（机械电子工程专业论文）hff6120wk47卧铺客车轻量化研究.pdf

l i f f 6 1 2 0 w l ( 4 7 卧铺客车轻量化研究 摘要 卧铺客车车身骨架是重要的承载件，车身骨架质缀占整车整备质量三分之 一左右，车身骨絮瓣轻量化设诗对减轻汽车鲍质量鸯羲 掌重要蛉意义。汽车 质量豹减轻不仅可戳节省耪辩，丽且麓撵麓整车豹动力健帮经济程并减少攘赦。 本文就是通过对卧铺客车的仝承载式车身骨架有限元分析计算，寻求切实可行 的车身骨架轻量化途径。 本文建立了全承载式客车车身簧檠懿蠢疆元模型，在静态条 警下，透过对 左右艏轮悬空的弯扭联合工况的模拟分析，寻找曹架中存在强度和刚度富裕的 构件，使之达到轻量化改进的目的。并且使用模态分析技术研究了车身结构动 态特性。计算得到前十阶固裔频率，并分析了低阶固肖模态振型。在模拟计算 鹃弱时，在生产，一家懿大力镄秘下，送抒了雷絮车戆戆恣强度试验。诗篓结莱 和试骏结果进行比较，修正计算模型，使商限元模型尽量和实际相接近，从而 确保后面改进设计的准确性。 羧进设计可以侵震各秘方法，本文譬 对兵体实黪壤嚣，壹接辩一些强度、 剐度影喃枣静构件，壹接进行改进。在确保客车性糍满是的蓊提下，使蒺量成 功下降了1 1 7 k g 。 本课题的研究内容，概括了客车车身理论、有限元理论与计算、a n s y s 软 譬应趱、客车羲凌态试验等，著曼鼹许多关键陛运麓，魏毒限元摸麓载建立与 简化、静动态试骏的准备与注惫事项等进行了较为深入的探讨。因此本文对咀 后此类型客车的轻量化设计掇供了重要的理论参考和工程实例。 关键溺：骜镶客车，嚣絮，试验，畜陵元分季厅，轻萋诧 r e s e a r c ho nt h el i g h t w e i g h tf 0 1 t h es l e e p e rc o a c ho f h f f 6 1 2 0 w k 4 7 a b s t r a c t as k e l e t o no fas l e e p e rc o a c hb o d yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t s 1 t s w e i g 址i sa b o u t o 珏et 巍i f do ft h ew h o l ev e h i c l e 越& s 8 + t h gl i 曲t w e i 馥to f s k o 】e t o ni so fg r e a ti n l p o r t a n c et or e d u c et h ev e h i c l ew e i g h t r e d u c t i o no fb o d y w o i g h te a 蕴n o to n l ys a v em 嚣t e r i a l s ，b u t 矗l s oi l n p v e 箍e e e l e f 鑫t i o np e f 参3 f n l 隧e e 鑫菲d f h e le c o n o m yo ft h ev e h i c l ea n dr e d u c ee n g i n ee m i s s i o n t h i sd i s s e r t a t i o ns e e k s f e a s 强l em e 蠡o d sf o f 疆ec o a c hb o d yl i g 瓤w e i 馥tw i t hl h ec o a e 圭lb o d y 嚣m ( f i n 娃e e l e m e n tm e t h o d ) a n a l y s i s i nt h i sp a p e r ，t 圭l e 妊n i t ee i e m e n tm o d e lo ft h eb o d ys k e l e t o no fa ni n t e g r a lb u si s b u i l t ，t h i st h e s i so p t i m i z e st h es i z ea n dt h i e k n e s so fs k e l e t o ns e c t i o na n ds e e k ss t e e l p i p e sw h i c hs t i l l h a v es t r e n g t ha n ds t i f 弛e s ss u r p l u su n d e rs t a t i cs t a t ew o r k i n g c o n d i t i o n ，n or e s t f i c t i o no fr e a w h e e l i t sf u l l yl o a d e di nt h es t a t eo fs t a cb e n d i n g a n dt o r s i o n i nt h ee n d ，a m e l i o r a t i o nh a sb e e na c h i e v e df o re v e n8 t r e n g t hd e s i g n a 鞋da l s ot h ed y 鞋搬i ee h 8 f 撞e t e r i s t l eo f 攮eb o d ys l r 聪e t h f e 羲魏sb e e 撞a n a l y z e d 碡，l t 蠡 t h em o d a la n a l y s i st e c h n i q u e t h et e no r d e rn a t u r a lf e q u e n g i e sa r ec a l c u l a t e da n d l o w o f d e rv i b f i t i o ns 羲a p eo ft h eb o d ys 糯e l 毛l r ei ss t 挂d i e d 转u f i n g 氇er e s e a r c h ，a s t a t i cs t a t es t r e n g t ht e s fw a sm a d es ot h a tac o m p a r i s o nc a ng e tb e t w e e ns i m u l a t i o n r 。s u l t sa n d e s tr e s u l t s i f 像ec o n p a r i s o ni sv e r ye i o s e ，i ti b e a n st h a tt h ef 嚣m m o d e li ss i m i i a rt ot h er e a l i t ya n di ft h ec o m p a r i s o nh a sg r e a td i f f e n c e ，i tm e a n s t h em o d e is h o u i db en 1 0 d i n e da g a i n a m e l i o r a t i o ni ss l i g h to p t i m i z a t i o na n dc a nb ed o n ew i t ha l lk i n d so p t i m i z a 妊。珏 m e t h o d s i nt h i s p a p e r ，s o m el e s si m p o r t a n tc o m p o n e n t s h a sb e e na m e l i o r a t e d d i f e c t l y 撞e c o r d i n gt ot h er e a ls i t u a 差主o n f i 珏a l l y ，t h el i 鬈h t w e i g h to f t 量l i s e o a c 珏b o d y i sa b o u t 1l 7k go nc o n d i t i o nt h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h eb u sm e e t sr e q u i r e m e n t s t h e e s e 默e 珏o f h i st 轰s i s 鞋c l 醢硅e s p 曩s s 珏g e fb o d yl h e o 端f e m 瞧e o f y ， a n s y sa p p l i a n c e ，s t a t i ct e s ta n ds oo n t h e r ea r ei n a n ys p e c i a l t o p i c ss u c ha s e s t a b l i s 囊l n e 珏ta 髓dp r e d i g e s t i o no f f 琶墨矗矬。莲e l ，p r e p a r i n go f t e s t sa n de a l 琏i o 珏s s o t h i 8d i s s e r t a t i o n p r o v i d e si m p o r t a n t r e f c r e n c e sa n da p r o j e c te x a m p l e f o r r e s e a r c 量l e r so ft h el i g h t w e i g h tt op a s s e n g e fe o a c h _ b o d y s + k e y w o r d s ：s l e e p e rc o a c h ，s k e l e t o n ，t e s t ，最n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，l i 曲t w e i 曲t 含肥工业大学 本论文缀答辩委员余全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 答辩委受会签名：( 工作单位、职称) 主席：潲 林咙媳蟊岐 j 委员： 刷吼艄刃 舍陋瘟用和饿霄两高 昼萨，多媳酬各茂 岔肥坳晦纠畚收 玲怒譬魈咧娠 插圈清单 强l l 车身结构设计系统集成榧图t 圈1 2 优化循环过程及数据交换 图1 3 本课题研究的主要内容和方案流程图 图2 1 粱单元一 圈2 - 2s o l l d 4 5 单元纳几何形状图t 圈2 3 正六面体单元局部坐标系示意图 凿3 1 客车车身骨架实体模型 翻3 2 客车车身骨架有限元计算模型 图4 1 静态试骏现场 围4 2 测试信号传递方框图 胬4 3 车架静态贴片布鬣图 隔4 ，4 右侧嗣静态贴片布置图 銎4 5 左侧国静态贴片布置图一 图4 6 顶盖静态贴片布置图 图4 7 后围静态贴片稚置睡一r 图4 ，8 车架动态虱占片布置围 圈4 - 9 右侧鲴动态贴片布置圈 图4 1 0 左侧围动态贴片布置图 图4 1 l 后围动态贴片布置图- ， 图5 i 纯弯曲工况应力分布- 图5 - 2 左轮悬空工况应力分布 图5 - 3 右轮悬空工况应力分布- ， 图5 4 一阶扭转振型- - 图5 5 一阶弯曲振型 图6 1 左侧围改动横粱位置图- 图6 2 右侧围改动横粱位置豳一一 图6 3 横粱改进前结构图一 篷6 4 横粱改进焉结构强+ 国6 - 5 三横粱改遴前结构图 圈6 6 = _ = = = 横粱改进后结构图 ，；6 陀n n 他m h撕勰髂猫凹”弛柏鹌鹌皲甜蛆观。|霓 表格清单 表4 一l 没备型弩规格衷- t 表4 2 应变片对应贴处列袁- 表4 3 弯曲工况试验应变值 表5 1 静弯工况下计算与试验结果比较- 表5 2 左轮悬空工况下计算结果t 表5 3 右轮悬空工况f 计算结果 表5 4 静弯工况的门富对热线计算结果变化一 表5 5 左轮悬空工况的门窗对角线计算结果变化- - 表5 6 右轮悬空工况的门窗对角线计算结果变化 表5 7 车身骨架前卜阶固有频率 表6 1 左轮悬空改进前后结果比较 表6 2 右轮悬空改进前后结果比较- 表6 。3 改进前后f 1 窗计算结果变化- 表6 - 4 改进前后车身骨架前十阶固有频率t 驺筋”姑钟驺舭稻船始 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志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经敏表或撰写过的 磷究戒暴，也不毽含为获得念l l 三篷叁兰或其镌教弯辊擒戆学位鼗涯书嚣使弱建戆封 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。 籼敝黼擀：m 驴醐：沙莎弘月夕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒匿王些太燮有关保留、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簧印件和磁盘，允许论文被查阅线借阅。本人授投金 萋篓羔塑塞兰霹班将学经论文静金都城帮分论文内容编a 有荧数据瘁进行检滚，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) 学位论文作者煞 靛字日期：l ； 学位论文作者毕业后去向； l 二俸擎俊： 通讯地址： 导i 币签名 签字日期：抄 邀 丢 邮编 致谢 本文鼹在我簿敬的芬筛一一蓉文镄导筛豹悉心指导下宪成鹩。在既论文完 成之际，对他在我的研究生学习阶段给予的学习和生活上的关心和帮助表示我衷心的 感谢。曾老师严谨求实的科学态度和深厚的专业理论使我受益匪浅。曹老师对我论 文撰写工作自始至终郝顿注了大爨的心血，对我谂文豹选题、修改塞至定穰零 绘予了糖，艮躲撂导。谨囱导爆表暴最诚挚瓣谢意。 感澍e a 蛰c a m 中心静昌新生、壬浇褫、陈科、张释等各位老师对我的指 导耘帮渤l 懑谢姜藤溥，黄豳兴、赵浩杰、常被褥、李辉等研究生对本人学习秘职 究工作的帮助! 最朦，澡深感谢我的父母，延怒由于他 f 】坚定的支持靼鼓殿，才让我能够 安心颞裂蟪完成学渡! 作者：豫雒 2 0 0 5 年3 月 第一章绪论 1 1 弓l 奁 1 5 年的绞专 浚料表甥，世器汽车爨嘉爨戆达6 ，钇辆，平均每8 。4 人一辆 “1 。汽攀这秘“剁遗时空馀德的聪代化加速器”正以越卷越大灼影响鄹波变蔷 人类熬耪会生活。撼一方疆，爨1 9 7 3 年石、洼箍撬发生螽，辩汽车辍鬣耗l ；雩题静 关注篷程蕊鬣鏊益离涨起来。这是瓣势：能源阉怒。瓣嚣行酸在餐誉豹且亿辆 汽车，主簧燃料仍然怒汽油、浆漓等石漓产貉，年消耗石浦一百多亿桶，占世 界石溢憨消耗爨瀚5 0 左右。校据预测，到2 黼5 年前孀檄莽石油可能季鑫竭“1 。 面对这种严竣前聚，降低燃料消耗( 以下简称燃耗) 成为汽率界砸妫的紧迫谖题 之，而减轻汽车旗量又是降低燃耗戢有效的撩施之一。地球轿壤问题。燃 耗与废气排放密切相关，汽车排放中的c 0 2 ，n 0 x ，c 0 等魁造成温室效应和空气 污染的黧簧原因。特剐是e 0 2 气体( 地球滢室效度数s o 是走宅逮成敬) 鹣攘鼓量 近年来的增加趋势瞒萎宓鞋大”3 。主要匿家邑橱继到定壤援凌裁定啜剿燃艇和黪 赦的严攘法援。 i 。2 戮究鹜景 我阉大中燮客车产灏开发经掰了蓥遣、改装、仿麓、菠术引邋以及自主开 发簿阶段。但总体上来说大中型客车整体自主开发能力仍然较低，只有少数几 个厂家典备较强的自主开发能力。部分大中嫠鬈车企渡通过与国强会资、合 乍、 采取技术引进、c k d 缓装等方法，提高了产黯技术食懋，但与豳际先进水平逐 存在较大的差距，我国大中裂客车的可靠牲、缀济性、谶力性、安全牲、搀藏 以及噪声等指标仍霄很大差躐，如宓车专用底盘的技术水乎大部分只达剡了国 外上世鳃8 0 年代寒水平 4 j ，只骞令嬲金监弓 避产晶豹搜本水平按遥蓍辨瘫遴东 平。 爨蓠辫内容举普遮存在翡蠲越楚整车游调霞较蓑；设计中对闯蘧往往采敬 弱郄燃强弱方法，这使得事耋越攘越大；褥瓣菜些瘫该躐少构稃、减薄稀辩藏 改变缩檎形式的情况，帮戳缺少溺确的数疆依攒不敢滋行实施。因此开聪客车 车夯缩构强度瀚计算互作，在满髭缩构强度和剐度的前鼹下，合理她进行结构 设计，以达到轻餐化的目的、对车身优化设计具有羹要意义。 筏醚大中鍪雾车瀚供求熊力远远超过了市场需求，各大客车垒效正在进行 战路调整，在不扩大企渡生产毙力麴前提下，擞快了企逝酾灏产品开发，进 步提态产热的性熬秽科技含量，遮就决定了必镞对现鸯懿车楚进行结构强度、 刚度分析计算和棚应结构改进的分u 蝣硬究工馋，以便必毅攀溅熬硬划开发提供 诺豢瓣校核方法。 远筝采，为了攮邈客车骜缀能、豪掺纯，客车瓣嬲了各种装誊，这些黪嬲 装置都漕加了客车的质量。为了抵消饼寸加装备增加的质量，也必须加紧研究客 车麓本组成部分的轻爨化技术。 本课题就是在上述背景下提出的，目的在于研究客车车身然构馒之受力台 理，等强度及等寿命设计。最终达型保诞客车在蛙越葶窭骥魏不受影蛹或寿掰提 高的情况下，实现客车轻潼化、降低燃耗、减少撼放。 1 3 礤究意义 2 l 程纪整车发耀趋势楚系剜纯、模块纯、轻量优、小爱仡、电子化( 自动化、 智裁仡) 及个链住。减轻汽车骞身簇量意辣节约了能源和材料。提炼原材料、铡 遣汽车和使甬汽车所消耗能源三者的比例为1 0 ：5 ：8 5 汽车自身质缀每减1 0 0 k g 可节浦o 2 l 1 0 0 k m o 。3 l l o o k m ”。因此备国都在竭力减轻汽车自身质量。 我国2 0 0 1 年的大中型客车产登已达5 9 万”1 ，其中大烈客车为1 1 万辆，中 型客车为4 8 万鞭，疆蓑国内高速公路靼旅游事业骢发展，髑于中、长途客邀麴 豪华快速客车的生产得以蓬勃发展。另外，城市建设魄加快，市政管理嬲加强， 謦米了城枣公交车枣场戆繁荣。然嚣，我霆已凑爨鳃磊 鑫键量和瓣在靛产量酃 不冀宽掇。2 0 0 1 年我爨石涟产量是l 。6 5 亿睫，攥石浊开采熬f 1 馋算，在令爱糨 当长一段葬孪溺，我晷石漓开采量要维持在这个水平将是徽躐难酌。面对石漓储 量逡灏减少，终将檄竭翡严浚蓠景和汽率捧效严重破坏穗球环境的魂实藏秘， 努力减轻餐车质藿、节约撩耗、减少排放污染穗成为客车技术进步的重疆而紧 遣静谋题。j 觅外，在客车的燃耗鞫摊敖方面，我们与发这国家相比也存在不少 差距。因此，减轻客率质缀和降低燃耗的任务就更为艰巨，为使我国窖车工业 尽快赶上国际先进水平，黠彳李加入谨t o 蔽霹井客车的挑战，磐须离凄重视这个瓣 颢。 1 4 车身结构设计圜内外研究现状 l 。4 。l 濯终基本 l 擎魏 经过兰卡多年懿积累秘发震，霪井许多大汽车公蠲建立了嵩链能的车身计 算耩辅助工程系统，形成了完整酾设计、分析方法与试验程序。如图l l 为国 乡 瞽遍采瘸豹车身结构设计系统和流翟”3 。 荫前，国外新车型开发周期已疑缩短到2 4 至3 6 个月，这与采用现代攀身结 构设计方法分不开的。现代车身结构设计由原采的经骏、类魄、静态设计，商 建模、静动态分析、动态优化及虚拟现实设计转变。现代车囊缕构设计方法毒 以下几个明显的特点”。： ( 1 ) 设计与分事后平行。从一开始以濑足一定性能要求戈壁的的枧橡选型、继 稼设计，到具髂设计方案翡魄较及确定、设计方寨瓣援援试验，擎身结构设计 的器个黔段均窍缨橡分专居的参与。车身结搀分攒贯穿了整个设诗过程。这样撩 定熟车身结构设计方褰，基本上就楚定溅方寨，由此方案设计出的样车只霈一 定的验诫使用即可定型，大大缩短了车身开发及研制的周期。 ( 2 ) 结构优化的慈想被成用在设计的各个阶段。轻量化要求和舒适往及安全 经要求憨不掰援高，使车鸯设谤瓣难度越来越大。爻了满蹩这些要求，必须在 设计酶开始除段就弓l 入优化设诗豹憨怒，并将菸贯穿整令设计除段。 ( 3 ) 大爨灼艨拟试验代耱实物试验。虚拟试骏不仅可以在没有实物的条件下 进行，聪且实施迅速、信息量大。利用虚拟试骏，一方麟可以在多个设计方案 中选择鬣伉，减少设计的盲目健，鹅一方面可以及早发璐设计中的问题，从而 进步减少设计成本，缩短设计周期。 图l l 车身结构设计募绞鬃成框图 1 4 2 圈内基本情况 国内对客车车身避行的分析般仅限于强度和削度的静态分析，在韵态分 耩上超多较魄。这一方谣楚由予受到蒋矮备瓣诗冀辊较、硬件条件酶潮终，筠 一方面车身建模过程涉及戮素多露基结梅缀复杂，还有符予作凌一疹秘戮究翟 探索。漉段时期虽露一些在大寥事、轿车和学裂蒙皮式半承载式轻裂客车车身 结构分攒方西的应用，但与国终的车身结构分掇相比明驻存在蓉许多不足。主 要差距肖“1 ： ( 1 ) 车身结构开发工作主要j 丕越依赖经验和解剖进口结构进行参照性设计 鹄，多稻来熊决样擎试验戳嚣密凝灏设计滔嚣，设诗与分辑寒髓粪委徽弱并行。 ( 2 ) 由于软硬传对诗箕模型媛摸豹隈利，模跫嚣缉纯提凌不够，嚣嚣结橡豹 测度、强度分援的缝暴还域较瓤路。计算结果多用寒进行绪鞠的方案魄鞍，离 虚拟试验的要求还谢相当大的麓距； ( 3 ) 有限元分析主要应用在结构的强度和冈l j 度分析方斌，在碰撞、振渤、嗓 声、外流方蔷瀚模擞计算才嗣喇超步，对车身缡梅或部 攀的各矮经麓指标遗行 系统分析及优化的实例还未见到。 1 5 车身结构轻量化研究现状 旱程8 0 年代，美国逶麓汽车公司研究试验室主管萄主任p a u l f 。e h e n e n 先生 就曾极有预见性地对客车车身结构必须满足的一系列约束和应达到的目标作了 详细的阐述”“。 他所提到的约束和目橼实际上构成了对率身结构设计全方位要求。即：刚 窟、强魔、耐久性、隔振降噪性能、安全性、内外模型、制造性、环保及成本 要浓等。国外强设计车身时，一般将静态扭转刚度、静态弯曲剐度、低除固蠢 频率和车身重照作为汽车窜身设计目标。除了用有限元法分析车身的静强度、 静爨度、摸态露动态睫应终，还霉测用鸯袋元软孛进露车身形状捷讫( 掇羚专| | 己纯) 和结构参数优化“。 客车车身嚣絮、笈费撬、蒙皮、凌静装镄占客车慈震曩沈髑大，臻重潜力 大。车身直接决定整车的安全性、舒适性、美观以及由车身外形空气动力学性 能决定静操缀稳定穗、动力经、经济涟“”。客车减蓬戳车身骨架为主嚣对象， 文献 1 8 指出，通过结构优化设计，车身大约能减踅7 ，国内客车车囊减重将 远远超邋这个眈铡，代表酗内客车产品领先技术水平的厦门金龙联合汽车工业 有限公司与美阑a n s y s 公司会作对其生产鲍慕系列豪华快速客车车身进行结构 静幼态分析。有限元计算缩果显示，客车车身弯曲刚度和扭转刚度大、开口变 形小、强度德备大，轻量化潜力缀大。邋过掇缓结梭优化设计( 没有应怒参数纯 设计理论) 后车身质懿下降了2 5 0 公斤”。文献 2 0 在e q l 0 6 0 f 驾驶室车身的优 化没诗中，鞋车身爨羹与蕉覆邃风整力海嚣撅丞数，终紊条佟为最大应力、车 门变形及固有频率，设计变量为前围、后围及顶盖梁构件的厚度值，采用了统 一瑟标蘧数法露求最优解，得到了院鞍满意静优纯结采，车身舀重与空气随力 分别下降了3 7 0 n ，7 0 n ，为圈内车身结构优化设计作了一次有益的探索。 在汽车车掰、车架等缩构设计中，为了满足各项性能疆求，先进的轻量化 设计理念是十分重要的，穗且随滋市场竞争的激烈，追切霈要缡短产品开发时 间。基于有限元法的结构优化与灵敏度分析怒保证分析对设计指导作用正确性 的一静极为有效螅方法o “，它可以针对结掏的任意矬毙参数：热憨质量、剐浚、 强度或一阶固有频率等进行优化设计及分析”。因此，能够充分挖掘设计潜力， 眈铰译羧设计方案势在各耱设诗方案中寻锯，姨瑟褥至l 毒纛戆爨冬各瑗薤努褴 能的最优设计。一个热型的优化循环过程及数据交换如图l 一2 所示”“： 4 图l 一2 优化循环过程及数据交换 该优化过程可以实现结构有限元分析模型、优化模型及优化算法之间的连 接。基于有限元模型的结构灵敏度分析及优化方法，可以提高结构优化结果的 准确性与高效性。在设计时，可根据对结构性能的具体要求确定目标函数与性 能约束，通过灵敏度分析选取合适的设计变量，经优化得到满意的结构。 2 0 世纪8 0 年代末期，国外开始了结构灵敏度分析在汽车车身设计中的应用 研究”“。国内尚少见相关研究资料，文献 2 5 建立了国产某中级轿车车身焊接 总成的模态分析有限元模型，并利用该模型对该车主要低阶固有模态进行了结 构灵敏度分析，分析结果不仅可以直接应用于设计中以提高车身结构的低阶固 有频率，而且对车身结构优化设计与分析工作也有重要的参考价值。 1 6 本文主要内容 本课题来源于一大型客车制造厂。主要研究一款1 2 m 长的双层卧铺大客车车 身骨架的轻量化问题。该车采用全承载式车身结构，车身骨架是主要的承载体， 各种载荷通过骨架将力传递到车身的各部分，使得整个车身都参与承载。 车身骨架减重的主要途径是利用c a e 技术进行结构优化设计，在确保性能和 功能的前提下，消除无用材料，寻求零部件壁厚的减薄，数量的精简和结构的 整体化、合理化。本课题研究的主要内容和方案流程如图1 3 所示。其具体内 容如下： ( 1 ) 调研国内( 外) 大型客车车身骨架结构形式、车身骨架用材及拼装方 法，为该卧铺客车车身轻量化研究提供参考资料。 ( 2 ) 建立该卧铺客车车身骨架纯梁单元有限元模型并进行静态、动态的有限元 分析。 ( 3 ) 根据纯梁单元模型的有限元分析结果，对该卧铺客车车身骨架进行满 载静态和动态应力测试和分析，以期掌握客车车身应力分布状态，并验证有限 元模型的正确性。 嘲l 一3 本课霹研究的主要内容秘方案流程圈 4 ) 综台该爵镰鬻车车身赣絮缝粱荤元模漤静态、动态雏分辑络皋莘露该骜 镳客车车身劈架满载势态魏动态应力测试积分掇的实验结果建立该黔镶露车车 身骨架梁体混合有限元模型，并进萼亍有限元分橱。 ( 5 ) 练合比较纯梁单元模囊的有限元分析结果和粱体肇元混合模型的有限 元分析结果，提出该卧铺客车车身骨架改进设计方案。 ( 6 ) 对豁铺客车车身黉檠改遴设计样锋涟行满载下瓣静态秽动态应力禊试 积分檬，骏涯榉魏浚谤稳合理黢翻蓬礁牲。 6 第二章车身结构有限元分析理论 2 1 蠢疆元基零溪谂强蝴强”珏” 有限元是力学、计算方法和计算机拨术相结合的产物，它有自己的理论基 础和解题方法。e 妇于有限元强解决工程技术问题时的烫活、快速及有效性，发 震非嚣迅速，最初毒限元方滋被怒来砑究飞撬结梅中懿应力闻霆。露裁，其解 题范溺已经包括了各个领域( 如固体力学、生物力学、流体场、电磁场、温度场、 声场) 的数理方程，其计算机程序几乎能求解数理方程中的各类问题。它己成为 解数理方程的一种通用的数饿计算方法。 在慕熬工程技术领竣戆安嚣润题霄，建立基本方程露透赛条俘逐是篦较容 易的，但是由于戴几何形状，材料特性和外部载荷的不规则性，求得解析解是 很困雉的。因此，寻求近似解法就成了必由之路。经过多年的探索，近似算法 有许多瓣，但常用的数值分掇方法就是差分法积有限元法。差分法计算模型可 给窭其纂车方程熬逐蠢近钕镰( 差分潮疆上秘赢) ，毽瓣予不巍戴魏见蠡形袄静 不规则的特殊边界条件差分法就难以应用了。有限元法把求解区域看作由许多 小的在节点处相互连接的子域( 单元) 所构成，其模型给出基本方程的分片( 子域) 近似勰。由于单元( 子域) 可以羧分割成务秘澎壤霹大，l 、不疑粒尺寸，殛鞋它戆 缀好媳适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂晌边界条件。稃加上它育 成熟的大型软件系统支持，使其已成为一种非常受欢迎的，应用极广的数值计 算方法。 畜蔽元法戆应覆可逵溪弱2 0 整纪4 e 零代。1 9 4 3 年，e o u r 8 n t 第一次在论文中 定义了在三角形域上的分片连续函数并利用最小势能原理研究了s t v e n a n t 的 扭转问题。然而，此方法发展很慢，直到1 9 5 6 年t u r n e r 、c l o u g h 、m a r t i n 和t o p p 等人爿。在健们的经典论文中第一次绘出了嚣| | 三角形单元求褥瓣平霹应力闽题的 真羹三解答。谴稍稍臻弹性瑾谂豹方程求蹬了三角形单元的特性，并第一次介缮 了今天人们熟知的确定单元特性的直接刚艘法。他们的研究工作随当时出现的 数字计算机一起打开了求解复杂平面弹性问题的新局磷。 在1 9 s e 年c l o u g h 进一步怒瀑了平嚣磐梭爨蘧之磊，工程爨弱嚣络诀谖了黉 限元的功效。此搿有限元在工程界获得了广泛的应用。别2 0 世纪7 0 年代以后， 随着计算机和软件技术的发展，有限元也随之迅速地缴展起来，所涉及的内容 有：有限元法在数学积力学领域所依据的理论；单元的划分原则，形状函数的选 取及协调毪；有鬻元法掰涉及豹各耱数德诗算方法及冀误差，浚敛瞧鞠稳定往； 计算机程序设计技术等。 汽车车身和率架是复杂的承载结构系统，用经典力学方法计算其强度和剐 度，或进行动态分辑，爨唾需要终撮多楚化秘程设，计舅冗长繁杂，黪痉毽缦差。 复杂构俘计算对鬻要魏下凡步：初步给出结构的几何尺寸，并按照已知的结鞫 载荷工况来进行分析计算；根据算得的变形、内力或动态参数来修改几何尺寸， 然后再进行分橼；如此反复，以便选取最毽方案。这对纛限元法裁或为计算车 身、车絮鹣一群舂效覆实瘸静工蔡。 有限元计算的第一步楚结构的模黧化，即将工程问题离散化为有限元计算 模登，而模型他的关键瓶怒选择合适的单元来模拟结构。可供车身结构模型化 使用的单元主要有空间梁单元、空阅薄壁粱单元、空闰貘单元、薄板弯魏单元、 蠢单元和实访单元。有时还媛到一些模毅支座或其媳笺杂结梅蠲黪莱磐特殊擎 元，始边界元，主扶关系元等。在县体选瘸对，是戬力求真实度酸军身结构的 力学特性为前掇，尽胃稳选焉简单的荦元，使褥穰壅既合疆，又节约计算费用。 镄鲡，计舞车身骨黎和车桨，瑶采用空闯粱单元和空间簿蹙梁单元。当薅要计 及蒙皮作用时，宣以空间膜单元或壳单元来模拟。空间膜单元对结构提供膜自 拉伸、压缩和剪切刚度，多用于悫体形状复杂、曲率较大灼曲露。特别在车架 中的蘧恁悬絮位置处，一方瑟缝襁复杂，另一方露毖位置处楚大应力集中分布 楚，芳餍梁单元进行有鞭元计算时，车身结构中的缀横粱交羧处、秆件交接处 在力学模型中被抽象为一个节点处理，无法准确计算接头区域的应力分布。因 此采用实体单元，将接头区域的真实形状用模型表现出浓，从面最为准确的缮 到接头区域鲍应力馑秘应力分毒。采用实体摹元采模揪，其黪点是节点帮单元 数量大大壤热，划分雕格等计算蓊韵准备工佟量和计算缩巢的处理工髂鳖很大， 需要采蹋鑫动划分网格和数据处理的计算机软件。 有黻元离散纯进程实际上楚将无限个自由度的弹性体转化为有限个爨出度 单元集合体。丽从数警上讲，则是把连续形式的微分方程转化为l 弋数方程组， 以便于用电子计算桃进行数僮求勰。有限元法彳辱到魄应力耀位移般都是远钕 值。当单元划分褥足够多，单元位移醢数选择会璎对，共有限元法分析得到静 结果菲紫接 荩精确躲，栽够宠金满蹩予实际工程蠲题的需要。 2 2 有限凭分析的具体步骤 2 。2 1 模裂建立及结构离散化 在遴嚣毒限元分撰时，营宠运劐熬阕蘧靛楚对实际续槐逡行镬没移麓纯， 即考虑主要因素、忽貉次要函索。获而建立超邋合予有限元分祈的力学模型。 一个好的力学模登应满魑以下两条： ( 1 ) 模型驻基本葳映实物的真实受力状态，分析计算终果能满足予工程需 要； ( 2 ) 模型考虑圆素尽攫少。谤究对象篱革，可以降低有限元分橱辩的工作羹。 有限元分孝厅靛建模过程主要镪糕戳下3 个方面； ( i ) 结构简仡：穰据实物酶安际受力状态、对称和反瓣称往等情况，在保证 其受力状态基本不变的前提下，尽量简化其练构，以达翔酶低计算工终量、减 8 少数据处理的目的。 ( 2 ) 载荷处理：应考虑引起结构受力状态变化的主要载荷，对于一些次要、 且计算复杂的载荷可以忽略不计或简化处理。 ( 3 ) 边界条件处理：尽量利用有限元分析程序提供的各种边界处理方法来模 拟实物的力和位移边界条件。在模拟过程中要确保模型为“结构”，而不能为 “机构”。 建模是一个难度较大的技术问题，也是有限元分析中的关键步骤之一。只 有丰富的理论和实际经验，再加反复分析和探索才能建立起一个较佳的有限元 分析力学模型。在有限元法中，由所选用单元的自由度、广义力和广义位移来 决定相邻单元公共节点的连接方式。 在连续弹性体中需要人为地把它离散成有限个单元，或者说把它离散成为 个离散的结构物。该结构物由有限个有限大小的构件在有限多的节点上相互 连接而成。称有限大小的构件为有限单元，简称单元。 各单元彼此连接点称为节点。在桁架、弹性平面问题和弹性空间等问题中。 把连接点都取为铰节点，以节点位移作未知量。如果相邻单元之间有法向力和 弯矩传递，则必须把节点当作刚性节点，在有限元法中，由所选用单元的自由 度、厂义力和广义位移来决定相邻单元公共节点的连接方式。 杆系结构是由若干个杆件组成，离散时可把每一个杆件看作是一个单元。 离散后的桁架单元是二力杆件，刚架单元是梁、柱单元。 2 2 2 单元位移函数 正像计算数学里用许多足够小的直线段连接成折线去模拟一光滑曲线那 样，有限元法从物理的角度设想用处于简单状态的许多足够小的一片一片的被 连接起来的一块去模拟真实结构物，例如假设在这些小片内的应变是常量、弯 矩是常量。很自然，数学力学都希望采用较大的一片( 单元) 去模拟实际结 构物而又期望得到一个令人满意的近似。为此目的，有限元位移法不得不在单 元内假定二次、三次，甚至更高次的位移场，就象用简单曲线去模拟复杂曲线 那样。 设单元内任意一点的位移由下式给出 f _ = f 协 。 ( 2 1 ) 式中 f 一单元内任意点的位移分量列阵； 占 。一单元的节点位移分量列阵； 【 一形状函数矩阵，它是以p ) 。表示 f ) 的转换矩阵。 节点自由度中的某一些量可以是位移，而另一些量可以是位移的导数，例 如转角。因此称为广义位移，所对应的力、弯矩等称为广义力。 在有限元法中，建立式( 2 1 ) 中的位移函数( 或称为位移模式) 一般有两种 方法”： ( 1 ) 广义坐标法：基本思想是在广义坐标系下，利用节点位移分量p 。经一 系列矩阵计算，求得形状函数 】。这种方法推导过程相当复杂，尤其对复杂单 元，短阵求逆变得相当困难。 ( 2 ) 插值函数法：基本思想是借助于直观、试凑以及对类似而又简单单元的 熟悉形式，提出所需要的形状函数l l 或插值多项式，而不需经过广义坐标的中 间过程。这种方法推导过程简单，但试凑一种新单元的形状函数l i 比较困难。 2 2 3 解答的收敛条件 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；或者，当单元尺寸固定时，每个单 元的自由度数越多，有限元法的解答越趋近于精确解。 有限元法收敛条件如下： ( 1 ) 在单元内，位移函数必须是连续的。 用来构造单元位移函数的多项式是单值连续的，因此选用多项式为插值函 数的单元位移函数在单元内是连续的。 ( 2 ) 单元位移函数必需包括刚性位移项。 每个单元的位移总可以分解为刚性位移和它自身变形位移二个部分。由于 一个单元牵连在另一些单元上，其他单元发生变形时必将带动该单元作刚性位 移。如悬臂梁的自由端单元跟随相邻单元作刚性位移。因此，为模拟一个单元 的真实位移，假定的单元位移函数必须包括弹性力学的刚体位移项。 当节点位移具有相应于刚体位移的给定值时，单元应变和节点力必是零。 当采用不包括刚性位移项的单元位移函数，就会出多余的应变和节点力，因此 节点的平衡方程受到限制。 ( 3 ) 在单元内，位移函数必须包括常应变项。 每一个单元的应变状态总可以分解为不依赖于单元内各点位置的常应变和 由各点位置决定的变量应变。当单元尺寸足够小时，单元中各点的应变趋于相 等，单元的变形比较均匀，因而常应变就成为应变的主要部分。为反映单元的应 变状态，单元位移函数包括常应变是必须的要求。 ( 4 ) 关于相邻单元公共边界上的连续性。 有限元法一定要求满足有公共节点的单元在节点处的连续性，在连续体弹 性力学中，位移是到处连续的。从模拟真实结构物着想，若能构造一个单元位 移函数在相邻单元之间是连续的，不发生相互脱离开裂和相互侵入重叠，那是 理想的单元位移函数。不难想象，如果单元非常小，并且在相邻单元的公共节 点处具有相同的位移，也就能保证它们在整个公共边界上，大致取得相同的位 移，在相邻单元之间接近连续。在板、壳的相邻单元之间，还要求斜率不发生 l o 突变，只有这样才能保证结构的应变能是谢界的。 以上提及的4 条收敛条件，只要假定的位移函数由多项式构成，满足第l 条 要求怒不或溜逶粒；筻2 、3 条谎瑟了在稳逡攀元蘧移瓣数对，魂不能遴添了常 数项、一次项等低阶项。第1 、2 、3 条是有限元法解答收敛的必要条件，计第4 条超构成了有限元法解答收敛的充要条件。凡满足第2 、3 条的单元又称为完 备单元，满足第4 祭懿单元豫为协谲单元，瓣予完墨稻诲调匏单元冀解答蛉收敛 惶楚肇调豹。 2 2 4 单元分析及整体方程求解 謦元经移函数臻定嚣，裂耀撵一蓬力学瓣基搴方程藏可以进行攀元分羲。攀 元分誊行的主要内豁就是由单元的节点位移表达出单元的应变和应力。从而建立 起单元的平衡方稷，并求出单元的刚度矩阵( 简称单刚) 。 邋过整体分据，建立起结构物在整体嫩标系的平缀方程。弓l 入支承条 牛后， 整露方程就转变为其有雅一瓣戆线毪方纛筑，求瓣该方程胃褥鬟各节点静位移， 进一步计算可得到单元的内力和应力，以及单元内任一点的位移。 憋体平衡方程实际上是线性联立方程缀，它的解法可以分作两大类：直接 法耱逸代法。壹接法噬毫强瀵去法为基碟，求鳃效率麓；在方程缓瓣除数不嵩 对( 侧如不超过1 0 0 0 0 阶) ，通常采用直接法，直接法是滔前采用的激多的一种方 法，主要有带宽商斯消去法、三角分解法以及适用于熙大型方程组求解的分块 解法和波前法等。迭代法具有算法简单和稷序编写容易的优点，但罄求总刚l k l 其鸯一定戆条箨，麴薅黎、爱定、主对角线元素往势等，显诗雾戆瓣长瑟又鸯 预先无法估计的缺点，迭代法主要包括简单选代法、赛箔尔迭代法和松驰迭代 法等。 露前，在微型计算机上对熬体平簿方糕求解通常采惩直接法中的三焦分瓣 法，有关该法懿谨缓内容可参凳有关计冀方法书藉。 2 3 建模单元特性 2 。3 1b e 勰1 8 8 空瓣粱萃元赞夯。2 1 空问梁单元麓有限元中的常用单元，本文中除了底粲中与悬絮相连接的位 置处采用实体单元外，其余的部分如侧围、前围、后围、顶盖以及底架其它部 分均采用空间梁单元。该梁单元为b e a m l 8 8 ，每个节点蠢六个位移分凝如图2 一l 繇示，鞠溶三个擎元坐标方惫戆线应移“、v 、w 襄绕三令辘戆转热毋。、乎，、垂：。 可将任一节点罐线位移分量用瓶 表示，三个角位移分量用 谚 来淡示，由于 每个粱单元都含肖两个节点，则单元j ，肭节点位移向嫩为： 溉；8 = 【“，t 鼹气吃咚v l 7 。 ( 2 t2 ) 冀对应的节煮力为： 扩l 。= 眇，k 彬z 肘，m 。u ，巧彬lm “m ，】7 ( 2 3 ) 单元刚度方穰为： 涉；。= 时斌r 熟中单元刚凄矩阵k r 见式( 2 5 ) 。 了。剐 i 币碉 l翌 i晕对称 l6 q( 4 十谚坞 | 里恻枣嘲融趣 |6醴弦建敝 时。 删翻阿朋1 ll 翅锻l 霹 | 丽司酉高确 fj 里旦羔匝 |墨坠螋旦 i卿( 2 一西域觎 i 硐面万葡； 1 2 ( 2 。4 ) ( 2 5 ) 掘可 可 塑阻d 式中 氏* 券识= 券 x + 少一为单元整拣系； 丸、丸一对，和z 轴方向的翦切影响系数； g 、茸一势留穰鲞和羧伸群住模萤； 鼻，、+ 冀：一截瑟瓷y 和方囱鹣舂效抗赘嚣凝； ，、屯一截面对帮z 辖豁横性矩； 轰一截面对并皴的扭转蠼燃矩； ，一单元长度； 矗鋈攀元援截嚣瑟积； 若记雾为整体嫩标系下的单元刚度矩阵，则整体坐标系下单元的节点力向 量淤驰鳓量呼雾薜y 汜。， 式中 善 。f f 转 留】 ( 2 7 ) 而 瞰】o o 0 1 ， 阱| 删麦】：| 眩s ， l oo o 洲 口】为单元坐标变换矩阵。 2 ，3 2 s o l i d 4 5 实体单元简介 闰2 2s o l i d 4 5 单元的几何澎状图圈2 3 正六面体单元局部坐标繇示意图 麓了提裹诗冀糖发及节害诗箨撬瘫存，袋羯空瓣8 节杰豹s 0 l 1 0 傣萃元。 s o l i d 4 5 体单元用予三维体结梅的模型分掇，革元由8 个节点怒义缀成，每个 节点有3 令叁逛发，颦x 、￥秘z 方两豹餐移，箕绻稳灏魏翟2 2 簸零。 空阃8 节点单元的母单元为边长为2 的难六面体单元。单元中的无量纲局 委一 而艰逛 d m ， 一 o”：0 _ 0“j0，l 0 i # z 鞯寸声 n l # 日) f m 靠w k ， 嚣 y 熬坐标系受勃f ，激正六瑟薅攀元豹形心为藤点，定义三条互相垂纛透兹方蠢 为亭轴、可轴和f 轴，如图2 3 所示。单元内任意一点的坐标掌、叩和f 的值， 都在一l 葙+ l 之阚。 单惩内饺枣一点坐蠛( 墨y ，z ) 的訾元几何模式为： 羔= 弼一，y = j 一，；= m 毛 ( 2 9 ) t li m lj = l 式中，；形丞数，鄹 ，= ( 1 + 掌；掌) ( 1 + 珂，刁) ( 1 + f 。f ) ( 最毒+ 习。，7 + f 。f 一2 ) 8( f = 1 ，8 ) ( 2 1 0 ) 孝，仇f 一筋部坐标； 薯y ：三一熬俸坐檬。 实际上，式( 2 。9 ) 就是单元内任意一点的鼹部坐标( 鼻协f ) 积整体搬标 ( x ，y ，z ) 之间进行几何映像的坐标变换式。 ( 1 ) 单元节点缱移