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杨富强：基于有限元的客车车身轻量化 摘要 客车轻量化是2 1 世纪客车发展的趋势之一，客车轻量化可减少客车能源消耗 并相应降低客车尾气排放，减少空气污染，同时还可提高车辆的操纵稳定性、行驶 安全性、乘坐舒适性等性能。客车车身骨架是重要的承载件，它的质量占客车整车 质量的三分之一左右，车身骨架的轻量化对减轻客车的整车质量有着非常重要的意 义。本文的主要研究工作是围绕着扬州大学与扬州亚星一奔驰有限公司的合作项目展 开的，针对该公司1 1 米长半承载式y b l 6 1 1 5 型城市客车进行客车车身轻量化研究。 论文在对客车轻量化背景及国内外研究概况进行归纳总结的基础上，对客车车 身有限元分析建模的关键技术进行了研究和归纳，采用m s c n a s t r a n 有限元分 析软件，结合y b l 6 1 1 5 型客车实例对车身有限元分析建模中客车的受力状态分析、 网格模型的建立，及有限元模型的简化、载荷与边界条件的处理等关键技术进行了 应用研究。以表面模型为主建立了车身几何模型，并结合客车的l o 种工况对 y b l 6 1 1 5 型城市客车车身进行定性受力分析，在此基础上建立了以四边形网格为主 的网格模型，并根据研究对象的特点，研究了复杂组件、乘客、连接部位、车身蒙 皮和边界与载荷的处理方法，最终建立了以壳单元为主的客车有限元分析模型。 为确保有限元仿真分析结果的可信性，对客车车身有限元分析模型及其分析模 型数值结果进行了合理性与可信性验证。并在此基础上，重点对客车车身弯曲工况， 扭转工况，发动机最大工况进行静力仿真分析，为客车车身轻量化提供了可靠依据。 论文结合客车车身结构的安全性和有限元分析结果中得到的线索拟定了对客 车车架、中门立柱及横梁进行结构拓扑优化的轻量化方案。通过对轻量化方案进行 有限元仿真验证确认，对仍具有轻量化空间的部位及应力较大部位，进行了进一步 轻量化方案的优化调整。 经过两次车身结构的优化调整后，客车车身的结构仿真应力状态与原设计结构 仿真应力状态相比得到较为明显的改善。改进设计的客车车身重量和原先设计的客 车车身重量相比减少x 公斤。 关键词：客车，车身，有限元，轻量化 n扬州大学硕士学位论文 a b s t r a c t b u sl i g h t - w e i g h ti so n eo f t h ed e v e l o p m e n tt r e n d so f a u t o m o b i l ei nt h e2 1 s tc e n t u r y t h et e c h n o l o g yo fb u sl i g h t w e i g h tc a nr e d u c eb u se n e r g yc o n s u m p t i o n ，t h eb u s g a s e m i s s i o n sa n da i rp o l l u t i o n ，a n di m p r o v eb u sp e r f o r m a n c e b u sb o d ys k e l e t o ni sa k i n do f i m p o r t a n tl o a d i n gc o m p o n e n t i t sm a s so c c u p i e sa p p r o x i m a t e l yo n et h i r do f b u sm a s s t h el i g h t - w e i g h to fb u s b o d y s k e l e t o nh a sav e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o rr e d u c t i o no f b u sm a s s t h er e s e a r c hw o r ko nt h i sp a p e ri sd o n es u r r o u n d i n gac o o p e r a t i o np r o j e c t b e t w e e ny a n g z h o uu n i v e r s i t ya n dy a n g z h o uy a x i n g b e n zl t d t h i sp a p e r m a i n l ys t u d y o n b u s - b o d y l i g h t w e i g h to f i t s1 1 - m e t r e l o n gc i t y b u s o nt h eb a s i so fs u m m a r i z i n gb a c k g r o u n do f b u sl i g h t w e i g h ta n dd o m e s t i cs i t u a t i o n a n di n t e r n a t i o n a ls i t u a t i o n ，t h ek e yt e c h n o l o g i e so fb u s b o d yf i n i t ee l e m e n tm o d e l i n ga r e r e s e a r c h e da n ds u m m a r i z e do nt h i sp a p e r , b u sf o r c ea n a l y s i sa r ea p p l i e d ，鲥dm o d e l i n gi s b u i l tu p ，b u s b o d yf i n i t ee l e m e n tm o d e l i n ga r es i m p l i f i e d ，l o a da n db o u n d a r yc o n d i t i o n s a r ed i s p o s a lu s i n gf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r eo fm s c n a s t r a nc o m b i n ew i t hy b l 6 1 1 5 t y p eb u se x a m p l e t h eg e o m e t r i cm o d e l so f b u sa r em a i n l yc r e a t e du s i n gs u r f a c em o d e l ， a n df o r c ea n a l y s i sf o ry b l 6 115t y p eb u sb o d ya r es e tg i v e nt e nc a s e s o na b o v eb a s i s ， 面dm o d e l i n gi sb u i l tm a i n l yu s i n gq u a d r i l a t e r a lg r i d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co f r e s e a r c h o b j e c t ，t h ed i s p o s a l o fc o m p l e x c o m p o n e n t s 、p a s s e n g e r s 、c o n n e c t i n g d e p a r t m e n t 、b u sc o v i n g 、l o a da n db o u n d a r yc o n d i t i o n sa r er e s e a r c h e d ，f i n a l l y , b u sb o d y f i n i t ee l e m e n tm o d e l i n gi se s t a b l i s h e du s i n gs h e l le l e m e n t i no r d e rt oe n s u r et h ec r e d i b i l i t yo f t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n a l y s i s ，r a t i o n a l i t ya n d c r e d i b i l i t yf o rr e s u l to fa n a l y s i sa n db u sb o d yf m i t ee l e m e n tm o d e l i n ga r ev a l i d a t e d o n a b o v eb a s i s ，b o d yb e n d i n gc a s e 、b o d yt o r s i o nc a s e 、t h el a r g e s te n g i n ep o w e rc a s ef o r l i n e a rs t a t i cs i m u l a t i o na n a l y s i sa r em a i n l ya n a l y z e d ，a n db u sb o d yl i g h t w e i g h tc l u e sa r e g a i n e df r o mr e s u l to fa n a l y s i s s t r u c t u r et o p o l o g yo p t i m i z i n gp r o g r a mf o rb u sc h a s s i s 、s t a n d i n gc o l u m n i a t i o no f m i d d l ed o o ra n dl e v e lb a ri sp r o p o s e db yc l u e sg a i n e df r o mf i n i t ee l e m e n tm o d e l i n g a n a l y s i sr e s u l t t h r o u g hl i g h t w e i g h tp r o g r a m m ec o n f o r m e db yf i n i t ee l e m e n tm o d e l i n g s i m u l a t i o n ，c h a s s i s s t i l lh a dr e d u c t i o n s p a c e ；f u r t h e rl i g h t w e i g h tp r o g r a m m ew a s p r o p o s e dt oo p t i m i z ea d j u s t m e n t 杨富强：基于有限元的客车车身轻量化 1 i i i m p r o v e dd e s i g nb u sb o d yw e i g h tw a sr e d u c e dxk g ，c o m p a r e dt oo r i g i n a ld e s i g n b u sb o d y k e yw o r d s ：b u s ，b u sb o d y , f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，l i g h t - w e i g h t 杨富强：基于有限元的客车车身轻量化 第一章绪论 1 1 选题的背景与意义 随着我国汽车工业的蓬勃发展以及人们生活水平的不断提高，与汽车相关的 汽车能源问题、汽车环保问题，要求改善汽车的操纵稳定性、行驶安全性、乘坐 舒适性等问题开始受到人们的重视。如何解决这些问题已成为汽车工业发展的紧 迫问题，在众多解决这些问题的方案中，其中汽车轻量化是一种切实有效的方案。 汽车轻量化也是2 1 世纪整车发展的趋势之一n 1 。 1 1 1 汽车能源与汽车轻量化 在整个石油消耗中，交通能源消耗石油能源的一半以上，其中汽车能源动力 是交通能源的核心乜1 。2 0 0 4 年以来我国就已成为全球第二大耗油国。2 0 0 5 年，我 国汽车销量超过5 9 0 万辆，跃居全球第二3 ，使我国的石油消耗量进一步增大。我 国是贫油大国，石油安全问题日益成为我国能源安全的核心问题。 石油安全问题对于我国经济社会的持续发展和综合国力的提高至关，是关系 国家安全的重要战略问题n 3 。我国采取各种措施保证石油安全。其中：关键的措施 之一就是对石油能源消耗的大户汽车进行油耗限值，我国在2 0 0 5 年7 月1 日 正式实行乘用车燃料消耗量限值强制性国家标准。标准详细规定了每百公里 消耗燃油的最高指标。标准还规定国内销售的每一种新车型，必须达到规章标准 才可上市销售拍1 。关键措施之二，是采用市场经济手段，控制石油价格，以抑制石 油消耗。 从汽车产品的整个生命周期看( 图卜1 ) ，油耗费用是汽车生命周期总费用的 主体，占汽车生命周期费用的7 1 ，而其他费用如产品回收处理费、汽车原材料加 工费、汽车原材料运输费、汽车生产制造费分别只占1 、1 6 、3 、9 。汽车客户 迫切希望降低油耗费用以节约后期的运行成本。我国的公交带有社会福利性质， 提高收入比较难，因此大多公交公司是亏本经营的。最简单的利润模式是：利润= 收入一成本，这就意味着要想提高利润只有控制运营成本，其中降低公交客车前期 投入成本和后期运营成本是重要途径。低油耗的公交车在日后的运营中成本相对 较低，从而使成本回收周期缩短n 1 。 2扬州大学硕士学位论文 图卜1 在整个汽车产品周期费用消耗百分比哺1 汽车轻量化是降低油耗的有效途径之一。 从车重与燃油里程数( 将里程数除以行驶此里程所使用之燃油量即可得燃油 里程数) 的关系看( 图1 - 2 ) ，汽车重量越轻，燃油里程数越大，间接说明汽车越 轻，燃油消耗量越小。 2 5 _ j j2 0 盘 _ 1 5 努l o 裂 僦5 毯 h 鬟o 、 鬣凶。 、譬圣二 l = 。l _ r r ，舛k ! 车重，k g 图卜2 车重与燃油里程数的关系陋1 国内程振彪等人将减少汽车质量归纳为以下5 种说法阳1 ： 1 ) 汽车质量每减小1 0 0k g ，则每百公里油耗可减少0 2 - 0 8l ，一般为4 5 左右。 2 ) 汽车质量每减小3 0 ，则可节油1 一3 3 ) 汽车质量减小1 ，其油耗可减少0 7 ；汽车质量减小3 3 0 a 4 4 0 k g ，可节约燃 油费用2 0 左右。 4 ) 汽车质量每减小5 0k g ，则每升燃油行驶的距离可增加l k m ；若质量减小1 0 ， 杨富强t 基于有限元的客车车身轻量化 则燃油经济性可提高5 5 左右。 5 ) 轿车质量每减小1 0 ，则油耗可下降8 1 0 。对于1 6 2 0 t 级载货汽车而 言，每减小质量1 0 0 0 k g ，则油耗可降低6 7 。 因此，汽车轻量化对降低汽车燃油消耗，降低汽车后期运行成本的效果是显 著的。 1 1 2 汽车环保与汽车轻量化 与汽车市场的蓬勃发展相比，汽车尾气污染已到了十分严重的程度，资料表 明：2 0 0 2 年，我国在大中型城市的汽车尾气污染己占大气污染的2 0 a 4 0 n 。 汽车尾气已经成为环境恶化的主要根源之一。欧、美、日等国家制定一系列的法 令限制汽车尾气的排放，美国加州政府于2 0 0 2 年通过汽车c o 。管制法，成为第一 个限制新上市汽车c 0 ：排放标准的国家。我国也制定了一系列的法规限制汽车尾气 排放，2 0 0 5 年4 月2 7 日，国家环保总局公布了五项更为严格的机动车污染物排放 新标准，以替代原有的机动车排放和检测方法标准n 引。 汽车轻量化能有效减少汽车尾气排放总量。在发动机燃油效率，石油质量、 点火系统状态等条件不变的前提下，降低汽车油耗，汽车尾气排放量相应减少。 我国汽车总量基数大，总的汽车尾气排放量的减少是十分巨大。 因此，汽车轻量化对环境保护具有重大的影响。 1 1 3 改善汽车性能与汽车轻量化 近年来人们生活水平的不断提高，人们对交通工具的要求也在不断的上升， 人们不仅仅满足于走的了，更要求走的好。汽车开始向高档化发展，汽车空调、 安全气囊、隔热隔音装置、废气净化装置等越来越多地被安装到了汽车上，这无 形中增加了整车整备的质量，从而导致油耗增加，客车的碰撞惯性增加，重心高 度提高等不利因素。 汽车轻量化可有效改善汽车的性能，主要体现在： 1 ) 降低了整车的重心高度 汽车减轻重量后车身重心降低汽车行驶更加稳定、舒适对加速和弹性也有很 大好处同时可使转动和震动部件的噪音明显降低，提高了抗倾翻能力n 3 1 。 2 ) 改善了汽车的主动安全性 由于汽车减轻了重量，从而使刹车距离缩短和碰撞惯性减少；同时，由于汽车 重量减轻，在碰撞时产生的能量也小，降低了对汽车的损害。 4 扬州大学硕士学位论文 3 ) 汽车轻量化不仅可以减小汽车的滚动阻力，加速阻力和爬坡阻力，还为实 现大功率创造条件n 钔 因此，汽车轻量化为汽车性能的改善提供了广阔的空间。 1 1 4 客车轻量化在客车工业中的重要性 客车轻量化为汽车轻量化的一部分，汽车轻量化在节能环保汽车性能改善方面 起到的作用，同样对客车的轻量化也会在这方面起到作用，且由于我国的基本国 情，大部分家庭近期内尚不具备购买轿车的能力。我国城市的交通状况，在一定 程度上也制约了轿车的消费，所以在很长一段时间内，客车是我国城乡交通的主 要工具n5 。从客车发展的趋势看，公共交通是发展主流，客车轻量化也是客车技术 的发展方向。客车轻量化除为我国石油安全，环境保护提供了大量支持，更将影 响我国客车工业系统的格局及其整体技术水平。 1 ) 客车轻量推动客车技术的发展 客车轻量化是一项系统的工程，需要多个部门通力合作方能实现，这就需要企 业内部各个部门提高自己相应的技术水平以达到客车轻量化技术门槛。同样，对 客车企业来说，先掌握客车轻量化技术，意味着在未来客车市场先占有优势，对 其他客车企业产生压力而产生“马太效应”。其他企业若想从市场分得一定的份额， 被市场认同，必须也要掌握客车轻量化技术，从而使整个客车企业形成“多米若 骨牌”现象，推动客车技术的整体进步。 2 ) 客车轻量化影响客车相关工业的布局 客车轻量化使高强度钢，超高强度钢，铝合金，镁合金，工程塑料，复合材料 等材料的使用比例逐年增加，而钢铁材料的比例逐年下降。需求决定市场，客车 原材料加工企业将不得不重新“洗牌 。客车轻量化同样对石油市场产生影响，由 于客车燃油消耗减少，客车运输公司购买石油量减少，供求决定价格，石油的价 格下降。同样由于燃油消耗减少，客车后期运营成本下降，从而为客车乘坐票价 的下降提供空间。 1 1 5 本课题的研究意义 扬州是全国重要的客车生产基地，具有良好的造车基础，丰富的造车经验， 和一批技术、销售人才。江苏亚星客车曾经连续八年在全国中型客车销售市场名 列第一。扬州亚星一奔驰客车有限公司是国内第一个以客车与戴姆勒一克莱斯勒公 司合资合作的企业。 杨富强：基于有限元的客车车身轻量化 本课题为扬州大学与扬州亚星一奔驰公司合作项目，该项目针对目前要求客 车节能、环保、高档化的现状适时地对客车实施轻量化。其举措有助于确定扬州 亚星一奔驰公司在竞争激烈的客车制造业强有力的市场地位，引发客车制造业的技 术改造浪潮，对客车工业具有极大的影响。 1 2 客车轻量化的国内外研究概况 国内外轻量化主要集中在两大方向：一是基于改善客车燃油效率的轻量化， 主要应对能源危机及环境恶化压力，减少客车整个生命周期的成本。二是基于提升 客车性能及安全性的轻量化，以满足客户的需求，不断提升客车运动性能、乘客乘 坐舒适感、客车操纵性，同时确保安全可靠。 1 2 1 国内外汽车轻量化的途径 国内外对汽车进行轻量化的研究主要从以下三个途径： 1 ) 利用材料技术对汽车进行轻量化( 材料轻量化) 1 9 9 4 年全球钢铁界共同出资合作开展了一系列采用钢铁减轻汽车重量的项 目，该项目包括超轻车身( u l s a b ) 、超轻覆盖件( u l s a c ) 、超轻悬挂件( u l s a s ) 和在此基础上的超轻概念车项目( u l s a b - a v c ) 。该项目成果显著，如u l s a b 项目 9 0 以上采用高强度钢板后，车身结构比同类车平均减重2 5 ，车身抗扭强度与抗 弯强度较同类车分别提高8 0 和5 2 ，车身造价比同类车低1 5 ；u l s a c 项目用高 强度钢制造车门外板、用超高强度钢制造车门杆件后与同类车相比减重3 2 ；u l s a s 项目与同类车相比重量减重约3 0 ，制造成本降低2 0 ，成本低于铝材结构3 0 ； u l s a b a v c 项目除了利用先进的高强度钢板外，还大量采用激光拼焊、激光焊接、 液压成型和计算机模拟等技术，生产成本进一步降低，约9 2 0 0 - - - - 1 0 2 0 0 美元，并 且安全性达到了2 0 0 4 年美国和欧洲的五星级碰撞标准n 刚 通用汽车公司的p r e c e p t 铝车身结构由6 4 k g 铝冲压件、4 9 k g 铝挤压件及3 2 k g 铝铸件组成，与钢结构相比，质量减少4 5 n 。 从各汽车材料在汽车使用的组成中可以看出( 图1 - 3 ) ，虽然钢铁材料仍保持 主导地位，但钢铁材料的比例逐年下降。铝合金，工程塑料等轻型材料比例逐年 上升，由于轻型材料制造工艺性差，回收利用率低而限制其使用，一旦解决新、 轻材料的回收问题、加工工艺性问题、轻型材料将会在汽车上大量使用，从而有 力的推动汽车轻量化。 6 扬州大学硕士学位论文 图卜3 各种汽车材料消耗百分比在汽车组成中的变化“ 2 ) 利用革新制造工艺实现汽车轻量化 在利用优化设计和轻型材料实现汽车减重时，常需要革新制造工艺，从而进 一步减少质量降低成本。 国内外在革新制造工艺方面的研究主要集中在三个方面： ( 1 ) 轻型结构件的创新制造工艺 轻型结构件的创新制造工艺有管件液压胀形新工艺和塑料中空成型工艺。 美国福特公司的m o n d e o 轿车的发动机支架采用液压胀形技术后，与传统的加 工技术相比，零件个数由6 个减少为一个，制造工序由3 2 道减少为3 道，构件质 量由1 2 k g 减少为8 k g ，成本又2 0 英镑减为1 0 英镑。 ( 2 ) 轻型结构件新的优化连接工艺 将内高压成形的管件，按优化的尺寸加工好端面并清洗后，采用激光焊接将 构件连接成轻型结构件。有的还可采用超塑性扩散连接新工艺。 ( 3 ) 产品开发中的集成创新工艺设计 在产品结构设计时，事先就把新选定的材料与减小质量的工艺集成到设计中 去，从而收到既能缩短制造过程工艺链，又能显著减小质量并降低生产成本的效 果。整体无缝式汽车驱动桥壳与轿车副车架的设计就是这种方法的范例。 3 ) 利用汽车结构优化实现汽车轻量化“”2 1 杨富强：基于有限元的客车车身轻量化 7 虽然目前汽车轻量化的研究工作大多集中于采用轻型材料，由于轻型材料制 造工艺性差，回收利用率低而限制其使用，结构轻量化对企业来说更具有实用意 义。宝马汽车公司的b l u k e r w o l t m a n n 以b m w 车型的更新换代为例，全面阐 述了材料、设计、成本与质量之间的关系，如图卜4 所示。从图中可知，通过优 化设计( 从a 至b ) ，质量可以减小，成本也跟着减小。b 处为最佳的轻量化设计， 此时成本最低。若能采用轻量化材料并进行优化，质量还可进一步减小，但是成 本将不断增加。c 处为最佳的设计和材料，此处成本增加不多，而降重效果显著。 荽 ：曼苎些孽曼i 几何尺寸、设计，负麓、目标 震t 图卜4 材料、设计、成本与质量之间的关系呻1 国内外对汽车结构优化的研究主要集中在两个方面：一是开发新的更适用的 设计方法以优化零件的造型设计；二是设计轻结构形状，力图按照实际工况来优 化零件的形状设计，也就是造型优化法和形状优化法。 ( 1 ) 造型优化法。利用结构解析技术和c a d ，c a e 等技术进行结构优化设计， 在确保性能和功能的前提下，削除无用材料，寻求零部件壁厚的减薄，数量的精 简，结构的整体化和合理化。 ( 2 ) 形状优化法。形状优化法能够达到既减小零件的质量又延长零件寿命的 目的。这种方法采用了一种建立在生物学增长规律基础上的数值计算方法，它的 基础是模拟一种凭借经验确定的生物学增长规律，用有限元法研究生物增长载体 如( 骨骼、树木等) 的力学特性，使结构形状优化。 考虑到材料，设计、成本等因素，本课题主要采用有限元法来优化客车车身 结构。 1 2 基于有限元的客车车身结构轻量化的国内外研究概况 有限元法是客车车身结构优化方法中的一种，国内运用有限元法研究客车结 扬州大学硕士学位论文 构始于8 0 年代初，但由于早期计算机硬件与软件的水平限制，故早期客车模型主 要利用杠、梁单元建模，有限元软件以自己编程为主。但由于杠、梁单元为线单 元，不能很好的模拟客车的结构特性，因而计算精度不是很高，主要利用有限元 分析结果来验证客车结构分析，用客车实验来验证有限元模型以及运用客车有限 元分析得到线索来优化已有结构。早期研究成果有：东南大学的温文源、韩祖行 应用有限元法与数学规划法对客车车身结构进行了性能分析及优化设计研究，探 讨了数学模型、设计变量、约束条件等理论问题堙3 。武汉客车厂的刘百洲提出了车 身结构力学模型的简化以及车身结构强度的分析方法瞳4 。湖南大学的徐康聪、黄天 泽提出一种基于状态空间搜索的客车车身骨架有限元分析的前处理算法，并在微 型计算机上对一个车型的实例进行了运用心引。9 6 年之后福建农业大学的陈铭年，德 国不伦瑞克工业大学的h j b e e r m a n n ，吉林工业大学的庄继德开始考虑客车结构 杆连接的真实形状对结构计算的影响乜引，客车研究向深层次的力学机理方向发展， 梁、杠单元在半承载客车、双层客车和中型客车的建模分析中都有所运用乜7 儿2 刚乜9 1 ， 此时客车轻量化技术开始初步应用。辽宁黄海汽车( 集团) 有限责任公司的于春 明郭迎春应用梁单元对黄海牌d d 6 9 8 0 q s 客车车身骨架强度在各种运行工况下进 行了模拟分析，并结合实际情况对其进行了骨架减轻质量的对比分析m 1 。随着计算 机的发展，板单元被引入客车模型，清华大学的陈全世、宋云等人开始用板单元 来建立中型客车的车身有限元分析模型，分析客车车身的应力，取得了较好的效 果口口引。9 9 年后，有限元对客车的分析有了进一步的发展，壳单元又被引入到客 车分析中，东南大学的朱壮瑞等与跃进汽车集团公司的张炳军用壳单元建立车架 模型，进行静态动态分析，计算结果比用板单元分析的精度更高口3 。，有限元模型的 建立更加注重实际结构的力学特性，客车有限元分析达到了更高的层次，计算机 硬件与有限元软件对客车的模拟障碍大部分已经消除。由于能源危机的压力，基 于有限元的客车轻量化在2 0 0 3 年后渐成热点，有限元分析方法被引用到产品的开 发与设计评价。江苏大学的徐宏兵、葛如海、王怀对大客车车身的有限元分析， 获得车身强度分布状况，在此基础上进行车身骨架的轻量化改进设计呻引。北京理 工大学的孟庆功、徐宝云、黄华利用有限元软件对低地板城市电动客车车架结构 进行有限元分析，计算该客车在弯曲、转弯、刹车、扭转四种工况下的应力，根 据计算结果提出降低车重的方案口5 1 。北京理工大学的代红军、林程以某电动客车为 例，对其车身强度进行a n s y s 有限元分析，并对其进行轻量化设计m 1 。广州汽车技 杨富强：基于有限元的客车车身轻量化 9 术中心的邬晴晖建立了城市客车车身和车架结构的有限元模型，提出该车型结构 的轻量化设计方案，并通过强度分析和刚度分析确认了轻量化设计方案口7 。 国外客车技术和科研能力较高的地区主要是欧洲、日本和韩国，较出名的客 车及客车底盘生产企业有奔驰、尼奥普兰、雷诺、依维柯、沃尔沃等，其中德国 的客车技术在世界上保持领先地位。由于7 0 年代的石油危机，欧美各国较早的开 展了汽车轻量化研究，至8 0 年代有限元分析成为一种比较成熟的设计分析手段。 国外的客车设计已经很好地把有限元设计与分析法引用到产品的开发、设计评价 及生产中了，虽然由于计算机硬件与软件的限制，但其早期的客车有限元分析的 精度是相当高的，他们能将现有的有限元软件与硬件发挥到极致，这多少与国外 的科研实力有关。德国的b e e m a n n ，h j 在8 4 年就指出由于车架的接头的柔度相差 几十甚至几百倍，传统的算法将接头看作刚性的结点是很难算出准确的应力的，并 提出用混合单元来模拟接头得到了很好的效果口8 。德国的h o n gj y 等于9 7 用梁 单元建立车身骨架模型，对多梁连接处用壳单元建模得到的信息，将连接处等效 为一个短梁，使梁单元建立的车身骨架模型的分析精度进一步提高口9 。，从而为客车 轻量化的灵敏度分析提供了可靠的基础。由于8 0 年代之后高性能车的普及带来的 车体相关部件的铝化( 板材、挤型) ；运动性能、乘坐舒适性、操纵性的提升，国 外已经把研究重点转向基于提升性能及安全性的轻量化上，德国的n a o k in i i i 等 提出了大客车的翻车分析的方法h 引。美国h w a i - c h u n gw u ，b i nm u ，k r a i g w a r n e m u e n d e 采用有限元发对客车的仪表板夹层材料进行了疲劳分析，并提供能同 时考虑翻车和疲劳的夹层板模型，取得了很好的效果。 1 3 本论文的主要研究内容 本课题为扬州大学与扬州亚星一奔驰有限公司的合作项目，主要针对该公司 y b l 6 1 1 5 型1 1 米长，半承载式城市客车。本文对客车车身轻量化方法与技术进行 了研究。主要研究内容包括以下几个方面： 1 ) 以y b l 6 11 5 型客车车身为例，研究合理建立客车车身有限元分析模型的方 法，包括客车车身有限元分析模型建立流程，客车车身几何模型的建立，客车车 身的力学特性分析过程，正确的选择单元与合理的划分网格依据，有限元模型的 简化，边界及载荷的简化方法等。 2 ) 研究客车车身有限元输出结果及其合理性的评价方法，对客车车身弯曲工 况，客车车身扭转工况，发动机最大扭矩工况三种典型工况下客车车身的应力状 1 0 扬州大学硕士学位论文 况进行分析，研究在弯曲工况、扭转工况下产生高应力区可能的原因。 3 ) 结合仿真分析结果对客车各零部件轻量化方法进行研究，对客车车身进行轻 量化，并通过对车身弯曲工况、车身扭转工况的进一步仿真分析，验证客车车身 轻量化方案的合理性和可行性。 1 4 本章小结 本章首先讨论了汽车能源、汽车环保、改善汽车性能与汽车轻量化之间的关 系，阐述了客车轻量化在客车工业中的重要性，在此基础上总结了本课题的选题 背景与意义。其次，总结了国内外汽车轻量化的途径，在此基础上归纳了基于有 限元的客车车身结构轻量化的国内外研究情况。最后简单总结了本文的主要研究 内容。 杨富强：基于有限元的客车车身轻量化 第二章客车车身轻量化有限元强度分析的理论基础 2 1 引言 客车车身和车架结构较为复杂，用经典力学方法计算其强度和刚度，需要作 很多简化和假设，计算冗长繁杂，计算结果较差，有限元法是计算复杂结构问题 的较为有效的实用工具，目前针对各种问题的有限元算法已经被编译成了软件， 所有的计算过程都由计算机完成。但要正确地用有限元软件对客车车身进行分析， 则需要掌握一定的有限元基本理论和客车车身载荷方面的基本理论。 2 2 有限元的基本理论h 4 7 ， 有限元法又称有限元素法( t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，简写为f e m ) ，是求解 边值或初值问题，建立在待定场函数离散化基础上的一种数值方法，是2 0 世纪中 期兴起的应用数学、力学及计算机科学相互渗透、综合利用的交叉学科。 有限元法的实质是用有限个单元体的组合代替连续体，化无限自由度问题为 有限自由度问题；是用有限子域的组合代替一个连续域，化连续场函数的微分方 程求解问题为有限个参数的代数方程组求解问题。对于大多数形状和边界条件复 杂的工程问题，要想获得问题的解析解答是不可能的，只能寻求各种近似的数值 方法，而有限元法是一种行之有效的数值分析方法。 在使用有限元法对所要研究的连续体进行计算分析时，要将研究的连续体划 分为若干个有限大小的子区域，即有限元( 单元) 。在对单元进行分析时，首先假 定单元内部位移为结点位移的简单函数，建立单元的结点位移和结点力之间的关 系，其次将这些单元组合成为整体，引入边界条件，通过求解整体结点力和结点 位移关系的代数方程组，最终得到连续体在离散点处未知量( 位移和应力) 的解 答。用有限元法求解工程问题时，有限元法常采用以位移为基本变量，并使用虚 位移原理或最小势能原理求解的协调模型。 用有限元法分析工程结构问题时，将一个连续体离散化后，应保证其数值解 的收敛性。数值解的收敛性与单元的划分及单元的形状有关，不同的有限元研究 模型其独立函数的正确选取亦是保证收敛性的重要条件之一。例如，以位移为独 立函数的协调模型，其位移函数的选取必须符合收敛准则，才能保证其数值解的 正确性。同样一个问题，由于单元划分的不同、单元形状选取的差异以及位移函 扬州大学硕士学位论文 数选取的不规则性，得到的解答可能是完全相反的。经过广大理论工作者几十年 来的深入研究及大量的工程实践，关于单元划分、单元形状的选取和对不同研究 模型独立函数的确定，都已有一套成熟的理论、方法和准则。 与有限元法几乎同时诞生的有限元软件，随着有限元法与计算技术的发展而 迅速发展。以有限元软件为依托的力学学科计算力学，将力学理论应用于工 程实践，使古老的力学学科至今仍然闪耀着强大的生命之光。有限元软件的应用 极大地提高了力学学科解决自然科学和工程实际问题的能力，解决了许多用传统 理论和方法无法解决的工程问题，促进了力学学科的发展。 客车车身和车架是复杂的承载结构系统，它承受着来自道路和装载各种载荷 作用，若用经典力学方法计算其强度和刚度，或进行动力分析，则需要作很多简 化和假设，计算冗长繁杂，精度也很差，因此，长期以来设计工作存在一定的盲 目性，影响结构合理化和轻量化，有限元法非常适用于计算复杂结构，与人工相 比，计算时间短，计算精度高，是计算客车车身车架的一种有效而实用的工具。 2 2 1 单元类型及其选择 目前许多大型通用有限元软件都带有丰富的单元库用来模拟物理模型，在 m s c n a s t r a n 中有如下几类单元类型： 1 ) 标量单元。所有的标量单元都是在结构模型的两个自由度之间或一个自由度 和“地面”之间来定义的，标量单元的刚度由用户直接定义的。 2 ) 线单元。线单元，也称之为一维单元，是用于表示杆和梁的性质。杆单元支 持拉、压和轴向扭转，但不允许弯曲，梁单元则包括弯曲。 3 ) 面单元。面单元也称之为二维单元，可用来表示这样的结构，其厚度远小于 该结构的其他尺寸，面单元可以用于板( 平的) 和壳( 如柱面或球面) 的离散化。 5 ) 体单元。这种单元用来表示厚板和体的特性的。体单元仅包含平移自由度， 不包括转动自由度。 6 ) 约束单元。约束单元又称之为“刚性单元”。这类单元是用于处理结点( 或 标量点) 各运动分量( 自由度) 之间的固定约束关系。因此，一个约束单元等价 于一个或多个多点约束方程。 选择单元时，首先需要理解结构受力特性。其次取决于对模型效果的评价， 再次取决于技术人员对计算费用与计算精度的接受程度。例如对于客车车身，可 以采用梁单元建模也可以采用以壳单元为主建模，还可以采用采用板梁单元混合 杨富强：基于有限元的客车车身轻量化 建模。若只想从宏观上了解客车车身的应力状态，则用梁单元建模即可。如果想 精确的了解客车车身的应力状态，则可用以壳单元为主的有限元分析模型。如果 还想更精确地了解客车车身的应力状态，则可以选用精度更高的单元。 在本课题中，客车车身有限元模型中大量使用壳单元，这里使用的壳单元的 力学特性是以薄壳为基本假设前提建立起来的，因此有必要对薄壳有一定的了解。 薄壳是指中面为曲面的片状结构，其厚度h 通常比其跨度，和曲率半径r 要小的 多( 噜) 一去的结构。 薄壳是一种空间结构，其计算理论相当复杂，目前仍采用板弯曲理论中的克 希霍夫一拉甫假设，即： 1 ) 变形前垂直于中面的直线线段，变形后仍保持为直线，并垂直于变形后的 中面，且此线段的长度不变。 2 ) 垂直于中面的法向应力与其他应力相比很小，可以略去不计。 根据以上假设，在壳中面任一点o ，沿两个主曲率方向微小单元体a b c d ( 图 3 2 ) ，设坐标轴分别为单元体中面在o 点主曲率线的两条切线( x ，y ) 和中面的法 线( z ) 。 单元体上的应力分别为仃，仃y ，f 叫，f 。，f 弦如图2 - 1 所示。设主曲率半径为，0 ， 则图2 1 中c d 截面上的坐标z 处的阴影窄条面积d f 为： d f ：( 咖一鲨) 龙：( 1 一三) 咖龙 ( 2 1 ) r yr y 同理，在b c 截面上的阴影窄条面积为： d f = ( 1 一二) 出比 ( 2 - 2 ) 壳体单位长度截面上的内力应为法向力n x ，n ，中面剪力捌， ，横剪力 q ，g 及弯矩m ，m y 和扭矩m 叫，m 弦等1 0 个，这些内力可用下式表示： 1 4 扬州大学硕士学位论文 n x n y = 如” = 叫，一 n 矿巴r , y ( 1 一三) 出 砂2k 一于) 出 n m ： ：f 垮( 1 一三) 沈声2k ( 1 一手) 沈 ，：f ，( 1 一h 2 o xz - - - ) z d z m x ，2 ( 1 - ， ，：f2mi一5 h ； j ，2 2 0 y ( 1 一m r ) z d z g x y ( 1 一三) 砘妙2k ( 1 一 ) 砘 惯：f ，f 婚( 1 一h 2 z ) z d z m 归2 2 f 归( 1 - ， q ：_ 乙吒( 1 一三) 出q 2 工吒( 1 一于) 出 q ，：m ( 1 一三) 出q y2k ( 1 一于) 出 z 图2 1 薄壳内力示意图 ( 2 - 3 ) 2 2 2 网格划分 划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题较多，需要 杨富强：基于有限元的客车车身轻量化 的工作量较大，所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响。为建 立正确、合理的有限元模型，需要考虑以下几个因素。 1 ) 网格数量 网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲，在保 证解的收敛的情况下，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也 会增加，所以在确定网格数量时应权衡两个因数综合考虑，当网格较少时增加网 格数量可以使计算精度明显提高，而计算时间不会有大的增加。但当网格数量增 加到一定程度后，再继续增加网格时精度提高甚微，而计算时间却有大幅度增加。 所以应注意增加网格的经济性。实际应用时可以比较两种网格划分的计算结果， 如果两次计算结果相差较大，可以继续增加网格，相反则停止计算。 2 ) 网格疏密 网格疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格，这是为了适应计算数据 的分布特点。在计算数据变化梯度较大的部位( 如应力集中处) ，为了较好地反映 数据变化规律，需要采用比较密集的网格。而在计算数据变化梯度较小的部位， 为减小模型规模，则应划分相对稀疏的网格。 3 ) 单元阶次 许多单元都具有线性、二次和三次等形式，其中二次和三次等形式的单元称 为高阶单元。选用高阶单元可提高计算精度，因为高阶单元的曲线或曲面边界能 够更好地逼近结构的曲线和曲面边界，且高次插值函数可更高精度地逼近复杂场 函数，所以当结构形状不规则、应力分布或变形很复杂时可以选用高阶单元。但 高阶单元的节点数较多，在网格数量相同的情况下由高阶单元组成的模型规模要 大得多，因此在使用时应权衡考虑计算精度和时间。 4 ) 网格质量 网格质量是指网格几何形状的合理性。质量好坏将影响计算精度。质量太差 的网格甚至会中止计算。直观上看，网格各边或各个内角相差不大、网格面不过 分扭曲、边节点位于边界等份点附近的网格质量较好。网格质量可用细长比、锥 度比、内角、翘曲量、拉伸值、边节点位置偏差等指标度量。划分网格时一般要 求网格质量能达到某些指标要求。在重点研究的结构关键部位，应保证划分高质 量网格，即使是个别质量很差的网格也会引起很大的局部误差。而在结构次要部 位，网格质量可适当降低。当模型中存在质量很差的网格( 称为畸形网格) 时，计 1 6 扬州大学硕士学位论文 算过程将无法进行。 5 ) 网格分界面和分界点 结构中的一些特殊界面和特殊点应分为网格边界或节点以便定义材料特性、 物理特性、载荷和位移约束条件。即应使网格形式满足边界条件特点，而不应让 边界条件来适应网格。常见的特殊界面和特殊点有材料分界面、几何尺寸突变面、 分布载荷分界线( 点) 、集中载荷作用点和位移约束作用点等。 6 ) 位移协调性 位移协调是指单元上的力和力矩能够通过节点传递相邻单元。为保证位移协 调，一个单元的节点必须同时也是相邻单元的节点，而不应是内点或边界点。相 邻单元的共有节点具有相同的自由度性质。否则，单元之间须用多点约束等式或 约束单元进行约束处理。 7 ) 网格布局 当结构形状对称时，其网格也应划分对称网格，以使模型表现出相应的对称 特性( 如集中质矩阵对称) 。不对称布局会引起一定误差。 8 ) 节点和单元编号 节点和单元的编号影响结构总刚矩阵的带宽和波前数，因而影响计算时间和 存储容量的大小，因此合理的编号有利于提高计算速度。但对复杂模型和自动分 网而言，人为确定合理的编号很困难，目前许多有限元分析软件自带有优化器， 网格划分后可进行带宽和波前优化，从而减轻人的劳动强度。 2 2 3 材料类型及其选择 一般大型通用有限元软件都能处理多种材料性质。用来描述线性静力分析的 材料类型有各向同性材料，二维各向异性材料，轴对称体正交异性材料，二维正 交异性材料，三维各向异性材料，层复合材料等。客车中常用的钢材可以认为是 各向同性材料，它在各个方向都具