（车辆工程专业论文）客车车身动态特性研究.pdf

委员： 函丫刁争马酉卿湖呵毛蜀绉岛 诌睇 导师： 锄杉钐 影极 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得的研究成 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 金胆王些太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： ， ，a 互f 讼 签字日期：? 护2 年 学位论文版权使用授权书 垆z 产 本学位论文作者完全了解 金毽王些太堂有关保留、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 阅。本人授权金壁工些太堂 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) 名：王尚 日签字醐洲1 年节月冲日 日 i 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：；0 妒冲 电话： 邮编： 所建立的客车有限元 异常振动提供解决方 架有限元模型进行了 自由模态分析，得到车架结构的固有频率和相应振型，从而对该客车车架的振 动特性进行了评价。 利用a n s y s 软件对客车整车有限元模型进行模态分析，对模态振型和频 率初步分析后得出发动机的二阶激励可能是引起客车怠速振动的原因。再根据 发动机往复惯性力和惯性力矩的仿真计算公式，代入实车参数计算出准确的惯 性力和惯性力矩模拟实际发动机的怠速激励。通过整车谐响应分析验证了模态 分析的正确性，说明了发动机二阶激励频率引起了客车怠速振动。 通过客车行驶振动试验，分析得出客车行驶异常振动是由发动机在特定转 速下与车架发生共振而引起的。通过客车怠速工况下中门立柱的自谱分析，得 出中门立柱振动是由发动机二阶激励与整车发生共振引起的，也验证了模态分 析和谐响应分析的结果。 利用模态综合技术及弹性力学理论，研究了由路面不平度引起的车身骨架 动应力的形成机理及其仿真计算方法，获取客车中门立柱结点的动应力值作为 疲劳计算中的交变载荷，利用疲劳理论和a n s y s 软件计算了客车中门立柱的 使用寿命。 关键词：客车；模态分析；谐响应分析；动应力；疲劳分析 m a yb et h er o o tc a u s eo ft h eb u sv i b r a t i o na ti d l e t h ep r e c i s ei n e r t i af o r c ea n d m o m e n to fi n e r t i ao fe n g i n ea r ec a l c u l a t e db yt h es i m u l a t i o nf o r m u l aa n db u s e n g i n ep a r a m e t e r s t h er e s u l t sa r eu s e da st h ee n g i n ei d l ee x c i t a t i o ni n p u t s ，t h e n t h eh a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i si sc a r r i e do u t t h em o d a la n a l y s i si sv e r i f i e db yt h e h a r m o n i cr e s p o n s e a n a l y s i s o ft h ew h o l eb u s s oi ti sc o n c l u d e dt h a tt h e s e c o n d o r d e re x c i t a t i o no ft h ee n g i n ei st h ee x c i t a t i o ns o u r c eo ft h eb u sb o d y v i b r a t i o na ti d l e t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h eb u sd r i v i n gv i b r a t i o nt e s t ，i ti sc o n c l u d e dt h a tt h e b u sd r i v i n ga b n o r m a lv i b r a t i o ni sc a u s eb yt h ee n g i n ei ns p e c i f i cs p e e ds e t su p r e s o n a n c ei nt h eb u sc h a s s i s t h r o u g ht h es p e c t r u ma n a l y s i so fd o o rp i l l a ra ti d l e ， d o o ri d l ev i b r a t i o ni sc a u s e db yt h es e c o n d o r d e re x c i t a t i o no fe n g i n es e t su p r e s o n a n c ei nw h o l eb u s ，t h er e s u l t so fm o d a la n a l y s i sa n dh a r m o n i cr e s p o n s e a n a l y s i sa r ea l s ov e r i f i e d t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s ma n ds i m u l a t i o nm e t h o dt oc a l c u l a t ed y n a m i cs t r e s s o fb u sb o d yf r a m ec a u s e db yt h eu n e v e nr o a da r es t u d i e db yu s i n gm o d a ls y n t h e s i s t e c h n i q u ea n dt h e o r yo fe l a s t i cm e c h a n i c s t h ed y n a m i cs t r e s so f d o o rp i l l a rn o d e c a nb eu s e da sa l t e r n a t i n gl o a di nf a t i g u ec a l c u l a t i o n ，t h e nt h el i f eo fd o o rp i l l a rc a n b ec a l c u l a t e db yu s i n gf a t i g u et h e o r ya n da n s y ss o f t w a r e k e y w o r d s ：b u s ；m o d a la n a l y s i s ；h a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i s ；d y n a m i cs t r e s s ； f a t i g u ea n a l y s i s 致谢 本论文的研究是在导师石琴教授的悉心关怀与精心指导下完成的。在我研 究生学习过程中，石老师在学业上对我谆谆教导，在生活上给我无微不至的关 怀与帮助，使我得以顺利地完成学业，并且让我在课题的研究过程中积累了宝 贵的经验。这些经验与方法将成为我以后工作的重要指导，石老师扎实的理论 知识、严谨求实的工作作风以及与人和善的待人态度，给我留下了深刻的印象， 这些也将成为我以后的工作与生活中的坐标! 值此论文完成之际，谨向石老师 致以衷心的感谢! 感谢张代胜、谭继锦老师在我做课题和做论文期间给予的大力帮助。两位 导师深厚的专业知识和敬业的科研态度为我今后的学习和工作树立了很好的榜 样! 感谢教研室的徐建中、王荣贵、尹安东等老师在课题学习和试验测试期间 给予的热心帮助! 感谢黄俊杰、刘文斌、汪小鹏、邝坤阳、李振远、阮仁宇、郑与波、朱俊 虎、张金武、屠德新等同学对本人学习、论文完成和其他各方面的帮助! 还有，我要感谢父母和朋友，无论是学习上还是平时的生活上，遇到挫折 时，他们都会鼓励支持我前行，当取得一些成绩时，他们提醒我更进一步。感 谢父母对我无私的养育与女朋友的深切关怀，并祝愿他们永远健康、快乐! 感 谢所有亲人亲朋好友对我的关怀、帮助和支持! 再次感谢所有在求学过程中给我以指导和帮助的恩师、同学和朋友们! 最后，谨向百忙中抽出宝贵时间评审本论文的各位专家、学者致谢! 您们 辛苦了! 作者：王涛 2 0 11 年4 月 1 3国内外研究现状2 1 4本文的研究内容与方法3 1 5 本章小结一4 第二章基于有限元法的客车有限元建模5 2 1 引言5 2 2有限元理论的基本思想5 2 2 1 有限元求解法的基本步骤5 2 2 2 有限单元法求解的收敛准则7 2 3 车身骨架的建模7 2 3 1 a n s y s 软件基本介绍7 2 3 2 建模的基本原则8 2 3 3 建模坐标系和建模方法的确定9 2 3 4 几何模型的建立一9 2 3 5 车身骨架的离散化9 2 3 6 有限元模型的建立1 0 2 4 客车车架的建模1 3 2 4 1 h y p e r m e s h 软件简介l3 2 4 2 建模的基本原则13 2 4 3车架有限元模型的建立1 3 2 5 本章小结19 第三章 车架有限元模态分析一2 0 3 1 引言2 0 3 2 模态分析理论基础2 0 3 3 模态分析应用一2 l 3 4 车架模态计算及结果2 1 3 4 1 边界条件2 1 3 4 2 求解方法一2 l 3 4 3 自由模态分析2 2 3 4 4 结果分析一2 3 3 5本章小结2 4 第四章 4 1 4 2 4 3 基于模态振型的客车谐响应分析2 5 引言2 5 谐响应分析的理论概述2 5 客车整车的谐响应分析2 6 2 6 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 3 3 3 6 3 7 3 7 5 2 行驶振动试验3 7 5 2 1 试验设备和试验原理图一3 7 5 2 2试验测点选择3 7 5 2 3测试工况3 9 5 3 测试数据及分析3 9 5 3 1 测试数据一3 9 5 3 2 试验分析4 1 5 4 本章小结4 1 第六章基于车身骨架动应力仿真的疲劳分析4 2 6 1 引言4 2 6 2 疲劳理论概述4 2 6 2 1 疲劳研究方法4 2 6 2 2 a n s y s 疲劳计算一4 2 6 2 3 影响疲劳寿命因素一4 3 6 3 客车车身动应力仿真一4 3 6 3 1 系统动力学方程一4 4 6 3 2车身骨架的动应力计算4 7 6 3 3 客车中门立柱接点动应力计算4 8 6 4疲劳计算5 0 6 4 1 有限元模型5 0 6 4 2 载荷和约束一5 0 6 4 4 计算步骤和结果一5 l 6 5本章小结5 2 第七章结论与展望5 3 7 1 结论5 3 7 2 展望5 3 参考文献5 5 硕士期间参与的科研项目5 8 攻读硕士学位期问发表的论文5 8 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 - 9 图2 10 图2 1 1 图2 1 2 图2 13 图2 一1 4 图2 15 图3 1 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 10 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图6 一l 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 图6 6 图6 7 图6 8 插图清单 有限元分析的基本步骤7 客车车身有限元模型中采用的不规则的截面1 0 梁单元b e a m l8 8 1 l 顶盖与后围的短梁连接和自由度耦合1 1 客车车身骨架有限元模型1 2 壳单元s h e l l 6 3 1 4 有质量问题的网格和优化后的网格15 连接方式的模拟1 5 客车悬架模拟1 6 结构质量单元m a s s 2l l6 连接单元m p c i8 4 1 7 客车动力总成的模拟l7 车架有限元模型1 8 整车骨架有限元模型1 8 客车整车有限元模型加载图1 9 车架部分振形2 3 简化线性阻尼系统2 5 发动机振动的传递途径2 8 整车三阶弯曲2 9 混合振型2 9 三质点动力学模型一3 0 中门立柱接点x y z 方向位移量随频率的变化3 3 前中后地板位移量随频率的变化3 4 四个悬置点垂向位移随频率的变化3 4 客车后部变形图3 5 客车中门变形图3 5 试验原理图3 7 各测点布置位置3 9 部分测试通道试验数据图4 0 某时间段10 号测点( 中门立柱) 自功率谱4 l 典型s n 曲线4 3 简化后的分析模型简图4 4 动应力计算步骤图4 9 简化的位移功率谱密度4 9 阻尼器的阻尼特性一4 9 空气悬架的刚度特性5 0 立柱模型5 0 立柱接点疲劳寿命5 2 表6 21 6 m n 钢试样5 0 存活率下的疲劳寿命5 1 第一章绪论 1 1 引言 随着国内经济的飞速发展，客车已成为当前日益重要的交通运输工具，也 日益凸显支柱产业的作用。伴随着人们对客车的安全、舒适、可靠、经济、环 保、载重大和自重轻等性能提出的越来越高的要求，为提高企业的生存和产品 竞争能力，就必须研制和生产出市场营销对路的、质量好、价格低的客车产品， 其关键在于提高客车的设计水平和制造水平。 客车开发设计是一个多学科相互交叉的复杂系统工程，从概念设计、功能 设计、试制实验直到出厂的过程都花费很长时间和巨额费用，而这些因素直接 涉及到客车的价格和企业的效益。在开发设计过程中，由于有限元法能解决任 意结构形状和边界条件的力学问题，所以其在客车结构的静、动态特性分析研 究中得到广泛运用。客车结构的静态分析获得整车的应力和变形状况，选择设 计参数，分析设计参数的灵敏度，改进客车结构的合理性。当今客车产品的分 析主要转化为以模态分析和动态分析为主，因为实际客车行驶性能更加依赖于 客车的动态特性。客车结构动态分析技术已经进入实用化阶段，打破以往客车 结构的分析主要依靠经验判断和试验模拟。运用有限元技术在客车生产前进行 一系列的分析、试验和修改等工作，从而缩短产品的研发周期和降低成本，实 现基于分析的设计，产品设计的创新，这也是我国客车企业一直努力奋斗的目 标。 1 2 研究背景及选题意义 有限元技术在汽车结构分析中的应用主要体现在【1 】： ( 1 ) 汽车结构件的强度和刚度分析； ( 2 ) 以汽车质量或体积为目标函数的汽车结构件的优化设计： ( 3 ) 以模态分析、谐响应分析为基础的结构动态设计： ( 4 ) 汽车零部件及整车的疲劳分析，分析损坏原因； ( 5 ) 将车身结构模态与车身内声模态耦合应用于车身的声学设计； ( 6 ) 运用车身的空气动力学解决高速行驶中的升力、阻力和气流问题。 国内企业在早期的客车结构设计中，对客车结构进行分析一般仅限于强度 和刚度的静态分析，对动态特性的研究起步较晚。而如今客车结构的静态分析 已不能满足实际需求，对客车结构的研究重心已从静态分析转向动态分析。客 车模态分析是客车结构动态特性分析的基础，提取客车结构的模态参数来评价 客车的振动特性【2 】。在模态分析的基础上进行谐响应分析可以帮助设计人员预 测结构的持续动力特性，从而使设计人员能够验证其设计能否成功地克服共振、 疲劳及其他受迫振动所引起的有害效果。同时谐响应分析结果中的位移和速度 等结果还可以作为车内辐射声场分析的边界条件输入，和判断车身结构的动力 学特性的依据。客车由于在行驶过程中其零部件长期受到动态的交变载荷作用， 从而产生主要的失效形式就是疲劳断裂，所以对一些受交变载荷较为严重的零 部件进行疲劳寿命的估算和试验十分重要。 虽然汽车对汽油、柴油等石油产品的消耗巨大，汽车排放成为温室效应和 空气污染重要原因的倾向显著增强，但是汽车在人们生活中的作用的也日益重 要，人们对汽车乘坐舒适性和车内环境有了更高的要求，对汽车n v h 问题也 更加关注p j 。汽车在怠速或行驶时强烈的整车振动，会使车上的零部件磨损加 快直至疲劳断裂严重威胁到汽车的使用寿命、安全性和可靠性。所以客车结构 设计在确保车体强度、刚度和动态性能的前提下，轻量化、舒适性和安全性成 为客车结构设计所普遍追求的目标，提高整车的燃油经济性和乘坐舒适性，改 善汽车起动和制动性能，增加汽车和公路使用寿命。客车企业利用有限元技术 缩短车身结构的开发周期，在优化设计的思想指导下坚持设计与分析并行【4 1 。 但我国的汽车工业存在设计在国外，生产在国内的特殊性。国内许多厂家 在客车大小总成和零部件结构开发工作主要还是依赖经验和解剖进口结构，多 用来解决样车试验以后出现的设计问题。由于缺乏必要的理论分析，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、疲劳方面的 模拟计算才刚刚起步，对客车的动态性能分析不足。所以产品国产化或改装后， 在使用过程中往往会出现强度、寿命、振动、噪声等方面的问题。 本课题就是在上述背景下提出的，为解决国内某客车在特定使用工况下产 生的异常振动，通过模态分析、谐响应分析等手段掌握了该车的动态特性，探 讨了客车异常振动的原因。在理论分析基础上，进行了整车多种工况下的行驶 振动测试来进一步指导振动问题的解决。 1 3国内外研究现状 国外很早已采用比较先进的有限元法检验汽车零部件及整车的设计和性 能，分析对象已由结构静态应力发展到动态应力，用以解决疲劳、碰撞和n v h 问题。9 0 年代初基于模态应力叠加原则的模态应力叠加法也得到了广泛应用， 该方法通过对某一弹性研究对象单位模态应力与模态坐标的线性结合获得动应 力历程。考虑了弹性变形与整体运动的耦合作用，利用模态综合方法进行柔性 多体系统动态仿真获得模态坐标历程 5 - 6 】。e j h a u g 和d o p k e r 将模态应力叠加 法、多体系统仿真和静态有限元法相结合来求解动应力历程的方法。具体步骤 是先通过柔性多体系统仿真求得惯性载荷和支反载荷的历程，在随后的静态有 限元分析中在对应节点处施加单位载荷，求得对应于各载荷分量的节点应力影 响因子，最后将惯性载荷和支反载荷分量历程分别和各对应的应力影响因子相 乘再叠加得到动应力历程【7 j 。随着c a e 技术在汽车行业的广泛运用，美国 2 e t a ( e n g i n e e r i n gt e c h n o l o g ya s s o i a t e s ) 公司联合e t a 、l s t c 、a n s y s3 个公 司在l s d y n a 平台上进行二次开发，得到v p g ( v i r t u a lp r o v i n gg r o u n d ) 专业 汽车虚拟试验场软件。v p g 技术针对整车系统疲劳、整车系统动力学、n v h 和整车碰撞安全及乘员保护等热门问题，提出了先进可靠的解决方案。它实现 了将整车系统试验项目整合在同一软件环境下进行计算机的仿真分析【8 】。 国内从8 0 年代才开始使用有限元方法进行汽车结构分析，最初研究比较多 的是静力学方面。由浙江交通科学研究所、吉林工业大学等单位通过对整车建 模进行静力学分析，计算出应力集中区加以改进。在车架结构动态特性分析方 面，国内对模态分析作了较多的研究。朱壮瑞，陈南等人利用模态试验修正法， 以模态试验为依据，根据线性广义特征值问题的矩阵摄动重分析公式，分析客 车白车身的各阶固有频率及振型各个分量随结构质量和刚度的位置变化而变化 的情况，找到对结构进行摄动修改的最灵敏位置，从而可以对客车动态特性进 行最优动力学修改，使有限元模型计算结果与试验结果更好的吻合【9 1 。孙蓓蓓， 许志华，孙庆鸿等在建立铰接式自卸车整车刚柔耦合多体动力学模型的基础上， 提出把悬架构件作为柔性体置于整车模型中，进行多体动力学分析时采用模态 综合法计算悬架的动应力。在结果云图中指出了悬架各杆件的应力最大部位， 为评估汽车零部件的疲劳寿命奠定基础【l 引。清华大学的张扬等以某型全承载式 大客车为研究对象，建立包含悬架的完整有限元模型，在模态分析、频响分析 的基础上，对客车整车结构进行了动应力随机响应分析【1 1 】。而王海霞，汤文成 等人总结了客车骨架的动应力发展历程，归纳出系统动态仿真模型包括传统的 系统动力学分析模型、多刚体模型和多柔体模型，结构动应力的获得方法有刚 性多体仿真和拟静态有限元方法、有限元节点方法、模态应力叠加方法、混合 方法、惯性载荷的时间变量因子方法等【l2 1 。近年来，许多企业和科研单位都对 客车结构动态性能进行了探讨，取得了一定成果。成果主要包含零件级结构和 车架结构模态分析，整车结构相对于路面激励的动态响应分析研究较深入，有 限元计算结果能和试验结果很好地稳合。 1 4 本文的研究内容与方法 本文以国内某型客车为研究对象，通过有限元分析软件对所建立客车的有 限元模型进行动态特性分析，为解决特定使用工况下客车产生异常振动提供解 决方案。 具体研究内容如下： ( 1 ) 总结阐述了有限元理论及相关有限元软件，并通过有限元软件建立了 整车有限元模型； ( 2 ) 通过客车车架理论模态分析得出的固有频率和固有振型，分析和评价 了该客车车架的振动特性； ( 3 ) 通过对整车模态振型和固有频率的初步分析后得出发动机的二阶激励 3 可能是引起客车怠速共振的原因。再根据发动机往复惯性力和惯性力矩的仿真 计算公式，代入实车参数计算出准确的惯性力和惯性力矩模拟实际发动机的怠 速激励。通过整车谐响应分析验证了模态分析的正确性，说明了发动机二阶激 励频率引起了整车怠速振动。 ( 4 ) 通过客车行驶振动试验，分析得出客车行驶时异常振动是由发动机在 特定转速下与该车车架发生共振而引起的。通过客车怠速工况下中门立柱的自 谱分析，得出中门怠速振动是由发动机二阶激励与整车发生共振引起的，也验 证了模态分析和谐响应分析的结果。 ( 5 ) 利用振动分析理论和模态综合方法研究了客车骨架动应力的仿真计算 方法，仿真得到的中门立柱接点应力作为疲劳分析中的交变载荷，将疲劳理论 与a n s y s 软件结合分析了客车中门立柱的使用寿命。 ( 6 ) 总结本文的研究成果，对文章存在的不足，以及有待于进一步解决的 问题进行归纳。 1 5 本章小结 本章简要介绍课题研究背景、选题意义、国内外研究现状、以及本文研究 内容与方法，说明了现代有限元技术在国内汽车结构分析中得到了越来越广泛 的应用。 4 过离散化的手段，将连续体划分成有限个离散的小单元体，并使它们在有限个 节点上相互连接，从而用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实物理系统， 达到简化问题并获得近似解的目的13 1 。 2 2 1 有限元求解法的基本步骤 ( 1 ) 结构离散化 有限元分析的第一步是将所分析结构划分成有限个单元体组成的计算模 型。离散后的单元根据一定的原则在节点位置连接起来，组成用以代替原来结 构的单元的集合体14 1 。 ( 2 ) 选择位移模式 假定单元内任意一点的位移是坐标的某种简单函数，称之为位移函数，即： 厂) = 【卅 皖 ( 2 - 1 ) 式中： 厂) ：单元内任意一点的位移列向量； 瓯 ：单元节点位移列向量； 【】：形状函数矩阵。 ( 3 ) 单元和总体刚度矩阵 以弹性体小位移、小应变为前提，利用几何方程导出用节点位移表示的单 元应变，即： s = 例 皖)( 2 2 ) 5 e ) ：等效节点荷载列向量。 利用结构的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来， 从而可以建立整个结构的平衡方程和总体刚度矩阵： 【k i 6 = 尸) ( 2 6 ) 式中： k 】：整体结构的总体刚度矩阵； 田：整体结构的节点位移列向量； p ) ：整体结构的等效节点荷载列向量。 ( 4 ) 计算等效节点荷载与边界条件 连续弹性体经过离散化以后，力是通过节点从一个单元传递到另外一个单 元。因而，作用在单元上的各种力，都需要等效的移置到节点上去，从而形成 等效节点载荷。 求得总体刚度矩阵和总体结构结点荷载列阵后还不能立即求解，因为在建 立总体刚度矩阵时，认为结构不受外界约束，结构具有刚体位移。要使刚度方 程有惟一解，必须引人几何边界条件以限制刚体位移来消除结构的刚体位移。 ( 5 ) 求解结构平衡方程、计算单元应力 在总体刚度方程中引入位移边界条件后，即可对其求解，此时所求解是惟 一的，求解线性方程组，即可得到节点位移。节点位移求出后，即可利用单元 应力矩阵求出各单元的应力。 有限元分析的步骤如下图2 1 所示： 6 图2 1 有限元分析的基本步骤 2 2 2有限单元法求解的收敛准则 砖 在选择单元位移函数时，应当保证有限元法解答的收敛性，即当网格逐渐 加密时，有限元解答的序列收敛到精确解i ij 。 ( 1 ) 位移函数应能反映单元的刚体位移。 ( 2 ) 位移函数应能反映单元的常量应变。 ( 3 ) 位移函数应能保证单元内部及相邻单元之间位移的连续性。 2 3 车身骨架的建模 建立车身结构的有限元模型，就是根据所研究问题的具体情况，选择合适 的单元，对车身结构进行离散化，给这个模型赋予合适的材料属性，进行边界 条件的模拟和模型的调试，最后提供一个具有可接受精度的车身结构的仿真模 型的过程。在本文中车身骨架的建模主要是用a n s y s 软件完成的，而客车车 架的建模是用h y p e r m e s h 软件完成的。 2 3 1a n s y s 软件基本介绍 a n s y s 软件是由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 开 7 发，能与多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，可广泛应用于铁道、 石油化工、航天航空、机械制造、造船、汽车交通、土木工程等一般工业及科 学研究领域。 ( 一) a n s y s 软件的结构组成 a n s y s 软件在求解结构上主要包括三个部分：前处理模块、求解模块和后 处理模块【1 4 】。 ( 1 ) 前处理模块：主要进行实体建模和网格划分，通过定义单元的基本属 性，采用自项向下与自底向上的方法，按照点、线、面、体的顺序依次建立有 限元模型。a n s y s 程序提供了使用便捷、高质量的网格划分方法，包括选择几 何对象为其指定单元属性、指定网格划分的密度、网格划分的方式以及网格的 形状。 ( 2 ) 求解模块：用于有限元模型进行力学分析和求解的模块，可以定义分 析类型，设置分析选项，施加载荷并求解。 ( 3 ) 后处理模块：包括通用后处理模块和时间历程后处理模块。通用后处 理模块用于分析整个模型在某个子载荷步的某个子部或者特定时间特定频率下 的结果。时间历程后处理模块用于分析处理时间范围内模型指定节点上的某结 果随时间或频率变化的情况。 ( 二) a n s y s 软件的应用范围 a n s y s 软件的求解功能可应用在结构静力学分析、结构动力学分析、结 构非线性分析、热分析、电磁场分析，声场分析等范围【l5 1 。 在a n s y s 中常用的结构分析类型有：静力分析、模态分析，谐响应分析 ，瞬态动力学分析，谱分析，屈曲分析、显式动力分析。此外还有断裂力学、 复合材料、疲劳分析，p - m e t h o d 等特殊分析应用。 2 3 2建模的基本原则 在a n s y s 建立模型一般是指用节点和单元表示空间体域及实际系统连接 的生成过程。建立准确而可靠的结构有限元模型，直接关系到计算结果的正确 与否。为了使有限元分析达到预期的效果，通常对所建立的模型有以下基本要 求【1 7 - 1 8 】： ( 1 ) 模型结构的简化应确保不使受力状态失真，最大限度地保留零部件的 主要力学特征； ( 2 ) 选择合理的单元类型和单元数量，以减少数据的输入量与计算时间， 并保证计算的精度。同一分析结构中，不同类型的部件，要采用不同类型的单 元。 ( 3 ) 支撑条件模拟的合理性。处理悬挂支撑的关键是要保证车身承受的支 撑反力与实际情况相同。 8 模型为基础，参考车身骨架的数码照片和实地调研，在有限元模型中建立参考 坐标系，创建关键点( k e y p o i n t ) ，点再连线( 1 i n e ) ，生成车身几何模型。 2 3 4 几何模型的建立 构成车身骨架的最主要的特征结构是空间梁和空间壳，描述特征结构常用 的几何模型如下表2 1 。 表2 一l 几何模璎类型 根据表2 1 综合考虑，选用线框模型来解决车身结构的描述问题。 2 3 5车身骨架的离散化 客车有限元模型的建立首先是对车身骨架结构的离散化，采取以下措施 d 7 - 1 s 】： ( 1 ) 略去非承载构件。有些构建是满足安装或使用上的要求而设置的，并 根据局部强度和刚度的要求而设置，如风窗玻璃的鼻梁、前保险杠和装饰件等； ( 2 ) 对截面形状不规范的构件可以作适当的简化。由于客车上的一些构件 的设计不仅考虑简单的受力，而且还要顾及其他部件的安装和使用要求，如乘 客门的立柱要考虑乘客门的安装等； ( 3 ) 将空间曲梁简化为直梁，如：把前、后围横梁等曲梁划分为若干个直 梁，对整个结构计算影响很小。 ( 4 ) 忽略车身蒙皮车身骨架总体的加强作用，蒙皮多数是焊接在车身骨架 上，而车身骨架具有较强的承载能力，近似地认为车身骨架承受所有载荷，则 9 表2 - 2 车身材料参数 ( 2 ) 异形梁截面的使用 对一些形状不规则的截面，a n s y s 提高了通过建立相应的截面几何和有限 元网格后，生成特殊的a s c i i 文件，在进行网格划分时，读如相关信息，生成 特定的截面。利用这两种方法同时建模更好地反映了真实情况，仿真分析结果 更可信。图2 2 所示为某型客车有限元模型中采用的不规则的梁横截面及其几 何特性参数。 ( 1 )( 2 )( 3 ) 图2 2 客车车身有限元模型中采用的不规则的截面 ( 3 ) 单元类型的选择 车身骨架主要是由矩形钢管焊接而成，所以车身骨架有限元模型采用空间 梁单元b e a m l 8 8 进行模拟，如图2 3 。b e a m l 8 8 通过节点i 和j 在全局坐标 系下定义，节点k 指定单元方向。每个节点有六个或七个自由度，自由度的个 数取决于k e y o p t ( 1 ) 的值。当k e y o p t ( 1 ) - - - - 0 ( 缺省) 时，每个节点有六个自 l o 由度：节点坐标系的三个相对平移和三个相对转动自由度。当k e y o p t ( i ) = i 时，每个节点有七个自由度，增加了横截面的翘曲自由度。 7 图2 3 梁单元b e a m l 8 8 ( 4 ) 车身网格的划分 a n s y s 提供两种网格划分方法：自由网格和映射网格。映射网格的划分对 象要求满足一定的形状规则，使用三角形或四边形面元划分面对象，使用六面 体单元划分体对象，所以映射网格划分不适用于所有对象。而自由网格生成的 节点在对象内部分布随意，能更好的反映对象形状，所以适用于任何模型。在 综合考虑后，本文采用自动生成网格功能进行车身的网格划分。 ( 5 ) 模型焊点处理 模型的质量还受到连接方式模拟情况的影响，对客车上的焊接模拟对计算 结果有着一定的影响。两个零件的相应结点之间用短梁连接，承受拉压弯扭， 如顶盖与后围的连接。 ，。，。二：z j ：2 一一4 。 ， 。缸 l l “ ! “ 7 。、- ，。 图2 4 项盖与后围的短梁连接和自由度耦合 将两个零件相应结点的自由度耦合( c p ) 在一起，可以使节点的两个或多 个自由度取得相同值，实现两个零件的刚性连接。所以使用节点耦合法对车身 的各个模块间的相互连接，能更好的模拟点焊区相邻构件的振动时的局部分离 与接触情况，如图2 4 。 ( 6 ) 车身有限元模型的生成 本文将客车车身骨架划分为前围、后围、左、右侧围、项盖和底架六个子 模块，再将各个子模块整合起来最终建立车身有限元模型如图2 5 所示。 图2 5 客车车身骨架有限元模型 ( 7 ) 计算载荷的处理 车载质量主要是车身蒙皮、玻璃、动力总成( 发动机和变速箱) 、蓄电池、 压缩机、油箱、座椅、司机和乘客及行李等的质量。静态分析时，对于乘客、 行李等载荷，根据实际分布情况，采用均匀载荷以及集中载荷的方式进行处理， 详细见表2 3 。 表2 3 载荷质量及加载方式 1 2 2 4 客车车架的建模 2 4 1 h y p e r m e s h 软件简介 h y p e r m e s h 的用户界面便于学习，支持现有的几何模型和有限元模型的直 接导入，具有工业界主要的c a d 数据接口。h y p e r m e s h 提供方便实用的功能 模块，利用几何清理模块将导入的几何模型进行简化处理，消除间隙重叠和压 缩相邻曲面，创建中面，改善几何模型的拓扑结构。h y p e r m e s h 的自动网格划 分模块提供智能的网格生成工具，还可调整单元密度，单元长度的变化趋势和 划分算法等网格参数。划分网格后，h y p e r m e s h 提供质量指标( q i ) 对单元质 量进行评价和优化。已经通过网格质量检查的有限元模型，选择适当的求解器， 通常选择o p t i s t r u c t 求解器，建立包括单元类型、材料、属性，载荷等参数 卡片，完成有线元整体分析。最终在后处理模块中通过等值面、变形、云图等 方式准确表达仿真结果l l 引。 2 4 2 建模的基本原则 本文主要考虑了以下几个方面建立车架有限元模型： ( 1 ) 车架有限元分析模型应尽可能的从力学特性和几何特性两个方向同时 反映车架真实结构，特别是动力学特性。 ( 2 ) 在进行网格划分时，保证任意一个板壳单元的顶点同时也是其相邻单 元的顶点；尽可能的使单元形状规则。 ( 3 ) 在建模时对于一些很小的或者不重要的螺栓孔、铆接孔和过渡圆角， 可进行简化处理。 ( 4 ) 根据所研究的目的不同，对结构的不同部位采用不同的网格划分战略。 例如，在进行以模拟应力响应为主要目的建模过程中，在所关心的部位和应力 梯度大的地方，采用小尺寸的单元；在远离所关心部位的区域和应力梯度小的 地方，采用大尺寸的单元。 2 4 3车架有限元模型的建立 ( 1 ) 几何模型的导入 将u g 中的车架几何模型以p a r a s o l i d 格式导出后，在h y p e r m e s h 中经过中 面抽取和几何清理。 ( 2 ) 单位制及材料性能 参照汽车企业的常用单位，车架建模中采用t m m s 单位制。该车架所 使用的材料同车架1 6 m n 。 ( 3 ) 单元选择和网格划分 本文选用h y p e r m e s h 提供的s h e l l 6 3 板单元，如图2 6 。s h e l l 6 3 具有弯曲 能力和膜力，可以承受平面内荷载和法向荷载。单元的每个节点具有6 个自由 度，定义了三个相对平移和三个相对转动运动分量，可以采用不变的切向刚度 矩阵适用于大变形分析。 图2 - 6 壳单元s h e l l 6 3 使用h y p e r m e s h 中的a u t o m e s h 功能，对零件进行网格划分，定义单元类 型为m i x e d 单元。m i x e d 单元为3 节点和4 节点s h e l l 6 3 单元的混合单元，但 在划分中以4 节点单元为主，本文采用的网格划分合格标准如表2 4 所示。 表2 - 4 网格划分标准 使用a u t o m e s h 划分的网格不能直接使用，因为实际车架结构与有限元模型 的差异，网格在自动生成过程中必然存在瑕疵。而网格质量直接影响计算精度， 所以对网格的检查是必不可少的。利用单元连续性检查、单元法线方向检查、 重复单元检查和质量指标( q i ) 对网格质量进行全面的质量评估。如图2 7 中显 示的是有质量问题的网格通过单元优化后的结果，黄色和红色显示网格有问题。 1 4 图2 7 有质量问题的网格和优化后的网格 ( 4 ) 焊点的处理 在本文的研究中，纵梁、横梁及其连接板之间的连接是通过螺栓或铆钉连 接到一起的。由于壳单元每个节点具有六个方向的自由度，为了保证力和位移 的正确传递，选择的连接单元每个节点也必须具有相同的自由度。建模中选用 如图2 8 所示的连接模拟方式，单元选用c e r i g 。将两个有不相似网格模式的 区域连接起来，这项操作使一个区域的选定节点与另一个区域的选定单元连接 起来生成约束方程c e ，适合模拟抽过中面后的横纵梁和连接板的刚性连接。 7 、|一 图2 - 8 连接方式的模拟 本文所研究的某型客车悬架采用的是空气弹簧，为了使模型更接近实际情 况，建模中采用e o m b i n e l 4 单元模拟空气弹簧，弹簧单元与车轴之间采用刚性 梁连接，在对模