（车辆工程专业论文）有限元及可靠性在车身结构分析中的应用.pdf

a p r e p l i c a t i o no f f i n i t ee l e m e n tm e t h o da n d l i a b i l i t yi nb u sb o d y s t r u c t u r e a n a l y s i s b yz h a ol e i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h a n g t i a n x i a n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u i y2 0 0 8 _ j 1 - _ 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ：6 = l 恧o 学位论文作者签名：莲之磊 日 期： og 7 ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校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。本人同意东北大学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、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 学位论文作者签名：趄丢 签字日期： o 爱7 两年口 导师签名：7 仁天使 签字日期：o 反z6 l 0k 僵l 7lll 0、，jlllllj 一 首先，本文应用有限元方法进行客车车身计算，利用a n s y s 软件，把工程上的客车 车身结构转换成能为有限元计算模型。考虑客车实际运营状态，选取匀速直线行驶、扭 转、紧急制动以及急速转弯等四种典型工况，对客车车身结构的强度和刚度等静力学特 性进行研究。 其次，传统客车车身结构分析中，往往忽略客车车身模型本身的不确定性而采用确 定性的力学模型，使得分析结果与实际产生偏差。因此，本文提出一种基于概率的客车 车身结构系统可靠性分析方法。将载荷，材料属性、结构件尺寸作为随机变量，利用改 进一次二阶矩，分枝界限法，p n e t 法等多种可靠性计算方法。 再次，基于本文提出的客车车身结构系统可靠性分析方法，应用f o r t r a n 语言， 编写客车车身结构可靠性分析程序。选取四种典型工况进行客车车身结构可靠性分析评 价，并与由确定性有限元方法得到的静力学分析结果对比，研究发现客车车身结构可靠 性分析的失效元与确定性有限元分析结果的工作应力最大值处有较好的一致性，进一步 验证本方法的正确性。 最后，以上计算和分析结果表明，本文所提出的可靠性分析方法和分析结果，可为 客车车身的设计提供借鉴和参考，为缩短开发周期，降低开发成本作了一些努力。客车 车身结构的随机性因素多种多样，欲将每一种情况均加以研究需花费大量的时间和精 力，尤其是同时考虑其中几个或全部因素时，问题的复杂程度会难以想象。尽管如此， 基于概率的结构可靠性分析有其深刻而广泛的工程背景，因此有广阔的发展前景和实践 意义。 关键词：客车车身；结构系统可靠性；改进一次二阶矩；分枝界限法：p n e t 法 i i ， 一， j ，_ l e 一 、 、 k 蠡 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a p p l i c a t i o no f f i n i t ee l e m e n tm e t h o da n d r e l i a b i l i t yi nb u s b o d ys t m c t u r ea n a l y s i s a b s t r a c t r e g a r d i n gx x s t y l eb u so fs h e n y a n g x xb u sm a l l u f a c t u r ec o l t da st h er e s e a r c h o b j e c t ，t h i st h e s i se m p l o y st h eb a s i ct h e o r ya n da n a l y s i sm e t h o do fs t r u c t u r er e l i a b i l 时t o r e s e a r c ho nt h er e l i a b i l i 田o ft h eb u s ，o nt h eb a s i so fr a n d o mf i n i t ee l e m e n ts t a t i ca n a l y s i s f i r s t l y ，t h i st h e s i sa d o p t sf i n i t ee l e m e n tm e t h o dt 0c o m p u t et h eb u sb o d ya n du s e st h e 锄a l y s i ss o 觚a r e ，a n s y s ，t 0r e s e a r c ht h es t a t i cs t r e n 舀ha n d s t i f f n e s so ft h eb u sb o d y s t m c t u r eo nt h ef i o u rt y p i c a lc o n d i t i o n so fm r u l i n gw i t hu n i f b 肌v e l o c i t y ，t o r s i o n ，b r a k i n g s u d d e n l ya n ds t e e r i n gq u i c k l y s e c o n d l y ，t r a i | i t i o n a lb u sb o d ys t m c t u r a l 锄a l y s i sa l w a y si g n o r et h eu r i c e r t a i n t yf a c ta i l d a d o p tt h ed e t e m l i n a c ym e c h a n i c sm o d e l ，w h i c hm a yc a u s ea i l a l y s i s r e s u l ta n dr e a l i t y p r o d u c i n gd e v i a t i o n s o ，t h i st h e s i st a k e st h em e t h o do f b a s e do nt h ep r o b a b i l i t yo f b u sb o d y s t n j c t u r es y s t e mr e l i a b i l i t ya n a l y s i s i tr e g a s t h el o a d ，m a t e r i a lp r o p e n i e s ，s t l l j c t u r a l d i m e n s i o na sr a l i l d o mv a r i a b l ea n du s e da s f o s m ，b r a l l c hb o u n d i n gm e t h o d ，p n e t ，e t c t h i r d l y ，c o m p i l et h er e l i a b i l i t ya j l a l y s i sp r o g r a mo fb u sb o d ys t m c t u r eb a l s e d o nt h e s t r u c t u r eo ft h eb u sb o d ys y s t e mr e l i a b i l i t ya n a l y s i sa n df o i 汀r a na p p l i c a t i o n s e l e c tf o u r t ) ，p i c a l c o n d i t i o n sf o rb o d ys t l l j c t u r er e l i a b i l i t ya n a l y s i sa n de v a l u a t i o n ，a n dc o n t r a s tw i t h r e s u l to fd e t e 肌i n i s t i cs t a t i ca n a l y s i s s t u d yf o u n dt h a tt h ef a i l u r ee l e m e n to f b u sb o d y s t m c t u r er e l i a b i l i t ya n df i n i t ee l e m e md e t e m l i n i s t i cs t a t i c 锄a l y s i so ft h em a x i m u ms t r e s sa ta b e t t e rc o n s i s t e n c y ，如n h e rv e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h i s 印p r o a c h f i n a l l y ，i k s u l t so fc a l c u l a t i o na n da n a l y s i si n d i c a t et h a tt h i sr e l i a b i l i t ya n a l y s i sm e t h o d s a n dr e s u l t sc a l lo f r e rag o o dr e f e r e n c et ob u sb o d yd e s i g l l ，w h i c hc a nc o n t r i b u t et os h o n e nt h e d e v e l o p m e mc y c l ea 1 1 dr e d u c ed e v e l o p m e m c o s t s b u sb o d ys t r u c t u r eh a sv a r i o u sm d o m n e s s f a c t o r s ，i fr e s e a r c he a c hs i t 啪_ t i o n 谢l ls p e n d 锄o u n to f t i m ea 1 1 dr e s o u r c e ，e s p e c i a l l yt a k ei n t 0 a c c o u ms o m eo ra uo ff a c t o r s ，a n dm ep r o b l e mw i nb ee x t r e m e l yc o m p l e x i t ) ，s t i l l ，b a s e do n m ep r o b a b i l i t yo fs t m c t u r a lr e l i a b i l 时a n a l y s i sh a si t sp r o f o u n da n de x t e n s i v ee n g i n e e r i n g b a c k 留o u n d ，s ot h e r ea r eb r o a dp r o s p e c t sf o rt h ed e v e b p m e n ta n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：b u sb o d y ；s t r u c t u r a ls y s t e mr e l i a b i l i t y ；a s o f m ；b 旧n c ha n db o u n d ；p n e t i i i ， 参 东北大学硕士学位论文目 录 目录 声明i 摘要ii a b s t r a c t iii 第1 章绪论- 1 1 1 引言l 1 2 车身有限元分析的现状与发展1 1 3 车辆可靠性问题研究概况2 1 4 本文工程背景介绍5 1 5 本文的研究内容5 第2 章结构有限元分析的理论与方法7 2 1 引言 7 2 2 有限单元法的基本理论7 2 2 1 有限元法的基本要素8 2 2 2 有限元法的常用单元8 2 2 3 有限元法的基本步骤8 2 3a n s y s 软件简介一1o 2 3 1a n s y s 软件进行有限元分析的基本步骤l l 2 3 2 单元类型介绍l3 2 4 本章小结1 5 第3 章车身有限元分析- 1 7 3 1 车身有限元模型的建立1 7 3 1 1 车身结构形式1 7 3 1 2 车身力学模型的简化原则1 7 3 2 载荷工况的确定18 3 3 车身静态有限元计算与结果分析1 8 i v 东北大学硕士学位论文 目录 3 3 1 水平弯曲工况1 8 3 3 2 扭转工况21 3 3 3 紧急制动工况2 3 3 3 4 急速转弯工况2 5 3 4 本章小结2 7 第4 章结构系统可靠性基础概述2 9 4 1 引言。2 9 4 2 可靠性分析中的问题、方法与步骤3 0 4 2 1 结构系统的可靠性分析中应当考虑的几个问题3 0 4 2 2 结构系统的可靠性分析的方法、步骤3 l 4 3 车身可靠性分析的基本理论与方法。3 2 4 3 1 概述3 2 4 3 2 可靠性基本特征量3 2 4 3 3 可靠性分析的基本方法3 4 4 3 4 分支限界法的基本理论3 6 4 3 5 系统可靠性的计算方法4 0 + 4 3 6 结构系统失效概率的p n e t 法4 4 4 4 本章小结4 6 第5 章车身结构的可靠性分析4 7 5 1 引言4 7 5 2 车身可靠性计算的基本思路及方法4 7 5 2 1 车身可靠性计算的思路4 7 5 2 2 车身可靠性的计算4 8 5 3 不同工况下车身的可靠性指标5 4 5 4 本章小结。5 6 第6 章总结与展望- 5 7 6 1 课题总结5 7 6 2 课题展望5 7 v i 东北大学硕士学位论文目录 参考文献j 5 9 致谢6 3 v i ， 鲁 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 汽车自问世以来对人类的出行产生了巨大的影响，随着高速公路的发展和国家小城 镇建设规划的实施，将会有越来越多的农民移居城镇，其活动空间多为中短距离，客车 责无旁贷地担当起客运重任；在中小城市、县一级的客运市场上，客车占有重要位置， 其市场容量很大；即使在大型或特大型城市，公共交通也是城市交通重要的组成部分【1 1 。 大力发展客车已成为汽车工业的必然趋势。客车车身是客车整车的重要组成部分，在客 车的设计研发过程中，车身的设计工作占有相当重要的地位。国内外的生产实践表明， 客车的生产与换代周期在很大的程度上也取决于车身。一般来说，车身的开发成本占到 整车开发费用的7 0 左右1 2 j 。因此，目f i 的设计规范对汽车车身的结构性能和造型特征 提出了很高的要求，许多新的设计思想和手段也在车身的设计中首先得到了应用。 客车车身结构是由各种承载构件组成的空问超静定结构。承受载荷作用的所有车身 构件都可以认为是承载结构的组成部分：同时，客车是一个高速运动并承受载荷的机械， 车身要承受多种动载荷的作用，所以在进行车身结构设计时，必须考虑动态性能，不能 仅按照静态设计的方法进行设计。当汽车在复杂多变的路面上行驶时，车身在载荷的作 用下可产生扭转变形以及在纵向平面内的弯曲变形，当一边车轮遇到障碍时，车身变形 可能达到极限状态。因此，车身是一个要求十分严格的大型受力构件，必须有足够的刚 度和疲劳强度，在规定的使用期限内，完成规定的功能。可见车身的可靠性分析非常必 要。与此同时，现在汽车设计的趋势之一是轻量化设计，要求车身的质量尽可能小，因 此轻量化基础上的车身可靠性分析就越发的重要。通过对车身系统的可靠性分析，对现 行车辆进行安全性评估，有效地指导新型车辆的丌发，提高国内车辆的设计水平，都具 有十分重要的理论意义和实用价值p j 。 1 2 车身有限元分析的现状与发展 随着计算机技术的发展，有限元分析在车身设计中得到了广泛的应用【4 j 。有限元法 是随着计算机的发展而出现的一种新兴的数值计算方法，它是将弹性力学理论、计算数 学和计算机软件有机结合在一起的一种数值分析技术，它能对工程实际中几何形状不规 则、载荷支撑情况复杂的各种结构及零件进行变形计算和应力分析，而车身、车架不论 是形状还是载荷都很复杂，所以有限元是计算车身、车架的一种有力的工具1 5 训j 。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 近3 0 年来，有限元法r 臻完善。目前有限元法在许多科学技术领域与工程实际问 题中都得到了广泛的应用，如机械制造、航空航天、土木建筑、国防军工、船舶、汽车 和石油化工等，并受到了普遍的重视。它已成功的应用于固体力学、流体力学、热学、 电磁学、声学和生物力学等领域，能够求解由杆、梁、板、壳和块体等各类单元构成的 弹性、弹塑性或塑性问题，求解各类场分布问题，求解水流管路、电路、润滑、噪声以 及固体、流体、温度相互作用等问题f 2 2 】。 有限元法给车身设计提供了先进的设计手段。通过有限元计算，可以找到设计中存 在的问题，为今后的车身设计提供重要的理论依据。根掘车身结构的复杂性和载荷的多 变性，应将优化设计和有限元程序相结合，来达到期望的设计效果，这也是我们今后进 行车身设计的方向。随着计算机的出现和飞速发展，车身作为一个大型的复杂结构对其 进行有限元分析计算已广为应用。目前在进行车身分析时，主要有两种：一是将车身简 化成骨架，不考虑蒙皮的影响，使用梁单元进行静、动念计算分析，其最大的优点在于 计算速度快，但是对于一些低合金钢板冲压成型或槽钢，工字钢等型材制作的车架，这 种方法存在许多不足之处。例如：每个单元内，截面尺寸不变，因而梁单元模拟变截面 形状的构件时，计算精度较低。另一种方法是将车身简化成壳单元，虽然能够相对真实 的反映出复杂结构处的情况，但是它的前处理工作量较大，计算时间长。因此，对如何 有效的处理模型还有待于进一步研究。 近年来，国际上汽车结构的设计趋向于采用等强度、等刚度以及等寿命的设计原则， 它能准确的预测车身零部件的寿命，精确有效的预测零件的动态历程。汽车结构在实际 工况下承受较为复杂的随机激励载荷，车架局部开裂状况时有发生。1 9 9 8 年清华大学的 陆秋海等人已通过实验证明动应力过大是造成车架丌裂的主要原因。虽然通过实验和路 试能够获得较为精确的动应力历程，但前提是必须制造出样车。如果能够在设计阶段就 能够在不同的人一车一路面系统仿真下，获得车身的动态应力历程，则不仅可以较为精 确的预测车身，的安全性和寿命，而且可以通过分析优化其结构、降低整车质量，关于动 态应力计算方法的研究，在国内外目f ； 已成为研究热点。 1 3 车辆可靠性问题研究概况 美国是研究可靠性技术较早的国家【2 4 1 ，以明确的目标在汽车行业中进行可靠性研究 是在6 0 年代才大力开展起来的。其三大汽车公司可靠性研究的特点是有组织，规模大， 而且工作扎实。通用汽车公司的别克公司在设计、试验、生产、服务几个步骤都安排了 如下的工作程序：( 1 ) 指定可靠性目标：( 2 ) 研究设计、工艺、质量管理方法、预测产品可 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 靠性。1 9 9 6 年福特汽车公司把投资几百力美元建成的可靠性研究所改为可靠性实验中 心，以底盘试验为主，采用模拟道路数据，用自动控制器进行加速寿命试验，测定产品 可靠性，效果明显。三大汽车公司中福特公司退货件数明显减少。美国的约翰迪尔公司 于1 9 6 4 年成立了可靠性研究部门，并对其产品可靠性提出了具体指标，并采用了5 0 0 h ， 1 0 0 0 h ，1 5 0 0 h 的积累故障率来控制发动机零件的可靠性。 日本从5 0 年代起从美国引进可靠性技术，并逐渐形成了具有自己特色的质量管理 体系i 2 引。1 9 6 0 年r 本成立了可靠性及质量控制专门小组，提出了全面质量管理方法， 日本人认为提高质量的途径不限于统计方法的应用，对可靠性问题来说，比数据分析更 重要的是结合工程实际解决问题，将涉及到规划、产品开发与设计、生产准备和销售服 务等部门，都纳入到质量管理范畴中去。随着用户对汽车可靠性要求的提高，特别是1 9 6 9 年同本出口到美国的汽车遭遇退货危机，其结果影响很坏，这引起同本汽车行业对可靠 性更加重视。退货事件后，同本设立了“汽车安全对策协议会”，以退货事件为转机， 从确保汽车安全性出发，以可靠性等组织为中心，除继续采取早期就开展起来的质量管 理措施外，还进一步以产品的新认识和新方法为基础，开展可靠性研究。r 本可靠性技 术开展情况和特点是：( 1 ) 技术研究和管理高度结合；( 2 ) 产品采用可靠性设计，加强设计 检评；( 3 ) 重视实验和故障分析；( 4 ) 建立数据交换机制和数据反馈机制：( 5 ) 普遍进行全数 检验和在线自动检验：( 6 ) 解决了外协件的可靠性保证；( 7 ) 加强可靠性学术活动，进行技 术培训。 汽车可靠性的提高和汽车技术是同步发展的，据美国调查报告举例的1 9 8 0 2 0 0 0 年 2 0 年来调查的结果，每1 0 0 辆新车的缺陷数平均值，从1 9 8 0 年的8 8 个降低到2 0 0 0 年 的2 0 个，降幅达7 7 。这是由于2 0 年来，机械加工、电子、材料、化工、装配等技术 和管理方式都有了不同程度的发展，导致汽车整车质量比过去有了很大的提高。 我国的可靠性工程研究是从6 0 年代中期开始的，首先主要在电子、航空、航天、 核能、通讯等领域得到应用。1 9 7 2 年7 月至1 9 7 3 年1 2 月，在长春汽车试验所海南试验 站进行了全国汽车质量检查考核，受检厂家9 个，样车1 2 辆，主检项目有发动机性能 试验，可靠性试验，这是国内汽车行业首次行检，是国家首次对汽车产品质量进行检验。 1 9 8 2 年中国机械工程学会设立了机械可靠性学组，随之汽车行业也丌始了可靠性研究工 作，从1 9 8 3 年丌始到1 9 8 4 年【2 5 】，汽车行业组织了规模空前的可靠性试验，样车5 3 台， 总试验罩程3 6 万公晕，并结合可靠性试验丌展了“汽车可靠性考核与试验方法研究” 为中心的科学方法研究活动，取得了许多可喜的成果。试验初步摸清了国产汽车的可靠 性状况，指出了国产汽车的m t b f 仅为5 0 0 1 0 0 0 公晕，产品早期故障率较高，且在2 5 0 0 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 公里之前9 0 的故障属于生产管理中的原因，固有可靠性问题是影响产品可靠性的根本 问题。试验研究结果引起了汽车主管部门及汽车企业领导的高度重视。为了提高汽车产 品质量的水平，中汽公司提出了以提高汽车可靠性为主攻目标的战略措施，一汽、二汽 等企业发起了质量攻关活动，汽车早期可靠性有了明显的改善。1 9 8 4 年中国汽车工程学 会设立了汽车可靠性专业委员会，开展汽车可靠性理论的研究，进行可靠性的学术交流 活动，发表了多篇汽车可靠性方面的文章和译注。从1 9 8 6 年起，中汽公司质量管理部 又逐年下达了对汽车整车质量的考核，特别是对初期可靠性考核( 2 5 0 0 公里) 。截至1 9 9 1 年底，全国实施的质量监督的各型汽车累计1 0 2 6 辆，总行程达1 1 2 9 2 力公里( 不包括 试验场可靠性试验) 。最后根据试验数据得出的结论是：通过“六五”后三年和“七五 期间主攻汽车可靠性的综合治理，我国汽车可靠性呈逐年上升的趋势。随着汽车协作配 套件质量的不断提高，尽管其增长幅度不大，且1 9 8 9 、1 9 9 0 年的m t b f 和q 值出现了 下降和持平的状态，但总的趋势还是上升的。这说明在提高汽车可靠性方面取得了成效。 在这期间以后，中汽公司颁布的汽车产品质量检验评定( 蓝皮书) f 2 引，是汽车产品 质量抽查检验、监督管理和符合性质量评定的指令性文件。中汽公司在1 9 9 7 年又颁布 了汽车整车产品质量检验评定方法( 自皮书) 【2 7 1 ，以代替蓝皮书中的整车部分。最 近出台的整车召回制度就是为企业提出要求，必须在产品的设计、生产和使用整个生命 周期内重视可靠性工作，从根本上预防重大事故的发生。这些都促进了我国汽车产品可 靠性水平的逐年提高。 虽然我国汽车产品的可靠性提高很快，但与国外汽车相比，仍存在着很大的差距。 在可靠性的理论方面，如“应力一强度干涉理论、f m e a 、f m e c a 以及f t a 等方法， 都需要大量的可靠性数据作为依据，主要用于解决已有的汽车系统可靠性问题，而对一 些只有少量数据和涉及系统可靠性的事件响应、环境因素、社会特征问题及因素间的相 互复杂的关系等问题，现有的这些理论，则缺乏行之有效的方法。另一方面，可靠性技 术在汽车行业已得到重视，但是还没有得到普遍应用。例如，在设计阶段，我国的汽车 行业还未形成一套完整的技术创新体系，可靠性设计的理论在我国的汽车行业产品设计 中还没有得到实际应用，仍然保留传统的经验设计；另外可靠性管理也未得到重视。在 制造阶段，由于我国原材料性能低，再加上制造加工工艺精度达不到要求，导致配套零 部件质量不过关，同时装配质量控制不严，装配检验跟不上，这些因素影响了整车的可 靠性。在售后服务阶段，虽然售后服务己引起社会的普遍重视，但是大部分厂家把售后 服务的重点放在了简单的维修上，根本不进行故障分析和维修性评价，这就影响了售后 服务部门对设计和生产部门信息的反馈。只有重视以上的工作，从根本上采取措施，我 一4 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 国汽车的可靠性工作才能取得大幅度的进步，汽车可靠性才能赶超国外先进水平。进而 拉动整车水平的提高，提高其竞争力。可喜的是汽车可靠性的问题已经引起了国家有关 部门的高度重视，国家经贸委在我国汽车工业“十一五”规划中已经提出了我国“十 一五”期间将重点提高汽车产品的可靠性关键性技术，这无疑将从整体上大力的推动我 国汽车行业可靠性工作的进展，从而将我国的汽车的可靠性水平带到一个新台阶。 1 4 本文工程背景介绍 本课题的研究对象为沈阳某客车制造有限公司生产的x x 型旅游客车车身，在进行 传统的客车车身的有限元分析基础上，进行车身的可靠性分析，揭示出该客车车身结构 设计中存在的问题，并提出改进措施。 该客车车身长1 0 4 9 0 m m 、宽2 5 0 0 m m 、高3 0 8 0 m m ；前悬2 4 1 0 m m 、轴距5 0 0 0 r 姗、 后悬3 0 8 0 m m ；车身材料密度：7 8 5 0 k g m 3 ：整车整备质量8 8 0 0 埏：最大总质量1 4 4 2 8 蚝； 最高车速：8 0 k 汕。采用全承载式车身结构，后置发动机，具有双乘客门，一个置于前 轴之前，另一位于车身中部。由于汽车行驶在不同的路面时，车身的受力状况会随着路 面不断的变化，因此车身承受了较为复杂的随机载荷。与此同时，车身设计在追求车身 质量轻量化的同时，对汽车的速度和安全性要求也越来越高，这就要求车身不但要有足 够强度、刚度和稳定性，同时还应该有足够的可靠性，可见对车身进行可靠性分析具有 十分重要的意义。 1 5 本文的研究内容 本课题以某型客车车身为研究对象，在有限元分析的基础上进行车身可靠性的分 析。由于车辆行驶的路面状况复杂，要全面的考虑该车身的可靠性，必须从各种路面工 况进行分析研究。由于条件限制，本文着重研究该车辆在各种典型工况下的车身可靠性 状况，为下一步对该车身进行全面可靠性分析做准备。 本研究具体的思路与方法为： ( 1 ) 根据资料，对客车车身的各个元件的几何参数进行计算，并对局部结构几何模型 划分节点和单元，建立有限元计算模型，根据相应的载荷，考虑4 种典型工况，结合有 限元模型，采用有限元分析软件a n s y s 对车身进行静态分析。主要分析不考虑蒙皮与 考虑蒙皮时，各种工况下车身的静应力与变形情况。并比对、分析蒙皮对车身刚度的影 响。 ( 2 ) 结合客车车身结构的有限元理论，采用梁单元和板单元，运用f o r t r a n 语言编 5 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 写可靠性程序，进行可靠性分析计算，验证车身结构是否满足车身结构强度以及最大变 形等要求。 y ( 3 ) 将车身结构视为由各结构元件组成的结构系统，采用改进的一次二阶矩 ( a f o s m ) 法分别计算各构件的可靠指标，再根据结构系统可靠性理论，采用分枝限 界法寻找车身结构的主要失效模式，并考虑失效模式间的相关性，采用p n e t 法分别计 算出不考虑蒙皮和考虑蒙皮时车身结构系统的可靠指标。 - ( 4 ) 应用a n s y s 通用有限元软件建立车身结构有限元模型，采用与实际相应的单元 类型进行有限元计算，验证局部结构是否满足车身强度、刚度等要求，并找出薄弱环节。 然后，利用可靠性程序计算进行车身结构的可靠指标计算，同时找出车身的主要失效路 径和失效元。最后对比a n s y s 和可靠性的分析计算结果，为今后进一步的优化设计提 供相应的数据和理论依据。 6 东北大学硕士学位论文第2 章车身有限元静态强度分析 第2 章结构有限分析的理论与方法 2 1 引言 结构分析方法可分为两大类：经典分析方法和数值分析方法1 2 引。 经典分析方法有精确解法和近似解法。精确解法是通过给定边界条件，直接采用控 制微分方程来求解工程问题，其方程是基于物理原理而建立的。近似解法是对控制微分 方程求近似解，采用适当截断误差的级数展丌式表达。经典分析方法虽然可以解决某些 问题，但在求解工程技术领域的实际问题时，由于其几何形状，材料特性和外部载荷的 不规则性，求解析解是很困难的。 数值分析方法有能量法、边界元法、有限元法。目前在工程实际应用中，有限元法 ( t l l ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是一种非常重要的数值计算方法。是解决工程实际问题的 一种有力的数值计算工具。 车身结构的基本力学性能仿真技术以线弹性有限元法为基础，是目自l 车身结构力学 性能仿真技术中，最早得到应用和最为成熟的仿真技术之一。在进行车身结构开发时， 通过有限元分析，观察车身及其构件在各种工况下的变形，可以得到车身强度、刚度以 及振动频率等力学特性。将有限元分析结果反馈到车身设计的各个环节，可以修改设计 中不合理的因素，经过反复的优化，能够提高车身的设计质量，使得车身在设计阶段就 能保证满足使用要求，从而缩短了设计周期，节省了大量的试验和生产费用。 2 2 有限单元法的基本理论 有限元法是将连续体理想化为有限个单元集合而成，这些单元在有限个节点上相连 接，即用有限个单元的集合来代替原来具有无限个自由度的连续体。由于有限单元的分 割和节点的配置非常灵活，它可应用于任意复杂的几何形状，处理不同的边界条件。单 元有各种类型，包括线、面和实体或称为一维、二维和三维等类型单元。节点一般都在 单元边界上，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷，这样就组成了有限单元集合体。 在此基础上，对每一个单元假设一个简单的位移函数来近似模拟其位移分布规律，通过 虚位移原理求得每个单元的平衡方程，就可建立整个物体的平衡方程。考虑边界条件后 解此方程组求出节点位移，并计算出各单元应力。无论对什么样的结构，有限元分析过 程都是类似的。对不同的结构，要采用不同的单元，但各种单元的分析方法又是一致。 7 东北大学硕士学位论文第2 章车身有限元静态强度分析 2 2 1 有限元法的基本要素 有限元系统是由3 个基本要素构成的：节点、单元、自由度。 ( 1 ) 节点( n o d e ) 节点是构成有限元系统的基本对象，也就是整个工程系统中的一个基本点。它包含 了坐标位置以及具有物理意义的自由度信息。 ( 2 ) 单元( e l e m e n t ) 单元是由节点与节点相连而成，是构成有限元系统的基础，一个有限元系统必须有 至少一个以上的单元。单元与单元之间由各节点相互连接。在具有不同特性的材料和不 同的具体结构当中，可选用不同种类型的单元，单元中包含了物理对象的各种特性。 ( 3 ) 自由度( d e g r e eo f f r e e d o m 或d o f ) 在有限元理论中，采用了两种坐标系，提出了两种自由度的概念，一个是整体坐标 系统的自由度，在分析中需要进行适当的约束，另一个是局部坐标系的节点自由度，每 个节点都有各自的节点坐标和对应的节点自由度，对于不同的单元上的节点，具有不同 的自由度。 、 2 2 2 有限元法的常用单元 在采用有限元法进行结构分析计算时，依据分析对象的不同，采用的单元类型也不 同，常见的有以下几种单元： ( 1 ) 一维单元：常用的是杆、梁单元，这是最简单的一维单元，单元内任意点的变形 和应力由沿轴线的坐标确定。 ( 2 ) 二维单元：即板单元，这类单元内任意点的变形和应力由x y 两个坐标确定，这 是应用最广泛的基本单元，分为三角形单元和矩形板单元。 ( 3 ) 三维单元：即多面体单元，它可分为四面体单元和六面体单元。 ( 4 ) 特殊单元：如薄壳单元，这是由曲面组成的壳单元。 2 2 3 有限元法的基本步骤 有限元法的分析过程，概括起来可以分为以下八个步骤： ( 1 ) 结构的离散化 结构的离散化是有限单元法分析的第一步，它是有限单元法的基础。所谓离散化的 过程，就是将分析的结构物划分成有限个单元体，并在单元体的指定点设置结点，把相 邻的单元体在结点处连接起来组成单元的集合体，以代替原来的结构。 8 东北大学硕士学位论文第2 章车身有限元静态强度分析 ( 2 ) 选择位移模式 在结构的离散化完成之后，就可以对典型单元进行特性分析。为了能用结点位移表 示单元体的位移、应变和应力，在分析边界连续体问题时，必须对单元中位移分布做出 一定的假定，也就是假定位移是坐标的某简单函数，这种函数称为位移模式或位移函数。 位移函数的恰当选择是有限单元分析的关键。在有限单元法应用中，普遍地选择多 项式作为位移模式。其原因是因为多项式的数学运算( 微分或积分) 比较方便，并且所 有的光滑函数都可以用多项式来逼近，即所谓的不完全的泰勒级数。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的要求。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。 根据选定的位移模式，就可以导出用结点位移表示单元内任一点位移的关系式，其 矩阵形式是： 厂 = p ( 2 1 ) 式中： 厂 一单元内任一点的位移列阵； d 。单元的节点位移列阵； 一形函数矩阵，它的元素是位置坐标的函数。 ( 3 ) 分析单元的力学特性 位移模式选定以后，就可以进行单元力学特性的分析。包括下面三部分内容。 利用几何方程式，由应变的表达式导出用结点位移表示单元应变的关系式： g = p ( 2 2 ) 式中： f - 一单元内任一点的应变列阵； 【b 卜一单元应变矩阵 利用物理方程，由应变表达式导出用结点位移表示单元应力的关系式： g ) = 例【b 】 6 p ( 2 - 3 ) 式中： o 卜一单元内任一点的应力列阵； 【d 卜一单元材料有关的弹性矩阵。 利用虚功原理建立作用于单元上的结点力和结点位移之i 日j 的关系式，即单元的刚 9 - 东北大学硕士学位论文 第2 章车身有限元静态强度分析 度方程： 尺) = 【k 】p ( 2 4 ) 式中： 【k 卜一单元刚度矩阵，上式的积分应遍及整个单元的体积 h = 肌b n d 胪】删纰 ( 2 5 ) ( 4 ) 计算等效结点力 弹性体经过离散化后，假定力是通过结点从一个单元传递到另一个单元，但是作为 实际的连续体，力是从单元的公共边界传递到另一个单元的。因而，这种作用在单元边 界上的表面边以及作用在单元上的体积力、集中力等都需要等效移置到结点上去，也就 是用等效的结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 与等效结点力，在任何虚位移上的虚功都相等的原则进行的。 ( 5 ) 整体分析 集合所有单元的刚度方程，建立整个结构的平衡方程，从而形成总体刚度矩阵： k 弦 = 尸 ( 2 6 ) 其中： 【k 卜一全结构的总体刚度矩阵； 艿) 一全结构的节点位移列向量； p - 一全结构的等效节点载荷列向量。 ( 6 ) 应用位移边界条件 应用位移边界条件，消除了总体刚度矩阵的奇异性使得( 2 6 ) 可以求解。 ( 7 ) 求解结构平衡方程 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应力。 2 3a n s y s 软件简介 a n s y s 软件是融结构、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，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，能与多数 c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级c a d 工具之一，也 10 东北大学硕士学位论文第2 章车身有限元静态强度分析 是迄今为止世界范围内惟一通过i s 0 9 0 0 l 质量体系认证的分析设计类软件。a n s y s 软 件不断吸收当今世界最新的计算方法和计算技术，领导着有限元界的发展趋势，并为全 球工业界所广泛接受，拥有全球最大的用户群。该软件在机械制造、石油化工、航空航 天、汽车交通、土木工程、水利水电、国防军工、电子工程、生物医学、日用家电及能 源、造船、地矿等一般的工业和科学研究领域获得了广泛的应用【3 0 j 。 a n s y s 的主要技术特点：能实现多场及多场耦合功能的软件：实现前后处理、分 析求解及多场分析统一数据库的大型f e a 软件；独一无二的优化功能，具有流场优化 功能的c f d 软件；融前后处理与分析求解于一身；强大的非线性分析功能；快速求解 器；最早采用并行计算技术的f e a 软件；从微机、工作站、大型机直至巨型机所有硬 件平台上全部数据文件兼容；智能网格划分；支持从p c 、w s 到巨型机的所有硬件平台； 从微机、工作站、大型机直至巨型机所有硬件平台上统一用户界面：可与大多数的c a d 软件集成并有接口；多层次多框架的产品系列：良好的用户丌发环境。 a n s y s 界面( g u i ) 特点：基于m o t i f 的图形用户界面；用户界面统一：各种硬件平 台上界面统一，前后处理、求解过程界面统一：智能化菜单引导、帮助系统；下拉式菜 单；对话框；工具杆