3 9 图5 9 水平弯曲梁板最大位移图3 9 图5 一l o 水平弯曲梁板模型轴力图 图5 1 1 水平弯曲梁板模型剪力图4 0 孔孔n 图5 1 2 水平弯曲梁板模型扭矩图4 0 图5 一1 3 水平弯曲纯梁模型高应力区云图4 1 图5 - - 1 4 水平弯曲纯梁模型最大位移云图4 i 图5 一1 5 纯梁模型轴力图 图5 1 6 纯梁模型剪力图 图5 一1 7 纯梁模型扭矩图 4 1 z i l 4 l 图5 1 8 紧急制动工况梁体模型应力云图4 6 图5 1 9 梁体模型高应力区应力云图4 6 图5 2 0 梁体模型轴力图4 7 图5 2 1 梁体模型剪力图 图5 2 2 梁体模型扭矩图 4 7 4 7 图5 2 3 紧急制动梁板模型应力图4 7 图5 2 4 紧急制动梁板模型位移图4 7 图5 2 5 紧急制动梁板模型顶盖位移图4 8 图5 2 6 紧急制动梁板模型轴力图4 8 图5 2 7 紧急制动梁板模型剪力图4 8 图5 2 8 紧急制动粱板模型扭矩图 图5 2 9 紧急制动纯梁高应力区应力图4 9 图5 3 0 纯梁高应力区应力图4 9 图5 3 1 纯梁模型最大位移云图4 9 图5 3 2 纯梁模型后围应变图4 9 图5 3 3 纯梁模型轴力图4 9 图5 3 4 纯梁模型剪力图 图5 3 5 纯梁模型扭矩图 图5 3 6 紧急转弯梁体模型应力图 图5 3 7 梁体模型高应力区应力图 图5 3 8 紧急转弯梁体模型位移图 图5 3 9 梁体模型轴力图 图5 4 0 梁体模型剪力图 图5 4 1 梁体模型扭矩图 图5 4 2 紧急转弯梁板模型应力图 图5 4 3 梁板模型高应力区应力图 图5 4 4 紧急转弯梁板模型位移图 图5 4 5 紧急转弯梁板模型轴力图 图5 4 6 紧急转弯梁板模型剪力图 图5 4 7 紧急转弯梁板模型扭矩图 4 9 4 9 ! ；：! ! ；： ! ；：i ! ；：； 5 3 ! i 3 ! ；：i 5 4 5 4 图5 4 8 纯梁模型高应力区应力云图5 5 图5 4 9 纯梁模型最大位移云图。5 5 图5 5 0 纯梁模型轴力图 图5 5 l 纯梁模型剪力图，5 5 图5 5 2 纯梁模型扭矩图 图5 5 3 极限扭转梁体模型应力图 图5 5 4 梁体模型高应力区应力图 图5 5 5 极限扭转梁体模型位移图 图5 5 6 梁体模型轴力图 图5 5 7 梁体模型剪力图 图5 5 8 梁体模型扭矩图 图5 5 9 极限扭转梁板模型应力图 图5 6 0 梁板模型高应力区应力图 图5 6 l 极限扭转粱板模型位移图 图5 6 2 极限扭转梁板模型轴力图 图5 6 3 极限扭转梁板模型剪力图 图5 6 4 极限扭转梁板模型扭矩图 5 8 5 8 5 8 。5 8 5 8 5 9 5 9 5 9 5 9 图5 6 5 极限扭转纯梁模型应力图6 0 图5 6 6 纯梁模型高应力区应力图。6 0 图5 6 7 纯梁模型左侧窗立柱应力图6 0 图5 6 8 纯梁模型最大位移云图6 0 图5 6 9 纯梁模型轴力图6 l 图5 7 0 纯梁模型剪力图6 l 图5 7 l 纯梁模型扭矩图6 l 图5 7 2 翻转梁体模型应力图6 3 图5 7 3 梁体模型高应力区应力图6 3 图5 7 4 翻转梁体模型位移图。 图5 7 5 梁体模型轴力图 图5 7 6 梁体模型剪力图 6 3 6 ：i 6 4 图5 7 7 梁体模型扭矩图：6 4 图5 7 8 翻转梁板模型应力图6 4 图5 7 9 梁板高应力区应力图 图5 8 0 翻转工况梁板模型位移图6 5 图5 8 1 翻转工况梁扳模型轴力图：6 5 图5 8 2 翻转工况粱板模型剪力图 图5 8 3 翻转工况梁板模型扭矩图6 5 图5 8 4 翻转纯梁模型应力图 图5 8 5 纯梁高应力区应力图。 图5 8 6 翻转工况纯梁模型位移云图。 图5 8 7 翻转工况纯梁模型轴力图 图6 - - 1 梁体模型一阶弯曲振型 图6 2 梁体模型一阶扭转振型 6 6 6 6 图6 - - 3 梁板模型一阶弯曲振型 图6 4 梁板模型一阶扭转振型 图6 - - 5 纯梁模型一阶弯曲振型 图6 6 纯梁模型一阶扭转振型 7 2 7 2 7 2 7 2 表3 1 客车技术参数 表3 2 车架材料参数 表3 3 客车主要附件质量 表5 - 1 客车主要部位应力比较 表格清单 ：! ：； 2 4 2 6 4 1 表5 - 2 客车主要开口部位开口变形量比较4 2 表5 3h l ( 6 1 2 5 原车各部件静态应力最值明细表4 3 表5 - 4 客车主要部位应力比较 表 5 客车主要开口部位开口变形量比较， 表5 - 6 客车主要部位应力比较 。5 0 表5 - 7 客车主要开口部位开口变形量比较5 6 表5 - 8 客车主要部位应力比较 表5 - 9 客车主要开口部位开口变形量比较6 l 表5 - 1 0 客车主要部位应力比较 表5 - 1 1 客车主要开口部位开口变形量比较6 7 表6 - 1 梁体模型前十五阶固有频率值及其振型描述 表6 2 梁板模型前十五阶固有频率值及其振型描述7 1 表p 3 纯梁模型前十五阶固有频率值及其振型描述7 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取褥的研究成 果。据我所知除了文中特别加以标注和致谢的地方外。论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金胆王些盘堂 或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意 学位论文作者签名；卯方勃签字日期：带月妇 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金肥王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阋。本人授 权盒鼹王些太堂可以将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、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 搠方勃 签字日期：2 一一7 年t 月占日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名。黼 签字日期：一z 叼年f 月，z 日 电话： 邮编： 致谢 本论文是在我尊敬的导师一一曹文钢老师悉心指导下完成的。曹老师严谨 求实的科学态度和渊博的专业理论使我受益匪浅，他那宽以待入、严以律己的作 风和豁达的胸襟，是我今后工作和学习的楷模，他那忘我的工作热情以及丰富 的实践经验，使我终身难忘。我在攻读硕士学位期间所取得的每一点迸步都离 不开导师的指导和帮助，总是在我最困难的时候，给予我信心和鼓励。对我论 文撰写工作也倾注了大量的心血，无论是选题、修改还是定稿，都给予了精心 的指导。在这两年多的时间里，曹老师不仅在学业上给予了我精心指导，而且 在生活上也给予了我无微不至的关怀谨向我的导师表示衷心的感谢和崇高的 敬意! 感谢c a d c a m 中心的吕新生、王晓枫、陈科、张晔等各位老师对我的指 导和帮助。 感谢姜康博士，黄国兴、李辉、赵浩杰、常秋香、陈帝江、徐颖侠、窦全 礼、屈令晋、白迎春、王锐等研究生在我研究生期间所给予的帮助。 感谢我的父母，感谢他们这么多年来对我无微不至的关怀，感谢他们对我 精神和物质上的支持，感谢他们为我无私奉献的一切。 感谢所有关心、支持和帮助过我的老师、同学和朋友们。 作者：胡方勤 2 0 0 7 年0 1 月 1 1课题研究背景 第一章绪论 汽车工业随着国民经济的发展而得到了飞速发展。汽车行业也成为国家的 重要支柱产业。随着国家投资高速路的广泛建设，中、长途豪华型客车得到迅 猛发展。车架是大型客车的主要承载部件，在工作情况下不仅支承客车各部分 的自身重量，还要承受工作载荷、发动机动载荷和缓冲力等各方面作用。车架 设计的好坏直接影响整个客车的安全性、舒适性、寿命等方面。因此，车架的 强度和刚度在汽车总体设计中就显得非常重要。但国内许多厂家在设计车架时， 常常采用传统的静强度设计方法，这样即使达到设计要求的车架也常发生失效 现象。目前国产客车普遍存在的问题是整车协调性较差，客车各杆件结构形状 各异，而且杆件之间的连接方式也是各种各样的，直接影响客车各种性能的整 体发挥。为了寻求客车最合理的设计方案，本文对客车的前后悬架分别采用梁、 板、体三种结构进行建模，且对客车车架进行详细准确的强度、刚度校核。在 满足客车强度和刚度等性能指标情况下，更好的设计出安全、舒适、稳定、经 济型的车架，旨在降低生产成本，缩短设计周期，提高企业经济效益。 1 2车身结构设计发展状况 1 2 1 车身结构设计国内外研究状况 大客车车身是由空间骨架、抗弯薄板、壳体和应力蒙皮等构件组成的空间 高次超静定结构【1 1 。车身骨架的受力复杂，结构分析难度较大，利用经典力学 很难得到准确结果。为了更好解决这些问题，国外汽车厂家多采用现代车身结 构设计方法目前，国外新车型开发周期已经缩短到2 4 到3 6 个月，现代车身设 计由原来的经验、类比、静态设计，向建模、静动态分析、动态优化及虚拟现 实设计转变【2 】。按设计方法划分有基于虚拟样机的车身开发技术 3 - 1 5 j ，有车身 设计的多学科优化设计技术随着计算机软硬件的发展，国外大部分汽车公司 采用计算机辅助工程系统，形成了以设计、分析、试验于一体的一整套流程， 它们之间也是相互联系的，设计与分析并行，并且采用大量的虚拟试验代替实 物试验，这样既减少了设计的盲目性，也缩短了产品设计周期。我国大中型客 车的生产开发经历了修造、仿制、改装、c k d 组装、技术引进以及自主开发等 阶段1 1 6 1 。但总体上来说，只有少数几个厂家具备较强的自主开发能力，与国际 先进水平还存在较大的差距。国内汽车厂家对车身一般进行强度、刚度静态分 析以及模态分析由于车架的承受载荷的复杂性，动态分析方面还做的不足， 还有待于做进一步的研究归纳起来，国内外学者主要研究的内容包括三个方 面：有限元静态应力应变分析、动态特性和优化设计。 1 有限元静力分析 a n s y s 软件中结构静力分析主要功能：用来分析由于稳态外载荷引起的系 统或者部件的力、位移、应力和应变。它适合于求解结构响应受惯性作用影响 很小的问题，静力分析是结构分析中最基本的一种类型，一般可分为线性静力 分析和非线性静力分析线性静力分析可以解决平面问题、轴对称问题和周期 对称问题，非线性静力分析允许有大变形、蠕变、接触单元等1 7 | o 国内外学者 从6 0 年代开始研究有限元静态分析以来，取得了突破性的进展如k i m ，h s 等 人对车架在极限静态载荷下的失效表现形式进行了详细的讨论1 历辉等人对 作用在车架上等效载荷的简化和施加方法作了较全面的研究，尤其对车厢和车 架之问的相互作用力的简化作了详尽的讨论1 9 1 。 2 有限元动态分析 在实际工程结构设计中，更多会面临动力问题，尤其是汽车、航空航天等 高新行业，动力学分析是必备的。动力分析的主要工作包括动力特性分析和动 力响应分析两部分。a n s y s 提供了强大的动力分析工具，可以快捷的进行各类 动力分析：模态分析、谐响应分析、瞬态动力分析和谱分析7 1 。对于非常复杂 的汽车结构，大部分的磨损都是由于发生共振现象而引起的，因此，我们利用 模态分析方法，计算出整车的固有频率和振型，减少疲劳磨损，避免共振的发 生，增加整车的寿命。从上个世纪7 0 年代开始，动力学分析在汽车行业取得了 突破性进展，研制出了一大批分析软件，k r a w e z u k ，m a r e k 等人利用全板壳车 架有限元模型对一货车进行动态研究2 们。冯国胜对模态分析技术在汽车车架故 障诊断中的应用进行了很详尽的研究| 2 1 1 。 3 有限元优化设计 近年来，能源危机越来越明显，如何减少能源消耗、降低生产成本，成为 当今世界关注的焦点，最优化可以很好的解决这个难题，它除了能降低设计成 本和减少能源消耗外，还可以改善产品外形、提高产品品质1 2 2 1 。对于汽车结构， 分析其性能特点，提出边梁式车架结构参数的优化数学模型，采用复合形法、 混合罚函数法寻求各个梁截面参数的最佳值，达到合理利用材料、减轻车架自 重的目的 2 3 1 0 在车架质量一定的情况下，使用数目较少的、截面尺寸较大的横 梁对强度是很有利的，但是，好要考虑到纵横梁问的接触部位的应力分布，观 察车架的横向弯曲等 2 4 1 1 2 2 车身结构系统介绍n 鄹 车身按照受力情况可分为非承载式、承载式( 或称全承载式) 和半承载式三 种。 l 非承载式车身 非承载式车身的汽车的特征是有一底盘大梁架。悬架装置将发动机、传动 系统、车身等总成部件固定在车架上，车架是通过前后悬架装置与车轮联接的。 非承载式车身的特点是车身与车架通过弹簧装置作柔性连接的。在此种情况下。 安装在车架上的车身对车架的加固作用不大，汽车车身仅受本身的重力、装载 的质量以及行驶中的惯性力等作用。而车架则承受发动机及底盘各部件的重力， 这些部件工作时通过其支架传递的力以及汽车行驶时由路面通过车轮和悬架传 来的力，由于汽车可能在多种工况下行驶，因此后面的力对车架影响最大。 非承载式车身结构如图l - 1 所示 图卜l 非承载式车身结构 非承载式车身比较笨重，质量大，因此它具有较好的平稳性和安全性，一 般用在货车、客车和越野吉普车上，也有少部分的高级轿车使用 2 承载式车身 。 承载式车身汽车的特点是没有刚性车架，只是加强了前围、侧围、后围、 底板等部位，发动机、前后悬架、传动系的一部分等总成部件装配在车身上， 车身负载通过悬架装置传给车轮。这种承载式车身除了其固有的乘载功能外， 还要直接承受各种负荷力的作用。承载式车身由于取消了车架，发动机和底盘 各总成只能安装在汽车车身上，因此，各种载荷全部由汽车车身承受承载式 车身结构如图1 2 所示 图1 - 2 承载式车身结构 承载式车身具有质量小，高度低，没有悬置装置，装配容易等优点，安全 性、稳定性方面都有很大的提高，因此大部分的轿车采用了这种车身结构。 3 半承载式车身 半承载式车身的特点是车身与车架用螺钉连接、铆接或焊接等方法刚性连 接在此种情况下，汽车车身不但承受上述各项载荷，而且在一定程度上有助 于加固车架，分担车架的部分载荷。本文中的客车采用的就是半承载式车身 如图1 - 3 所示 图1 - 3 半承载式车身结构 为了减小汽车的整车质量和节约材料，大多数中级、普通级、微型轿车和 部分客车车身常采用承载式结构。大型客车车身如果为了提高汽车的舒适性， 减轻发动机及底盘各总成工作时传来的振动及汽车行驶时由路面通过车轮和悬 架传给车身的冲击，则可采用非承载式结构。 1 3本课题主要工作 课题来源；本课题来源于我国一个大型汽车制造企业。此车型采用单乘客 门，三段式车架，半承载式车身结构，后置发动机，顶置空调等形式，并且考 虑到我国长途客运的实际需要，增加了中门和卫生间。 研究内容：本课题主要对整车建立有限元模型，对于复杂的前后悬架结构， 分别采用三种方式建模。最后以车身骨架为研究对象，对客车进行有限元静、 动态分析，比较各种模型的优劣，寻求最合理模型。主要工作如下； ( 1 ) 根据该车车身骨架结构，确定模型所涉及到的单元类型、材料属性和 边界约束条件等。 ( 2 ) 利用p r o e 和a n s y s 软件建立三种模型：梁体混合模型、梁板混合 模型以及纯梁模型。 ( 3 ) 对于梁板、梁体模型分别进行耦合处理，使模型更加紧凑和合理。 ( 4 ) 对模型进行静、动态分析在五种工况下分别对车身骨架进行静态强 度和刚度分析，找到车身应力应变分布状况。并利用模态分析求出车身骨架的 频率和振型，避免共振现象的发生。 ( 5 ) 比较模型，选择最优。通过以上各种工况分析，比较三种模型的优缺 4 点，选择出最为合理、经济的模型。 研究目的：掌握企业所提供的一款大型客车的强度和刚度分布情况：在保 证其强度和刚度以及性能的前提下，选择最合理模型，为后续的轻量化研究奠 定基础。 1 4 本章小结 本章从课题的研究背景、国内外车身结构的发展状况出发，阐述了车身骨 架的发展以及设计方法的转变。在此基础上，对车身结构系统做了详尽的论述。 另外，简要介绍了课题研究的内容、目的和主要工作。随着有限元软件的不断 发展，工程上越来越多的引用有限元对结构进行分析 第二章车身结构有限元基本理论及软件介绍 2 1有限元位移法基本思想 有限元法是目前工程技术领域中实用性最强、应用最为广泛的数值模拟方 法，以有限元法为中心的结构分析程序已经得到了广泛的应用。有限元软件是 随计算机软硬件技术和有限元方法的发展而发展的，随着计算机的处理速度逐 渐加快，网格划分也越来越密，节点越来越多，有限元模型计算结果也更接近 真实结构的数据。因此受到广大用户的青睐，逐渐形成一代新的技术产品，成 为工程结构分析中强有力的分析工具。有限元法的应用范围也相当广泛，由弹 性力学平面问题扩展到空间问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、波动问题， 而且它还适合于各行各业，如固体力学的位移场和应力场分析、电磁学中的电 磁场分析、振动特性分析、传热学中的温度场分析、流体力学中的流场分析等。 有限元法基本思想首次提出是1 9 4 3 年c o u r a n t 尝试利用定义在三角形区域 上的分片连续函数和最小势能原理相结合的方法，来求解s t v e n a n t 扭转问题。 根据基本未知量来分类，有限元法大致可分为位移法、力法和混合法。由于位 移法( 以节点位移为基本未知量的求解方法) 通用性强，因此得到广泛应用 有限元位移法的基本思想q 2 6 1 9 首先对求解的弹性区域进行离散化，即将一个连 续体化为有限多个自由度的结构体其次是选择单元内任意一点的位移随位置 变化的函数式，并按照差值理论，将单元内任一点的位移通过一定的函数关系 用节点位移来表示，这种假设的试函数称为位移函数，它满足单元间位移的连 续性。随后则从单个的单元入手，用变分原理来建立单元方程。最后把所有单 元集成起来，并与节点上的外载荷相联系，得到一组以节点位移为未知量的多 元线性代数方程，引入位移边界条件即可进行求解。解出节点位移，再根据弹 性力学几何方程和物理方程算出各单元的应力和应变。 2 2 有限元法的基本步骤2 6 有限单元法的分析过程可归纳为先分后合，即先进行单元结构分析，然后 进行整体分析，集成所有单元刚度方程，形成有限元基本方程。 有限元法的基本步骤可归纳如下：1 结构离散化2 单元分析3 单元集成 4 计算应力应变 2 2 1 结构离散化 有限元法分析第一步就是结构离散化有限元法即是把机械结构连续体划 分为各种单元的计算模型。这些单元( 多边形或多面体) 就称为有限单元。离 散后的单元之间通过节点连接在一块的，通过单元节点传递内部变量，以便分 析模型总体结构。将整体离散为简单单元的组合称为网格划分。划分后的单元形 状原则上是任意的，对于二维问题，可选用三角形单元、矩形单元、任意四边 形单元；对于三维问题，可选用四面体单元、六面体单元、金字塔单元。在实 际工程结构中，单元的类型和数且以及网格划分的大小，需要有经验的人员做 出判断，单元划分的好坏直接影响计算结果的精确度。在网格划分过程中，也 要掌握一些划分原则和技巧，以便减少计算时间和提高计算精度。单元网格划 分越细就越接近实际变形，但花费大量时间，计算量大。要是划分单元数目很 多而且合理，所得的计算结果就会越接近实际情况。 2 2 。2 单元分析 【1 】选择位移模式 为了能用节点位移来表示单元内任何一点的位移、应力和应变，可以对单 元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数来描述，通常假定单元内任 意一点的位移是坐标变量的简单函数，称之为位移函数。也即： = 【】蛾 ( 2 - 1 ) 式中 仂单元内任一点的位移列阵； 蛾j 一一单元的节点位移列阵i 【n 卜一单元的形函数矩阵，它的单元是任一点位置坐标的函数。 【2 】分析单元的力学特征 利用弹性力学的几何方程，可以导出用节点位移表示的单元应变： s = 【b 】娩) ( 2 - 2 ) 式中 e 一一单元内任一点的应变列阵； 陋】单元的应变矩阵 利用物理方程，可以导出用节点位移表示的单元应力： p = 【d 】 占】娩( 2 - 3 ) 式中 仃) 单元内任一点的应力列阵； 【d 卜一单元的弹性矩阵 利用虚功方程建立作用于单元上的节点载荷和节点位移之间的关系式，即 单元的刚度方程，从而导出单元的刚度矩阵： 以) = 心】蛾) ( 2 - 4 ) 阪】= f 肛】7 d b d x d y d z ( 2 - 5 ) 7 式中 【疋】单元刚度矩阵 从以上公式不难看出，有限元法的基本步骤之一：根据单元的材料性质、 尺寸、位置等，找出单元节点力和节点位移之间的关系式，然后应用弹性力学 方程和物理方程建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵 【3 】计算等效节点力 连续弹性体经过离散化以后，假定力是通过节点从一个单元传递到另外一 个单元。但是对于实际的连续体，力是从公共边界传递到另外一个单元的因 此，作用在单元上的集中力、体积力以及表面力，都必须等效的移置到节点上 去，形成等效节点荷载 2 2 3 整体分析 前面建立了单元刚度方程，然后利用力的平衡和边界条件，集成所有单元 剐度方程，形成总体刚度矩阵： 晖】 田= f 瞵卜一一整体结构的刚度矩阵， 研一一整体结构的节点位移列向量， 毋整体结构的等效节点荷载列向量。 2 2 4 求解节点位移 根据总体刚度矩阵方程式( 2 6 ) 解出位移量。选择合适的解法，就可解得各 节点位移分量。 2 2 5 计算单元应力应变 求解出节点位移后，根据上述公式计算单元的应力应变 2 。3 有限元单元选择 2 7 - 3 1 】 选择适当的单元对整个有限元分析是至关重要的，不仅可以准确地描述出 整车的强度和刚度，还可以减少不必要的计算量。根据以往的设计经验，车身 部分一般强度较高，没有重大的断裂事件，因此，我们常用梁单元对整个车身 进行建模，缩短计算时间然而，底架结构非常复杂，即使一些小的零件强度 不满足要求，都有可能导致整个底架的变形、扭曲甚至断裂。在不同工况下行 驶，更是受到各种载荷的作用在设计过程中，要想准确找到底架最大应力应 变分布，也是一件复杂的工作，为此，我们对前后底架分别采取三种建模方法； 梁、板和实体。其他部位如侧围、前围、后围、顶盖以及底架中段部分均采用 空间梁单元这样，整个客车模型就由纯梁结构、梁板结构和梁体结构三种方 法建立，为了更好的寻求底架最合理建模方案。 2 3 1 空间梁单元一一b e a m l 8 8 单元 空间梁单元是有限元中建模最常用的单元，本文中除了梁板模型、梁体模 型中前后底架外，其他部分均采用空阈粱单元。模型中梁单元均采用b e a m l 8 8 单元，由两节点形成。其中每个节点都有六个位移分量，即沿三个单元坐标方向 的线位移“、 ，、w 和绕三个轴的转角吼、髟、见。可将任一节点i 的线位移分 量用溉j 表示，三个角位移分量用概 来表示，由于每个梁单元都含有两个节点。 则单元i ，j 的节枣位移向量为：， 溉) i = 融v fw t 气气 ，v ，m v 0 , j r ( 2 - 7 ) 对应的节点力为： f - - u lm 玉m hm du j 弓m 订m d 单元刚度方程为： 舻 = 时溉) 。( 2 - 9 ) 单元刚度矩阵陆】。见式( 2 - 1 0 ) 。 l 甄 雄+ 动 掣 对称 q“+ 硅皿 脚+ 动 删( 1 嘲 可万 尉 ， 6 醴1 霹 面丽硐 1 群6 嘭 即+ 妨t 2 0 + o 旦 ， 吗弘唾冯 产o + 砭)衄+ 彩 g 一毋) q6 隧 m + 缈f o + 西)觜j ( 2 - 1 0 ) 酱 q 了 南蒜 皿砑 町砑 域硼 町硼 舯巴 巴 一 时 1 2 e ， 办2 瓦f 一、) ，、z 为单j 刊蜥舔； 力、免对少和z 轴方向的剪切影响系数； 1 2 e i ， 丸2 面 g 、e 剪切模量和拉伸弹性模量； 4 、以一截面在，和z 方向的有效抗剪面积； 1 ，、z 一截面对y 和z 轴的惯性矩； j i 一截面对一轴的扭转惯性矩； ，一单元长度； 4 梁单元横截面面积；