（车辆工程专业论文）电动低地板城市大客车车身轻量化技术研究.pdf

中文摘要 摘要：车身是汽车的三大总成之一，车身结构的设计直接影响车身的整体动 力学性能、车体结构的强度以及疲劳寿命。目前，对车身结构的设计计算和轻量 化分析普遍采用有限元分析的方法。本文利用通用有限元分析软件a n s y s 作为分 析平台，对试制样车进行了有限元的强度、刚度及模态进行了分析。在此基础上， 还进一步采用a n s y s 分析软件对该车进行了初步的优化设计研究。 本论文首先对车身结构分析所涉及的强度、刚度、模态及最优化原理进行了 简单的分析与归纳。在此基础上，以国家8 6 3 项目具体开发的纯电动大客车样车 为研究对象，建立了该车车身骨架的有限元模型；为了准确模拟该模型的边界条 件，还建立了空气弹簧悬架的简化模型。通过对各种典型工况的分析，得到了车 身结构中最大应力和变形所在区域，并为车身结构的进一步优化分析提供了依据。 同时，通过模态分析得出了该车结构主要的低阶频率，为车身结构的设计提供了 参考。 此外，本文对车身结构优化二次开发进行了初步的探讨，并得到了较好的结 果，为今后新型车身结构的分析及优化设计提供了有价值的参考依据。 关键词：车身：有限元：空气弹簧：最优化 分类号：u 2 7 2 3 a b s t r a c t a b s t r a c t ：b o d y i so n eo ft h et h r e em a i nc o m p o n e n t so fab u s ，s ot h ed e s i g no f b o d y s t r u c t u r ec a l lm a k ead i r e c ti m p a c to ni t sw h o l ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dt h ei n t e n s i t y a n df a t i g u el i f e c u r r e n t l y , t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) m e t h o di sc o m m o n l yu s e d i nt h ed e s i g na n dl i g h tw e i g h ta n a l y s i so ft h eb o d ys t r u c t u r e t h ee s s a ya n a l y s e st h e f i n i t ee l e m e n t si n t e n s i t y , r i g i d i t ya n dm o d eo fad e v e l o p m e n tb u sb yw a yo ft h e c o m m o nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e 一a n s y s b a s e do nt h i s ，i tf u r t h e rs t u d i e st h e b u s so p t i m i z a t i o nd e s i g nw i t ha n s y s f i r s t ，t h ee s s a ys i m p l ya n a l y s e sa n ds u m m a r i z e st h ei n t e n s i t y , r i g i d i t y , m o d ea n d o p t i m i z a t i o np r i n c i p l eo ft h eb o d ys t r u c t u r e t h e n ，w i t ht h ep u r eb a t t e r yc o a c ha sa s t u d ys a m p l e ，w h i c hw a sd e v e l o p e da san a t i o n a l8 6 3p r o j e c t , af i n i t ee l e m e n tm o d e lo f i t sb o d yf r a m ei sc o n s t r u c t e d i no r d e rt oe x a c t l ys i m u l a t et h eb u s sb o u n d a r yc o n d i t i o n ， as i m p l i f i e dm o d e lo fi t sa i rs p r i n gs u s p e n s i o nf o r ki sa l s ob u i l t f i n a l l y , b ya n a l y z i n g t h et y p i c a lw o r kc o n d i t i o n s ，t h ee s s a yo b t a i n st h ep o s i t i o n so fm a x i m u ms t r e s sa n d d e f o r m a t i o no ft h eb o d ys t r u c t u r e , w h i c hb e c o m e st h eb a s i so ft h eo p t i m i z a t i o na n a l y s i s t h eb o d ys t r u c t u r e l o w - o r d e rf r e q u e n c yo b t a i n e db yw a yo ft h em o d a la n a l y s i sm e t h o d g i v e sr e f e r e n c et o i t sd e s i g n o nt h eo t h e rh a n d ，t h ee s s a yp r i m a r i l ys t u d i e st h es e c o n dd e v e l o p m e n to ft h eb o d y s t r u c t u r e so p t i m i z a t i o na n dg e t sag o o dr e s u l t ，w h i c hc a nb e c o m eav a l u a b l er e f e r e n c e f o rt h ec o m i n gn e wb o d ys t r u c t u r es a n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nd e s i g n k e y w o r d s ：b o d y , f i n i t ee l e m e n t ，a i rs p r i n g , o p t i m i z a t i o n c i a s s n o ：i j 2 7 2 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 导师签名： 关吩肇 签字日期： 沙扩年，_ 月沪日 鲁日 歪 抓t 侈 盈 l _ j - 铱 年 签 多 椭 以 作 ： 文 期 沦 日 位 字 学 签 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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了谢意。 学位论文作者躲轧啦鲁签字嗍裾年，刖日 致谢 在课题的研究和论文的撰写方面，导师吴作伟教授给予了极大的帮助，在其 悉心指导下，才得以完成。导师严谨的治学态度、渊博的知识、诲人不倦的精神 以及热情的待人态度都使本人受益非浅，终身难忘。在此表示衷心的感谢。 在课题的研究过程中，得到了北京交通大学机电学院车辆研究室的广大同学 的帮助，无论是在学习上还是工作上都给予了极大的帮助。在此表示衷心的感谢。 同时在整个学习过程中，北京市京华客车有限责任公司技术中心的全体同仁始终 都在极大的支持我，对我的分析在试制和试验车辆时，给予实现和校核，给我的 计算工作提供了极大的帮助，再次向他们表示感谢。 最后还要感谢各位评阅老师，感谢您们为此付出的辛勤劳动。 1 1 引言m 幻 1 绪论 汽车作为推动人类文明向前跃进的现代交通工具，在给人类生活带来舒适方 便的同时，对自然生态环境的恶化也有着相当大的影响。资料显示，当今世界汽 车的保有量已经超过6 5 亿辆，我国汽车保有量也在3 0 0 0 万辆左右，汽车每年的 石油消耗量约占世界石油年产量的一半以上。据预测，按目前的消耗水平，作为 世界上最主要能量来源的石油资源仅仅还可以维持6 0 至1 0 0 年左右。另外，汽车 行驶中释放的c o x 、n o x 、h c 、s 0 2 、铅微粒、碳微粒等有害物质对人们的身 体健康和生活环境造成了极大危害。据统计每年向大气层排放的有害气体大约7 亿多吨，占大气污染总量的6 0 以上，是公认的污染大气的“头号杀手”。在人类 生活质量日益提高的今天，拯救人类赖以生存的自然环境，对汽车工业的发展提 出了极为严峻的挑战。为了汽车工业能够持续发展，以发展和推广电动车、多种 代用燃料汽车为主要目的“绿色汽车”工程已在世界范围内展开。世界各大汽车公司 争相研究各种新型的无污染环保型汽车，力图使自己生产的汽车达到或接近“零 污染”标准。由于环境问题日益严重，各国政府不得不加大对清洁能源汽车的研究 开发。因此，电动汽车作为解决环境污染问题的重要可行途径，必将得到飞速的 发展。 事实上，早在1 8 8 6 年世界上第l 辆汽车诞生之前，巴黎及其它欧洲大城市的 街道上就出现过电动汽车。由于科学技术的发展不同步，燃油车的性能大大超过 了电动车，致使电动车的发展渐渐衰落下来，以致在近1 0 0 年的时间里，电动车 的发展受到了很大限制。但是，汽车工业的发展却给人类社会带来了严重的环境 污染问题，于是电动车又重新受到了各国的关注。 目前，世界上几乎所有的发达国家和大型汽车厂商都在致力于电动汽车的研 究开发和推广应用工作。在美洲已经商业化的纯电动汽车接近6 0 0 0 辆，其中3 1 6 辆为过去一年中新增的大巴公交车辆，销售的混合动力轿车近6 万辆。在欧洲， 各种电动车已经超过5 0 万辆，其中有1 0 万辆电动轿车和厢式车、4 0 万辆踏板车。 在日本，现拥有7 4 0 0 辆纯电动汽车，混合动力轿车已超过7 万辆。 在中国，北京的汽车拥有量最大，排放的废气造成的污染也日益严重，北京 市已成为世界上空气污染最严重的十大城市之一。电动汽车由于具有无污染、零 排放的特点，世界各国已将其列为高科技发展的战略项目。为了配合2 0 0 8 年北京 奥运会，迎合科技奥运、绿色奥运的主题，国家8 6 3 计划和北京市政府都将其作 为重大攻关项目，投入大量人力物力进行开发。由北京理工大学、北京市京华客 车有限责任公司和北京燕科总公司联合研究，开发了一系列了电动公交车。 电动车通过电力进行驱动。同传统汽车相比，仅具有同后者相应的机械传动 噪声，而无后者的发动机工作噪声、尾气排放噪声等，因而具有低噪声的优点。 由于其动力源为蓄电池或锂离子电池，没有任何形式的尾气排放，相对以汽油为 动力的车而言是十分清洁的，故电动汽车对环境保护来说又是相当理想的。电动 汽车不烧燃油，面对有限的日益枯竭的地球石油资源，在节约能源方面又有着广 阔的发展前景和巨大优势。而且电动车利用夜间大量富裕电力充电，有利于电网 均衡负荷，减少能源浪费，提高电力系统整体效益。 总之，电动汽车是以自载电池为电源，依靠大功率电动机提供动力的新型交 通工具，具有清洁无污染、动力源多样化、能量转换效率高、结构简单、使用维 修方便等优点，被称为“2 1 世纪的绿色环保汽车。电动汽车的产业化已成为中 国汽车工业产业结构调整和跨越式发展的切入点，有可能发挥后发优势，迅速赶 上发达国家的步伐实现与世界汽车工业的同步发展。 电动汽车与内燃机汽车相比，主要还存在着以下几方面的差距： 1 、由于电池质量大，造成电动汽车整车质量普遍超过内燃机车的整车质量。 2 、由于受电池能量的限制，电动汽车驱动电机的功率一般要比内燃机汽车发 动机功率小。 3 、电动汽车的比功率普遍低于内燃机汽车的比功率。其动力性和续驶里程也 比不上内燃机汽车。 在现阶段，电池技术一直是电动汽车发展的一个瓶颈，车载电池的单位质量 存储的能量太少，无法保证其较长距离的行驶。研究表明，汽车的能量消耗与汽 车自身总质量成正比，汽车质量每降低1 ，可节省燃料消耗o 6 1 。因此，要 想减少不必要的能量消耗应在保证安全的前提下尽量减轻汽车自身质量。车辆轻 量化有两种途径：一是应用轻金属、现代复合材料等低密度材料，达到减重目标； 二是仍然使用钢材，但对结构进行优化，在保证承载能力和舒适性的前提下减轻 质量。其中第一种途径减重效果尤其明显，但存在研发成本高，时间长，工艺不 成熟等问题，目前在主要大型承载结构上使用还比较困难。后一种途径能够在现 有材料( 主要是钢材) 、工艺条件基本不变的条件下或新工艺技术易于获得的情况下 有效地减轻质量，因而更具有实际意义。 1 2 有限元分析方法简介州 2 1 2 1 有限元分析方法介绍 所谓有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) ，就是关于连续体( 连续结构) 的一种 离散化数值计算方法，即对实际问题力学模型的近似数值分析报告。其基本思路 是：假想地将连续体( 连续结构) 划分为有限个单元，单元之间由具有一定自由 度的节点相互连接。通过结构离散可以将原来的连续体( 连续结构) 就转变为由 有限个单元装配而成的离散结构。从而将对求解原有连续体无限个自由度的问题 就转变为求解离散结构的有限个自由度的问题。 结构有限元法一般选择简单的函数近似表达单元内位移变化规律，利用力学 原理推导建立单元的平衡方程式，再把所有单元的方程组集合成描述表示整个结 构力学特性的代数方程组，最后引入边界条件求解代数方程组而得到数值解。由 此可见，有限元法是从力学模型上采用分块近似，这在数学上只须求解一系列线 性代数方程组，从而避免了求解力学微分方程这一繁难的环节，宜于用计算机进 行求解。有限元法的主要优点是物理概念清晰，容易理解和掌握，适用性强，应 用范围广泛，许多复杂的工况和边界条件都可灵活地加以考虑。 有限元法始于本世纪四十年代初期，其有限单元的基本思想离散化概念 就已经提出来了。当时数学家r c o u r a n t 就曾用三角形单元计算棱杆的扭转问题， 在五十年代中期，m j t u m e r 将这方法运用到工程设计中并加以推广，他们用 平面分析法求解了复杂的飞机结构问题。他们得到的有限元方程属于以节点位移 为未知量的矩阵位移法。m j t u r n e r 的顾问r c o u r a n t 把这种新的工程计算方法 拓广到土木工程上，并在一篇题为“平面分析的有限单元法论文中首先使用 “有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 这个名称。初期的有限元都是以单一的位移 场作为未知量，它在单元间边界上满足协调条件，故称之为位移元或协调元。 国内外关于有限元在工程领域尤其汽车结构强度计算中的研究和运用，自6 0 年代开始至目前己广泛运用。虽然有限单元法的基本思想早在4 0 年代就已经提出 来了，但是由于当时的条件限制，计算机才刚刚问世，性能达不到使用要求，离 散化并没有得到重视。直到5 0 年代，英国航空教授阿吉里斯( a r g y r i s ) 和他的同事 运用网格思想才成功地进行了结构分析。同时，美国教授克劳夫( r w , c l o u g h ) 运用 三角形单元对飞机结构进行了计算，并于1 9 6 0 年首次提出了“有限单元法 这名 称。6 0 年代中后期，国外的一些数学家开始介入对有限元的研究，促使有限元法 有了坚实的数学基础。1 9 6 5 年，津基威茨( o c z i e n k i e n k i e w i c s ) 通过研究宣布，有 限元法适用于所有能按变分形式进行计算的场问题，使有限元法获得了一个更为 广泛的解释，有限元法的运用也推广到更广阔的范围。 我国有限元法理论研究始于2 0 世纪5 0 年代末，当时冯康教授就曾创立了一 套现代化和系统化求解微分方程的近似方法。其内容实质就是当时国际上称之的 有限元法。直到7 0 年代中期我国才开始推广和应用有限元法。 自2 0 世纪七十年以来来随着计算机的发展，出现了各种用于结构分析的数值 计算方法。其主要是运用离散化概念，把弹性连续体划分为一个由若干有限单元 组合成的集体，通过单元分析和组合，得到一组联立代数方程组，最后求得数值 解。最终使得有限元法从最早的航空领域，迅速推广到机械与汽车、造船、建筑 等各种工程技术领域。有限元的应用己经由弹性力学的平面问题扩展到空间问题、 板壳问题，从静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题、波动问题和接触问题。 分析的对象从弹性材料扩展到弹塑性、粘弹性、粘塑性以及复合材料，从小变形 的几何线性问题扩展到各种大变形的几何非线性复杂问题。由单一非线性的问题， 发展到包括材料非线性、几何非线性和边界非线性等的多重非线性问题。从单一 介质的分析，发展到多个介质相互影响的问题。从固体力学扩展到流体力学、传 热学、电磁学等连续介质力学领域。从确定性分析的有限单元法，发展到了随机 有限元分析。从已知系统和激励求解系统响应的“正分析 ，发展到了根据响应 和系统识别激励，或者根据响应和激励识别系统的“反问题 。在工程分析中的 作用已从分析和校核扩展到优化设计、计算机辅助设计等。现在，有限元法已成 为一个基础稳固并为大家所接受的工程分析工具。 1 2 2 有限元分析方法的基本步骤 有限单元法的分析过程，概括起来可以分为以下六个步骤： a 结构的离散化 结构的离散化是有限元分析的第一步，它是有限单元法的基础。所谓离散化 过程简单地说就是将分析的结构划分成有限个单元体，并在单元体的指定点设置 节点，把相邻的单元体在节点处连结起来组成单元的集合体，以代替原来的结构。 单元划分必须有效地逼近实际的连续体。根据需要经常使用的典型单元有平面应 力单元、三维杆单元、三维梁单元、三维板壳单元、实体单元等，另外还有人们 为了处理实际问题而建立的单元，如边界单元、间隙元等。 b 选择位移模式 在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法。在结构的离 散化完成后，就可以对典型单元进行特性分析。此时，为了能用节点位移表示单 元的位移、应变和应力，在分析连续体问题时，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函数，这种函数称为模式或位移函 数。位移函数的适当选择是有限单元法分析中的关键。在有限单元法应用中，普 4 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计算比较方便，并且 由于所有的光滑函数的局部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。 根据所选择的位移模式，就可以导出用节点位移表示单元内任一点位移的关系 式，其矩阵形式为： d = 【】 万 。 ( 1 - 1 ) 式中 d ) 为单元内任一点的位移矩阵， 万) 。为单元的节点位移列阵，【】称为形函 数矩阵，它的元素是位置坐标函数。 c 分析单元的力学特性 根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元 节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力 学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵， 这是有限元法的基本步骤之一。 d 计算等效节点力 弹性体经过离散化之后，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力以及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代替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 ( 即虚功等效原则) 进行的。 e 集合所有单元的刚度方程，建立整个结构的平衡方程。 这个集合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 物件的整体刚度矩阵；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。利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新联接起来， 形成整体的有限元方程： 毋= 【k l a ( 1 2 ) 式中， 尸) 是结构整体载荷列向量；k 】是结构整体刚度矩阵； 万 是结构整 体节点位移列向量。这些方程还应在考虑了几何边界条件， 做适当的修改之后， 才能够求解出所有的未知节点位移。 求解未知节点位移和计算单元应力 由集合起来的平衡方程组，解出未知位移。根据位移函数，由弹性力学中给 5 出的应变和位移关系，可计算出应变为： 占) 。= 【b 】 万) 。 式中： s l 。为单元应变列向量； 【召】为单元的应变矩阵； 万 。为单元节点位移列向量。 则应力为： 仃) = 【d 】 s ) = 【d 】【b 】 万) 。 式中， 仃 为应力向量；【d 】为弹性矩阵 1 2 3 有限元分析方法在客车车身设计中的应用 ( 1 3 ) 有限元法的程序作为有限元研究的一个重要组成部分，用是随着计算机的飞 速发展而迅速发展起来的。2 0 世纪7 0 年代，大型通用的有限元程序开始出现，这 些通用的大型有限元程序功能强大，计算可靠，工作效率高，因而逐步成为结构 分析中强有力的工具。国际上著名的通用有限元软件有几十种，常用的有a n s y s 、 s a p 、a d i n a 、n a s t 凡气n 、a l g o r f e m 等。创建于1 9 7 0 年的美国a n s y s 公 司开发的a n s y s 软件是融结构、热、流体、电磁、声场和耦合场分析于一体的大 型c a e 通用有限元分析软件，应用领域十分广泛。 a n s y s 是最早通过i s 0 9 0 0 1 质量认证的设计分析软件，其全面的分析功能涉 及结构、疲劳、热、流体、电磁场、碰撞、钣金成形等汽车行业所需的各种分析 仿真功能，产品应用的深度、广度、解算结果的高精度及其图形用户界面( g u i ) 的 易学易用，已经使之成为汽车产品开发必不可少的伙伴。 应用a n s y s 进行有限元分析已是国际汽车行业产品开发设计链中必须的常 规。a n s y s 有大量的模型库，丰富的分析功能，分析结果具有很高的可靠性，对 汽车结构分析而言，由于有限元分析所建模型具有和实际结构相对应的几何材料， 力学特征，对实际结构具有“真实的模拟特性，与单纯的几何仿真有本质的区 别。有人称之为“真实的仿真( r e a l i t ys i m u l a t i o n ) ，从而使现代结构设计方法从 规范设计向分析设计转变。设计者在设计阶段就能从仿真分析中形象地了解整个 设计在受载后的应力、变形以及动力特性，评估设计质量，寻找最佳的设计方案， 将使结构设计质量发生质的飞跃。 汽车由底盘、发动机、车身三大总成构成。在这三大总成中，车身总成比底 盘和发动机总成要复杂得多，车身的设计过程也相对复杂，涉及到工业造型、工 程材料、生产工艺、结构力学、人机工程等众多学科。所以直到今日，车身设计 6 尚无通用的标准和规范的设计过程可以遵循。 车身作为一个受力结构必须有足够的强度以保证其疲劳寿命，足够的刚度以 保证其装配和使用的要求，同时应用合理的动态特性控制振动与噪声，还应该有 足够的抗冲击强度保证撞车时乘员的安全。若其刚度不足则会引起车门、车窗等 开口处的变形加大，还可能造成车身发生结构共振，使乘员感到不舒适，带来噪 声和零部件的疲劳损坏。所有这些问题都会影响汽车的强度耐久性及安全性。车 身结构的模态分析可以预测车身与其它部件如悬架系统、发动机、传动系及路面 之间发生动态干扰的可能性。通过合理的结构设计可以避开共振频率。因此，刚 度和模态是车身结构设计中首先要考虑的指标。由于车身结构复杂，用经典力学 方法很难得到问题的精确解，而采用近似的数值解法已经成为现实而有效的选择。 实践证明，利用有限元法对客车车身骨架结构进行静态和动态分析，可获得承载 特性和振动特性等评价指标，对其强度、刚度和固有振型有一个充分的认识和了 解。通过合理选择结构形式及尺寸参数，及时改进，为结构的改进设计提供依据， 使其具备良好的静动态特性，满足使用要求。有限元方法能够有效地满足上述车 身设计的要求。在进行车身结构设计时，通过有限元分析，观察白车身及其结构 件在各种工况下的变形，得到车身的强度、刚度、振动频率等各种力学性能。将 有限元分析的结果反馈车身设计环节，修改设计中不合理的参数，经过反复的优 化，提高车身设计的质量，使产品在设计初期就可保证满足使用要求。从而缩短 设计试验周期，节省大量的试验和生产费用，它是提高车身可靠性既经济又适用 的方法之一。 轻量化是车身结构设计所普遍追求的目标。轻量化的研究最早是从沃尔沃汽 车公司的l c p ( t h ev o l v ol i g h tc o m p o n e n tp r o j e c t ) 2 0 0 0 开始的。虽然它的出现是七 十年的两次石油危机造成的，但美国钢铁研究所推出的u l s a b ( t h e u l t r al i g h ts t e e l a u t ob o d y ) 和奥迪汽车公司推出的a u d ia 8 铝制车身却完全地表明，在激烈的市场 竞中，设计出质量更轻、成本更低的车身已成为一种有力的竞争手段。 对于汽车的轻量化，有着以下的基本要求： ( 1 ) 在保证汽车质量和功能不受影响的前提下，尽量降低汽车各总成的质量， 以达到减少燃油消耗和减轻空气污染的目的。 ( 2 ) 在使汽车质量减轻，降低消耗的同时，还要保证汽车低噪声，低振动， 以及高可靠性，高舒适性等性能。 1 3 有限元二次开发现状及趋势旧 7 在目前这个阶段，有限元前处理一直是困扰有限元法高效运用的瓶颈，快速 实用的算法和能在计算机上实现前、后处理模块，分析模块一体化合成的软件是 很有实用价值的。因此c a d c a e 集成一体化是目前软件开发、运用的主流以及今 后的发展趋势。 从2 0 世纪7 0 年代以来，随着计算技术的飞速发展，结构分析有了很大的突破， 国外相继出现了许多大型通用有限元分析程序，如a n s y s ，a b a q u s ，m a r c 和 n a s t r a n 等，这些程序具有良好的界面、方便的前后处理和强大的计算分析功能 以及开放的二次开发系统。 a n s y s 软件是融热、电磁、流体、结构、声学于一体的大型通用有限元分析 软件。具有强大的求解器和前、后处理功能，为解决复杂、庞大的工程项目提供了 一个强有力的工具。然而，正是由于a n s y s 的通用性特点，使其对不同行业的专业 性模块的分析不具有针对性，复杂的英文界面和繁琐的分析步骤都给从事有限元分 析的技术人员造成了很大的障碍。另外，虽然a n s y s 有较强大的前、后处理功能， 但使用者必须具有较高的相关力学知识和丰富的分析经验，在几何建模简化和力学 建模等前处理方面需要花费很多时间和精力。因此，基于这些不便因素，在熟练应用 a n s y s 软件的基础上，结合具体各行业的实践经验，利用a n s y s 内部提供的二次开 发工具，用户可在a n s y s 系统中开发出具有中文界面的、特定功能的专用模块，可 以有效地提高设计的效率和质量，充分体现了专业化、用户化、便捷化的特点。 有限元应用程序开发的两大瓶颈是几何模型的可视化和结果的可视化。大型 通用商业有限元软件a n s y s 具有强大的前后处理功能和求解功能，并为多种语言 二次开发a n s y s 提供了接口，因此利用a n s y s 开发用户专用的有限元程序具有 高效性和高可靠性。标准a n s y s 交互图形界面是驱动a n s y s 命令的图形界面， 它提供命令的各类输入参数接口和控制开关，使用户在图形用户界面g u i 的级别上 进行有限元分析变得直观轻松。 早期有限元分析软件的研究重点在于推导新的高效率求解方法和高精度的单 元。随着数值分析方法的逐步完善，尤其是计算机运算速度的飞速发展，整个计算系 统用于求解运算的时间越来越少，而数据准备和运算结果的表现问题却日益突出。 在现在的工程工作站上，求解一个包含1 0 万个方程的有限元模型只需要用几十分 钟。但是如果用手工方式来建立这个模型，然后再处理大量的计算结果则需用几周 的时间。可以毫不夸张地说，工程师在分析计算一个工程问题时有8 0 以上的精力 都花在数据准备和结果分析上。因此目前几乎所有的商业化有限元程序系统都有 功能很强的前置建模和后置数据处理模块。在强调”可视化”的今天，很多程序都建 立了对用户非常友好的g u l ( g r a p h i c su s e ri n t e r f a c e ) ，使用户能以可视图形方式直 观快速地进行网格自动划分，生成有限元分析所需数据，并按要求将大量的计算结 果整理成变形图、等值分布云图，便于极值搜索和所需数据的列表输出。 1 4 本文研究内容及意义 本文以北京京华客车有限责任公司和北京理工大学共同开发的电动低地板样 车作为实例进行分析，在a n s y s 中建立车身骨架的有限元模型。将模型数据读取 到所开发的程序中，实现对车身骨架的有限元划分，并完成车身骨架的模太分析 和工况分析，最后将结果读取出来。利用a p d l 语言自动识别功能，完成优化参 数的选取和定义，实现对车身骨架的智能优化。在后期开发应用中可以利用v b 开 发的用户化界面，建立专用的分析程序对相关车型进行系列分析和改进。 本文所进行的研究具有如下意义： 本文对车身所做的有限元分析和计算，希望对客车多种车型生产提供一定的 参考价值。 完成对车身骨架的智能计算和优化，对于减轻结构分析工程师的劳动强度， 具有一定的实际意义。 9 2 客车车身结构分析 现代汽车的车身结构可分为承载式与非承载式两类，还有一种从性能上区别 于上述两类的组合式结构称为半承载式。对于非承载式车身涉及到车架。汽车车 架俗称“大梁，它是整个汽车的装配基础，其上装有发动机、变速器、传动轴、 前后桥、车身总成等部件。车架的功用是支承、连接汽车的各总成，使各总成保 持相对正确的位置，并承受汽车内外的载荷。车架通过悬架装置座落在车轮上。 由于车架是整个汽车的基础，要承受汽车内外的各种载荷，因此，要求车架必须 满足下列要求： ( 1 ) 要满足汽车总体布置的要求。当汽车在复杂的行驶过程中，固定在车架 上的部件、总成及管路、支架等附件相互之间应不发生运动干涉，以保证汽车正 常的行驶。 ( 2 ) 要有合适的强度。车架承受由各总成传来的力和力矩，必须保证在各种 复杂的受力情况下不致破坏，并具有足够的疲劳强度。 ( 3 ) 要具有足够的刚度。当汽车在崎岖不平的道路上行驶时，车架可能产生 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，还可能使两根 纵梁发生纵向相对位移，整个车架形成菱形，这些变形将改变安装于车架上各种 机件正确的相对位置，破坏机件的正常工作，加速机件的磨损。 ( 4 ) 结构应该简单，尽量减少车架的质量，并使装于车架上的机件易于拆装。 ( 5 ) 车架的形状要尽可能地配合车身及各总成以降低汽车的质心和获得较大 的前轮转向角，以利于提高汽车的稳定性和机动性。这一点对于轿车和大客车尤 为重要。 在进行客车的有限元分析中，考虑到客车的结构主要是采用不同壁厚的梁来 构建车身骨架，针对这一特点，在进行有限元离散化的时候，主要是采取梁单元 和板壳单元来建立整车模型。 2 1 车身结构分析方程的建立和单元的选取嘲 2 1 1b e a m l 8 8 梁单元 ( 1 ) 单元刚度矩阵【后】。 采用梁单元建立车身骨架有限元模型来完成对车身结构的强度和刚度计算， 1 0 是一项成熟的技术，其基本力学原理如下： 空间梁单元有首、末两个节点i 和j ，每个节点有沿x 、y 、z 三个坐标方向的 力分量f x 、f y 、f z 和力矩分量m x 、m y 、m z ，对应有三个线位移分量u 、v 、w 和 三个转角分量只、b 、0 以节点i 为例，此节点力子向量 z 和位移子向量4 ： 协) = k 厶厶m m m 盯l r ( 2 。1 ) 慨) = k ，v ，吒巳】r ( 2 2 ) 单元位移向量 由i 、j 两节点子向量构成，可写成： 鼢。= 协3 ) 同理，可以写出单元力向量 6 ) 。，反映单元位移向量与力向量各对应元素之 间关系的矩阵称为单元刚度矩阵降】。，故有 纱广= 伽广p ) 。 ( 2 ) 结构分析方程 车身结构方程为 扩 = 伍她) ( 2 4 ) ( 2 5 ) f r 车身整体力向量 f 1 - 一整体位移向量 ( 2 2 ) 式中 f 和 ) 都是在整体坐标系o x y z 上的向量。由于每一梁段在空 间的坐标位置不同，无法直接利用各单元坐标系上的力向量或位移向量直接运算， 必须将各单元的向量转换成统一的整体坐标系上的向量，才能进行运算，其转换 关系式如下： ， = w w ( 2 - 6 ) 泔= 科 ( 2 7 ) 上式中，向量的上标e 表示第e 个单元， 丁) 。为第e 个单元的转换矩阵， ， 7 和 ) 。为整体坐标上的单元力向量和单元位移向量。由于整体向量 f ) 是在统一 坐标上各单元力向量 f 。迭加而成，整体位移向量 由各节点的位移子向量 ) 织成，i l = 一 ( 2 8 ) 通过整体坐标系上的扩展迭加可得： f ) = ( 时) ( 2 9 ) i kl = ：( i ri 。i kl ( i ri 。- ) ( 2 1 0 ) 空间粱单元的单元刚度矩阵 具有六个自由度的空间梁元如图1 - 1 所示。梁单元的局部坐标系x o y 的x 轴为 节点i ，j 的连线方向，y 轴和z 轴位于梁截面的主惯性轴上。单元的六个自由度分 别为局部坐标系下节点i 和节点j 沿3 个坐标轴的位移和绕三个坐标轴的转角，即： 图2 - 1空间梁单元 艿) 。= 【“，坼w 巳巳“，0 叶巳锡 r ( 2 1 1 ) 相应的节点力分量分别为局部坐标系下节点i 和节点j 上沿3 个坐标轴的力和 绕3 个坐标轴的转矩，即： 讧了= p ( q “q 。i md m m 。n j q d q 口m 口m z m 彳 t ( 2 1 2 ) 单元局部坐标系下的刚度矩阵【k 】可由材料力学直接求出，刚度矩阵【k 】的各 元素如式( 2 1 3 ) 所示。 1 2 ! 丝 ， o 了e a 一等。孚 000 000 o 2 e 1 ， 对称 ( 2 1 3 ) 式中j j 是对y 和z 轴的主惯性矩，以是对二轴的扭转惯性矩，a 是横截 面面积，e 为弹性模量，g 为抗剪模量，l 为单元长度。如果考虑剪切力的影响， 单元刚度矩阵中还要加入对杆截面y 轴和z 轴方向的剪切影响系数和对杆截面沿y 轴和z 轴方向的有效抗剪面积。 b e a m l 8 8 单元是一种考虑了剪切变形的梁单元。该单元除可以选用程序已经提 供的常用截面，还可以通过自定义设定所需的截面，可以说，该单元能够可处理 任意的实心、开口和闭口截面。该单元具有塑性、粘弹性、粘塑性、蠕变、应力 刚化、大变形、大应变，以及初始应力和单元生死能力。 该单元由2 个节点定义，每个节点具有6 个自由度：3 个平动自由度，3 个转 动自由度。另外，根据需要可以增加第7 个自由度翘曲自由度，这样该单元 就具有了约束翘曲的能力。另外第三个节点用来与前面的两个节点定义一个平面， 这个平面就是单元坐标的z 轴所在的平面。该单元基于铁木辛柯( t i m o s h e n k o ) 梁 理论，这是一种一阶剪切变形理论：假定横向剪切应变在横截面上是线性分布的， 横截面在变形后仍保持平面。剪切应变确定后，对应横截面的总的剪切力也就可 以得到，然后通过一个预先确定的横截面剪切应力分布系数就可以得到横截面的 剪切应力了，其精度与横截面的精细程度成正比。这样，由于考虑了剪切变形的 影响，该单元除了能够模拟细长梁外，还可以模拟“适度的短粗梁。之所以说 是“适度 的，是受到一阶剪切变形理论的限制。定义梁的细长比： 1 3 些， 墼，o 盟，o o 堡r o坠产。 阳一 6 一 。堕产 一 o d 堡，o o o坠r o弛丁。 盟，o o o o o盟，o o 堡p o呱丁o o o吗丁。哆丁o l 一 一 一 堕r 。 。 。咄一r。眦一p。 。 。眦一p 尉一，o o o o o删一，o o o o o r = g a l 2 e i( 2 1 4 ) 式中，g 为剪切模量，a 为截面面积，l 为梁的长度，e i 为弯曲刚度 当梁的细长比大于3 0 时，该单元是适用的。 该单元通过增加第7 个自由度即翘曲自由度来处理翘曲约束。通过计算双力 矩而得到约束扭转法应力和约束扭转剪应力，再与自由扭转状态下的纯扭转剪应 力叠加得到约束扭转状态下的应力。 结构分析中，使用该单元可以得到： ( 1 ) 单元节点6 个自由度方向的位移。 ( 2 ) 截面的剪切力，剪切应变。 ( 3 ) 梁的弯矩、曲率、轴向力、轴向应变、扭转力矩、扭转应变、双力矩、 双曲率。 ( 4 ) 梁的弯曲应变，弯曲应力。 b e a m l 8 8 单元由于只有两个节点，其初始形状只能是直线，如果需要更好地 模拟曲梁或在保持单元大小的情况下提高精度，可以使用3 节点的b e a m1 8 9 单 元。 2 1 2 薄板弯曲的基本理论及板壳单元s h e l l 6 3 单元 薄板是指其厚度t 远小于其长、宽( ，之) 尺寸的平板。与梁相似，通常以板的 中面代表板作受力和变形分析。坐标平面x o y 面选在中面上，z 轴垂直于中面，且 为右手坐标系。 图2 - 2s h e l l 6 3 单元结构 薄板弯曲变形基于以下一些基本假设： 1 直法线假设。弯曲前垂直于板中面的法线( 直线) ，弯曲后仍为直线，且仍 垂直于变弯曲的中面，故有= o ，如= 0 。 1 4 2 平行于板中面的各层面之间无挤压，即旷= 0 。 3 板的中面弯曲后没有伸长或缩短，即中面为中性面。板的扰度以中面的扰度 来表示，且只是x ，y 的函数，记为w ( x ，y ) 。 4 板的材料是线弹形的、均匀的和各向同性的。 5 讨论的范围局限在小挠度问题。 根据以上的理论与假设，板中面处各点为零应力点状态，即： 仃，= o r ，= o r _ = = 盯。= 矿，= 0 。而距中面为z 的任一点处为二向应力状态， 只有仃，仃一吒，且它们沿z 轴呈线形变化( 直法线假设) 。可以把这些点的应 力合成为作用在板中面的内力。在x ，y 方向均取单位l 长度的板，然后沿z 方向 积分可得板的内力与应力之间的关系。 2 1 3c o m b i n l 4 一弹簧阻尼单元 对客车悬架部分的模拟采用的是弹簧阻尼单元，图所示为a n s y s 单元库的 c o m b i n l 4 一弹簧阻尼单元。 “ 图2 3e o m b i n l 4 弹簧阻尼单元 该单元可以承受轴向拉压载荷或扭转载荷。当选用轴向拉压载荷选项时，每 个节点有沿节点的x 、y 、z 轴平动的三个自由度( 不考虑弯曲和扭转载荷) 。当选 用扭转载荷选项时，每个节点有扰节点的x 、y 、z 轴转动的三个自由度( 不考虑弯 曲和轴向载荷) 。c o m b i n l 4 单元可以用来模拟前悬架的螺旋弹簧或扭杆弹簧， 当前后悬架的钢板弹簧简化为刚性梁与螺旋弹簧的形式时，则可以用其模拟此处 的螺旋弹簧。 2 1 4 连接用特殊单元 由于车身是和底架焊接在一起的，在建模时其连接方式需要采用特殊的单元。 通常对焊接的处理有三种方式：重节点、刚性元和梁单元。 a 、重节点 重节点就是将两节点或更多节点重合起来，属于一种比较理想的状况。这种 处理方式使得焊点处的焊件融为一体，但是在处理中存在着一些不足。我们知道， 划分的网格单元都属于片体，而非加了料厚的实体，而真正的部件实体都是有料 厚的。根据设计图纸中的不同基面( 一般以部件贴合面为基面) ，原则上两排焊接单 元应分别相隔各个部件的半个料厚的距离。如果是两个部件焊接，则焊接单元之 间分别相隔两个部件的半个料厚，一般低于3 m m 。在处理这些焊点时，如果强行 将某一节点重合至另一节点，则很容易引起前节点所在的单元过度翘曲，这是不 允许的。因为一般要求一个四边形单元的对角翘边不得超过5 度，过度翘曲会引 起单元失真，造成非高应力区出现高应力，导致结果失真，因此使用该方法后要 重新检查单元的翘曲 b 、刚性元 刚性元连接实际上包括固定铰支座连接和重节点连接两种。刚性元由节点连 接组成，组成的节点有主从节点之分。根据刚性元组成的节点的多少又可分为两 节点刚性元和多节点刚性元，无论是两节点刚性元还是多节点刚性元，其都只有 一个主节点，只不过多节点刚性元有多个从节点。对两节点刚性元而言，主、从 节点均有六个自由度( 三个位移自由度，三个转动自由度) 。如果从节点的六个自由 度均从属于主节点，则其效果与重节点相同，而区别就在于刚性元连接的两点可 以有一定的间距( 间距越大，结果越不精确) ，而重节点的两节点是重合在一起的。 如果从节点只有三个位移自由度从属于主节点，则转动自由度并不一定与主节点 转动自由度吻合，不能达到期望的效果。此时可通