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上海交通大学硕士学位论文 s k 6 1 2 0 k h v - 3 新概念城市客车 有限元建模及整车结构分析 摘要 ， l 采用有限元法对大客车在设计、制造和改进过程中进行结构强度和 刚度的分析，是一种十分高效而节约成本的方法。但是我国有限元法在 制造业中的大范围使用起步较晚。客车生产企业已经认识到了这一问题， 开展了大客车整车结构有限元分析的工作。卜7 本文针对上海申沃客车有限公司新开发的s k 6 1 2 0 k h v 3 新概念城市 客车，在二维工程图纸的基础上，进行了合理的简化，建立了三维整车 几何模型，并在此基础上，利用壳单元建立底架有限元模型，利用梁单 元建立车身有限元模型，进行边界条件的约束处理，对车身承受的集中 质量、均布质量进行加载处理，建立了板梁结合的整车有限元强度、刚 度分析模型。根据城市公交客运的营运情况，选择四种典型计算工况： 匀速直线行驶时承受竖直向下1 2 5 9 动载、路面高低不平时一轮悬空、紧 急制动、急速转弯进行整车结构强度和刚度分析，并计算其前五阶自由 振动模态。本文的计算结果中，应力的分布与同类型大客车在以往运行 过程中表现出的强度问题能很好地吻合，同时也与正在进行的实车试验 结果相一致，证明本文建立的有限元模型是合理的，强度分析是正确的， 对大客车的改进优化设计具有直接的现实意义。 关键词： 大客车，有限元，强度 上海交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sf o rs k 6 1 2 0 k h v - 3 b u s b o d y s t r u c t u r e a b s t r a c t 。thef i n i t ee l e m e n tm e t h o dh a ss h o w ni t sa d v a n t a g ei nt h ea p p l i c a t i o ni n a u t oi n d u s t r i e s u n l i k et h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o dw h i c hd e p e n d s o n m a n u f a c t u r i n gr e a lv e h i c l e ，t h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o di sak i n do fv e r y h i 曲一e f f i c i e n t a n dc o s t e f f e c t i v em e a n s i th a sb e e nc a r r i e do ns t r u c t u r e s t r e n g t ha n ds t i f f n e s sa n a l y s i si nt h ec o n r s eo fd e s i g n i n g ，m a n u f a c t u r i n ga n d i m p r o v i n g b u ts t a r t i n gu s i n gf e m o nal a r g es c a l ei nt h ep a s s e n g e rc a r i n d u s t r yi sr e l a t i v e l yl a t ei nc h i n a f o r t u n a t e l y , t h ee n t e r p r i s e sh a v er e a l i z e d i t s i m p o r t a n c ea n dm a d es o m ee f f o r to nt h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i so ft h e s t r u c t u r eo fb u s i nt h et e x t ，t h ea u t h o rt a k et h es k 6 1 2 0 k h v 一3c i t yb u sa sa l le x a m p l e w h i c hi san e wc o n c e p t i o np a s s e n g e rc a rd e v e l o p e db ys h a n g h a is h e n w o p a s s e n g e r c a r c o ，l t d o nt h eb a s i so f t w o - d i m e n t i o n a lp r o j e c td r a w i n g s ，t h e a u t h o rf i r s t l ye s t a b l i s h e dag e o m e t r ym o d e lo ft h ef u l ls c a l eb u ss k e l e t o n b y u s i n gs h e l le l e m e n ta n db e a me l e m e n t ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lf o rs t r e n g t h a n ds t i f f n e s sa n a l y s i sw a ss e t 叩t h ef e mm o d e la l s oi n v o l v e st r e a t m e n to f b o u n d a r yc o n d i t i o n s ，s i m p l i f i e dt r e a t m e n to fq u a l i t yo fs o m eb u ss k e l e t o n p a r t sa n dd e a l sw i t ht h ef i x e dw e i g h ta n dl o a d i n gt h a ti sp u to nt h es t r u c t u r e a c c o r d i n gt ot h eu s u a lo p e r a t i o ns i t u a t i o no f t h ep a s s e n g e rc a ri nt h ep u b l i c t r a f f i co f c i t y , t h er e s e a r c hc h o o s e sf o u rt y p o so fo p e r a t i n gc o n d i t i o n sa st h e 上海交通大学硕士学位论文 a b s l r a c t a n a l y s i sm o d e s ，w h i c ha s p e c t l ya r e i ) t h eb u s b e a rav e r t i c l ed y n a m i cl o a do f 1 2 5 9w h i l er u n n i n gw i t ht h eu n i f o r mv e l o c i t y ；i i ) o n eo f t h ew h e e l sh a n gi n m ea i rw h e nt h eb u sn m n i n go n a l lu n e v e nr o a d ；i i i ) t h eb u sb r a k e ss u d d e n l y ； i v ) t h eb u ss t e e r sq u i c k l y t h e nt h er e s e a r c hc a l c u l a t e st h e f i r s tf i v ef r e e v i b r a t i o nm o d e so f t h eb u ss k e l e t o n t h ec a l c u l a t i n gr e s u l t so b t a i n e di nt h ea r t i c l ea r ei d e n t i c a lw i t ht h et e s t r e s u l to f t h es a m e t y p eb u sb e f o r e ，w h i c hp r o v e s t h a tt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l e s t a b l i s h e di nt h i st e x ti sr a t i o n a l ，t h ea n a l y s i si sc o r r e c ta n dt h er e s u l t sc o u l d d i r e c t l yh e l p t ot h ei m p r o v et h ed e s i g no f t h e p a s s e n g e r c a r k e y w o r d s ： p a s s e n g e rc a r , f e m ，s t r e n g t h 海交通人学硕l j 学位论史 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景、意义及来源 1 1 1 研究背景 随着国民经济的蓬勃发展，汽车已成为极为重要的交通运输工具。汽车工业 在带动其他各行各业的发展中，已显示出其作为重要支柱产业的作用。客车，作 为公路客运的主要交通工具，是众多工业产品和技术的结晶，给人类社会带来了 巨大的方便和经济效益。我国大型客车生产企业经过三十多年的努力，已形成了 一定的生产规模，但也面i 临着一系列的挑战。一方面，市场经济不断发展，卖方 市场逐渐向买方市场转变，就要求企业不断开发新品，满足客户的不同需要；另 一方面，国内高速公路的迅猛发展，也向客车企业提出了许多新的课题。因而， 研制、生产出更多更好的结构轻、性能好、质量高、适应各种不同用途、安全可 靠、舒适性高的客车，成为各客车生产企业在竞争中取胜的法宝。 目前，世界上汽车产品丌发的新技术不断涌现，使产品的开发周期从6 年、 5 年、4 年发展到目前的3 年甚至更短的时间。其主要原因之一是计算机辅助 造型( c a s ) 、计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助工程分析( c a e ) 、计算机辅助制 造( c a m ) 、计算机辅助试验( c a t ) 、计算机集成制造系统( c i m s ) 以及计算机虚拟 现实系统( v r ) 等一大批先进技术得到了应用，从而迅速缩短了汽车业的产品开发 周期。 国内过去客车设计多用样车作参考，这种方法不仅费用大，试制周期长，而 且也不可能对多种方案进行评价。车身车架是一个十分复杂的结构，用经典力学 方法不可能得到精确的解答。特别是在设计初期，又不可能有实测数据，因此以 往的设计基本上是依赖于经验和类比，缺乏建立在力学特性( 强度、刚度等) 分 析基础上的科学判据，设计法有待提高。 1 1 2 课题意义 由于一系列客观条件的限制，我国有限元法在制造业中的大范围使用起步较 晚。在大客车的设计、制造和改进过程中仍主要依靠传统的手段。这一方面造成 局部材料强度余量较大而又无法及早判断出材料浪费程度的情况；另一方面，对 车辆实际使用过程中出现的局部强度不足的问题，只能采取“头痛医头，脚痛医 脚”的局部加强方案，而且需要进行多次全面的实车试验才能确定其有效性。而 有限元是迄今为止最为经济有效的辅助手段，它包括有限元辅助设计、有限元辅 助分析等一系列内容，可极大地减少资源投入、缩短工作周期，而且在认真细致 _ 。；j 。# 。女溉艇l 罄篓捻燃i 妊， 海交通人学硕i 肆位论史 第一章绪论 的工作作风下可保证较高的准确性和与实际情况十分理想的吻合程度。因而，在 大客车的设计、制造和改进过程中引入有限元法是必要而有意义的。 113 课题来源 本课题来源于与上海申沃客车有限公司合作的“s k 6 1 2 0 k h v 3 城市客车结 构有限元分析”项目。 1 2 有限元分析在汽车结构设计中的应用 121 有限元法的应用 在汽车开发的全过程中，计算机辅助工程分析c a e ( c o m p u t e ra i d e d e n g i n e e r i n g ) 是最重要的手段，它是实现汽车从设计概念到产品验证的强有力的 工具。它包含有下列内容：汽车基本结构动态和静态分析；噪声、振动和不平顺 性，耐久性和疲劳寿命预测，结构的优化，车辆抗碰撞能力，汽车动力学，车辆 悬架系统分析，流体动力学，热和热传导等。其中，本文关注的汽车基本结构动 态和静态分析采用有限元分析方法。在计算机辅助设计c a d 基础上进行的有限 元分析分为建立模型( 预处理) 、分析和结果分析( 后处理) 三个阶段。设计人员根 据被分析对象确定生成元素的形式和网格，并输入材料性能、边界条件和载荷条 件，经处理分析后输出位移、应力、模念、频率、温度等供设计人员分析。根据 分析结果修改设计再分析，直到满意为止。一般要制作试件进行必要的试验验证。 在有限元法中，连续体结构被看作是由有限个单元通过有限个节点连接而成 的计算模型。每一个单元都相应地代表着结构某些力学性质的局部小块。显然， 如果每个单元所代表的力学特性与实际结构受力后这一小块的力学特性越近似， 计算出来的精确性就越高。为了得到较好的解答结果，所使用的单元应尽可能地 反映出实际中各种因素对结构力学特性的影响。这样不仅要求每个单元与对应的 实际结构之间几何类型上( 即几何的逼真性) 一致，而且要求单元传递力和传递 运动的力学特性上( 即力学特性的逼真性) 相一致。考虑到车身车架结构的特点 与受载变形的特性，通常采用梁结构、板结构及板梁组合结构的计算模型。 1 2 2 有限元软件的应用 1 9 7 0 年美国宇航局的n a s t r a n 结构分析程序的引入，标志着汽车现代有限 元分析的开始。计算机计算速度的提高，大大缩短了计算分析周期，而有限元软件 功能的完善又促进了有限元分析在现代汽车领域的应用。例如刑用s u p e r s a p 软件包可进行客车车身结构的静力分析、动力分析、模态分析、响应谱分析、随 机振动分析和频率响应分析，同时还可以确定车身结构的重心以及惯性矩。采用 的单元主要有三维梁单元、三维板单元、边界单元及刚性单元等。并且，随着c a d 海交通人学坝i + 学位论史 第一章绪论 技术的普及，形成了c a d c a m c a e 一体化工程。采用现代化的结构分析技 术，使得客车的车身结构设计不仅仅凭经验进行。通过有限元的结构分析，我们可 以获得设计的参变量( 如车身骨架的结构形式、构件的几何尺寸及其布置方式等) 与结构响应( 如输出的应力和位移) 之间的某种关系，并可以利用软件提供的可视 化技术，实时地观察计算分析结果，而利用这些信息便可以对结构进行优化。常用 的设计通用计算机软件有：a d a m s 、a n s y s 、n a s t r a n 、s a p 和m y d a m o 等。 机械系统大型仿真软件a d a m s 是美国m d i 公司产品。它能用于产生复杂 机械系统的“模拟样机”，仿真其运动过程，分析比较并优化方案，节约物理样机 的丌发资会，提高产品质量和缩短研制周期。该软件在车辆动力学、发动机设计、 悬架设计、传动系统、车身附件、振动、噪声、平顺性、安全性、防抱制动系统 和人体工程等方面有广泛的应用。 a n s y s 是美国a n s y s 公司产品。它是被最广泛使用的通用有限元分析软 件，具有功能强的前后处理器，能处理静力和动力分析( 线形或非线性瞬态、模 念、随机振动) 、稳定分析、热传导分析、电磁场分析、流体及声学分析和多场 耦合分析等设计的问题，具有优化功能，使用方便的特点。 多刚体动力学软件m a d y m o 是新西兰t n o 撞车安全研究中心的产品。该 软件应用多刚体( n 0 性或柔性) 和有限元技术分析机械系统的动力行为；分析多刚 体在各种有约束铰链条件下的运动学、非线性动力学问题，因此特别适合于模拟 人体的运动状态，在车辆安全性研究中获得广泛应用。 n a s t r a n 是美国n a s a 的产品。它是大型有限元分析软件，能分析管类 模型、线形或非线性弹簧、问隙和摩擦等元件在各种支承、边界、载荷条件下的 静力学和动力学问题。本文就以n a s t r a n 作为有限元分析软件。 1 2 3 所用软件 m s c 公司自1 9 6 3 年开始从事计算机辅助工程领域c a e 产品的开发和研究。 在1 9 6 6 年美国国家航空航天局f n a s h ) 为了满足当时航空航天工业对结构分析 的迫切需求主持开发大型应用有限元程序的招标，m s c 一举中标，参与了整个 n a s t r a n 的开发过程。1 9 6 9 年n a s a 推出了其第一个n a s t r a n 版本，即 n a s t r a nl e v e l1 2 。 1 9 7 3 年2 月，n a s t r a nl e v e l1 5 5 发布的同时，m s c 公 司被指定为n a s t r a n 的特邀维护商。 1 9 7 1 年，m s c 公司对原始的n a s t r a n 做了大量改进，采用了新的单元库、 增强了程序的功能、改进了用户界面、提高了运算精度和效率。特别对矩阵运 算方法做重大改进，即而推出了自己的专利版本：m s c n a s t r a n 。自此以后， 经多次革命性的改良，m s c 公司发布了一系列版本，领导着c a e 向自动化进步。 本文采用的是m s c 公司的最新版本；n a s t r a n 7 0 7 ，具有如下特点： 海交通人学坝f + 学位论义 第一章绪论 1 极高的软件可靠性 m s c n a s t r a n 是一具有高度可靠性的结构有限元分析软件，有着3 6 年的 开发和改进历史，并通过5 0 ，0 0 0 多个最终用户的长期工程应用的验证。 m s c n a s t r a n 的整个研制及测试过程是在m s c 公司的q a 部门、美国国防 部、国家宇航局、联邦航空管理委员会( f a a ) 及核能委员会等有关机构的严格控 制下完成的，每一版的发行都要经过4 个级别、5 , 0 0 0 个以上测试题目的检验。 2 优秀的软件品质 m s c n a s t r a n 的计算结果与其它质量规范相比已成为最高质量标准，得 到有限元界的一致公认。通过无数考题和大量工程实践的比较，众多重视产品 质量的大公司和工业行业都用m s c n a s t r a n 的计算结果作为标准代替其它质 量规范。 3 作为工业标准的输入输出格式 m s c n a s t r a n 被人们如此推崇而广泛应用使其输入输出格式及计算结果 成为当今c a e 工业标准，几乎所有的c a d c a m 系统都竞相开发了其与 m s c n a s t r a n 的直接接口m s c n a st r a n 的计算结果通常被视为评估其它 有限元分析软件精度的参照标准，同时也是处理大型工程项目和国际招标的首选 有限元分析工具。 4 强大的软件功能 m s c n a s t r a n 不但容易使用而且具有十分强大的软件功能。通过不断地 完善。如增加新的单元类型和分析功能、提供更先进的用户界面和数据管理手 段、进一步提高解题精度和矩阵运算效益等等，使m s c 公司以每年推出一个小版 本、每两年推出一个大版本的速度为用户提供m s c 新产品。 5 高度灵活的开放式结构 m s c n a s t r a n 全模块化的组织结构使其不但拥有很强的分析功能而又保 证很好的灵活性，用户可针对根据自己的工程问题和系统需求通过模块选择、组 合获取最佳的应用系统。此外。m s c n a s t r a n 的全开放式系统还为用户提供了 其它同类程序所无法比拟开发工具d m a p 语言。 6 无限的解题能力 m s c n a s t r a n 对于解题的自由度数、带宽或波前没有任何限制，其不但适 用于中小型项目对于处理大型工程问题也同样非常有效，并已得到了世人的公 认。m s c n a s t r a n 已成功地解决了超过5 , 0 0 0 ，0 0 0 自由度以上的实际问题。 作为世界c a e 工业标准及最流行的大型通用结构有限元分析软件， m s c n a s t r a n 的分析功能覆盖了绝大多数工程应用领域，并为用户提供了方 便的模块化功能选项，m s c n a s t r a n 的主要功能模块有：基本分析模块( 含静 力、模念、屈曲、热应力、流固耦合及数据库管理等) 。动力学分析模块、热 麓i 淼。溢瓿潼蕊满；j ， ! ：塑窒堡叁堂塑! ：堂些堡墨笙二主! i 鱼 传导模块、非线性分析模块、设计灵敏度分析及优化模块、超单元分析模块、 气动弹性分析模块、d m a p 用户开发工具模块及高级对称分析模块。 1 3 本文主要研究内容 f11 以s k 6 1 2 0 k h v 一3 城市客车为研究对象，建立有限元法计算的几何模型、 有限元模型； f2 ) 采用有限元软件m s c p a t r a n n a s t r a n 对客车在城市客运过程中的 四种典型工况：匀速直线行驶、一轮悬空、紧急制动、急速转弯，分别进行强度 分析，并进行自由振动模念分析。 ( 3 ) 对计算结果提出车身骨架结果修改方案。 女i 。南舢v ，毫溺潮自鏊沲：o 海交通人学硕i 学位论文籀一章有限兀法拉汽车设计中的心用 第二章有限元法在汽车设计中的应用 2 1 有限元法概述 21 1 有限元法的发展 有限元法的基本思想一一离散化概念早在4 0 年代就已经提出来了。由于当 时的条件有限，计算机刚出现，离散化的概念没有引起重视。过了1 0 年，英国 航空教授阿吉罩斯( a r g y r i s ) 和他的同事运用网格思想成功地进行了结构分析。 c o u r a n t 等人的5 组论文探讨了早期有限元法的理论，促成了有限元法的诞生。 美国克劳夫( r w c l o u g h ) 教授在1 9 6 0 年首次使用“有限元法( f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ) ”这一概念。在以后的1 0 年中，有限单元法在国际上蓬勃发展起来。6 0 年代中、后期，国外数学家开始介入对有限单元法的研究，促使有限单元法有了 峰实的数学基础。1 9 6 5 年，津基威茨( o c z i e n k i e w i c z ) 和同事y k c e u n g 宣布， 有限单元法适用于所有能按编分形式进行计算的场问题，使有限单元法获得了一 个更为广泛的解释，有限单元法的应用也推广到更广阔的领域。而事实也证明了， 有限元方法从出现至今的4 0 多年间，其发展历程经历了从线弹性到弹塑性到弹 粘塑性，从解决小变形问题到大变形问题，从静力问题到复杂的动力接触问题直 至瞬态的碰撞响应问题，应用范围也不断拓展，不断地走向更为成熟的新阶段。 21 2 有限元法概述 有限元法是随着电子计算机的应用而发展起来的一种数值计算方法。目| ；i ， 该方法在工程中的应用已非常广泛。根据它在工程中的应用情况，可分为线性和 非线性有限元法。线性有限元法中又可分为静力有限元法和动力有限元法。静力 有限元法的实质是，先将结构( 连续体) 分割成数目有限的小单元体，称为单元， 这些小单元体彼此间只在数目有限的指定点一一节点上互相连接，用这些小单元 体组成的集合体来代替原来的结构。当然，每个单元的力学特性都与原结构对应 于该小单元处的力学特性相同；再把每个小单元上实际作用的外载荷按静力等效 原理分配到单元的节点上，构成等效节点力，并按结构实际约束情况决定受约束 节点的约束。这一步通常称为结构离散化。其次，对每个小单元根据分块近似的 思想，选择一个简单的函数来近似地表示其位移分量的分命规律，并按弹性力学 中的变分原理( 虚功原理) 建立起单元节点力与节点位移之间的关系，即单元刚 度方程。最后，把全部单元的节点力与节点位移之间的关系组集起来，就得到一 组以结构节点位移位未知量的代数方程组，并考虑结构约束情况，消去节点位移 6 海交通人学顾 学位论文 第一章有限元法枉汽下设计中的脚用 为零的方程，再由最后的代数方程组就可求得结构上有限个离散节点的各位移分 量。求得了结构上各节点的位移分量后，即可按单元的几何方程和物理方程求得 各单元的应变和应力分量。 213 有限元法基本方法 ( 1 ) 弹性连续体的离散化 离散化式有限元法的基础。所谓离散化，就是假想把被分析的弹性连续体分 割成由有限个单元组成的几何体。这些单元仅仅在节点处连接，单元之间的载荷 也仅由节点传递。连续体的离散化又称为网格划分。离散而成的有限元集合体将 替代原来的弹性连续体，所有的计算分析都将在这个计算模型商进行。因此，有 限元分析计算的速度和结果的准确度直接受分析模型与实际工程结构力学特性 符合程度的影响。 有限元离散化过程中有一重要环节是单元类型的选择。在同一个被分析结构 中，具有不同类型的部件( 如板与梁时) ，可以而且必须应用不同类型的单元。 ( 2 ) 选择单元位移模式 这是单元特性分析的第一步。位移模式或位移函数，是用来模拟单元内位移 分布规律的简单函数，通常为多项式，其项数及阶数取决于单元的自由度数和有 关的收敛性要求。单元位移函数要转换成用节点位移来表示，从而决定了相应的 位移插值函数。 选择合适的位移函数是有限元分析的关键，它决定了有限元解答的性质与近 似程度，其选择应遵循一定的准则。 ( 3 ) 单元力学特性分析 在选择单元类型和相应的位移函数后，即可按几何方程、物理方程导出单 元应变与应力的表达式。然后应用虚功原理或变分法或其他方法建立各单元的刚 度矩阵，即单元节点力与节点位移之间的关系。 ( 4 ) 整体分析，组集结构总刚度方程 整体分析的基础是依据所有的相邻单元在公共节点上的位移相同和每个节 点上的节点力与节点载荷保持平衡这两个原则。包括两方面内容：一是由各单元 的刚度矩阵集合成整体结构的总刚度矩阵 k 】；二是将作用于各单元的等效节点 力集合成结构总的载荷矩阵 r 。这两项就组成了整体结构的总刚度方程： 棚 j l t 的底架结构应力分布图 f ig4 - 9t h ed is tr ib u tio no fs tr e s so fb a s e w h e nt h e1 e flf r o n tw h e e lh a n g l n gi nt h ea ir 42 3 紧急锚动工况计算 紧急制，力j 况计箅主要考虑：当客午以最大制动j f i 速度1 ) t6 9 制动时，地面 制动力对车身的影响。由于奉车型客车前后桥均采片j 空气悬架，空气弹簧仅能承 受乖向力，_ 婀纵向和横向力须通过挣杆亿递到车架上，此时，拉杆及拉杆瘫将承 量较人的扣压载荷，必须具有足够的强度。 4 2 3 1 载荷处理 图3 一1 6 的字气弹簧悬持等效计算模犁不能模拟地两制动力对车身的影响， 必须通过等效计算，用附加等效载荷的形式加到车身对应的结点上，才能真实反 映地面制动力对车身的影响。 紧急蒂4 动时车轮最大制动力为该车轮的附着力e ，前后轴车轮的附着质量 闭根据簧载质量、j f 簧我质量存制动时质量转移系数求出。车轮附着质悬脚，其 中簧载附着质量m ，非簧载附着质量脚。，对腌惯性力为只和。 f 。j = m g 母 吒= 州。g ( 4 2 ) ( 4 3 ) 4 0 一 海交通人学硕1 学位论史第四章幕于三维模型的车身结构强度分析 只= m 。鲥 f b = f ，= f 。+ f 。 式中 一一车轮地面制动力 西一附着系数 g 一重力加速度 图4 1 0 为前后桥空气悬架拉杆示意图。 距车桥中心距离， 为上下拉杆之问距离。 ( 4 4 ) ( 4 5 ) 其中，r 为车轮半径，r 1 为下拉杆 根据力平衡和力矩平衡，有以下两式成立 e + 吒= 瓦一只 ( 4 6 ) 巧，r4 - 置( h r d = 鼻r l ( 4 7 ) 由以上两式解得车桥上下拉杆力为： f ：! 墨二! ! 竺：墨二鱼二坐墨 厅 只：( r l - r ) f - d f 2 序 f 2 f 图4 - 1o 前后桥空气悬架拉杆示意图 f i g 4 - 1 0g r a p h i c a ld i s p l a yo f t h et e n s i o n ( 4 8 ) b ”8o f h 。f r 。“a n d7 。”8 i 。8 “8 p 。“8 i “ 地面制动力f 经车桥上下拉杆传递到车身上，上拉杆力为五，下拉杆力为 鼻，这样就把地面制动力对车身的影响用附加载荷的方法等效了。 4 2 3 2 约束处理 计算约束前后空气悬挂与车架相连的位置处，总体上约束除x 方向平动的自 由度；在纵向拉杆的支承处约束x 方向的平动自由度。 4 2 3 3 计算结果分析 紧急制动工况下的车身结构变形和应力分布见图4 - 1 l 、图4 1 2 ，车身底架 应力分布图见图4 1 3 。 ：秭：。麓滏嚣蠢誊蓥未遂、 上海交通大学硕士学位论文 第四章基于三维模型的车身结构强度分析 目4 1 2 紧急制动工况下的车身结构应力分布图 t h ed is t r i b u t i o no fs t r e s so fb u sb o d yi nt h ec a s eo fb r a k i n gs u d d e n l y 占蔓銮望查兰堡主兰篁丝奎 苎堕兰茎王三丝堡型堕主墨竺塑望! ! ! 堕 由图4 - 1 1 可看出，底架后部还是有较大的位移，但较前两种工况有明显减 小，减去弹簧变形量1 2 0 锄后，最大值约为2 4 m ，这是由于制动时在惯性力的 作用下车身前倾引起的变形。 由图4 - 1 2 可看出，最大应力仍然产生在底架后部悬架支撑处的横梁上，为 2 6 1 m p a 。 由图4 - 1 3 可看出，车架的应力相对前两种工况也有较大的增幅，最大值约为 2 0 3 m p a 。最大应力仍集中在底架主纵梁在后空气悬架后支承梁位置处。 图4 1 3 紧急制动工况下的底架结构应力分布图 f i g 4 - 13 t h ed is t r i b u t i o no fs t r e s s i nb a s ei nt h ec a s eo fb r a k i n gs u d d e n l y 42 4 急速转弯工况计算 急速转弯工况计算主要考虑：当客车以最大转向加速度0 4 9 转弯时，惯性 力对车身的影响。与紧急制动工况类似，横向力须通过拉杆传递到车架上，此时， 拉杆及拉杆座将承受较大的拉压载荷，必须具有足够的强度。 海交通人学硕i 学位论义 第四审甚十二维模型的车身结构强度分析 4 2 4 1 载荷处理 载荷处理同紧急制动工况类似，只是将纵向的制动力影响改为横向的惯性力 影响，制动加速度o 6 9 改为向心加速度0 4 9 。 同样计算出车桥上下拉杆所受的力疋、f ，用于模拟转向惯性力对车身的 影响。 4 2 4 2 约束处理 计算约束前后空气悬挂与车架相连的位置处，总体上约束6 个方向的自由 度，其中y 方向的平动自由度在底架的横拉杆支承处约束。 4 2 4 3 计算结果分析 急速转弯工况下的车身结构变形和应力分布见图4 1 4 、图4 1 5 ，车身底架 应力分布图见图4 1 6 。 由图4 1 4 可看出，急速转弯时，整个车身发生明显侧倾。底架后部有较大 的位移，减去空气弹簧的变形量1 2 9 r a m ，最大值约为3 1 r a m 。 由图4 1 5 可看出，梁单元最大应力仍然产生在底架后部后悬空气弹簧支承 处的横梁七，大小约为1 7 8 m p a 。 而底架的最大应力在底架的横拉杆支承处，达到了5 4 4 m p a ，远远超出了许 用值范围。这说明要承受这么大的转弯向心力，仅靠目前设计中的横拉杆是不够 的，承受载荷的部分面积小，并且材料过于单薄，若实际中长时间在此工况下行 驶，则底架在该处必定会被拉穿。这与同类型客车以往的试验结果相一致。 上海交通大学硕士学位论文第四章基于三维模型的车身结构强度分析 图4 - - 15 急速转弯工况下的车身结构应力分布圈 f i g 4 - 15 t h ed is tr i b u t i o no fs t r e s so f b u sb o d y i nt h ec a s eo fs t e e r i n gq u i c k l y ， ! 垫皇堡查堂塑主堂堕笙兰篁婴皇苎主三塑塑堕塑坚巳堕堕塑里堕! 塑 图41 6 急速转弯工况下的底架结构应力分布图 f ig 4 - 16t h ed is tr ib u t i o i lo fs tr e ss i nb a s ei nt h ec a s eo fs t e e r i n gq u i c k ly 4 3 基于三维模型的车身结构模态分析 一舀，架作为客车车身结构的基础，其振动特性的优劣对车身结构乃至整车性能 都商苇耍的影响客车存运行过稃中，由r 路面的不平整，会受到定的动载筒 的作用。当所受动载铸鲍频率与车身结构的某一固药频率接近时，可能引起结构 j e 振，从而产牛很商的动麻力，造成强度破坏或产乍小允许的大变形，破土 ：汽车 的性能。因此具有足够的冈度是车身骨架设计的基本要求，必须对客车的结构进 仃模态分昕。 模态分析所用的离散模型与结构静态分析时所用的模型相同。 43 i 模态提取方法 典型的无阻屉模态分析求解的基奉方程是绎典的特征位n d 题： l k l l - ，) = 出? m ，) 魄9 ) ， 海交通人学坝1 学位论史 第舢帝耩十二三维模型的车身结构强度分析 其中： k 】一刚度矩阵； 细。 一第i 阶模态的振型向量( 特征向量) ； 一第i 阶模态的固有频率( j 是特征值) ； 阻】一质量矩阵： 求解特征值问题有多种数值方法。反幂法是一种较老的方法，现在已经很少 使用，因为它不仅可能丢根，而且还不能告诉我们求解过程中的任何错误信息； s t n v 法在求解多个模态时费用太大；g i v e n s 法和h o u s e h o l d e r 法及它们的变体 只适应于较小的结构，对于较大的结构模型，由于受存储方式的限制，会使求解 费用大大提高：修改的g i v e n s 法和h o u s e h o l d e r 法有了很大的改善，但两种修改 方法在求解时需要做一些额外的处理计算，并且对低阶模态的求解精度较差。 l a n c z o s 法博采众长，具有运算速度快，输入参数少，特征值、特征向量求解精 度高的特点。特别适用于模型中包含形状较差的实体和壳单元的大模型。本文采 用l a n c z o s 法提取了车身前十阶模念。 l a n c z o s 法是将n 疗阶实矩阵经相似变换约化为三对角矩阵以求解特征值 问题的一种方法。l a n c z o s 法避开了c h o l e s k y 分解，而经过下面的转化形成新的 整体三对角矩阵： k x = 2 m x j l k x ：生m x 兄一盯五一盯 土k x ：f 1 + 一1 胁 ( 4 1 0 ) z 一盯 l矗一仃， x = 似一。们) “尬 m 似一棚) m x = m x 式( 1 ) 称为转化的特征值方程，其中变量。常选择为接近于感兴趣的特征 值。 1 一初始化 选择一个列向量即 计算 ，l ：一剃) m - ( 4 1 1 ) 正则化 一 q 12 7 蒜 。；j 琵蠢。，澎燃澎l 勰，。 ( 4 1 2 ) 4 7 海交通人学硕 学位论文 第四章基于三维模型的车身结构强度分析 设 2 一迭代 对于j ： + 这罩 届= 0 ， q o = 0 1 ，2 ，3 ，用下面的等式迭代直至收敛： 。+ t = 一蒯) 一m q ，q ，一， ( 4 1 3 ) o 【j = q i t m ( k o m ) 一jm q i n = 何瓦，- 2 若 3 形成整体三对角矩阵 t 】 o 、 a 、ba p j伐j0 p ， 9 j 伐 ( 4 1 4 ) 其特征值和特征向量的求解，即可简化，用一般数值计算方法可容易求得。 4 32 模态计算结果 表4 3 为低地板客车车身骨架的前五阶模态计算结果 表4 3 车身骨架前五阶模态计算结果 阶数 12345 固有频率 3 - 3 03 7 64 9 75 5 05 9 8 ( h z ) 振型 整车扭转正常横向弯车身前部扭底架横向弯整车纵向弯 曲转曲曲 上海交通大学硕士学位论文 第四章基于三维模型的车身结构强度分析 图4 1 7 ( a ) ( e ) 为车身骨架的前五阶振型图。 ( e ) 五阶振型，f = 5 9 8 h z 图4 - 1 7 车身骨架前五阶振型图 f i g 4 - 1 7 t h ef i r s tf i v ef r e ev i b r a t i o nm o d e so f b u sb o d ys k e l e t o n 曩! t 赫囊越：l 淞。： 上海交通大学硕士学位论文 第四章基于三维模型的车身结构强度分析 4 4 改进意见 根据上述计算结果，针对强度、刚度较弱的结构提出修改意见如下。 1 在各工况中，底架后悬架处一根横梁都存在应力过高的情况，关键在于 这根梁在z 方向的惯性矩较小。解决方案可以采用较大截面的梁来代替。原横梁 截面为4 0 x 6 0 矩形，现改为5 0 x 5 0 矩形。以第一种工况匀速直线行驶承受 1 2 5 9 动载为例，进行计算。计算结果如下图。 图4 - 18匀速直线行驶工况下的车身结构应力分布图( 改进一) f i g 4 - 18 t h ed is t r i b u t i o no fs t r e eo f b u sb o d y i nt h ec a s eo fr u n n i n gw i t ha n i f o r mv e l o c i t y ( m o d i f l e di ) 从图中可看出，整个车身梁单元应力最大处仍在该位置，但应力最大值已由 原来的2 1 1 m p a 降为1 8 5 m p a ，收到明显效果。该改进方法有效。 2 车身后围与两侧围连接处有四根短梁在各种工况下都应力普遍较大，在 该部位形成应力集中。主要由于后围与底架后端相连，位移大，而侧围的位移相 对较小，这几根短梁的刚度很大，限制了后围的位移变形，因而形成应力集中。 改进方法可采用刚度较小的梁取代。原模型中，短梁为截面是4 0 x 4 矩形的钢板， 并且截面长边沿z 向放置( 如图4 1 9 ( a ) ) ，这样，梁在z 方向的刚度就非常大 了。现改为短边沿z 向放置( 如图4 1 9 ( b ) ) ，大大降低了z 向的刚度。计算结 果如图4 - 2 0 。 圭塑窒塑查兰堡圭堂竺笙奎 苎璺皇薹王三丝堡型堕主皇堕望璺! ! 坌塑 图4 - 2 0 圈4 - i b匀速直线行驶工况下的车身后部结构应力分布图( 改进二) f i g 4 - 2 0 t h ed is t r i b u t i o no fs tr e eo ft h er e a rp a r to f b u sb o d y i nt h ec a s eo fr u n n i n gw i t hu n i f o r mv e l o c it y ( m o d i f i e di i ) 由图4 - 2 0 可见，改进后短梁的应力降为约4 7 i 恤a ，比改进前的9 8 5 m p a 减 小了约5 2 ，效果显著。 5 1 海交通人学坝 j 学位论文 第五章总结j 艘避 第五章总结与展望 本文在总结前人研究成果的基础上，以有限元法为基本方法，结合实际，根 据上海申沃客车有限公司s k 6 1 2 0 k h v 一3 新概念城市客车的结构及营运特点，利 用大型有限元软件m s c 勰a n ，n a s t r a n ，建立大客车三维有限元模型，进 行了静载和动载下的结构强度、刚度分析，以及自由振动模态分析。根据计算结 果，针对结构强度和刚度设计较弱的部位，提出了改进意见，模型经修改后重新 计算，得到了较好的效果。 5 1 开展的工作与结论 ( 1 ) 以客车二维工程图纸为基础，提出合理的简化条件，利用p a t r a n 建 立客车三维几何模型； ( 2 ) 合理选择单元类型，在几何模型的基础上建立大客车骨架的有限元模 型，进行结构强度计算分析，及自由振动下的模态计算，得出下列结论： 计算结果经上海申沃客车有限公司认可，与经验值很好的符合，同时，该车 型正在安徽定远汽车试验场进行实车试验，从已有的试验结果来看，车身骨架产 生裂纹的地方，正是计算结果中应力值较大、较为集中的地方。对比表明，本文 所建立的模型是j 下确的，用有限元法进行的计算是成功的。 ( 3 ) 对结果中应力集中严重的地方提出改进方案，方案可操作性强，并且 经有限元法计算，应力值明显下降，收到较好效果。 5 2 存在的缺陷及对以后工作的展望 ( 1 ) 本文建立的大客车车身骨架有限元模型为板梁结合模型，对关注的重 点底架采用板壳元建模，而车身其余部分则采用梁单元建模。这样建模的优 点在于计算结果在能反映重点部分实际工况下的变形、应力分布情况的同时，减 少建模的工作量，节省计算时问，降低了计算成本。但是，梁单元是一种比较简 化的单元类型，特别对单元的连接情况作了较大简化，因而只能在总体上反映车 身的受力状况，而不能详细反映连接处等细部的应力应变结果。为了对车身骨架 整体分析有更细致、更准确的分析，应使有限元模型与实际跟接近，可以采用板 壳元对整个车身部分进行建模。 本文模型中考虑了对空气弹簧的模拟，取其力一位移曲线的平均斜率为弹簧 模