（载运工具运用工程专业论文）客车车身骨架有限元建模及轻量化研究.pdf

客车车身骨架有限元建模及轻量化研究 摘要 随着计算机技术的发展，c a e 技术广泛应用予传统的机械行业。客车车身 骨架是整车主要承载结构，基于有限元方法的车囊c a e 越来越受到人们豹关 注。国内外楣关研究已经取得了榻当大的成采。本文在调研国内外相关研究的 基础上，建立菜窖车车身骨絮有隈元模型，进行了静态应力分板，并与试验结 果进行了比较分析硬究，验证畜聚元模型的哥信髅。在噩匕基础对菜客车进行动 态( 模态) 分析，指出英动态性能上的优缺点，为优化设计提供参考。为了近 一步检验车身骨架强度，在试验场对车身强度进行了加强路硬的动态强度分析， 试验结果表明某客车车身费架强度存在进一步优化的空间，为轻量化提供了依 据和参考。 轻量化设计是本文研究的另一个方磷。汽车轻量化不仅可以节铝榜料，而 且有利于提离整车的动力性和经济性并减少排放。本文轻跫化设计是在进行车 身骨架强度和动态( 模态) c a e 分析及静动强度态试验基础上，并结含楣关研 究及工程实践经验，提出结构轻量化方案。按照此方案，车身骨架共减轻1 7 4 7 砖，达到减重5 以上的谣标。c a e 分析表明，轻量化后的车身骨架应力分布没 有较大的变化，强度满足要求。 在建立有黼元模型中，广泛采用交截面梁和弄型梁是本模烈的一大特色。 另外，对焊点处理和悬架的处理，从某种角度来说，提高了整个模型的分析糖 度。尤其是烬点的处理，广泛用于轿车建模孛，在客车建模中相关研究较少， 本文是一个尝试，效聚较好。板梁模型较好地解决了建模时闯和分析精度之间 的矛盾，突出冀点，简化次要，模型更实用。 关键词：客车车身骨架有限元方法强度分手厅模态分析静态强度试验 动态强度试验 r e s e a r c ho nf i n i t ee l e m e n tm o d e l i n ga n dl i g h t w e i g h tf o r c o a c h - b o d yf r a m e a b s t r a c t c a et e c h n o l o g yi sw i d e l ya p p l i e di nm e c h a n i c a li n d u s t r ya l o n gw i t ht h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y 。f o rc o a c h b o d yf a m ei sm a i nb e a r i n gp a r to f w h o l ec a rs t r u c t u r e ，c a r b o d yc a em e t h o d ，w h i c hi sb a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，c a t c h e sp e o p l e sa t t e n t i o nm o r e ，a n dt h e r eh a v eb e e ng r e a ta c h i e v e m e n t si n t h ed o m a i nd o m e s t i c a l l ya n do v e r s 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 d d o m e s t i ca n do v e r s e a sr e s e a r c hi nt h ed o m a i n t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo f c o a c h b o d yl a m e i se s t a b l i s h e d ，a n ds t a t i c a n a l y s i s i sc a r r i e do n r e s u l t s c o m p a r i s o nb e t w e e nt e s ta n da n a l y s i sv e r i f i e st h a tt h ef i n i t em o d e li sc o r r e c ta n d b e l i e v a b l e m o d a l a n a l y s i sp o i n t o u tt h em e r i t sa n dd e m e r i t s o fd y n a m i c p e r f o r m a n c e ，w h i c hp r o v i d ec o n s u l tf o ro p t i m i z a t i o nd e s i g n i no r d e rt ot e s tt h e c o a c h b o d yf r a m es t i f f n e s s ，d y n a m i cs t i f f n e s st e s ti s c a r r i e do ni nt h ep r o v i n g g r o u n d a n d t e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec o a c h b o d y 蠡l m es t i f f n e s sh a ss o m es p a c e t oo p t i m i z e ，w h i c hp r o v i d e se v i d e n c ea n dc o n s u l tf o rl i g h t w e i g h t 。 l i g h t w e i g h td e s i g ni sa n o t h e ra s p e c to ft h i sp a p e r c a r - b o d yf r a m el i g h t w e i g h t i sp r o p i t i o u st or e d u c ew h o l ev e h i c l ew e i g h t r e d u c t i o no fb o d yw e i g h tc a nn o t o n l ys a v em a t e r i a l s ，b u ta l s oi m p r o v ea c c e l e r a t i o np e r f o r m a n c ea n df u e le c o n o m y o ft h ev e h i c l ea n dr e d u c ee n g i n ee m i s s i o n t h el i g h t w e i g h ts c h e m e ，d i s c u s s e di n t h i sp a p e r ，i sb a s e du p o nt h er e s u l t so fc a ea n a l y s i sa n ds t a t i ca n dd y n a m i ct e s t ， a n da l s ob a s e du p o ne x p e r i e n c eo fr e l a t e dr e s e a r c ha n de n g i n e e rp r a c t i c e ，a c c o r d i n g t ow h i c h ，17 4 7k go ft h ec o a c h - b o d yf r a m ew e i g h ti sr e d u c e d ，w h i c hc o m e su pt o t h eg o a lo f5 w e i g h tt od e c r e a s e 。b u ts t r e s sd i s t r i b u t i n gc h a n g el i t t l ea n dt h e c o a c h b o d yf r a m es t i f f n e s sp e r f o r m a n c em e e t sr e q u i r e m e n t s t a p e rs e c t i o na n dc u s t o ms e c t i o nb e a m sa r ew i d e l ya d o p t e di nt h ep r o c e s so f m o d e ls e t u p ，w h i c hi saf e a t u r eo ft h i sp a p e r m o d e l i n go fw e l d i n gp o i n t sa n d s u s p e n s i o ni m p r o v e sa n a l y s i sp r e c i s i o ni naw a y e s p e c i a l l yt h ew e l d i n gp o i n t s d i s p o s a l ，w h i c hi sw i d e l ya p p l i e di ns a l o o nc a r ，i sag o o da t t e m p ti nt h i sp a p e r o n t h es i d e ，s h e l l b e a mm o d e ls o l v e st h ep r o b l e mo fm o d e l i n gt i m ea n d a n a l y s i s p r e c i s i o n ，a n dg i v e sp r o m i n e n c et oe m p h a s e s ，a n dt h em o d e l i sm o r ep r a c t i c a l + k e yw o r d s ：c o a c h b o d yf r a m e ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，s t i f f n e s sa n a l y s i s ，m o d a l a n a l y s i s ，s t a t i cs t i f f n e s st e s t ，d y n a m i cs t i f f n e s sa n a l y s i s 插图清单 图1 1 现代汽车设计的新思路 图1 2 车身结构分析系统集成框图 图1 3 车身骨架有限元建模过程示意图 图2 1 梁单元， 图2 2 薄板内力示意图 图2 3 结构质量单元m a s s 2 1 图3 1 某型客车车身几何模型 图3 2 某型客车车身有限元模型中采用的不规则截面 图3 3 某型客车侧围及裙立柱有限元模型 图3 4 某型客车有限元载荷模型 r 一 图3 5 某型客车车身骨架有限元模型 图3 6 某型客车模块化结构树状图 图4 1 水平弯曲工况后围变形和应力图- ， 图4 2 水平弯曲工况中门变形和应力图 图4 3 水平弯曲工况轴力图 图4 4 水平弯曲工况弯矩图 图4 5 水平弯曲工况扭矩图 图4 - 6 紧急制动工况中门变形和应力图 图4 7 紧急制动工况后围变形和应力图一 图4 8 紧急制动工况轴力图一 图4 - 9 紧急制动工况弯矩图 图4 10 紧急制动工况扭矩图 图4 1 1 急转弯工况车身位移正视图 图4 1 2 急转弯工况车身位移侧视图 图4 13 急转弯工况中门变形和应力图 图4 1 4 急转弯工况后围变形和应力图 图4 15 急转弯工况轴力图 图4 16 急转弯工况弯矩图 图4 1 7 急转弯工况扭矩图 图4 18 极限急转弯工况车身位移正视图 图4 - 1 9 极限急转弯工况车身位移侧视图一 图4 2 0 极限扭转工况轴力图 图4 2 1 极限扭转工况弯矩图 图4 2 2 极限扭转工况扭矩图 3 4 6 1 l 1 2 l3 2 0 2 l 2 2 2 3 2 4 2 5 2 7 2 7 2 7 2 7 2 7 2 8 2 8 2 8 2 8 2 8 2 9 2 9 2 9 2 9 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 1 3 l 3 1 图4 2 3 极限扭转工况轴力图 嚣4 2 4 极凝扭转工况弯矩图 图4 2 5 极限扭转工况扭矩图 图5 1 某型客车车身骨架振型图 图6 1 电隰应变片结构 阉6 2 惠斯爨电轿示意图，t 图6 3 试验设备及样车 图6 4 应变片布置位澄示意图- 图6 5 试验数据分橱摆序赛珏- 图6 - 6 应力分布的概率密度和累积密度曲线 图6 7 应变的频谱曲线一一 圈7 1 项蘸结构改迸设计前后比较 图7 2 侧豳中门结构改进设计蘸压比较儿雏如心铝”铃弱 表格清单 表3 1 焊点处理模型 表3 2 材料参数 表3 3 某型客车技术参数 表3 4 某型客车试验加载及理论载荷 表4 1 四种工况下应力、位移、轴力、扭矩和弯矩最值表 表5 1 车身骨架低阶固有频率 表6 1 主要试验仪器t 表6 2 应变片对应贴处列表 表6 3 静态应变试验结果与有限元分析结果对比 表6 - 4 多工况试验应力比较一 表6 5 测点均值、平均离差和3o 区间 表7 1 改进前后静态应变试验结果与有限元分析结果对比 表7 - 2 改进后车身骨架低阶固有频率挣如”钉驼帖如卯铋 独创性声明 本人声鞠所星交的学位论文是本入在导师指导下遽行的磺究工作及取德的 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霹过豹研究成果，也不包含为获彳辱佥鍪王些盔堂 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的间志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确熬说明并表示谢意。 学位论文作者执劣签字日期乡夕秒归夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金魍玉些盍堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权绦留并赢1 i l i 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权金魍王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库避彳亍检索，可以采用影印、缩f - i 或扫描等复青l 手段保存、汇编学 位论文。 ( 傈密的学位论文在解密艋适用本授权书) 一撇。力绔丢跏虢 ；伽池 哆p 彩年月 日签字隰俨锌4 宁日 学位沦文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 时光荏苒，我的学生生活即将结束，回首间万千感慨! 在论文完成之际，首先感谢我尊敬的导师一一张代胜教授，是他的悉心指 导，耆1 使季馨我的论文顺利完成。衷心的感谢他在我的磅究生阶段给予的学习积 生活上的关心和帮助。张老师严谨求实的科学态度和深厚的专业理论使我受益 匪浅，张老师宽以待入，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。张老爆对我论文撰写工作自始至终都倾注了大量的心血，对我论文豹选 题、试验、修改直至定稿都给予了精心的指导。谨向我尊敬的导师表示最诚挚 的谢意。 感谢浮继锦老筛在我馓课题和做论文期间给予静帮助，谭老师深厚的专韭 理论使我受益匪浅! 感谢陈朝阳校长、张树强院长在我学习期间给予的无微不至的关怀和帮助! 感谢教研室的尹安东、温干虹、石琴等老师在课题和学习期间给予的帮助i 感谢李增辉、陈宗好、王贬晴、肖海薄、肖悦、高扬、李庆欢、李仲奎、 张雷、李辉、初长宝等同学对本人在学习、研究和生活上的帮助! 感谢我初中英语老笳靳春英老师，没有能就没有我的今天，希望他老人家 九泉之下一切都好! 最后，深深感谢我长年生病的父母和我敬爱的家人，正是由于他们坚定的 支持和鼓励，才让我能够安心顺和地完成学业! 作者：李华香 2 0 0 6 年3 闫 1 1 引言 第一章绪论 客车是现代社会中的主要交通工具之一，客车对发展国民经济和促进人民 生活水平提罐发挥着重要作用。世爨各主要客车生产厂无不疲周最薪科技成果 潜心致力于客车新产品的研制和开发，不断地向市场提供有竞争力的新型客车。 各大汽车公司无不利用现代手段和方法缩短其换烈开发周期，以求尽快、尽早 地推出新产品捻占市场，各客车公司都是将关系其品牌、款式的车型等的开发 设计牢牢熊掌握在自己手中，采羽平台战咚与车蹙多样化。我国客车工盟的发 展，走过了引进技术、合资生产及国产化工作之路，目前国家的产业政策已调 憋为积极鼓励各企业尽快形成自主开发能力，企业也深感为适应国内外两个市 场激烈竞争的需要，必须不叛更新车型，开发自己的晶牌，方能设计制逸出适 癍顾客个性鬻求的各种客车产品。遮藏需要企业掌握客车现代设计与试验方法， 有效地建立自己产品的特性资料库，迅速积累研发经验，从而提高竞争力。 目前客车轻量化已成为发展的趋势【1 。“，国内也己取得部分研究成果，主 要是从结梭弱材料两个方瑟着手处褒，垣多是蘸疑单一车型，赝建模型只能颞 及该种车型。对承载式客车车身的轻最化研究尚瘸空白。c a x 技术已经成为普 遍使用的客车设计开发方法，已有不少成熟的通用和专用软件应用于车身分析 设计的工程实践，其中最重要的部分就是c a e 系统。c a e 技术已经在潮内外 得弱非常广泛和深入的趣用，门类齐全的各种c a e 软件共同提供了一个完成精 益设计的工具平台。从客车c a e 技术的应用与发展来看，一要建立起一套车身 分析方法和结果评价标准，二要建立起c a e 分析所需要的基础实验数据和有限 元模型库，攀一的c a e 技术则有许多局限性。 除此之外，按设计方法翔分有基于虚拟样机的车身开发技术【挖五”，肖车身 设计的多学科优化设计技术，以及正在发展的客车设计智能系统等等。按生产 方式划分有“全球化”、“平台战略”、“劳行工程”、“订单生产方式”以及“模 块化”等，各种方法需要有机的整含起来，才能发挥荚应有豹效能。其中模块 化的生产管理方式对产晶设计同样有效。它能够降低成本、减轻自重，使企业 更加机动灵活地面对市场竞争，模块化战略已成为全球汽车厂家的重要发展战 咯之一。当裁，模块化生产模式还处在一个探索和陋生的除段，由于不能基于 芡享豹集戒平台进行产黯分析设计，模块他设计的理念还未能凑正落实到实处。 汽车系统设计中的相似性研究，国内外目前开展的工作还较少。相似性研 究主要是为了设计方法的广泛适用性，而从车身中最基本的构件和板件薏手， 去研究构俘豹狸似性，将英应用予系列纯、多榉佑、个性化、轻量纯豹车身设 计中。构件相似性研究跫基础，由其形成设计知识库和数据库，为多设计方案 提供技术支持。 计算机技术的发展引发了车身设计方法的重大变革，实现了车身三维数字 数据霹模型信意静共享，但上述多种设计方法并存的格局，使我们在结合函情 综合应用c a x 技术方顽，需要有清醒的认识。设计方法既要适应企业管理方 式，技术水平及软件管理维护能力，又要满足现行及将来的设计要求。通过将 c a d ，c a e c a t c a m 紧密而有机的结合，相互比较印证，使得分析的数据可靠 性高、实用性强，聪且方法筠单衣效；将虚拟分析与试验测试结合起来，将市 场的需求转化为技术目标，实现对市场的快速反应，从而达到缩短开发周期、 节省研稍费用、减少投资风险的产品效益最大化的目标。 1 2 研究背景 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，每年汽车浆石油消耗量保持在近l o o 亿桶；阑对每年囱大气捧放大约几亿 吨的有害气体，占大气污染物的6 0 以上，被认为大气污染的“头号杀手”。 汽车工业迅速发展带来了以下问题 3 1 , 5 1 ： ( 1 ) 能滚闯题，汽车工韭吞噬着雀界的能源，据相关统计预溺，氆界石油资 源只能开采几年，煤炭资源也只够开采一百来年，人类露临羲严鬟的能源危机， 节能环保成为工业领域不可避免的课题，汽车工业同样不可避免。而汽车轻量 化是降低能源消耗最有效的措施之一。 ( 2 ) 地球环境闷题，汽车尾气中n o x 、c 0 2 、c o 、h c 是大气中的黧要原因。 特别是c 0 2 温室效应近年来倾向日趋明显，主要工业艺已经制定了限制燃耗和 排放的严格法规。 ( 3 ) 汽车高级佬阉题，近些年来，为了推进汽车的商级化，附船了各静装置 的汽车越来越多，这些装置增加了汽车的重量，为了抵消这些装置增加的重量， 也需要加紧研究汽车基本部分的轻量化技术。2 0 0 5 年我国汽车达到5 7 0 多万辆， 其中轿车2 7 7 万辆，消耗了巨最燃潴，我国续每年进口大量石滴，另外我因在 燃耗和排放方面，我们与发达国家相比也存在不少差距。因此，减轻汽车质量 和降低能耗的任务更加艰臣。 汽车作为瑶代化社会大q - j l k 的产物，在推动人类文明向前跃进并给人类生 活带来了便捷舒适的同时，对大自然生态环境的恶化也有羲难以推卸豹责任。 随着人们对环境保护的日益重视，以缓解石油资源紧缺所带来的能源危机，节 能环保技术越来越多为广大汽车公司所采用。汽车轻量化是汽车节能环保关键 技术之一，相关研究表明，车重每减轻1 0 ，可以节能5 + 5 。各国和相关的汽 车公司投入大量资金和人力进行相关研究，研究涉及汽车材料、汽车设计思想 和汽车相关的材料成型技术，从而促进了相关汽车设计理念、制造工艺、汽车 零部件成型技术迅速发展，为汽车工业的发震带来一片新天地。 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 2 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。并为相关企业提供套汽车有限 元分柝及强度试验方案，提高企监自主研发能力，增强企业竞争力，实现琵族 工业的健康迅速发展! 3 研究意义 1 3 1 汽车强度有限元模型建立的意义4 列 传统的汽车车身设计方法鹈整个过程是基予手工设计完成的。分为初步设 计与技术设计两个阶段。其特点是整个过程是通过实物、模型、图纸、样板等 来传递信息，至少进行1 ：5 油潺模型、全尺寸油泥模型稿样车铡雩乍等阶段；还要 进行l ：5 油泥模型、1 ：1 全尺寸油泥模型、实车三次风洞试验；还要迸行车身原 始数据保蟹的车身主图板、车身主模型制作。随着计算机技术的发展，离速图形 终端和工作站的出现，引进了c a d c a m c a e 等现代设计方法在车身设计中的 应用。这种方法( 传统的车身c a d 方法) 的一个主要工作是利用计算机辅助几 钌设计( c a g d ) 方法来进行车身几籍造型设计，都要在计算机上建立一个车身 表面模型以取代传统设计中的三维实体模型。但无论是传统的手工设计方法， 还是传统的车身c a d 设诗方法，都免不了进行车身效果图绘制、车身漓泥实物 型模型制作等步聚，这就大大增加了设计开发的周期和成本。因此，建立一种汽 车车身计算机辅助设计和分析的方法一一虚拟样机设计方法意义重大。汽车车 身采羽寝拟样梳的设计方法，是一矛中革新产品开发过程、缩短周期降低成本、改 进产品设计质鼹、提高产品开发效率的有效途径。采用虚拟样机设计方法，在制 造第一台物理榉极之翦，利用计算极摸型可以仿奏测试务秘不圈戆设计方案，不 必浪费制造物理样机所需的时间与经费，可以获得较优的乃至最优的设计方案： 同时可以在计算机上方便地确定、修改设计缺陷，逐步优化设计方案，因此不但 减少了昂贵的物理样视数量，雨盈提高了产品设计质量，大大缩短了产品的开发 周期。图1 1 是现代汽车设计的新思路。 图1 1 现代汽车设计的新思路 3 1 3 2 客车轻量化的研究意义 2 1 世纪整车发展趋势是系列化、模块化、轻量化、小型化、电子化( 自动 化、智能化) 及个性化。减轻汽车车身质量就意味着节约了能源和材料。提炼原 材料、制造汽车和使用汽车所消耗能源三者的比例为1 0 ：5 ：8 5 。汽车车身质量 每减1 0 0 k g 可节油o 2 l 1 0 0 k m 0 3 l 1 0 0 k me ”，因此各国都在竭力开展减轻汽 车车身质量的相关研究。 随着节能环保政策不断深入人心，城市公交车成为城市交通系统的重点发 展对象，必将促进客车行业的进一步发展。国内高速公路和旅游事业的发展， 用于中、长途客运的豪华快速客车的生产也得以蓬勃发展。据统计，我国2 0 0 4 年的大型客车产量达到了2 6 2 万，其中大型客车为2 6 1 万辆，各型客车产量 为1 2 3 9 5 万辆，然而，我国已探明的石油储量和现在的产量都不算不容乐观。 2 0 0 5 年我国石油产量是1 8 3 亿吨，据石油开采部门估算，在今后相当长一段 时间，我国石油开采量要维持在这个水平将是很艰难的。面对石油储量逐渐减 少，终将枯竭的严峻前景和汽车排放严重破坏地球环境的现实威胁，努力减轻 客车质量、节约燃耗、减少排放污染己成为客车技术进步的重要而紧迫的课题。 此外，在客车的燃耗和排放方面，我们与发达国家相比也存在不少差距。因此， 减轻客车质量和降低燃耗的任务就更为艰巨，为使我国客车工业尽快赶上国际 先进水平，对付加入w t o 后国外客车的挑战，必须高度重视这个问题。 1 4 国内外研究现状 1 4 1 国外研究现状 经过几十年的积累和发展，国外许多大汽车公司建立了高性能的车身计算 机辅助工程系统，形成了完整的设计、分析方法与试验程序。图卜2 为国外普 遍采用的车身结构设计系统和流程 9 】【14 1 。 i 。_ 同网 车 车 幽l _ 爿离h 嘉i 嚣覆吲业限元网格业分 立三业 计身 身 外 形 数 静结碰结 方j 、结 字 态构撞 流 构 案 1 构 设模安 体 优 修 设 计态分化 改计 分分分 析 分 模 眄列藿l 析析析析1 型 _ 了f 了f丁f了f了f d 7 匕h 分析结果评价h 图1 2 车身结构分析系统集成框图 目前，国外新车型开发周期已经缩短到2 4 至3 6 个月，这与采用现代车身 4 结构设计方法分不开的。现代车身结构设计由原来的经验、类比、静态设计， 肉建模、静动态分析、动态优化及虚拟现实设计转变。现代车身结构设计方法 有以下几个明显的特点1 9 - 1 5 1 ： ( 1 ) 设计与分析平行。从早期以满足一定性能要求为目标的机构选型、结构 设计，到具体设计方案的比较及确定、设计方案的模拟试验，车身结构设计的 务个阶段均有结构分析的参与。车身结孝勾分析贯穿了整个设计过程，这样确定 的车身结构设计方案，基本上就是定型方案，由此方案设计出的样车只需一定 的验诞使用卵可定型，大大缩短了车身开发及研南i 的周期。 ( 2 ) 结构优化的思想被应用在设计的备个除段。轻量仡要求和好适性安全性 要求的不断提高，使车身设计的难度越来越大。为了满足这些要求，必须在设 计的开始阶段就引入优化设计的恩惩，并将箕贯穿整个设计阶段。 ( 3 ) 大景的虚拟试验代替实物试验。震拟试验不仅可以在没有实物豹条件下 进行，而且实施迅速、信息量大。利用虚拟试验，一方面可以在多个设计方案 中选择最优，减少设计的盲目性，搦一方面可以及早发现设计中的问题，从而 避一步减少设计成本，缩短设计阎期。 1 4 2 圈内蒸本情况 强度和刚度的静态分析是国内对客车车身进行的分析采用的普遍方法，丽 在动态分析上起步较晚。这一方面是由于受到所具备的计算机软、硬件条件的 制约，另一方瑟车身建模遗程涉及因素多而巅结构很复杂，还有待于作进步 的研究和探索。前段时期虽有一些在大客车、轿车和骨架蒙皮式半承泼式轻型 客车车身结构分析方面的应用，但与国外的车身结构分析相比明显存在着许多 不足。主要差甄有【”。l j ： ( 1 ) 车身结构开发工作主要还是依赖经验和解割进目结构进行参照性设计 的，多用来解决样车试验以后出现的设计问题，设计与分析未能真正做到并行。 ( 2 ) 由于软硬件对计算模型规模的限制，模型的细化程度不够，因而结构的 刚度、强度分柝黪结果还魄较粗略。计算结果多用来遴行结构瓣方案比较，离 虚拟试验的要求还有相当大的差距。 ( 3 ) 有限元分析主要应用在结构的强度和刚度分析方面，在碰撞、振动、噪 声、外流方露的模拟计算才剐刚起步，对车身结孛句或部 牟的各项性能指标进行 系统分析研究的实例还未广泛进行。 1 5 研究内容 根据菜客车车身骨架多是采用矩形或具形钢管组焊箍成的空耀别架结构、 空间关系复杂、断面形式多样等实际情况，空间梁单元是首选计算模型单元， 车身骨架结构中的矩形或羿型钢管采用梁单元进行建模。同时，由于该车为半承 载结构，底架的蘸压悬架处结枣鼋比较复杂，为更好的研究前后悬架纵梁及其加强 5 扳处的受力状况，篦压悬架纵梁及其加强板采用薄扳单元建模，从露形成一板 粱结合的模型。具体内容如下： ( 1 ) 调研匿内( 外) 大型客车车身骨架结构型式，车身嚣架用材及拼装方法， 对某型客车车身结构进行分析，为有限元分柝研究提供参考资料。 ( 2 ) 对某型客车车身骨架进行满载静态和动态应力测试和分析，分析客车车 身应力分布状态，对有限元模型进行验诋。 ( 3 ) 车身骨架承载及受力情况分析。在有限元分析中建立准确的边界条件。 ( 4 ) 建立某型客车车身骨架有限元分析模型，据此模型提出某型客车车身骨 架结构进行有限元分析，为其变型及改型设计提供依据。 ( 5 ) 对某型客车车身骨架改进设计样件进行满载静态和动态应力测试和分 析，验证样车设计的合理性和正确性。 ( 6 ) 对现有结构进行改进设计，减轻车身骨架质量。 图1 3 车努骨架有限元建模过程示意图 为了实现上述研究内容，如图1 3 所示，本谋采用两条路线并行的过程， 即试验分析和c a e 分析并行，相甄之间进行印证。试验是对建立的有限元横型 的检验，为建立准确的有限元模型提供修改依据；圜时c a e 分析结采对整个试 验方案及额车型设计提供参考，建立更符合实际的试验方案，设计合理的改进 车型及新车型。 1 6 本章小结 本章从本课题的研究的背景、研究意义及髫内外研究现状等方瑟全霆说明 了谚究领域的工程实践意义和发展前景。并篱要介绍了本文研究内容。睫着青 限无理论和有限元方法发展，加之不断完善的有限元软件，现代c a e 技术在理 代汽车设计中的妇新月异，正发挥着不可替代的作用。 6 第二章结构有限元理论及a n s y s 软件简介 有限元法的应用可追溯到2 0 世纪4 0 年代。1 9 4 1 年h r e m k o f f 提出了所谓 网格法，它将平面弹性体看成是杆件和梁的组合。1 9 4 3 年，c o u r a n t 第一次在 论文中定义了在三角形域上的分片连续函数并利用最小势能原理研究了 s t v c n a n t 的扭转问题。但是直到1 9 5 6 年t u r n e r 、c l o u g h 、m a r t i n 和t o p p 等人 才在他们的经典论文中首次应用三角形单元求得的平面应力问题的真正解答。 1 9 6 0 年c l o u g h 进一步解决了平面弹性问题，有限元方法受到工程技术人员的 关注。早期的这些有限元法是建立在虚功原理的基础上的。在1 9 6 0 至1 9 7 0 年 间，基于各种变分原理的有限元法得到了迅速发展，r j m e l o s h 等人应用位 能原理建立了有限元位移模型；p l a n 应用余能原理建立了有限元平衡模型； r e j o n e s 、y y a m a m o t o 等人应用修正位能原理建立了混合有限元模型； z m e l i a s 等人应用余能原理建立了有限元平衡模型；l r h e r r m a n n 应用 h e l l i n g e r r e i s s n e r 原理建立薄板弯曲的混合型有限元法；o c z i e n k i e w i c z ， 张佑启等人做了进一步发展与应用。这样有限元法便有了坚实的理论基础。此 后有限元在工程界获得了广泛的应用。到2 0 世纪7 0 年代以后，随着计算机硬 件和软件技术的发展，有限元也随之迅速地发展起来，广泛应用机械、电子等 各种工程领域。 有限元法是用来分析各种结构问题的强有力的工具。有限元分析的各个步 骤可以表达成规范化的矩阵形式，最后导致求解方程可以统一为标准的矩阵代 数问题，并且特别适合计算机的编程和执行。随着计算机软硬件技术的高速发 展，以及新的数值计算方法的不断出现，大型复杂问题的有限元分析已经成为 工程技术领域的常规工作。 利用计算机进行结构有限元分析的步骤是：首先，用有限元法理论推导出 矩阵表达的近似公式，即建立数学模型；其次，把矩阵表示的计算步骤及其公 式编制成计算机能接受的计算机程序，即算法和程序设计；最后，将已编制完 善且经调试通过的程序上机计算，输出计算结果，以供应用。 2 2 有限单元法基本理论 2 2 1 线弹性体静力学问题 线弹性体的静力分析问题是整个结构有限元分析的基础。它主要由以下步 骤完成： ( 1 ) 结构的离散化。结构的离散化是有限元分析的第一步，它是有限元方法 的基础。这一步是把要分析的结构划分成有限个单元体，并在单元制定位置设 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。 7 ( 2 ) 选择位移函数。为了能用节点位移来表示单元内任何点的位移、应力 稻应变，蓖兜假定单元癌任意一点鹩经移是坐标豹菜莉箍擎函数，称之为位移 函数。也即： 厂) = 】 疋r 2 1 1 式中 ，) 为擎元内任意一点的位移翻向量， 娩) 为单元的节点位移列向量， 】为形状函数矩阵。 ( 3 ) 分柝单元的力学特，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 他r 2 - - 2 、 式中的【明为几何矩阵。 裂用物璞方程，可以母出焉节点经移表示的单元应力： 仃) = 【d j 【明 t f 2 3 1 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，从焉露出单元的剐度矩阵： 只 = 】 皖)( 2 4 ) k 。】_ i 例7 d e b d v( 2 5 ) v 式中【墨】为单元粼度矩阵。 ( 4 ) 计算等效节点荷载 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外 一个单元。德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。 蠢此，体滔单元在上的集中力、体积力以及作用在单元边赛上的表瑟力，都必 须等效的移麓到节点上去，形成等效节点荷载。 ( 5 ) 整体分析 集合所套单元的刚度方程，建立整个结构的平筏方程，从而形成总体圈度 矩酶： f 削f 田= 一f 2 6 1 其中 【翻为全结构的总体剩发矩箨， 田全结构的节点位移列向量， p ) 全结构的等效节点荷载列向量。 ( 6 ) 应用佼移边界条件 应用边界位移条件，濮除总律粼度矩阵的奇异性，傻得f 2 - 6 ) 可以求解。 ( 7 ) 求解结构平衡方穰 8 结构的平衡方程是以总体刚度矩阵为系数的线性代数方程组，解这个方程 组可以求得未知的节点位移。 ( 8 ) 计算单元应力 按式( 2 3 ) 由节点位移求出单元的应力。 2 2 2 求解的收敛条件 在选群单元位移函数对，应当保证有限元法解答的收敛性，即当网格逐渐 加密时，越限元解答的序列收敛到精确解；或者，当单元尺寸髫定时，每个单 元的自由度数越多，有限元法的解答越趋近于精确解。 有限元法收敛条件如下： ( 1 ) 在单元内，位移函数必须是连续的。 用来构造单元位移函数的多项式是单值连续的，因此选用多项式为插值函 数的单元位移函数在单元内是连续的。 ( 2 ) 单元位移函数必需包括嚣4 牲位移顼。 每个单元的位移总可以分解为冈0 性位移和它自身变形位移二个部分。出于 一个单元牵连在另一些单元上，其他单元发生变形时必将带动该单元作刚性位 移。如悬臂梁的叁由端单元跟随相邻单元作剐性位移。因此，为模拟一个单元 的真实位移，假定的单元位移函数必须包括张性力学的刚体位移项。 当节点位移具有相应于刚体位移的给定值时，单元应变和节点力必是零。 当采用不包括刚性位移项的单元位移函数，就会出多余的应变和节点力，因此 节点的平衡方程受到限制。 ( 3 ) 在单元内，位移函数必须包括常应变项。 每一个单元的应变状态总可以分解为不依赖于单元内各点位置的常虚变和 由各点位曼决定的变量应变。当单元尺寸足够小辩，单元中各点的应变趋予相 等，单元的变形比较均匀，因而常应变就成为成变的主要部分。为反映单元的应 变状态，单元位移函数包括常应变是必须的要求。 ( 1 ) 关予楣邻单元公菸边界上的连续性。 有限元法一定要求满足有公共节点的单元在节点处的连续性，在连续体弹 性力学中，位移是到处连续的。从模拟真实结构物着想，若能构造一个单元位 移函数在相邻单元之间是连续的，不发生相互脱离开裂和相互侵入重叠，那是 理想的单元位移函数。不难想象，如果单元转常小，并且奁相邻尊元的公共节 点处具有相同的位移，也就能保证它们在整个公共边界上，大致取得相同的位 移，在相邻单元之阔接近连续。在板、壳的相邻单元之间，还要求斜率不发生 突变，只有这样才能保 正结构的应变能是有赛的。 以上提及的4 条收敛条件，只要假定的位移函数由多项式构成，满足第1 条要求是不成问题的；第2 、3 条说明了在构造单元位移函数时，且不能遗漏了 常数硬、一次顼等低阶项。第l 、2 、3 条是有限元法解答收敛的必要条件，与 9 第4 条一起构成了有限元法解答收敛的充要条件。凡满足第2 、3 条的单元又称 为完备单元，满足第4 条的萃元称为协调单元，对于完备帮协调的单元其解答 艴收敛性是单调的。 2 2 + 3 单元分板及整体方程求解 革元位移函数确定后，利用弹性力学的慕本方程就可以进覃亍单元分析。单 元分析的主要肉容就是由单元的节点位移表达出单元的应变和应力。从而建立 起单元的平衡方程，并求如单元的刚度矩阵( 箍称单剿) 。 通过整体分析，建立起结构物在整体坐标系的平衡方程。日l 入支承( 约束) 条件后，整体方程就转交为具有唯一解的线性方獠组，求解该方程可得到各节 点的位移，进一步计算可得到单元的内力和瘦力，以及单元内任一点豹位移。 整体平衡方程实际上是线性联立方程组，它的解法可以分作两大类：直接 法和选代法。直接法以高斯消去法为基础，求解效率高；在方程组的阶数不高 时( 例妇不超过1 0 0 0 0 阶) ，通常采蠲煮接法，誊接法怒目前采用的最多的种 方法，主要有带宽高款消去法、三角分解法以及适用于更大型方程缝求勰的分 块解法和波前法等。迭代法具有算法简单和程序编写容易的优点，但要求总刚 暖j 具有一定豹条件，如对称、瑶定、主对角线元素优势等，且计算时间长两又 套颈宠无法 鑫计的缺点，迭找法主要毽括麓零选代法、赛箔尔迭代法嗣松驰迭 代法等。 居蓠，在微型计算枫上对整体平衡方程求解遴常采用直接法中的三角分解 法，有关该方法鹣详缨内容可参觅蠢关计算方法书籍。 2 3 考限元单嚣理论【3 2 粕】 根据某挺客车车身结构特点，零文在建模中采餍扳粱结合模型。因戴，本 节重点分绍窆间粱和薄板熬基本理论。 2 3 1 空间梁理论一b e a m l 8 8 单元特性 空间粱单元是有限元中的常用单元，本文中车身骨架的许多部分如侧圈、 前围、盾围、顶盖以及底架前段部分结构和后段部分结构均采用空间粱单元。 该粱单元为b e a m l 8 8 ，每个节点有六个位移分曩如图2 1 所示，露沿三个单元 坐标方向的线位移“、v 、w 和绕三个轴的转角哦、a y 、吼。w 将任一节点f 的线位移分量用溉 表示，三个角位移分璧用积 来表示，由于每个梁单元都含 有两个节点，贝i 单元i ，j 戆节点位移蠢鬃为： 韬等= b iv iw i0 l , 8 ，8 ：i v jw j “vj yw p l ( 2 1 ) 其对应的节点力为： f 。= 矽，l 形霉m ，m 。u ，巧巧m 。m 。j ( 2 - 8 ) 单元刚度方程为： l o 其中 e a l ， 时叫删 f l f 。= 陆】。溉 。 单元刚度矩阵k r 见式( 2 - 1 0 ) 。 y 、 嘲 即+ 露) g 0 ( 2 一晚强f 毋+ 硅) 标系； 6 e l 即+ 碗) 0 或巡 坤+ 磊) 国2 - 1 梁单元 萨；一对y 和：轴方向的剪切影响系数 1 1 对称 1 翘 网 6 酣 尸g + 毳) 兰堕 珂l + 国 g 吗。( 4 + 城6 耳( 4 + 舞斟 产( 1 + 砬)d 1 + 磋) ，1 2 肼。 欢2 砑声 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 出可 秘1 、 堕毋 一+ 百 里删 旦删 旦 旦 硐 蛳硐 硐 哑硐 劳一 1 1 ， 射 妒 一 z 舻九虮 g 居一剪切模量和拉伸弹性模量： a ，a ：一截面在y 和z 方向的有效抗剪两 | ； ； ，一截面对y 和z 轴的惯性矩； ，。一截面对x 轴的扭转惯性矩； 卜一单元长度； 彳一梁单元横截疆灏积； 若记陆f 为燕体坐标系下的单元刚度矩阵，则整体坐标系下单元的节点力向 量伊f 与位移向量莎f 之间的关系为： 式中 而 引= 甜一时爹y 时= i v 7 时i v 函】0