（车辆工程专业论文）基于有限元分析的大客车车身结构强度优化.pdf

摘要 本文对国内外大客车行业的强度优化现状进行了分析，介绍了有限元分析的相关理 论和大客车车身损坏机理的相关知识，以及疲劳、模态等有关理论。本文对某型长途客 车进行有限元分析，并对局部加强方案进行分析比较。在此基础上，进行模态分析。本 文所做主要工作如下： 利用u g 软件，对该车型进行实体建模，然后导入有限元分析软件a n s y s ，建立 原型车车身的有限元模型，进行静态计算检验车身强度，得到车架在各静态工况下的应 力分布，对比计算结果与实际情况，分析车身强度薄弱部位。重点对车身强度薄弱部位 进行疲劳分析，然后对原车型进行局部加强，对加强后的客车模型进行了疲劳分析，根 据疲劳分析结果，对于车身强度优化方面进行了一些有益的探讨。结果表明，加固后的 车身骨架对于车身部分结构的强度性能有所改善，相应的材料循环次数有所增加，车身 骨架的安全性和耐久性得到了提升。同时对车架进行模态分析，得到车身的低阶固有频 率和固有振型，对模型进行加厚上边梁和加厚顶围、前围和后围骨架改动，分别进行改 动后模型模态分析，对分析结果进行对比，得到车身频率变低和振型的变化不大的趋势， 没有显著的性能改善。 本文对于客车车身强度的分析结果对于实际客车车身结构改进方面有一定指导意 义。 关键词：大客车、车身骨架、有限元法、强度优化、疲劳分析、模态分析 a b s t r a c t t h i sp a p e ra i l a l y s e st l l ea u c t u a ls t a t eo fo p t h i z a t i o no fs t r 饥g t l li nb u si n d u s 缸ya th o m e a n da b r o a d ，p r e s e n t st h er e l a t e dt h e o 巧o ff i n i t ee l e m e n ta i l a l y s i sm e t h o da i l dt l l e l e d g ea b o u td 锄a g em e c h 疵s mi 1 1b o d yo f b u s ，粕dt h et h e o r i e so ff a t i g u e 锄ds 臼e n 垂h h a v ea i l a l y z e dac e n a i nb u sb yt 1 1 ef i l l i t ee l e m e n t 姐a l y s i sm e t h o d ，c o i 印a j l 甜t h er e s u l to f m o d a la i l a l y s i sb e 似r e 锄。打百n a lb u sm o d e l 锄db u sm o d e la r e rp a r t l yr e i n f o r c e d t h em a i n w o r l ( so ft h i sp 印e rs h o wa u sf o l l o w ： m o d e l i n gt t l eb o d yo fb u su s i n gu gs o f l = 、a r e ，e x p o n i n gm e l o d e lt 0a n s y s ，t h e s o 胁a r ef o rf i l l i t ee l 锄e n t 孤a l y s i s b u i l d m gm ef i i l i t ee l e m e n tm o d e lb 嬲e do nt h em o d e lo f u gs o f t w a r e ，p r o c e s s i n gt h es t a t i cc a l c u l a t ef o rt e s t i n gm es t r e n 舀hs t a _ t u eo fb o d ys 缸1 l c t u r e ， g e tt h er e s u l t so fs 仃e s sd i s t r i b u t i l l go f b o d yu n d e r d i 仃e r e n ts t a t i cc o n d i t i o n s ，f i n d i n go u tt i l e w e 出m e s sb o d yp a r t so fs t t e n g mb ya n a l 弘血gt h er e s u n s t h e nd 0t h ef 抓昏l ea n a l y s i so nt h e w ea ：k n e s sb o d yp a r t so fs t r e n g lb e t w e e no r i 百n a lb u sm o d e l 锄db u sm o d e la r e rp a r t l y r e i n f o r c e d b a s e do nt h er e s u l t so ff i a t i g u ea n a l y s i s ，d i s c u s s e do nm eo p t i m i z a t i o no fs 仃i m 舒h o f b u sb o d y a r e rm a t ，a i l a l y s e st h em o d e lo f b u sb o d y ， g e tm e1 0 wo r d e rn a t u i a l 丘e q u e i l c y 趾d1 0 w o r d e rn a t l l r a lm o d e lo fb o d yp a r ts 印a r a t e l yu s i n gm eo r i 百n a lb u sm o d e la i l dt l l eb u sm o d e l r e i n f i o r c e dm e 觑m e w o r ko ft o pp 觚e l ，劬mp 锄e l ，觚dr c a rp a n e l ，c o m p a r et h ed i 虢r e n c eo f i e s u l t s t h ea n a l y s i so ns t r g t l lo fb u sb o d yi nt l l i sp 印e r 垂v e ss o m es u g g e s t i o 璐0 nm e r e m o d e l i n gs t m c t u r eo fb u si nm a i l _ u f a c t u r e k e y w o r d s ：b u s ；f j 咖m e w o r ko f b o d y ；f i n i t ee l 锄e n ta n a l y s i sm e t h o d ；o p t i m i z a t i o no f s t r e l l g t l l ；a n a l y s i so ff a t i g u e ；m o d e l 锄a l y s i s 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：枉娲 如乡年舌月乡日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：杜娟 导师签名： 鸥也 月岁日 月上日 灶为 移 口 2 互 长安大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早殖y 匕 1 1引言 车身作为汽车的主要承载部件，是汽车三大总成之一。据统计客车车身的质量约占 整车整备质量的4 0 6 0 ，在工作情况下不仅要支承客车各部分的自重，还要承受工 作载荷、发动机动载和缓冲力等各方面作用。而且车身制造成本占整车成本的百分比几 乎超过5 0 。所以，汽车车身的设计水平直接影响汽车整车的设计开发水平。 由于车身具有复杂的几何形状，承受复杂的载荷作用，具有复杂的支撑约束等，因 此在对汽车车身进行设计的时候，通常对模型进行种种简化，提出许多假设，回避一些 难点，最终简化为一个方便处理的问题。然而，如果假设不当，则会造成分析结果不能 满足工程实际的要求。所以在计算机没有出现以前，很难对其进行精确的强度的计算， 早期的客车车身设计是依靠人们长期积累的经验并结合试验的方法来进行的，从而导致 在产品开发过程中，不能全面了解车身的强度情况，只能等到产品生产出来后再进行试 验验证。这就导致了一些问题：一方面设计的车身结构的强度可能满足不了使用要求， 必须重新进行再设计，直到满意为止，这样多次反复，不仅产品开发周期变长，也给生 产带来不利；另一方面设计的车身结构可能强度过余，从而导致车身自重过大，用材过 多，成本增加。 c a e ( c o i n p u t 盯a i d e de n 舀n e e r ，计算机辅助工程) 技术的出现，使传统的客车设 计方法得到改善。c a e 技术采用虚拟分析方法对结构的性能进行模拟、仿真，预测结构 性能，优化结构设计，为产品研发提供指南。在汽车产品研发的整个过程中，利用c a e 技术可以对汽车结构的强度、刚度，车辆的振动、噪声、平顺性、耐久性、多刚体动力 学以及碰撞安全性等各项性能进行分析、评估和设计。 1 2 本课题研究的背景 材料、结构的疲劳问题虽然不是新出现的问题，但是直至现在，人们对它还不完全 了解，还处在不断的研究探索之中，主要原因是发生机理的复杂性、影响因素的多样性。 据相关统计，至少有一半以上的机械破坏属于疲劳破坏，疲劳破坏是机械产品的主要破 坏形式已是一种共识。从1 9 世纪初首次发现疲劳破坏现象以来，对疲劳的研究己有两 百年左右的时间。在这段时间罩，很多的工程师、学者在疲劳研究方面做了大量的工作 并取得了一定的科研成果和工程实践经验。随着人们对疲劳研究的深入和逐步了解，疲 劳特性的重要性已经越来越引起了人们的重视。发生疲劳破坏的前提之一是结构受到的 第一章绪论 载荷是动态的交变载荷。对于车辆这样的路面移动机械，在行驶过程中会受到来自多方 面的动态交变载荷作用，其中有来自动力总成的不平衡惯性载荷、来自传动系统的振动 载荷及源自路面不平度的路面激励等，这就决定了车辆行驶时零部件内部的应力为动态 交变应力，因此车辆上的很多零部件的破坏形式是疲劳断裂。因此，在车辆的设计过程 中，对重要零部件进行疲劳寿命分析就显得很有必要。本课题的开展，旨在探索大客车 车身部分结构的改进对整个车身薄弱部位的疲劳强度的影响。 1 3国内外客车车身强度优化研究现状 1 3 1国外客车车身强度优化研究现状 国外早在6 0 年代就开始利用有限元法对车架和客车车身骨架的强度和刚度进行相 关研究。7 0 年代初有人用有限元的梁单元来模拟计算h 型车架的模态情况。1 9 7 4 年， n 血nj l 用板单元分析车身结构的焊接部位【1 1 。1 9 8 4 年b e 锄a l n l i l h j 在商用车结构的 静态分析中探讨了混合单元在分析车架中的应用，并探讨了各种接头的刚度差异性。 1 9 8 6 年g 锄l ，l l ov 等人采用板单元建立车身模型，并用梁单元模拟焊点，来分析车 身的结合处变形【2 1 。1 9 9 3 年h u a n 酣等人在对卡车的轻量化研究时用壳单元建立车架模 型来进行优化计算【3 】。1 9 9 5 年n i k o l a i d i s 等人尝试用壳单元模拟车身连接件建模来分析 汽车连接结构【4 1 。1 9 9 7 年h o n gj y 等用梁单元建立车骨架模型，对多梁连接处用壳单 元建模获得的信息，将连接处等效为一个短梁，使得车骨架模型更为精确简掣5 1 。国外 早期采用n a s t r a n s a p 等大型计算程序并研制专用程序，自由度数少则几百多则上 万。车架结构一般采用梁单元，车身采用板单元或板梁单元组合，后来又采用子结构法， 再后来发展采用板壳单元或混合单元计算。这表明国外经过多年发展，在应用计算机辅 助分析与设计对客( 汽) 车进行分析的技术上逐步成熟完善，在车架车身建模技术和应用 中对有限单元的选用逐步向前发展。 在8 0 年代，国外客车行业采用比较先进的有限元法从事汽车的设计与分析已成为 一种比较成熟的设计分析手段，随后开始采用计算机模拟分析来检验汽车的零部件设计 及整车的设计。这些技术在轿车生产中率先应用，随后推广到其他车辆的设计与生产中。 有限元方法对于客车的设计而言能够有效的满足车身设计的要求，国外的客车设计已经 很好地把有限元设计与分析法引入到产品的开发、设计评价及生产中了，计算机分析( 如 强度刚度，噪声场，温度场) 对于汽车整车、部件、零件的设计生产有着举足轻重的份 量，它在资金投入的减少，设计生产周期的缩短，产品质量的提高上发挥了巨大的作用。 同时，国外在客车零部件制作方面，如机加工、冲压，已经把有限元法应用于产品的加 2 长安大学硕士学位论文 工工艺分析上，把材料分析与零件机加工分析相结合，用有限元分析等方法来改进加工 方法及手段，因此使客车的制造业达到较高的水平。 8 0 年代以来，欧美日把最新的研究技术、开发软件、工艺材料投入到汽车和客车的 设计与生产中，尤其是轻量化研究上。用计算机进行结构的静动态( 含碰撞) 分析，准确 掌握整车及零部件各种结构的应力、变形、振动及抗碰撞能力，并进行结构及端面的优 化设计，从而达到既减小质量又满足使用要求的目的。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【6 】。所有大的客车生产厂家都是c a d c a e 软件公司的首 推顾客对象。 目前，美国等汽车工业发达国家在汽车有限元疲劳分析领域经过多年的努力，己经 建立完成各自的分析方法和流程，在产品的研发过程中发挥了越来越重要的作用。 1 3 2 国内客车车身强度优化研究现状 1 、国内客车车身结构分析的研究现状 目前，国内在利用各种有限元分析软件对车身骨架进行结构方面的研究已经取得了 不少成果，但与国外的车身结构分析相比明显存在着许多不足。这些差距主要表现在【7 】： 车身结构开发工作主要还是依赖经验和解剖进口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；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、强度分析的结果还比较粗略。计算 结果多用来进行结构的方案比较，离虚拟试验的要求还有相当大的差距；车身骨架结构 方面的研究主要集中在车身本身，而没有把它放到整车系统中，即没有考虑到悬架以及 轮胎对车身的作用，或者对该作用做出了较大程度的简化，从而严重影响分析的精确性 和其结果的实用性；此外，大部分研究工作都集中在车身骨架结构的静态强度分析、动 态特性分析，很少涉及结构优化方面，或只是依据动静态分析结果对结构进行部分结构 改进设计。因此，车身骨架结构分析的研究工作还有待进一步深入和拓展。 2 、国内客车车身疲劳寿命分析的研究现状 国内汽车行业疲劳寿命分析领域起步晚、水平低，严重滞后于我国汽车工业的发展。 近年来，随着有限元理论的成熟、计算机运算速度的增强、以及相关软件的日益完善， 基于计算机辅助工程( c a e ) 的汽车零部件的设计、分析已经成为相关领域的重要技术手 段。这使得利用软件进行寿命预测逐渐在世界各大汽车公司得到应用。在许多情况下， 分析人员可以预测疲劳危险点的位置，比较在给定的载荷下部件的不同设计造成疲劳寿 命的差异。这样在新产品设计阶段或进行现有产品改进设计时，就可以进行疲劳寿命分 第一章绪论 析，得到相对可靠的零部件寿命预测，既可大大缩短开发周期，又能节省大量试验费用 【8 】 o 目前在车辆结构的疲劳寿命分析方面，传统的方法是利用样车在试车场或道路上进 行道路试验。该方法有周期长，费用高等缺点。不仅难以快速找出问题根源，而且只能 在样车制造以后进行，即只能检验，无法预测。另外一个常用手段是先从理论上分析容 易疲劳的区域，然后采集该区域在典型道路上应力时间历程信号，再结合有关材料特性、 疲劳损伤模型进行疲劳寿命的计算。但是对一些大型的、结构和载荷都很复杂的构件而 言，可能会出现疲劳热点区域不易确定或应力时间历程信号无法采集等情况，这将给该 种疲劳分析方法带来困难。 1 4 有限元法及a n s y s 软件概述 1 4 1 有限元的发展历史和现状 从6 0 年代开始，电子计算机的飞速发展为复杂结构计算提供了客观条件，这就是 有限元方法( f i n i t ee l e m e n tm e t l l o d ) ，它是近代发展起来的，以电子计算机为工具的现 代化工程结构数值分析技术。 有限元的应用最初开始于航空领域，美国航天局于1 9 7 0 年将他们建立于一般目标 用途的有限元分析程序( f e a ) 公开发放使用，即后来众所周知的n a s t 凡蝌软件包， 此外还有a n s y s 、s a p 等。这种设计过程中的分析方法迅速推广到汽车行业，在1 9 7 4 年和1 9 7 7 年，美国汽车工程师协会就召开过两次“车辆结构力学国际会议”，集中讨论 了有限单元法在车辆设计中的应用问题，由有关公司编制了车辆结构计算的各种通用程 序，并出版了文集。我国汽车行业的有限元计算工作起步于1 9 7 5 年，到7 0 年代末期已 取得初步实效，随着计算机条件的改善和国外大型商业软件的引进，汽车有限元计算技 术有了很大进步，促进了汽车设计水平的提高。 近2 0 年来，有限元方法以它的高计算精度、广阔的解算能力、简单的应用方法、 低的设计成本，成功地为各工程结构问题提供极为优秀的成果而深受工程界的欢迎，目 前已普遍用于噪声、振动、强度、碰撞分析方面，是c a e 的重要组成部分，也是工程 界公认为最有效的强度计算分析方法。 1 4 2 有限元法的基本思想与方法 l 、有限元法的基本思想【9 】 自从2 0 世纪6 0 年代c l o u 曲第一次提出“有限单元法( 或称有限元法) 这个名称 4 长安人学硕士学位论文 以来，经过4 0 多年的发展，它如今已经成为工程分析中应用最广泛的数值计算方法。 由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视，现已成为计算机辅助设计 ( q 佃) 和计算机辅助制造( c a e ) 的重要组成部分。 在工程或物理问题的数学模型( 基本变量、基本方程、求解域和边界条件等) 确定 以后，有限元法对其进行分析的数值计算方法的基本思想可简单概括为如下三点。 ( 1 ) 将一个表示结构或连续体的求解域离散为若干个子域( 单元) ，并通过它们边 界上的节点相互联结为一个组合体。 ( 2 ) 用每个单元内所假设的近似函数来分片表示全求解域内待求解的未知场变量， 而每个单元内的近似函数由未知场函数( 或其导数) 在单元各个节点上的数值和与其对 应的插值函数来表示。由于在联结相邻单元的节点上，场函数具有相同的数值，因此将 它们作为数值求解的基本未知量。这样一来，求解原待求场函数的无穷多自由度问题转 换为求解场函数节点值的有限自由度问题。 ( 3 ) 通过和原问题数学模型( 如基本方程、边界条件等) 等效的变分原理或加权 余量法，建立求解基本未知量( 场函数节点值) 的代数方程组或常微分方程组。此方程 组成为有限元求解方程，并表示成规范化的矩阵形式，接着用相同的数值方法求解该方 程，从而得到原问题的解答。 2 、有限元方法与步骤 有限元方法就是根据现实对象的实际结构利用c a d 软件建立三维实体几何模型， 将三维实体模型离散化，并将结构体所受实际载荷分别作用到各单元体上，最后求出各 单元体节点力和位移。 有限元法的具体步骤如下f l o 】： 1 ) 结构的离散化 结构的离散化是有限元法分析的第一步，它是有限元法分析中重要的一步，关系到 计算精度。离散化的过程简单地说就是将分析的结构物划分成有限个单元体，使力学模 型变成离散模型，以代替原来的结构。为了有效地逼近实际的连续体和保证计算精度， 就需要考虑选择单元的形状、确定单元的数目和确定划分方案等问题。 结构离散化后求解的问题就转变为求有限个自由度的节点位移。有限元法计算精度 取决于划分单元的形状、大小、数量和分布情况，通常划分的单元愈多、愈密集、也就 愈能反映实际结构状况，计算精度愈高，但计算工作量增大，计算时间增长。因此必须 两方面兼顾，在满足计算精度的要求下，尽可能使单元数少。 第一章绪论 2 ) 位移模式的选择 在结构的离散化完成后，就可以对典型单元进行特性分析。为了能用节点位移表示 单元体的位移、应变和应力，就必须对单元中位移的分布作出一定的假设，也就是假定 位移是坐标的某种简单的函数，这种函数称为位移模式或位移函数。 位移函数的适当选择是有限元分析中的关键。在有限元法应用中普遍选择多项式作 为位移模式。其原因是因为多项式的数学运算比较方便，并且从所有光滑函数的局部来 看都可以用多项式逼近，即所谓不完全的泰勒级数。至于多项式项数和阶次的选择则要 考虑到单元的自由度和有关解的收敛性要求。一般说来，多项式的项数应等于单元的自 由度数，它的阶次应包含常数项和线性项。 根据所选定的位移模式，就可以导出用节点位移表示单元内任一点位移的关系式， 其矩阵形式是： f ) = n 】 皖( 1 1 ) 式中： f ) 单元内任一点的位移列阵； 皖) - 一单元的节点位移列阵； m 单元的形函数矩阵，它的单元是任一点位置坐标的函数。 3 ) 单元力学特性的分析 位移模式选定以后，就可以进行单元力学特性的分析。它包括下面三部分内容。 ( 1 ) 利用几何方程，由位移表达式( 1 1 ) 导出用节点位移表示单元应变的关系式： 占) = b 】 6 。)( 1 2 ) 式中： s ) 单元内任一点的应变列阵； b 单元的应变矩阵。 ( 2 ) 利用物理方程，由应变表达式( 1 2 ) 导出用节点位移表示单元应力的关系式： 仃) = 【d 】【b 】 6 。)( 1 3 ) 式中： 仃) 单元内任一点的应力列阵； 【d 】单元材料有关的弹性矩阵 ( 3 ) 利用虚功原理建立作用于单元上的节点力和节点位移之间的关系式，即单元的 刚度方程： 6 长安人学硕士学位论文 式中： 【足。】单元刚度矩阵 可以导得： c = 【疋】谚) ( 1 4 ) ，巾 k 。】= 曰】1 【d b 】蚴 ( 1 5 ) ， 上式的积分应遍及整个单元的体积。 4 ) 等效节点力的计算 弹性体经过离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元，但是作为 实际的连续体，力是通过公共边界传递。因此这种作用在单元边界上的表面力和作用在 单元上的体积力、集中力等都需要等效移置到节点上去，也就是用等效的节点力来替代 所有作用在单元上的力。移置的方法是按照作用在单元上的力与等效节点力，在任何虚 位移上的虚功都相等的原则进行的。 5 ) 单元迭加建立整个结构的平衡方程 集合的过程包括有两方面的内容。一是由各个单元的刚度矩阵集合成整个物体的整 体刚度矩阵；二是将作用于各单元的等效节点力列阵集合成总的载荷列阵。由此可得到 以整体刚度矩阵 、载荷列阵矿 以及整个物体的节点位移列阵 钟表示的整个结构的 平衡方程为： 陋 国= 用( 1 6 ) 这些方程还应在考虑了几何边界条件作适当的修改之后，才能够解出所有的未知节 点位移。 6 ) 节点位移的求解和单元应力的计算 由结构的平衡方程组( 1 6 ) 解出节点位移。然后，就可利用公式( 1 3 ) 和已求出的节 点位移来计算各单元的应力，并加以整理得出所要求的结果。 1 4 3a n s y s 软件概述 a n s y s 软件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 公司开发， 是一款融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，在国 际上广泛应用于机械、土木、水利、机电、航空航天和冶金等领域。该软件能与多数 c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，如c a t 队，p r 0 e n g 仆甩e r ，u n i 伊印h i c s ， p a r a s o l i d 等，是现代产品设计中的高级c a e 工具之。 第一章绪论 a n s y s 软件主要包括三部分，即前处理模块、分析计算模块和后处理模块【1 1 】。 ( 1 ) 前处理模块 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限 元模型。a n s y s 程序前处理主要包括实体建模和网格划分。 实体建模 a n s y s 提供了两种实体建模方法：顶向下与自底向上。自项向下进行实体建模时， 用户定义一个模型的最高级图元，用户利用这些高级图元直接构造几何模型。自底向上 实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型。无论使用自顶向下还是自底向上方法 建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而实现一个实体模型。a n s y s 程序提 供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模 型时，对线、面、体、基元的布尔操作能减少相当可观的建模工作量。a n s y s 程序还 提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。 网格划分 在划分网格之前，通常需要指定分析对象的特征，即定义单元类型。主要包括3 个 基本类型的常数定义：单元类型和单元类型属性定义、实常数定义和材料属性定义。 a n s y s 程序提供了使用便捷、高质量的对几何模型进行网格划分的功能。主要包 括4 种网格划分方法：自由网格划分、映射网格划分、延伸网格划分和自适应网格划分。 a n s y s 软件的自由网格划分功能十分强大，这种网络划分方法没有单元形状的限 制，网格也不遵循任何模式，因此适合于对复杂形状的面和体进行网格划分，这就避免 了用户对模型各个部分分别划分网格后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。对面 进行网格划分，自由网格划分可以只有四边形单元组成，或者只有三角形单元组成，或 者二者混合。对体进行自由网格划分，一般指定网格为四面体单元，六面体单元作为过 渡也可以加入到四面体网络中。 映射网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性 和网格控制，生成映射网格。映射网格划分主要适合于规则的面和体，单元排列成行并 具有明显的规则形状，仅适用于四边形( 对面) 和六面体( 对体) 。 延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格，主要是利用体扫掠，从体的 某一边界面扫掠贯穿整个体而生成体单元。如果需扫掠的面由三角形网格组成，体将生 成四面体单元；如果面网格由四边形网格组成，体将生成六面体单元；如果面由三角形 和四边形单元共同组成，则体将由四面体和六面体单元共同填充。 长安人学硕 ：学位论文 自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生 成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、 估计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。 ( 2 ) 求解模块 分析计算模块包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析) 、流 体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多 种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。前处理阶段完成建模以后， 用户可以在求解阶段获得分析结果。在该阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载 荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。a n s y s 提供的主要分析类型如下： 结构静力分析 a n s y s 程序可以进行线性、非线性分析，用来求解外部载荷所导致的应力和位移。 适合求解惯性和阻尼对结构的影响不显著的问题。 结构动力学分析 a n s y s 程序进行分析的类型主要包括下面四个方面：瞬态动力学分析、模态分析、 谐波响应分析和随机振动响应分析，用来求解随时间变化的载荷对结构产生的影响。 热分析 热分析模块中，主要处理热传递的三种基本类型：导、对流和辐射，热分析还具有 模拟材料固化和融解过程的相变分析能力。 ， a n s y s 提供的分析类型远不止这些，它覆盖到实际工程各个方面，还包括结构非 线性分析、动力学分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析以及压电分析等。 ( 3 ) 后处理模块 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、 立体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形方式显示出来，也可将计算 结果以图表、曲线形式显示或输出。a n s y s 软件的后处理过程包括两个部分：通用后 处理模块p o s t l 和时间历程后处理模块p o s t 2 6 。通过友好的用户界面，可以很容易获 得求解过程的计算结果并对其进行显示。这些结果可能包括位移、温度、应力、应变、 速度及热流等，输出形式可以有图形显示和数据列表两种。 1 5 本文研究的内容及采用的研究思路 本课题主要研究一款1 2 米长的长途客车，该车采用江淮h f c 6 8 7 0 k y 客车底盘， 全承载式车身结构，后置发动机，前气动外摆门，顶置空调，4 9 + l + 1 的座椅布置。底 q 第一章绪论 盘车架材料采用1 6 m n 异型钢管和u 形梁焊接而成，车身材料主要采用q 2 3 5 、q 2 4 5 异 型钢管焊接而成。分析其车身的整体强度，提出改进设计方案，通过对比找到最优化方 案，并进行模态分析，具体包括： 利用有限元分析软件a n s y s ，采用壳单元建立车身有限元模型，对车架进行静 弯曲工况，左前轮悬空工况，右前轮悬空工况的静力学分析计算，得到它的应力分布云 图，找出薄弱部位。 对车身薄弱部位进行疲劳分析，得到薄弱部位的疲劳寿命，并进行结构改进。 分析改进后的疲劳强度，对比分析结果。 对车架进行模态分析，获得固有频率和振型。通过对车架进行模态分析，计算 出车架的模态振型与相应的固有频率，通过固有频率与振型从整体上考虑车架的强度问 题，对结构进行局部加厚，进行模态分析，对比分析结果。 l o 长安人学硕十学位论文 第二章大客车车身的损坏机理 2 1车身构件的损坏分类 1 2 】 2 1 1 根据损坏程度 1 ) 车身局部损坏 车身局部损坏是指因过载或受到冲击、挤压而导致车身构件某一小范围的永久性变 形，而且这种变形往往伴随着零件的损坏。即变形主要发生在局部，而且并未导致车身 发生整体变形( 车身整体发生变形时，需矫正车身整体定位参数) 。这种局部损坏往往 可以通过局部更换某些钣金件的方法，或局部修补、矫正的方法予以解决。 2 ) 车身的整体变形 车身的整体变形是指车身的整体定位参数，或者表征车身外观的表面参数和性能参 数发生了变化，严重地影响了汽车的行驶性、稳定性、平顺性、安全性、使用性等性能。 这种损坏往往需要更为复杂的技术予以解决。整体定位参数是指那些对汽车发动机、底 盘、车身主要构件的装配位置，有着直接影响的基础数据，如汽车的前轮定位、轴距误 差和各总成的装配位置精度等。表征汽车性能的参数是指接近角、迎角、拱度等。 2 1 2 根据损坏原因 按损坏原因分类可分为直接损坏和间接损坏( 波及损坏、诱发损坏和惯性损坏) 。 1 ) 直接损坏 直接损坏是外力直接作用在受损部位表面而导致的损坏。直接损坏通常以撕裂或断 裂、擦伤、划痕、凹陷、弯折等形式出现，非常直观，很容易发现。在所有的损坏中直 接损坏通常只占1 0 1 5 。但是，当损坏以一条很长的擦伤或折痕方式出现时，它将 在总的损坏中占8 0 。 2 ) 间接损坏 间接损坏是由直接损坏引起的损坏。非直接的损坏都可看成是间接损坏，间接损坏 包括波及损坏、诱发损坏、惯性损坏。 波及损坏是指冲击力作用于车身上并分解后，其分力在通过车身构件过程中所形成 的损坏。根据力的可传性，破坏力在分解、传播、转移的过程中，比较容易通过强度或 刚度高的构件。但对于强度、刚度相对较弱的构件，就十分容易形成不同程度的损坏。 波及损坏时，一般会在某些薄弱环节上形成以弯曲、扭曲、凹陷、断裂等形式的损坏。 诱发损坏是指车身构件发生了损坏或变形以后，同时引起与其相邻或装配在一起的 第二章大客车车身的损坏机理 其他构件的损坏。与波及损坏的不同点在于：它在损坏过程中并不承载或很少承载，而 主要是关联件的压迫、拉伸等导致的诱发性损坏。形式有弯曲、断裂、扭曲。 惯性损坏是指汽车运动状态发生急剧变化，由强大惯性力作用而导致的损坏。汽车 碰撞或紧急制动时，装配于车身上的发动机、底盘各总成、乘客或货物等，都会不同程 度地产生一定的惯性力，而且这一惯性力有时还是非常剧烈和强大的。于是与车身装配 的结合部就有可能因过载而损坏；被抛起的人或货物与车身撞击也会造成另一种形式的 损坏。惯性损坏多以撞伤、拉断或撕裂、局部弯曲等形式出现。大多数碰撞都会同时造 成这两种损坏。通常在所有的损坏中，大部分都是间接损坏，间接损坏占所有损坏的8 0 9 0 。因各种构件所受到的间接损坏基本相同，故8 0 9 0 的金属板都可采用同样的 方法修理，即采用一些基本的方法来修理。 2 1 3 根据损坏形式 构件的损伤又可分为磨损、腐蚀、裂纹和断裂( 撕裂) 、变形四种。变形又分为弯 曲( 弯曲、弯折、皱褶) 、扭曲( 扭转、菱形扭曲) 、凹凸、翘曲等。 1 、磨损 两个相对运动的接触表面，在互相作用的过程中，使摩擦表面的金属不断损失的现 象称之为磨损。按照零件损坏的机理，磨损可分为磨料磨损、黏着磨损、疲劳磨损、腐 蚀磨损。而磨损经常以复合的形式出现。车身构件磨损多因在外力作用下产生相对运动 而引起。磨损的部位常发生在车身构件相互接触的表面，如以下各处。 车身构件各铰链孔、轴间的转动处和有撞击处。发动机罩铰链，各类车门铰链， 轿车后备箱盖铰链，载货汽车货箱栏板铰链。门锁锁舌与锁扣间的撞击和滑动部位，内 门锁手柄及联动机构各活动接触部位等。 各类装置或构件的表面接触处，各钣金件间的表面接触部位。这些构件与其他 的接触部位在行车中的振动和相对错动摩擦，例如车门下沉后，门内、外面板与门框的 接触摩擦、各密封橡胶件与构件振动接触和相对错动摩擦、后备箱盖锁止机构的各个活 动部位之间的接触摩擦、发动机罩下表面与驾驶室前围盖板表面及翼子板上表面振动摩 擦等，都会造成相应的磨损。 各构件有相对滑动或转动处。乘客门滑道与轴承相对滑动摩擦：玻璃升降器齿 轮接触齿间的滑动；乘客门门泵活塞皮碗与门泵筒体的相对滑动摩擦；刮水器刮水刷与 挡风玻璃的相对滑动摩擦；电动刮水器蜗轮与蜗杆接触齿面间的啮合；刮水器联动杆之 间接头的转动摩擦；百叶窗片传动销与叶片联动板的转动摩擦；载货汽车车头翻转机构 长安火学硕士学位论文 转轴与支承座衬套转动摩擦；平头式货车驾驶室翻转机构转轴与支承衬套之间转动摩擦 等都会造成磨损。 各级钣金件螺栓( 或铆钉) 松动后的孔磨损，造成孔径增大。 2 、腐蚀 腐蚀是指表面与外部介质起化学或电化学作用而发生的金属表面损失现象。腐蚀的 结果是金属表面有新的物质产生。按腐蚀的机理可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种。化 学腐蚀是金属表面与外部介质直接起化学反应，引起的表面破坏。电化学腐蚀指两种金 属与电解质溶液接触形成原电池，其中电位低的遭受腐蚀。车身构件腐蚀的原因，绝大 多数是由构件表面积存泥水，焊修后未做防锈处理，发生氧化反应而引起的，只有少数 是接触化学药品而发生化学腐蚀。 3 、裂纹和断裂 断裂指金属材料在应力的作用下被分成两( 或以上) 部分，这种破坏称之为断裂。 根据断裂机理可分为三种断裂，即疲劳断裂、脆性断裂、韧性断裂。 疲劳断裂指的是在交变载荷作用下，于局部应力集中部位产生细小裂纹，并逐渐扩 大的损伤。 脆性断裂是没有塑性变形的断裂。 韧性断裂指在产生大量塑性变形后发生的断裂，主要表现为撕裂。 车身构件产生裂纹和断裂的原因： 车身构件在设计上结构不够合理，导致构件局部应力集中； 车身构件在制作或焊接过程中产生附加应力： 汽车在行驶时，车身不断地振动，使车身构件承受交变载荷； 汽车通过路况差的路面、急加速、紧急制动和急转弯时，使车身受附加载荷； 修理工艺不合理或质量不合格，加速车身构件裂纹的产生。 4 、变形 变形构件的外廓尺寸和表面形状与原来的状态产生差异，此种现象称为变形。构件 的变形共有以下四种形式：弯曲和皱褶、歪扭和翘曲、凸起和凹陷、延伸与收缩。 2 2 大客车骨架损坏现状及易损坏的部位 车架的损坏主要是疲劳损坏，其主要形式是断裂，一般说来，引起车架疲劳损坏的 裂纹起源于纵梁与横梁相连的纵梁翼面处，然后沿其方向扩展，在纵梁上的裂纹将迅速 发展至全部断裂。 1 3 第二章大客车车身的损坏机理 承载式车身和半承载式车身，由于车身骨架与底架刚性相连，车身将直接承受来自 不平路面的冲击。近几年来，为了适应各方面的要求( 诸如外观、工艺、材料、设备等 等) ，各厂家因地制宜，设计制造了多种无原则区别的大客车车身和底架的结构。各地 区的使用表明，无论是城市大客车或长途大客车的车身，都曾较普遍地出现骨架早期断 裂的现象。最严重的莫过于车身右侧( 开有乘客门的一侧) ，裂纹首先出现在前车门前支 柱的上角，然后相继在后支柱和后车门支柱的上角以及侧窗支柱的下角等部位出现。有 的车辆的门支柱甚至在运行2 3 万公里时就出现了裂纹，这个问题已经严重地影响到行 车安全和车辆使用寿命。 大客车车身骨架元件包括腰梁、侧壁上纵梁、前、后风档上横梁及车身支柱等，项 盖骨架包括顶盖梁、横向和纵向加强杆件等。使用实践和结构分析都表明：顶盖骨架可 视作基本上不承载，而腰梁和侧壁上纵梁却有较大的抗弯强度，因此，车身骨架的薄弱 环节主要在支柱部分。 并且根据经验，车身构件易产生裂纹断裂的部位有以下几点： 翼子板固定支架点焊处和固定螺栓孔周围，翼子板内、外侧边缘，车头各构件 点焊连接部位； 车门内板前侧与加固板点焊部位，车门铰链附近板面缺口处； 驾驶室与车架连接部位，驾驶室门框前、后立柱与驾驶室底板焊接处： 散热器进、出水管与散热器上、下水室接口处，散热器上、下主片的四个边角 与散热器冷却管连接处周围； 燃油箱左、右隔板与壳体的点焊处； 消声器前、后端接口转角处； 客车第一、二立柱及各门框立柱与上边梁和腹梁的连接部位等： 螺栓孔严重磨损处附近的板面。 2 3 大客车骨架损坏原因及影响车身强度的因素 2 3 1 大客车骨架损坏原因 凡设在前、后轴正中或正中偏前的乘客门，门立柱上总会出现横向裂纹，窗立柱上、 下角的横向裂纹以车门附近几根较多，右侧( 开门的一边) 比左侧多，正中开门比正中偏 前开门的多。这表明车身右侧壁的强度和抗扭刚度比左侧壁小，是因轴距之间开门引起 的。【1 3 1 ( 1 ) 骨架的抗扭刚度不够。骨架抗扭刚度差，引起整个车身抗扭刚度也差，因此立 1 4 长安大学硕士学位论文 柱容易断裂。 ( 2 ) 崎岖路面会引起骨架裂纹。我国现有公路中，四级和等外路占了8 0 。当客车 在崎岖不平路面低速行驶时，由于前轮的跳动而施加在前桥上的转矩作用使车身处于强 烈的扭转工况。此时由剪力流汇总形成的力会使顶盖侧边梁相对窗台的梁产生位移，窗 门立柱承受横向弯曲变形，变形量达到一定限度便在窗立柱上下角和门立柱上角产生横 向裂纹。 ( 3 ) 超载行驶加速骨架断裂。长途客车经常处于超员超载状态，会使车身横截面严 重变形，行李架两旁的骨架及底架横梁也就容易断裂。鉴定记录表明，由左右立柱与对 应的项横梁焊接一体的龙门框架，其对角线差不能超8 m m ，超出的数据越大，断裂的 立柱根数就越多。 图2 1 底架 ( 4 ) 底架扭转刚度不足对骨架寿命有影响。以图2 1 为例，底架槽形截面高度达 3 0 0 衄，两根纵梁从横梁腹板上的矩形孔中穿过然后将两者焊在一起。在这种情况下， 横梁实际上是起不到增强抗扭刚度的作用，因此整个底架的扭转刚度是不足的。这种底 架在全长范围内刚度分布很不均匀，前端2 m 长度内无横梁，发动机前悬置横梁的刚性 很差，而前车门区域内前、后纵梁局部重迭，导致此处的刚度陡增，前车门后部的底架 刚度又陡降。因此，当客车在崎岖不平路面行驶时，底架前端产生较大的挠曲变形，导 致在大开口的车门立柱上角出现高应力。经扭转试验表明，第四根横梁( 它与后立柱相 邻的窗立柱歹端焊在一起) 的应力达到屈服极限。由于与后车门前立柱相焊的第六根横 梁前端装有x 形横梁，使该处约束程度增大，导致与该处固接的门立柱上角处的应力过 大，以致损坏。 第二章大客车车身的损坏机理 ( 5 ) 因设计结构上的缺陷，引起车身夹层局部产生凹兜、不密封，使泥水、潮气进 入车身内不能迅速畅通排除而形成锈蚀灶。图2 2 为客车上常见的一种典型排水槽结构。 图2 2 a 的顶盖就焊在排水槽上，这种结构在焊接品质不佳和接缝不密封时会使泥水漏入 车身内。如果从设计上稍加改变象图2 2 b 那样，即使焊接得不十分理想，也不致于渗漏 如又如图2 3 a 所示大客车底架上靠近轮胎的丁横梁的布置是合理的，若结构需做成图 2 3 b 那样，则应设法填满下典缘上的弯角，才能使飞溅上的泥水顺坡流走，再如图2 4 a 为板搭接处的凹兜，若改成图2 4 b 才可清除凹兜，泥水不会在此处积存。 图2 2 乓车斗巨聿审 u 。l b 图2 3图2 4 ( 6 ) 有的厂家为了造型的需要和节省材料开支，将车窗制成下落、升高式结构，用 异形钢管等材料制作骨架，在外蒙皮上做成加强肋或瓦楞形，施工时对蒙皮接缝处严密 性要求又不够。这样在洗车时，泥水便从窗玻璃和蒙皮缝隙渗漏车身夹层，积蓄在骨架 凹槽内，形成骨架和构件早期锈蚀。 ( 7 ) 焊接质量不高。目前，部分厂家仍使用气焊和手工电弧焊。由于操作技术问题， 使所焊的车身焊缝尺寸不符合技术要求，出现咬边、焊瘤、烧穿、严重飞溅、弧坑、电 1 6 长安大学硕七学位论文 弧擦伤、表面气孔、内部裂纹、央渣等现象。这些缺陷的存在减小了焊缝有效工作断面， 缩短了车身的使用寿命。 ( 8 ) 车身的涂层质量不高。对外表重视，内表轻视，使车身夹层起不到很好防锈作 用。 2 3 2 影响机械零件疲劳强度的因素 影响机械