（机械制造及其自动化专业论文）cng顶置客车车身结构分析.pdf

西华大学硕士学位论文 摘要 ， 车身是客车的重要组成部件。车身作为汽车的一部分，承受着由道路和其他各样的 复杂载荷所带来的作用。汽车上有许多以车身为载体的重要总成，因此车身在客车的整 个系统中的地位一直很重要，车身的强度及其刚度将会直接的影响到客车的安全性和使 用寿命。与此同时，当汽车行驶时，汽车各部件上所承受的都是动载荷，因此对车身进 行模态分析，研究其振动的固有频率和相应振型，可以为结构设计和其他动力分析提供 依据；使汽车的行驶安全性、操纵稳定性和乘坐舒适性都得到改善。 在节能减排的号召下，我国许多城市已有许多公交车改为了c n g 汽车。本文所分析 的c a 6 1 0 0 u r n 5 1 型客车就是一款c n g 顶置公交车。本文通过a n s y s 软件，根据实际测 绘结果建立了其车身的有限元模型，分别计算了车身在弯曲、扭转、弯扭组合三种不同 工况下的变形和应力分布，并根据计算结果对车身强度和刚度给出了评价。在此基础上 还对其进行了模态分析，提取车身的振动频率和振动形式，分析了该车型车身振动特性 对其安全性和舒适性的影响。 关键词：c n g 顶置客车；车身骨架；有限元法；静力学分析；模态分析 c n g 顶置客车车身结构分析 a b s t r a c t t h ev e h i c l eb o d yi so n ei n l p o r t a n tp a r to ft l l eb u s a so n e p a i to fa u t o m o b i l e 嬲s e m b l y ， i tw i t h 锄d s 觚yk i n d so fl o a d sf h d mt 1 1 er o a da n da l l0 t h c rc 0 m p l e xl o a dr o l e t h ev e m c l e b o d yi s 岫e da st l l ec 枷e ro f m a n yc a r 勰s 锄b l yp a n s ，s oi tp l a y s 舭i r n p o r t a n tr o l ei n 也e w h o l eb u ss y s t 锄，m es 仃m g t l l 锄ds t u m n e s so fw h i c hh a v ead i r e c ti m p a c to nt h el i f ea n d s a f e t y a tm es 锄et h e ，m el o a d so n 也ev 砌c l e 玳d y i l 砌cl o a d sw h 朋t t l ec 盯i sm o v i i l g d o i i 培m o d a la n a l y s i s ，m s c u s s i i 培t 1 1 en a t u r a lf r e q u e n c i e s 觚d 吐l ec o r r e s p o n d i i l gv i b r a t i o n m o d ec 锄p r o v i d e l eb 撕sf o rt 1 1 e d e s i 印砚d 洲 1 e rd ) r n 砌c 锄a l y s i s ，b yw m c hw ec a n i i l l p r 0 v ev e h i c l em a n j p u l a t i o ns ta _ b i l i t y s e c 谢t ) ，a n d “v i n gc o l n f o r t a b i l i t y u n d e rn l ec a l lo f e r 粤；) rc 0 璐e 撕o n 锄d 础s s i o nr e d u c t i o 玛m 锄yc i t i 髓h 乏w e r e f 0 衄e dm 趾yb 岫鼯t 0c n gc 盯i no l l rc 0 咖血叮t h ec a 6 1 0 0 u r n 5 lb 惦i sa 勺d p - m o u 呲e d c n gb 髑i i lt m sp 印c r ，w e 砸ea n s y ss 0 觚a r c 骼t a b l i s h e dt 1 1 ef i i l i t ee l e m tm o d e lo f c a 610 0 u r n 5lb u sb o d ya c c o r d i n gt ot h ea c n m lr e 刚t so ft l l es u e y 锄dm a p p i n g ，锄da l c a l c u l a t et h es n 髑s 锄dd e f i o 肌a t i o ni 1 1t l l et l l r d i f f - e 姗ts i t u a t i o 璐一- 一b 朗d m g t w i s t e d ， b 锄d i n g 锄d 似i s t i i l gc o m b i n a t i o n a c c o r d i n gt 0m e 他s u i t s 锄d 眦g g e s t i o 璐，w em a l c e 跹 懿t i n l a t eo fm ev 砌c l ei i l t e 璐i t ) r 砌订g i d i t ) ，o nt h i sb 舔i s ，w ee x 仃tm ev i b r a t i o n 仔e q u e n c i e s 趾df 0 r mo ft h ev 出c l eb o d yb yd o 抽gm eb u sb o d ym o d a l 锄a l y s i s ，锄dm 朗d i s c u s sh o wt l l e v 枷c l eb o d y si i l l l e 嘣l tv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa f 慨t st l l es a f j 。t ) r 锄dc o m f o n a b i l i t y k e yw o r d s ： t 0 p - n 1 0 l m t e dc n gb 憾； f 姗e w o r ko fb o 咄f i l l i t ee l 锄e n t m 劬0 d ； s t a t i cs n 。u 曲m a n a l y s i s ；m 0 d a la n a l y s i s 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景与意义 当前高涨的油价让很多客运企业面临巨大的生存压力，他们需要降低运输成本并将 其控制在可承受的范围内。c n g 压缩天然气客车，对于从事中短途客运，并且天然气资 源丰富的地区，无疑是当前最好也最现实的一种解决方案。与此同时世界各国出于环境 保护和能源多样化都非常重视发展燃气汽车技术，目前使用最广泛的代用燃料是压缩天 然气( c n g ) ，液化天然气( l n g ) 和液化石油气( l p g ) 。其中压缩天然气( c n g ) 汽 车作为一种清洁汽车，由于其低排放、安全可靠、技术成熟、有良好的经济效益和环境 效益而被广泛使用。我国1 9 9 9 年4 月国家科技部等十三个国家部、委、局正式启动了 “空气净化工程，清洁汽车行动”，发展我国清洁能源，大力推广应用燃气汽车，已制 定了压缩天然气和液化石油气产品标准。目前，我国许多地区已有改装的c n g 汽车在 运行，也有很多城市正在把公交车逐步地改为c n g 汽车。而伴随着市场上对客车的舒 适性要求的提高，最基本的就是配置空调系统，这就必然会占用较大的底盘空间来安装 空调压缩机、蒸发器、燃油式暖风机等，给之前的下置式( 将气瓶悬挂在底架上) 气瓶 安装方案带来不便。c n g 顶置可以解决这一矛盾，但是c n g 项置客车较之c n g 下置式 客车在车身方面最明显的区别就是车身重心提高了，因而对车身结构的要求相应提高。 客车车身在制造的时候往往按经验设计，或者参考相应模板，边制造边修正，设计 的时候并不知道车身部件的准确受力状态，而只有一个大概的估计，感官认知危险部位 然后进行结构加强设计。这样的传统客车车身结构分析需要很多的经验加以辅助才能得 出比较满意的结果，所以导致这样的结构设计很困难。现在借助于有限元软件，在设计 时进行静力分析便可验证结构强度和刚度，保证其装配和使用要求，同时通过模态分析， 可以避开车身与其他部件( 发动机、传动系统、悬架系统等) 发生共振u 1 ，以及获得 相对合理的结构动态特性控制振动与噪声。若采用经典力学的方法去分析上述问题将会 非常的困难，得到的结果也会十分粗糙。 利用计算机辅助工程( c a e ) 对样车车身结构进行分析能够有效地满足上述车身设计 的要求，并能降低生产和试验的成本、缩短新产品研发周期，对客车的可靠性设计也具 有指导意义。 1 2 计算机辅助工程技术现状与发展趋势 2 0 世纪6 0 年代美国提出了计算机辅助工程( c a e ) 技术，有限元分析方法是其基础， 但由于当时的计算机内存小，磁盘空间小，计算速度慢等特点导致其一直发展缓慢，直 到与计算机技术和c a e 软件的蓬勃发展，c a e 技术才得以普遍的发展及应用。 c n g 顶置客车车身结构分析 目前从广义上来讲c a e 包括的内容很多，其内容几乎可以覆盖制造业和工程信息化 的所有方面。但是传统的c a e 主要是指借助计算机对产品进行性能以及安全可靠性方面 的分析，对设计产品的工作状态进行模拟，以便于在设计中就发现其缺陷，从而改善设 计完善产品，借此来保证产品在功能可用性上之上的性能可靠性。 得益于计算机软硬件技术的蓬勃和持续发展，c a e 技术才得以广泛的应用于制造生 产、工程科学和人类社会的各个工程领域。就单个工程和产品而言，从最初的设计研发， 到生产的过程控制，以至于后期的检测验收c a e 技术可以贯穿整个过程，并发挥其独特 的优势，为现代化工业过程保驾护航。 在快速发展的工业化进程中，最明显和应用的最广的优势便是c a e 可以使新产品的 研发周期有效地缩短，对于提高产品竞争力起着至关重要的作用2 1 。因为在发达国家中， 研发新产品的成本可高达到产品成本的八成，同时研发阶段所用时间占到了从研发到市 场整个过程所用时间的七成。c a e 的广泛应用使得使用实物模型进行试验的次数以及规 模大幅度下降。由c a e 完全代替实物模型进行试验，特别是一些小零件小商品使用c a e 技术更是方便快捷和直观准确。展望未来，随着技术和人才的普及，标准化的生产，c a e 将在产品研发阶段逐渐成为最重要的角色。 当前在汽车工业领域中使用的c a e 软件是专用c a e 软件，企业自主研发的几乎还 不存在，不排除有极少数的二次开发应用的情况，但都是针对某一个产品或者部分非常 小范围的使用，没有普遍应用。现在常用专用c a e 软件有a n s y s 、n a 5 i t r a n 和h y p e n o r i s 等。 1 2 1c a e 在汽车行业中的应用现状 c a e 在汽车制造行业应用非常广泛日1 。主要表现在以下几个方面： 1 1 ) 结构静力分析 c a e 计算的基础是有限单元法，有限元法在计算产品结构强度及刚度方面拥有较高 精度，因此结构应力和变形分析被广泛的使用从而提高产品结构性能，优化产品结构， 以及在各方面满足设计要求的情况下试验简化结构达到轻量化设计和节约材料降低成 本的作用。 ( 2 ) 产品线性及非线性动力分析 常用c a e 软件均可以进行动力学分析。模态分析便是动力学分析的基础，对汽车结 构进行模态分析可以在产品设计之前就预先避免可能的共振，并有助于在其他动力分析 中估算求解的控制参数等。对汽车零部件如齿轮，对其进行弯曲应力和接触应力的分析， 便可优化其结构参数，提高其承载力以及延长其使用寿命。 ( 3 ) 稳态和瞬态分析 瞬态动力学分析的模型可以是刚体，也可以是变形体，对于变形体，还能考虑材料 的非线性特性。分析领域可以包括热力学里的热传导、热对流和热辐射分析，电力学里 2 西华大学硕士学位论文 面的相变分析，以及热与结构的耦合分析。如汽车的覆盖件大多是由专用模具生产，钢 板在模具里会在瞬间承受高压作用以及复杂的热变形，甚至就会产生模体及产品局部开 裂。c a e 便提供了一个新的方法来认识和解决此类问题。 ( 4 ) 声场和波的计算 包括静态声场、动态声场和噪声计算。这方面的技术可用于解决汽车常见的排气管 噪声问题，使得汽车设计中的环保要求得到保障。 ( 5 ) 前沿领域 前沿领域主要指c a e 应用于汽车工业的一些较新的领域如a b s 系统、汽车安全气囊 和汽车碰撞试验。以及还未出现的一些汽车工业的新领域，比如汽车外观油漆检验、混 合动力汽车反应、新能源汽车带来的新问题等等。利用c a e 进行汽车碰撞试验模拟计算， 可以节省昂贵实验费用和实车成本和开发改进周期。 ( 6 ) 动力学仿真分析 利用c a e 采用多体动力学分析方法进行汽车动力学仿真，可在开发研究阶段预测整 车的动力学性能。如汽车的操纵稳定性分析。 现行c a e 技术已经比较成熟，c a e 软件应用性也大大提高。在汽车领域，早期车架 分析一般采用梁单元，车身采用板单元；或者是车架用梁单元，车身用板梁组合单元。 后来发展使用子结构法，进一步有了混合单元、板壳单元计算方法。伴随着计算机相应 软硬件的发展，利用相应的计算机辅助工程软件对汽车进行建模、分析的技术也随之获 得了相应的发展和进步。在客车工业发达国家c a d c a e 已是必不可少的设计手段之一 1 4 l o 1 2 2c a e 技术的发展趋势 c a e 技术是一种集多学科与工程技术于一体的综合性技术，伴随着各种科学技术的 发展而发展。 当前c a e 软件已经能够满足大多实体产品研发的基本要求，然后在加强适用性和提 高模拟的精确性上面临挑战。为了应对挑战，c a e 的发展趋势将有以下几个方向： ( 1 ) c a e 与其它工程技术的集成 c a e 与其它工程的相关技术有着密切的联系。如c a e 分析的数据模型可直接来自 c a d 模型，而c a e 分析技术的结果对结构的改进设计具有指导意义。目前此类软件间的 数据交换大多还是采取中间格式转换，少有的无缝连接适用性也差强人意。因此，为了 确保分析数据的准确性，提高分析精度和可靠性，c a e 软件必须努力加强与产品设计制 造过程的集成和数据转换，实现各种c a d c a e 技术的无缝整体化集成。 ( 2 ) 开放式工程数据库及管理系统 3 c n g 顶置客车车身结构分析 将更多更好的设计方案、分析模型以及最新和实用的标准规范、知识信息都吸收到 c a e 的开放式数据库中，为用户提供较为全面和实用的选择。 ( 3 ) 实现智能化和开发专家系统 c a e 的发展将会以实用性、方便易用为方向，因此更加的易于开发、更加的本 土化、更加的智能化将会成为其显著的特征。c a e 是种多学科的知识密集型技术，任 何一个c a e 用户都不可能完全掌握这些知识。c a e 技术越完善，用户水平将更加跟不上， 使c a e 技术发展和应用陷入两难的境地。为了解决这一矛盾，最好的方法就是将所有算 法更加智能化，帮助用户选择最佳算法、最佳分析流程以及分析计算结果。更进一步， 便是做成能方便和支持用户正确使用的专家系统。 1 3 本论文研究内容与方法 本论文研究了用有限元法对c a 6 1 0 0 u r n 5 1 型半承载式客车车身刚度、强度、动态 特性进行分析的方法，对其结构设计提供了有价值的理论依据。 根据课题提供企业的需求，本论文主要进行了以下几个方面的工作： ( 1 ) 利用u g 软件建立c a 6 1 0 0 u r n 5 1 型客车车身的三维模型。 ( 2 ) 利用a n s y s l 3 0 软件，建立c a 6 1 0 0 u r n 5 1 型客车车身结构静力学分析的有限 元模型，包括选择分析单元类型、计算分析载荷、确定分析工况、设定模型边界约束条 件等。 ( 3 ) 通过a n s y s 有限元分析软件从整体出发，对车身骨架在弯曲工况、扭转工况及 弯扭组合工况三种工况下进行分析计算，得出c a 6 1 0 0 u r n 5 1 车身的应力分布图以及位 移量。 ( 4 ) 根据结构静力分析结果，从宏观的角度对c a 6 1 0 0 u r n 5 1 型客车车身的强度、 刚度做出分析评价。 ( 5 ) 对c a 6 1 0 0 u r n 5 1 型客车车身结构进行模态分析，提取其前六阶的振动频率及 振动形式。 ( 6 ) 根据模态分析结果对c a 6 1 0 0 u r n 5 1 型半承载式客车车身的安全性和舒适性做 出分析评价。 4 西华大学硕士学位论文 2 有限元理论与软件a n s y s 2 1 有限元理论 有限元分析方法具体来说就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 ) 转化成有限 元系统( f i n i t ee i e m e n ts y s t e m ) ，系统组成包括节点( n o d e ) 和单元( e i e m e n t ) 。有限 元系统的求解是通过将系统用一种数学模式来表达，然后根据不同的需求，用这个数学 模式推导出单个单元的受载方程，再组合整个系统的单元方程，构成总的方程组，最后 将方程组求解，从而获得结果，并依靠节点和单元形象的展示出来。一个具体的需要求 解的工程有限元模型将包含工程系统自身具有的物理和边界条件，包括环境条件、材料 性质、约束方式、外加载荷等等具体内容。 有限元理论发展已经十分的完善，设计人员运用其手段可以达到降低产品成本，缩 短产品研发时间的效果。其所应用的范围也十分的宽广，包括线性和非线性的结构力学、 结构动力学、流体力学、热力学、电路学、电磁学等，而发展趋势是逐步完善逼近工程 实际在一个分析系统中结合多个领域，例如结构力学结合流体力学、电磁学结合电路学、 流体力学结合热力学等等。具体应用特点可以概括为以下几个方面： ( 1 ) 离散连续系统成为有限个单元。 ( 2 ) 建立起一组联立的方程组。 ( 3 ) 采用数值处理方法，方便实用。 ( 4 ) 数值性能好，便于稳定求解。 ( 5 ) 适用领域和范围具有广泛适应性。 1 6 ) 计算流程标准化、计算过程程序化。 ( 7 ) 计算程序通用性强，但就无限区域的问题较难仿真。 2 1 1有限元法数值计算的基本思想 从上世纪六十年代由c i o u g h 第一次提出有限单元法或者简称有限元法以来，通过五 十多年的发展进程，有限元法已经成为工程分析中应用最广泛的数值计算方法。正是因 为它所具有的有效性和广泛适用性，得到了各个工程技术界的好评和重视，逐步成为了 计算机辅助设计( c a d ) 和计算机辅助工程( c a e ) 不可或缺的组成部分。 当所求系统的数学模型建立完善之后，有限元法对其进行数值计算的基本思想是对 求解域即是待求解系统、待求解物体、待求解产品等进行单元剖分和分片近似5 ，具体 可概括为以下三点哺1 ： ( 1 ) 离散代表求解结构或连续体的求解域为有限个单元，单元边界上的节点相互连 结为一个整体。 5 c n g 顶置客车车身结构分析 ( 2 ) 对每个单元都假设建立分片表示整体求解域内待求解未知场变量的近似函数， 该近似函数通过由未知场函数或者未知场函数的导数在每个单元的节点上的数值和对 应的插值函数来表示。而场函数在单元之间的连接节点上面拥有相同的数值，因此把这 些节点上的数值和插值函数作为数值求解的基本未知量。如此实现将求解原来待求场函 数的无穷多自由度问题变成了求解场函数节点值的有限自由度问题。 1 3 ) 运用变分原理或加权余量法对待求解数学模型等效建立求解基本未知量的代 数方程组或者微分方程组。此方程便组成了有限元求解的方程，并通过规范化的矩阵形 式来表示，接着采用相同的数值方法求解此方程，从而使待求解求系统得到解答结果。 2 1 2 有限单元法的步骤 有限单元法就是根据工程实际系统的结构利用相应的c a d 工程软件建立起系统的几 何模型，接着将该几何模型进行离散化，并将系统所受的工程实际载荷分别作用到各个 有限的单元上面，最终求解出这有限个单元节点上面的力和位移。 有限单元法的具体步骤如下7 1 ： ( 1 ) 结构的离散化 结构的离散化简单的说就是将连续体力学模型变成离散模型，把求解问题转换为求 解有限个自由度的节点位移。有限元分析过程中的第一步就是结构的离散化，具体离散 化的程度将直接关系到最终计算的精度和结果的准确性。为了有效的模拟与表达实际的 连续体模型以及保证计算结果的有效性和精度，在离散化开始之前就要结合各个因素包 括现有的技术条件等选择合适的单元类型或者确定合适的单元数目以及具体的划分方 案。 1 2 ) 位移函数的选择 在结构的离散化完成后，必须对单元中位移的分布做出一定的假设才能实现用节点 位移来表达单元的位移和应力应变。这一定的假设也就是位移函数或者称之为位移模 式，即假定位移是坐标的某种简单的函数。 有限元分析过程中的关键就是选择适当的位移函数。由于所有光滑函数的局部都可 以用多项式来逼近，并且多项式的数学运算十分的方便，所以在有限元单元法的运用中 普遍选择多项式作为位移函数。然后再根据有关解的收敛性要求和单元的自由度来选择 多项式的阶次和项数。一般来说，多项式的阶次应该包括常数项和线性项，多项式的项 数应该等于单元的自由度数。 根据所选定的位移函数，就可以导出用节点位移表示单元内任一点位移的关系式， 矩阵形式是： 厂) = 【】 瓯) ( 2 1 ) 6 西华大学硕士学位论文 其中： 门表示单元内任一点的位移列矩阵；【】表示单元的形函数矩阵，它是单元 的任点位置坐标的函数； 皖) 表示单元的节点位移列矩阵。 ( 3 ) 单元力学特性的分析 选定了位移函数之后，就可以进行单元进行力学特性的分析，包括利用几何方程、 物理方程和虚功原理来建立节点位移与单元应变、单元应力和单元力的关系三部分内 容。 根据几何方程，由位移表达式( 2 1 ) 导出节点位移表示单元应变的关系式： 占) = 吲 疋) ( 2 2 ) 其中： 占) 表示单元内任一点的应变列矩阵； b 表示单元的应变矩阵。 根据物理方程，由应变表达式( 2 2 ) 导出节点位移表示单元应力的关系式： 仃) = j d 】【曰】 瓯) ( 2 3 ) 其中： 仃) 表示单元内任一点的应变列矩阵；【d 】表示与单元材料选择有关的弹性 矩阵。 根据虚功原理，建立单元刚度方程，即表示作用于单元上的节点力和节点位移 之间的关系式： c ) = 【丘】 疋) ( 2 4 ) 其中： c ) 表示单元的节点力向量； 足】表示单元刚度矩阵。 综上推导便可得出关系式： 【e 】= 肌曰九d p 】妣纰 ( 2 s ) 特别说明的是关系式( 2 5 ) 中的积分域应该是整个单元体积范围。 ( 4 ) 计算等效节点力 在工程实际中的连续体中力的传递是通过公共边界来完成的，但是在离散化之后的 弹性体上是假定力的传递是通过单元节点从一个单元传到另一个单元。因此单元上的体 积力、集中力和单元边界上的表面力等都需要根据虚功原理等效移置到单元的节点，用 等效的节点力来代替所有作用在单元上的力。 ( 5 ) 建立整体平衡方程 建立整体平衡方程的的过程就是两个集合的过程。一是通过集合各个单元的刚度矩 阵得到系统的整体刚度矩阵；二是通过集合作用于各单元的等效节点力向量得到系统总 的载荷向量。再由整体刚度矩阵【k 】、载荷列矩阵 尸) 和整个系统结构的节点位移列矩 阵 6 j 来建立整体平衡方程如下： 7 c n g 顶置客车车身结构分析 【k 】= ， ( 2 6 ) 然后再根据几何边界条件进行适当的修改，便可求解出离散系统中的所有未知节点 的位移。 ( 6 ) 节点位移求解和单元应力的计算 由结构的整体平衡方程( 2 6 ) 求解系统节点位移。然后，然后再根据公式( 2 3 ) 和已求出的单元节点的位移便可求解出各单元的应力，根据具体要求整理结果。 2 2 a n s y s 软件简介 a n s y s ( a n a i y s i ss y s t e m ) 软件是集结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析于 一体的大型通用有限元分析软件。涵盖了机械、航空航天、能源、交通运输、土木建筑、 水利、电子、生物、医学和教学科研等众多领域。 早在上世纪七十年代a n s y s 公司就率先在有限元软件中引入了交互操作方法和对象 图形技术，把有限元软件的前后置处理带到了一个新的阶段；之后直到1 9 8 3 年，a n s y s 公司才最终开发出了世界上第一个能在p c 机上运行操作的的有限元分析程序，并实现了 p c 机与其他硬件平台上完全统一的用户界面；进入到上世纪九十年代初期后，a n s y s 公 司开发了“多物理场 仿真技术；跟随着网络世界的蓬勃发展，a n s y s 公司又研发了异 种异构平台的全网络浮动技术，实现统一的数据文件、统一的用户界面在不同的硬件平 台上转换传送，为c a e 的应用提供了前所未有的灵活工作环境2 1 。进入到本世纪初，a n s y s 公司又朝着智能化趋势迈进了一步，推出了智能化的c a e 前期设计工具d e s i g n s p a c e ， 利用该智能化前期设计工具可以实现产品交互反馈式的设计，即是一个设计到分析再反 馈回设计的系统，实现对各种设计方案和方法以及方案设想进行反复的对比、评价、改 进，以达到最终优化的目的。另外，a n s y s 公司还推出了基于知识的创新工具软件 t e c h o p t i m i z e r ，能帮助不同工程领域技术人员在产品的概念设计阶段，就能依据现有环 境和条件快速准确的发现问题和解决问题，将设计引向正确方向，得到高质量、高效率、 可行性强的创新设计方案。 a n s y s 软件是一套复杂的功能强大并灵活的设计分析程序，并可方便灵活的运行于 p c 机、n t 工作站、u n i x 工作站直至巨型机的各类计算机及操作系统中，其数据文件在 其所有的工作平台和a n s y s 的所有产品系列上均兼容，在个人电脑机上生成的模型能够 同样的运行于巨型机上；另外a n s y s 软件具有的多物理场耦合功能，可以实现在同一模 型上进行各式各样的耦合计算，如：磁结构耦合、热结构耦合等形式，实现所 有a n s y s 用户的多变多领域工程问题的求解嘲。 a n s y s 软件具有以下功能： ( 1 ) 基于数值分析和工程学的理论及技术。 ( 2 ) 大部分工程技术问题均可获得解决。 8 西华大学硕士学位论文 ( 3 ) 求解技术快速有效。 ( 4 ) 以用户为导向，易于定义问题。 ( 5 ) 面向对象直接由问题定义推导结果。 ( 6 ) 可以完整形象直观的表示图形。 ( 7 ) 软件自带完整的帮助文件和例题。 另外软件开发团队拥有一支完整的工程及学术人员队伍，针对a n s y s 软件，开发团 队每年都有完善的研讨会，并发布完整的电子布告栏帮助用户解决问题。 因此，a n s y s 软件在工程分析领域被广泛的使用。( 所谓工程分析，主要是分析待 求解系统受到外载后的表现，包括温度、应力、应变、位移变形等方面，由其表现衡量 其状态，进而判断产品设计是否达到工程技术指标。) 在桥梁、土木、电气、机械、电 子、航空等不同领域的使用，都能达到一定程度的有效参考性和可信度，广受好评。 a n s y s 软件的分析是对物理现象的等效表示，是对真实情况的数值近似和状态模拟。 通过对分析系统进行网格划分以及求解有限问题来近似模拟真实情况下的无限个未知 量。一般完整的有限元程序( f i n i t ee i e m e n tp r o g r a m ) 包含前置处理( p r e p r o c e s s i n g ) 、 解题程序( s o l u t i o n ) 和后置处理( p o s t p r o c e s s i n g ) 。典型的分析过程如下： ( 1 ) 创建有限元模型 直接在a n s y s 中建立系统几何模型或通过其他工程软件建立几何模型再导入 a n s y s 。 给几何模型添加材料特性。 对模型进行单元划分。 ( 2 ) 定义载荷并求解 按工程实际问题给模型添加载荷属性，施加约束条件。 求解模型： a ) 系统整体刚度矩阵计算k 1 。 b ) 系统整体外力列矩阵的组合 ，1 。 c ) 线性代数方程 ，) = 【k 】 仃) 的求解。 d ) 通过资料反算法求解出需要的应力和位移变形等。 ( 3 ) 查看结果 在a n s y s 后处理模块中提取并查看整体的分析结果( 应力、应变、变形等) 。 按工程实际检验分析结果( 分析结果) a n s y s 软件的分析功能非常的强大，主要应用还是分析对象受到外载后的表现，如 系统位移、应力四1 ，因此对于车身骨架结构的分析十分有用，本文便使用了最新型号 9 c n g 项置客车车身结构分析 的a n s y s 软件a n s y s l 3 0 对一汽客车( 成都) 有限公司最新研发的c a 6 1 0 0 u r n 5 1 城市 客车的车身骨架结构进行分析和评估。 2 3 本章小结 本章主要介绍了有限元法、流行的有限元软件a n s y s ( 本论文所使用软件) 及其 使用a n s y s 软件进行分析的通用流程。 西华大学硕士学位论文 3车身结构分析模型的建立 模型是指对研究的事物、概念、工程或系统的一种表达形式，也可指根据实际的生 产或试验的图样放大或缩小而制作的产品样品，一般用于实验和展览，也可指铸造机器 零件等用的模子。模型可以用来表达产品的主要特征和对所要关心和研究的特征及其变 化规律进行定量模拟，它能更集中地描述事物的主要特征或特定问题，因此在研发试验 等领域模型的使用在一定程度上明显的优于实物。因此，模型决不可能等同于实物，但 实物和模型必须保持严格的相似关系，只有这样，才能使从模型所取得的结果具有有效 的参考价值。 在有限元法中，结构的模型化是进行计算的第一步，即将工程问题离散为具有相同 特性的相应的单元和节点。静力分析的时候，模型的受载与实际结构上对应之处的力学 特性越逼近，则其计算精度也越高。因此，要求模型所使用的单元必须能够如实地反映 结构的局部情况，从总体上来说，则要求计算模型尽可能最大限度地表示出整个结构的 实际工程情况。 3 1客车按车身结构分类 3 1 1 根据尺寸和用途分类 根据客车车身总长( l a ) 的不同，客车可以分为微型客车( l a 3 5 m ) 、轻型客车 ( 3 5 m l a 7 0 m ) 、中型客车( 7 o 1 0 0 m ) 。 根据客车用途的不同，又可分为：城市客车、长途客车、旅游客车和专用客车几大 类埘。 3 1 2 根据承载形式分类 根据客车车身承载形式的不同，客车可分为：非承载式、半承载式和承载式客车三 大类1 u 。 3 1 2 1 非承载式客车 非承载式客车是指在底盘车架上组装车身而成的客车，其车身是通过多个橡胶垫安 装在车架上，属于有车架的客车类型的一种。因为车身和车架之间有挠性的橡胶垫，其 能够吸收绝大多数由道路不平而带给车身的振动和冲击，所以载荷主要由车架承担，理 论上车身结构便不承担载荷。但在实际过程中，非承载式的车身还是会在很小程度上承 受来自车架受载弯曲和扭转引起的载荷。 因此非承载式客车车身结构具有以下特点： 1 ) 挠性的橡胶垫圈可以适当起到缓冲、隔振和降低噪声的作用，使客车车身的使 用寿命得到延长，又可提高客车乘客的乘坐舒适性。 c n g 顶置客车车身结构分析 ( 2 ) 客车车身与其底盘可以先分开装配然后再进行总装，如此一来既便于组织专业 化协作生产又能起到简化装配工艺的作用。 ( 3 ) 客车上的其他各总成和部件安装方便。 ( 4 ) 遇到意外撞车时，车架对车身起一定的保护作用。 ( 5 ) 整车自重比较重不符合汽车轻量化设计趋势。 3 1 2 2 半承载式客车 半承载式客车车身是一种过渡性结构，将车身与车架刚性相连，因此使得车身承担 部分载荷，从而便可适当减轻车架质量。但由于仍保留笨重的车架，大客车的轻量化还 是会受到一定限制。 3 1 2 3 承载式客车 承载式车身结构是一种无车架的承载式车身结构，这种结构使得客车进一步减轻自 重成为可能，并且使得客车车身的结构更加的合理化。而根据客车车身的上下部受载程 度不同，承载式客车又有两种结构形式，即基础承载和全承载。 ( 1 ) 基础承载式 将车身的侧围腰梁以下的部分设计为主要的承载件，车顶则考虑为非承载件式的结 构即为基础承载式的车身结构。这种结构的底部高度可达5 0 0 m m 以上，离地距离大， 因此，车身地板下面的空间可以用作行李舱，常见于旅游客车和长途客车。 2 ) 全承载式 全承载式结构较之基础承载式结构，车身的上、下部结构是构成的一个鸟笼式的整 体结构，在工作中整个车身都将参与承载，以强济弱的自动调节，最终使得整个车身结 构到达一个平衡稳定的工作状态。因此，全承载式又名整体承载式。全承载式结构的突 出优势就是通过结构上的深入分析以及理论的研究，可以把车身设计成等强度的空间结 构从而发挥出材料的最大潜能和价值，使得客车的轻量化设计得到满足的同时结构的强 度和刚度也达到理想的最大值。 3 1 3 根据车身结构分类 根据车身结构客车车身可以分为骨架式、薄壳式和复合式几种结构1 1 1 。 骨架式车身结构是指客车车身主要由抗扭刚性很高的异型钢管骨架和仅有装饰作用的薄 钢板外蒙皮构成的，这种结构的车身表面光滑平整，窗立柱较细，侧窗开口较大，视野 开阔，但设备投资也较大，而且焊接工艺较为复杂；薄壳式结构又称为应力蒙皮结构， 即车身全为应力蒙皮构成，因此这种结构的车身质量轻、生产率高、易于改型，但这种 结构的车身为保证强度刚度，一般窗立柱都比较粗，侧窗开口的也比较小，而且车身外 表面多裸露铆钉点，车身表面欠缺光滑平整；复合式结构具有骨架式和薄壳式结构的综 合优点，车身的前围和后围为薄壳，车身的第二立柱与最后立柱之间为框架结构，这样 西华大学硕士学位论文 可以实现大侧风窗的设计，车身轻量化也得到满足，且车身表面光整，已经成为当前大 客车造型设计特别是公交系列的主流造型趋势。 综上所述，城市客车车身结构更适合采用的是全承载式、复合式，本文分析的 c a 6 1 0 0 u r n 5 1 城市客车为半承载式、骨架车身结构，是由空间骨架、车身蒙皮和内装饰 件等构成的复杂空间结构形式。 3 2车身有限元分析模型的建立原则与简化 以往客车有限元分析典型的建模方法是全部采用b e a m l 8 8 梁单元，忽略一些无法处 理或者是难于处理的局部结构1 。但是如果忽略某些局部结构如窗立柱的矩管交接处 的斜撑，就将会使得计算的结果大大失真而无有效的参考利用价值。因为这些关键部位 的局部加强结构的好坏影响着整车车身结构的好坏。 也有人单独研究过客车车架b 1 。因为考虑到半承载式大客车的扣合生产基本采用 的是货车的车架，而货车车架本身在货车上是主要承载件，结构简单，受力和约束条件 易于确定，故单独研究车架可行。但是同一物件用作客车底架的时候，实际的工程应用 情况就较为复杂了，因为其与侧围骨架、底骨架等均有连接，单独研究时就会发现边界 条件几乎是无法处理。即使非常勉强的近似处理，得到的分析结果也基本上无实际的应 用价值。 要对c a 6 1 0 0 u r n 5 1 型客车车身结构进行有限元分析，第一步就是要建立一个比较 准确的有限元模型，即越接近实际的工程情况，则其准确度就越高。但是为了得到便于 模拟的计算模型就必须对系统进行一些合理的假设和模拟。因此在建立c a 6 1 0 0 u r n 5 1 型 客车车身结构三维实体模型时，就可以先采取一些简化措施简化其几何模型，为有限元 模型的良好建立作好准备。故本文在建立c a 6 1 0 0 u r n 5 1 型客车车身结构的三维实体模型 时主要采用了以下几种方式进行简化： 1 1 ) 去掉车身结构中的非承载件和功能件。客车的车身结构中，某些结构的设计仅 仅是为了使用上的要求，而非强度刚度的要求，比如常见的内饰预埋、踏板支架、舱门 功能件、天窗功能件等。这些结构对整体的客车车身结构在工况下的应力分布以及变形 大小都基本上没有影响，因此本文在三维建模时采取忽略它们的处理方式。 ( 2 ) 对所有矩管、方管、槽型梁、角钢等的截面采用真实断面形状及尺寸进行建模。 因为有限元软件在对构件进行分析计算时，拥有非直接承载曲面曲线连接的构件和相应 直面直线连接的构件在相同工况下的静力计算结果数据基本一样，但前者耗时远大于后 者，计算效率较低。因此本文在整体车身结构中简化前围上横梁一弯曲杆件为直梁、简 化前围上横梁二的两端曲线连接为直线连接、简化轮拱为直线形式。 1 3 ) 对于两个靠的很近，且完全重合的连接面，简化为同一平面处理。因此将顶盖 和侧围中两根相同的并排加强矩管简化为等尺寸的一根矩管。 c n g 顶置客车车身结构分析 ( 4 ) 对于两个靠的很近，但并不完全重合的连接面，简化为同一平面处理。因此把 前后围与顶盖的连接简化为一根矩管。 ( 5 ) 将客车底盘构件上的很多的很小的圆弧过渡简化为直角过渡，来提高整车模型 的计算速度。 ( 6 ) 在不影响整体结构的前提下，对底盘大梁上连接悬架的部位进行加层加厚处 理，以此削弱由于悬架简化而可能引起的车身结构本不存在的应力集中情况。 ( 7 ) 忽略所有矩管、方管、槽梁等的倒角；忽略所有内饰、蒙皮、玻璃和车身上的 其他相关附件。 ( 8 ) 对于车身构件上的特征在考虑到其功用和是否对结构分析有关键性影响的因 素后应尽量简化或忽略。比如很多为内饰和电气所开的孔、台阶、凹槽等。但对于工况 中有承载作用的侧围腰梁的异型管小台阶保持原状。 3 3 有限元分析模型的建立 3 3 1整车参数 客车车身承受的载荷主要是发动机、变速箱、离合器、前后桥等集中质量，乘客的 重量以分布载荷的形式作用在地板上。c a 6 1 0 0 u r n 5 1 型客车车身结构如图3 1 所示，整 车质量参数如表3 1 所示，车身结构及其主要附件重量如表3 2 所示。 表3 1 整车质量参数 t a b l e3 1v e h i c l eq 腑l 时p 觚蚰e t e 璐 项目前轴分配质量( k g )后轴分配质量( k g )总质量( k g ) 底盘8 8 03 1 2 0 4 0 0 0 整备 2 9 0 05 8 0 08 7 0 0 满载 4 5 0 09 0 0 01 3 5 0 0 表3 2 车身结构及其主要附件重量 t a b l e3 2 b 0 d ys 仃u c t u 他柚di t sm a i l l c e s s o r i 骼w c i g h t 序号 项目名称项目参数 1 总长( 衄) ： 1 0 4 7 5 2 总宽( 咖) ： 2 4 8 0 3 总高( 衄) ：3 5 5 0 4轴距( 衄) ：5 1 0 0 5 前轮距( 衄) 2 0 6 0 6 发动机型式位置：直列六缸后置 7 标配座位数( 个) ： 2 3 + 1 8 c n g 质量( k g ) ： 8 7 支蝎 西华大学硕士学位论文 表3 2 续 t a b l e3 2c o u n t 9 空调质量( k g ) ： 1 5 0 1 0 方向机质量( k g ) ： 5 0 1 1 方向盘质量( k g ) ： 8 1 2 车架质量( k g ) ： 9 6 0 1 3 前轴质量( k g ) ：2 8 0 1 4 前悬架系统质量( k g ) ：1 8 5 1 5 前轮( 2 只) 质量( k g ) ： 2 0 0 1 6 后桥质量( k g ) ： 6 8 0 1 7 后悬架系统质量( k g ) ： 5 8 0 1 8 后轮( 4 只) 质量( k g ) ： 4 0 0 1 9 传动轴质量( k g ) ： 2 0 2 0 发动机( 自带离合器) 质量( k g ) ： 4 4 0 2 1 水箱及冷却系统满载质量( k g ) ：1 1 0 2 2 消声器及排气管质量( k g ) ：2 7 2 3 空滤器、中冷器及排气系统质量( k g ) ： 4 8 2 4 制动系统质量( k g ) ： 5 0 2 5 电气系统质量( k g ) ： 2 0 2 6 电瓶装置质量( k g ) ： 1 5 0 2 7 仪表台质量( k g ) ： 4 0 2 8 空调压缩机质鼍( k g ) ： 6 0 2 9 驾驶员座椅质量( k g ) ： 1 4 3 0 空调冷凝器、蒸发器质量( k g ) ： 2 2 7 3 1 前悬弹簧刚度( n m ) ： 1 8 5 0 0 0 3 2 后悬弹簧刚度( n ) ：3 6 2 6 0 0 3 3 最高车速( k m h ) ： 8 0 3 4 额定载客数( 人) 6 0 3 3 2 三维实体模型建立 根据实际的生产制造数据，用u g 建立c a 6 1 0 0 u r n s l 整车车身骨架模型如图3 1 所 不： c n g 顶置客车车身结构分析 图3 1c a 6 1 0 0 u 】更n 5 l 整车车身骨架模型 f i g u 坞3 1 c a 6 1 0 0 u r n 51w 扯c l eb o d y 舶m em o d e l 3 3 3 选择单元类型 几何模型建立完成之后，紧接着就该确定分析所需要采用的单元类型。 3 3 3 1 车身单元 快速发展的计算机硬件技术以及随之带来的计算机价格大幅度的下降，使得主要使 用板壳单元的客车有限元模型发展成为典型的建模方法。 板壳单元建模具有结构较精确的特点，基本能将客车的结构特性完全地在模型中表 达出来。但缺点是建模时间较长，因此需要大量的人力和相应的配套计算机才能保证在 客车开发的初期就可以及时得到运算的结果。并且用于模态分析的时候干扰模态比较多。 传统客车车身结构有限元模型骨架部分常采用的单元不外乎梁单元和板壳单元两种 类型。1 9 7 4 年，l u k i nj l 对车身结