（机械设计及理论专业论文）6米乡村公路营运客车车身结构分析.pdf

福建农林大学硕士学位论文 摘要 在社会主义新农村建设中，发展农村交通事业已成为一个重要课题。而乡村 公路营运客车在发展农村交通事业中起着十分重要的作用。由于农村道路条件较 复杂，特别在山区，乡村公路营运客车易发生翻车事故，经常导致车身局部断裂 或车顶塌陷，给乘客带来严重的伤害。农民出行经常要携带体积较大、重量较重 的农副产品，如果人货混装，在发生事故时，这些农副产品可能将对乘客带来伤 害。为保证乘客安全，乡村公路营运客车的车身结构设计变得尤为重要。因此， 对乡村公路营运客车车身结构进行研究意义重大。 6 米乡村公路营运客车，是农村客运的主力车型。本文比较归纳了现有6 米 乡村公路营运客车的结构特点，并结合我省省情，提出了关于我省发展农村客车 的几点思考。在单舱、两舱结构的选择上，地处平原的农村公路，可将单舱式乡 村公路营运客车作为选型和进一步改进的参考。地处山区的农村公路，可将两舱 式乡村公路营运客车作为选型和进一步改进的参考；在山区行驶的农村客车顶盖 和窗立柱承载能力应足够；对于两舱式乡村公路营运客车，宜将隔仓设置在乘客 区外部，并与乘客区密封隔离，可以通过对后围进行修改，以达到真正的人货分 离；在车窗和靠窗座椅之间的合适位置，设置横栏，对于提高乘坐安全性，消除 隐患是必要的。 本文选择一款本省设计和制造的6 米两舱式乡村公路营运客车f j 6 6 0 6 为例， 对该车进行顶盖承载能力分析、车身结构强度分析以及动态分析，对该车的结构 性能进行评价，并提出了结构改进的方法和措施。计算分析采用的是有限元法和 a n s y s 软件，分别建立了梁单元模型和壳单元模型，并比较分析结构强度和动态 分析时两种模型的计算结果。 计算表明：采用梁单元模拟该车骨架时，该车在弯曲工况的应力裕度分别为 5 0 7 ，左弯扭组合工况的应力裕度为2 1 3 ，右弯扭组合工况裕度为2 0 7 。行李 舱的强度均满足要求。该车的结构强度是足够的。 采用壳单元模拟该车骨架时，该车在弯曲工况的应力裕度分别为2 8 5 ，满足 强度要求。左弯扭组合工况最大应力s m x = 3 2 9 1 2 m p a ，右弯扭组合工况最大应 力s m x = 3 8 0 9 8 m p a ，均超过材料的屈服极限。而行李舱的强度满足要求。 利用梁单元模型对该车计算顶盖承载能力，表明顶盖承载能力不足，顶盖部 分横梁需要加强。本文通过改变杆件截面形状和增加杆件厚度等方法，对顶盖结 福建农林大学硕士学位论文 构进行改进，提高了该车的项盖承载能力。 模态分析表明，该车的车身低阶频率避开路面激励频率和发动机激振频率， 该车的动态性能良好。 比较梁单元模型与壳单元模型的计算结果，弯曲以及弯扭组合工况时，两种 模型计算得出的整体应力分布趋势大致一致，而壳单元模型的最大应力值明显高 于梁单元模型的最大应力。并提出在客车结构设计中，梁单元宜用于方案设计阶 段，而壳单元宜用于细节结构设计阶段。而运用加角板以及焊贴薄钢片等方法， 可有效的降低高应力，提高结构强度。 模态分析时，壳单元模型计算得出的该车骨架的固有频率较梁单元模型小， 两种模型得出的振型大部分一致，部分振型不同。 本文是用有限元法对乡村公路营运客车车身结构分析的一个工程实例，对其 他乡村公路营运客车的设计具有一定的参考意义。 关键词：乡村公路营运客车；车身结构：结构分析；有限元法；两舱式 福建农林大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e v e l o p m e n to ft r a n s p o r t a t i o ni nr u r a la e r a sh a sb e c o m ea h o ts p o t ， w h i c hw i l lp u s hf o r w a r dt t h ec o n s t r u c t i o no ft h es o c i a l i s tn e wc o u n t r y s i d e r u r a lb u sp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h i sp r o c e s s t h er u r a lb u si sa p tt o h a v ea c c i d e n t si nt h er u r a lh i g h w a y ，w h i c hw i l lc a u s et h ef r a c t u r eo ft h e b u ss t r u c t u r ea n dh u r tt h ep a s s e n g e r s t h ep e a s a n t so f t e ng oo u tw i m l a r g ea n dh e a v ya g r i c a l t u r a lp r o d u c t s t h e yw i l la l s oh u r tt h ep a s s e n g e r s w h e nt h er u r a lb u sh a v i n ga c c i d e n t s s ot h ed e s i g no fr u r a lb u ss t r u c t u r e i si m p o r t a n tf o rt h es a f e t yo fp a s s e n g e r s 6 m e t e rr u r a lb u si sm a i nv e h i c l ei nr u r a la r e a s t k sp a p e rc o m p a r e s s t r u c t u r a lf e a t u e r so fs o m ee x i s i t i n gr u r a lb u sa n dg i v e ss o m es u g g e s t i o n s o nd e v e l o p i n gr u r a lb u si nf u ji a np r o v i n c e t h es i n g ec o m p a r t m e n t s t r u c t u r eo fr u r a lb u si sag o o dc h o i c ei np l a i na r e a t h ed o u b l e c o m p a r t m e n ts t r u c t u r eo fr u r a lb u si sag o o dc h o i c ei nm o u n t a i na r e a i ti s n e c e s s a r yt os e l e c ts h a p es t e e lt u b ef o rt h ed e s i g no ft h eb u sr o o fa n d w i n d o wp i l l a r i ti sp r o p e rt os e tt h ec o m p a r t m e n ts t r u c t u r eo u to ft h e p a s s e n g e rz o n e t h es t u r c t u r ea l t e r t i o ni nr e a rq u a r t e rp a n e li sf e a s i b l et o 向f i l lt h ed i v i s i o no fp a s s e n g e r sa n da g r i c u l t u r ep r o d u c t s i ti sa l s o n e c e s s a r yt os e tac r o s sb a rb e t w e e nt h ew i n d o w sa n ds e a t st oe n s u r et h e s a f e t yo fp a s s e n g e r s f j 6 6 0 6i sar u r a lb u s w h i c hi sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e db yab u s c o m p a n yi nf u j i a np r o v i n c e t a k i n gf j 6 6 0 6b u sf o re x a m p l e ，t h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o di su s e dt oa n a l y s er o o fs u p p o r t i n gc a p a c i t y ，s t r u c t u r a l s t r e n g t ha n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo f t h i sb u s w i t ht h ec a l c u l a t i o no fa n s y s i ti n d i c a t e st h a tf j 6 6 0 6h a sag o o d p e r f o i t n a n c ei nt h es t r u c t u r a ls t r e n g t ha n dd y m a i cp e r f o r m a c e b u tt h e r o o fs u p p o r t i n gc a p a c i t yi sn o te n o u g h ，s o m eo ft h ec r o s sb e a m sn e e dt o i m p r o v e t h em e t h o d sa r eu s e dt oi m p r o v et h es t r u c t u r eo fr o o f lf o r e x a m p l e ，i ti sf e a s i b l et ou s ead i f f e r e n tc r o s ss e c t i o no fb e a m so rt o t h i c k e nt h eb e a m s t h i sp a p e ri sae n g i n e e r i n gp r o j e c t sa b o u tt h ea p p l i c a t i o n so fc a ei n r u r a lb u sb o d ys t r u c t u r e ，w h i c hh a ss p e c i f i cr e f e r e n t i a lv a l u e k e yw o r d s ： r u r a lb u s ；b u ss t r u c t u r e ；s t r u c t u r a l a n a l y s i s ； f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；d o u b l ec o m p a r t m e n ts t r u c t u r e i l l 独创性声明 本人声明，所呈交的学位( 毕业) 论文，是本人在指导教师的指导下独立完 成的研究成果，并且是自己撰写的。尽我所知，除了文中作了标注和致谢中已作 了答谢的地方外，论文中不包含其他人发表或撰写过的研究成果。与我一同对本 研究做出贡献的同志，都在论文中作了明确的说明并表示了谢意，如被查有侵犯 他人知识产权的行为，由本人承担应有的责任。 学位( 毕业) 论文作者亲笔虢孥褰号冬日期川6 、 叮 。 ，i、， 论文使用授权的说明 本人完全了解福建农林大学有关保留、使用学位( 毕业) 论文的规定，即学 校有权送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密，在霹年后解密可适用本授权书。 不保密，本论文属于不保密。b 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名： 指导教师亲笔签名。孓 哆鸯氓 、 日期：卅6 乙 吼川，6 砂 福建农林大学硕士学位论文 1 前言 1 1 研究背景及意义 随着社会主义新农村的建设，城乡统筹发展的进程不断推进，农村经济迅 速发展，农民生活水平不断提高。在广大农村地区，人员流动频繁、农副产品和 物质经常需要进城贸易和交换。但是多年来，农村不便利的交通条件，限制了广 大农民的出行。在很多地区，由于没有开通适合农民出行的客车，大多数人还在 选择农用车、拖拉机、货车等非载客车辆出行，致使农民出行的安全得不到保证。 近年来，政府大力推进农村公路建设，并鼓励和扶持农村客运的发展，至 2 0 1 0 年，全国农村公路里程将达到3 1 0 万公里，交通部已于2 0 0 4 年启动了农村 客运网络化试点工作，并明确提出全国所有通公路的乡镇和建制村在2 0 1 0 年前 开通农村客运班车的目标。 2 0 0 4 年1 1 月，交通部发布了乡村公路营运客车结构和性能通用要求( j t t 6 1 6 - 2 0 0 4 ) ，将“乡村公路营运客车刀( 下文简称为“农村客车”) 规定为在乡村 公路上运送旅客及随行物品的营运客车n 1 。该标准规定了农村客车的结构技术参 数，提出了农村客车应可同时载客和载货，这为各客车制造企业在农村客车领域 的开发和设计提供了依据。在这样的形势下，国内的客车制造企业逐渐重视农村 客车的发展。如今，如厦门金旅、福建新龙马、河南少林、安徽江淮、重庆恒通、 江苏牡丹等企业都推出了用于农村运输的客车( 详见第二章) 。 农村客车主要属于小型客车的范围，售价较低，客车制造企业对其的研究投 入远不及大中型客车。但是，农村客车行驶的道路条件较复杂，以我省为例，我 省地形以山地丘陵为主，相当一部分农村人口集中在山区，客车在山区道路上易 发生事故，特别是翻车事故。这是关系到农民生命安全的问题，应该受到重视。 另外，农民出行经常要携带体积较大、重量较重的农副产品，根据交通部标准n 3 的要求，农村客车的车内应留有随行物品存放区，这将合理地解决农民出行携带 农副产品不方便的问题。因此，对农村客车车身结构的研究，探讨和分析农村客 车的结构安全性及合理性，不仅能为农村客车的结构设计提供一定的参考，还能 为占全国大多数的农村人口，提供了安全和方便的出行工具。 福建农林大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 农村客车的研究和发展现状 国外主要发达的国家，没有严格意义上的农村客车。在这些国家，城市化程 度高，城乡差别小，公路条件好。每千人的轿车拥有量为3 5 0 - 5 5 0 辆，公路客运 周转量中绝大部分是自用轿车来完成的。即使是农村短途出行，基本是自驾客货 两用车，即皮卡车。从旅客运输看，国外发达国家已基本形成了以私人小汽车为 主的自用性旅客运输为主体的公路客运体系口1 。 国外经济不发达国家，缺乏客车制造能力，在乡镇间主要使用从发达国家进 口的二手客车或者由货车改装而来的客车。这样的发展经历与我国有一定程度的 相似。 因此，在农村客车的研究方面，引进国外成功经验的可能性不大。相反，我 国可以通过国内对农村客车的研究和发展，总结相关经验，为情况与我国相似的 国家提供技术和信息服务，同时为我国农村客车的出口奠定一定基础。 在国内，现有的农村客车产品中，大部分是在传统意义中巴的基础上，简化 配置、改进结构发展而来的。国内对农村客车的研究，多是一些客车厂针对本厂 生产的农村客车车型的研发过程、结构特点、技术参数的介绍以及对国内农村客 车市场的分析鹇3 。而熊演峰等人，从区域角度和使用角度出发，提出了农村客 车差异化设计的思路，很值得借鉴嘲。大连理工大学的卢荣东利用汽车系统工程 的方法，结合现代企业管理理念和现代汽车c a d 技术系统，全面地对l c k 6 6 0 0 轻 型客车进行综合开发，推进中通客车控股股份有限公司规模发展城乡轻型客车的 产业化进程口1 。上海海事大学的林巍结合云南省的省情，总结和提出了农村客车 的选型方法，将传统定性决策与科学定量决策相结合，对试点地区的常用车型进 行了选型举例，为国内农村客车的选型提供了参考1 。 1 2 2 半承载式客车的发展与研究 农村客车的车身结构基本上是半承载式。半承载式的客车是将车身和车架刚 性连接，即车身骨架与车架纵梁两侧悬伸的牛腿焊接在一起，因此，车身也能分 担一部分弯曲和扭转的载荷嘲。 在客车发展的初期，客车的结构型式大多是非承载式，即将客车厂生产的车 身装在货车底盘上，载荷主要由车架承担，车身并没有发挥承载作用；后来为了 减轻客车自身质量，便发展到上述的半承载式；如今，随着我国部分大中型客车 2 塑壁奎签奎茎堡主兰垡丝苎 企业与国外合资、合作以及技术引进，全承载式的客车在国内开始发展，现在主 要应用于大型高级客车的结构设计中。半承载式的客车在中国仍占有相当大的比 例。 农村客车车身有骨架式和无骨架式两种，骨架式的农村客车广泛应用于山区 的农村客运，其车身是由空间骨架、抗弯薄板、壳体和应力蒙皮等构件组成的空 间高次超静定结构1 。车身骨架受力复杂，利用经典力学对客车结构进行分析难 度较大，而采用现代车身结构设计方法，将更好的解决上述的问题。现代车身设 计由原来的经验、类比、静态设计，向建模、静动态分析、动态优化及虚拟现实 设计转变n 。国外大部分汽车公司采用计算机辅助工程系统，形成了设计、分析、 试验于一体的设计流程，设计与分析并行，采用大量的虚拟试验代替实物试验， 减少了设计的盲目性，缩短了设计周期。他们主要的研究内容包括：有限元静态 应力应变分析、动态特性和优化设计。 在上世纪6 0 年代，国外就开始了利用有限元法，对于客车车身骨架的强度 和刚度分析。1 9 7 4 年，l u k i nj l 用板单元分析车身结构的焊接部位u 1 1 。1 9 8 4 年，b e e m a n nhj 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n 习。1 9 9 7 年，h o n g j 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埘。国外对汽车结构特性的研究卓有成效。 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中。 关于半承载客车结构的有限元分析，国内在7 0 年代就已经有人研究，如谷 安涛、常振国等人，早期就对汽车车架进行了研究n 引。但对客车来说，有限元分 析开始普遍采用是9 0 年代后。1 9 9 3 年，冯国胜用有限元法分析客车车架的动态 特性，这是国内客车有限元分析上较早的模态分析n 酊。1 9 9 6 年，何天明等人将 有限元法与实验应力分析法相结合，对半承载式客车车身强度进行了分析n 钔。 2 0 0 1 年，马迅、赵幼平建立了某轻型客车车体结构的详细的有限元模型，分析 了该车顶部受静载荷时结构的整体刚度和各门窗处的开口变形情况n 7 1 。何志刚用 有限元法对某半承载式大客车车身刚度、强度进行了分析，用电测量技术对有限 元模型进行了验证，分析了车身骨架结构中杆件的布置位置及截面形状对整车性 能的影响n 钔。2 0 0 3 年，胡志远等人建立了某国产轻型客车车身刚度有限元分析 3 福建农林大学硕士学位论文 模型，进行了试验验证，并对该车车身刚度进行了优化n 们。2 0 0 7 年，赵韩等人 以梁单元模型为基础，运用梁体混合模型的方法，建立半承载式客车车身结构有 限元模型，对车身结构进行了强度、刚度及模态分析嘲。 采用梁单元模拟客车骨架时，将杆连接作为刚性的节点处理，优点是简便， 对于少数问题可获得相当准确的结果，但不足之处在于：( 1 ) 忽略了影响结构 变形和杆端力矩的连接点柔度；( 2 ) 不能准确计算对设计至关重要的杆连接区域 的应力分布。而在杆连接处用壳单元模拟，将能很好的反映杆连接处的应力分布。 国外的学者，对于接头的研究也逐渐深入乜卜衡1 ，国内所查阅到的关于客车车身接 头的论著较少。陈铭年对客车结构的杆连接进行了研究鲫，提出了一种考虑杆连 接真实形状的有限元分析方法，黄金陵在介绍车体结构分析与设计时曾指出汹1 ， 在车身上有许多因受集中力而需要使用加强板的部位，如固定车门铰链的地方、 悬挂操纵踏板处等。但是应合理设计加强板的大小和厚度。此外，本校2 0 0 4 届 研究生徐建全、2 0 0 7 届研究生邓腾树等曾对角板参数对客车车身骨架基本结构 承载性能的影响进行过探讨陋3 2 1 。 综上所述，对于半承载式客车的研究，多采用梁单元、梁壳混合以及梁体混 合模型，用全壳单元进行模拟的研究逐渐增多，但是在农村客车上的运用较少。 在计算工况的选择上，多采用了满载弯曲工况以及弯扭组合工况。近年来，少数 人也对紧急转弯工况和紧急制动工况进行了有限元仿真，运用模态分析研究车身 的动态性能也越来越普遍。 因此，半承载式客车的研究，在研究内容和形式上都已经有了一定的发展， 而农村客车的研究尚在起步阶段。尚未看到应用有限元法对农村客车进行结构分 析的研究。 1 3 本文主要研究内容 本文综述了农村客车的发展和研究现状，以及农村客车的结构特点。选择 一农村客车实例，运用c a d c a e 的方法，对该车身骨架进行结构分析，主要包括： ( 1 ) 根据图纸，使用u g 和a n s y s 软件，分别建立该车梁单元和壳单元有限 元模型。 ( 2 ) 在弯曲和弯扭组合工况下，对该车的车身结构强度进行计算分析，并 对该车的结构强度作出评价。 ( 3 ) 校核该车顶盖承载能力计算，并提出改进措施，总结农村客车顶盖设 福建农林大学硕士学位论文 计的方法。 ( 4 ) 对该车进行动态分析，并对该车的动态性能作出评价。 ( 5 ) 比较采用梁单元和壳单元模拟该车骨架的计算结果，并对其优缺点加 以评价。 福建农林大学硕士学位论文 2 我国典型农村客车结构特点比较分析 根据汽车和挂车类型的术语和定义，客车被分为：小型客车、城市客 车、长途客车、旅游客车、铰接客车、无轨电车、越野客车。农村客车属于小型 客车。交通部标准n 1 规定了农村客车在基本性能、结构、安全、环保等方面得的 要求。由于农村地形、道路情况、地方风俗、出行习惯等方面的差异，客车厂针 对性地在配置、结构等方面进行了开发与设计。本章通过比较现有农村客车主要 车型，分析其结构特点，为农村客车的开发设计提供依据，也为农村客车的合理 选型提供参考。 2 1 农村客车结构基本要求 本节从车身结构角度，提出农村客车的基本要求。 ( 1 ) 安全可靠。农村客车安全要求应满足机动车运行安全条件和营 运车辆综合性能要求和检验方法等强制性国家标准的规定。车身坚固耐用，车 身与车架的连接应安装牢固。地板和座椅应具有足够的强度，座椅和扶手应安装 牢固可靠隗卿。农村客车行驶的道路路况较差，车辆承受颠簸而产生冲击。翻车 时经常由于顶盖塌陷断裂造成乘客伤亡，由于所载客车数目较多，一次伤亡率较 高。因此，要求车辆具有较强的刚度和承载能力，特别是良好的车顶安全性。 ( 2 ) 适合人货分装的结构。农村客车车身设计很重要的一个方面是要解决 人货混装的问题。农民出行经常要携带体积较大、重量较重的农副产品。根据交 通部标准，车内可留有随行物品存放区，该区域应用隔板与乘客区分隔。 2 2 典型车型比较 对现有的产品进行分析，大部分客车生产企业所生产和销售的多数“农村客 车，主要还是传统意义上的微型车、中巴车和大客车。所谓的农村客车，仅是 在现有的普通车型上进行配置简装，尽量降低制造成本，以较低的车辆售价来吸 引农村客运经营者，与传统意义上的普通微型车、中巴车和大客车没有本质上的 差别。少部分按乡村公路营运客车结构和性能通用要求生产的客货两用型农 村客车，正处于试生产阶段，尚未大批量投入农村客运市场。 稆建农林大学石贝士学位论文 为研究方便，将现有市场上的农村客车分为两类。第一类为只设有客舱的农 村客车，第二类为有客货两舱的农村客车。为便于比较，本章以6 米农村客车的 d 典型车型为例，分析比较全国农村客车的结构特点。第一类客车选取河北长安 s c 6 6 0 1 c 7 、厦门金旅潮l 6 6 0 2 c 5 、河南宇通z k 6 6 0 8 d a 、河南少林s l g 6 6 0 8 c x g l l 、 安徽江淮h k 6 6 0 3 等5 种车型，其结构特点如表2 - 1 所示，第二类客车选取江苏 牡丹m d 6 6 0 8 、福建新龙马f 3 6 6 0 6 、重庆恒通c k z 6 5 9 0 、江苏中大y c k 6 6 0 2 等4 种车型，其结构特点如表2 - 2 所示。 分析比较它们的车身结构特点，可以得知： 1 ) 车身结构多采用金属冲压件焊接，以降低自重。但重庆恒通c k z 6 5 9 0 采 用异形钢管焊接结构，新龙马f j 6 6 0 6 绝大部分采用异形钢管焊接，驾驶门、前 后围处采用金属冲压件。 2 ) 几种两舱式农村客车的两舱隔离方法有所不同。如江苏牡丹m d 6 6 0 8 农 村客车，设置后行李舱、左下部小行李仓和外行李架。在客舱和后行李舱之间设 计了中隔仓及中隔门，后行李仓随行物品存放区设计了固定捆绑随行物品的支架， 在地板下左侧设置了一只小行李仓，便于司机存放工具和乘客存放小件行李；在 车顶后部设置了外李架。为便于随行物品存放区行李的进出和外行李架上货物的 上下，将后保险杠中部设计为可翻转式踏步；并在车身后围左侧设置了一扇加大 后开门，在车身后围右侧设置了外行李架扶梯。 重庆恒通c k z 6 5 9 0 农村客车后部设置隔断式货箱、福建新龙马f j 6 6 0 6 农村 客车采用后行李舱，解决了从前农村客车解决不好的人货混装问题，并防止农产 品味道进入客舱，提高了舒适性。重庆恒通c k z 6 5 9 0 设计的短车头提高了车辆安 全性。 通过对比可以看出，各厂商生产的农村客车，在结构方面是具有差异的，这 为我国不同的农村公路提供了多种车型。 2 3 关于我省农村客车结构的几点思考 我省地形以山地丘陵为主，平原地形为辅，农村公路有平原和山区之分。不 同道路对农村客车选型的要求侧重点有所不同。 在单舱、两舱结构的选择上，对于地处平原的农村公路，可将第一类农村客 车作为选型和进一步改进的参考。地处山区的农村公路，可将第二类农村客车作 为选型和进一步改进的参考。 7 奇导鹾盘瑞鞯剞 泳定掣剞 奄*邕量罐州 聋霉好 o o o o o g 捌暴 oo鑫o一noo o口高o磊n誉ot o高嚣on器 l恒骝垡 互10口8量 n蓉8 8矗。譬蕾 巾剥韫世一 o莹矬爿帮嵌 d嚣o口。1葚龟惺暮 舌兽墨n冒* 替下h 姑 8o当委州=趔n由窭 譬。昆u制=爿罢窖1_n砸 盘*邕量鼙制o no譬no磊 nz兰ou一 爵嗽恒艘日奇霉臻鹾霞ll剞 o o n onnooo日- 譬0 0 8 拳露!il事 目霹 l窀能墨 审科捌避 8no墨童握州联 3舌口。器似型等暮 辞丑嚣霉誊袜#并划i轼i_“咩 “g目斗i晕*制毕 垦甜晕瓤爿蔫忙嚣嵯翟睡o onnoh“ooo o o ， 革辎赢坦蝽糕捂嗟霉蒋峦*蜷鞋舡幂丑f暾o o o-onoo_noqo日导d墨。譬8 搴目鸯皋嚣 嚣霉督奇*颦鞋啦举避豫一隶蝰翟悱姆x秘恒o n no-no-oonzghooudl 一一巨牛，中匿廿一露蒋颦蹬邕是唾州剞o o noo“ooooo善兰o芷z 轻霉蠕 i 畦辱 l框x越盥 中副耦世 g口子i豫捌 oo苗n若窘掣巡树 兽暑f】即攫鳍截馨 o兽呈隶尊豫h 鞯越鼗霉蠊*蚌#糕拣n群 *窄晕*i辜#茸*目g 福建农林大学硕士学位论文 在山区行驶的农村客车应改进结构。项盖和窗立柱的承载能力应足够，减轻 发生翻车事故时的伤亡率，保障乘客的安全。 现有厂商在设计过程中通过设置中隔仓、隔断式货箱等结构，以达到解决人 货混装问题的目的。但是大多数车型，隔仓设置在乘客区，这样既影响了乘客上 下车的方便，又由于有的农产品带有气味，使得车内空气状况不佳。因此，将隔 仓设置在乘客区外部，并与乘客区密封隔离，可以通过对后围进行修改，比如加 开一扇门，以达到真正的人货分离，并且取货方便。 车辆在山区行驶时，需要通过较大的弯道，车辆过弯时将产生的离心力作用。 车内的乘客，特别是抱着孩子的乘客来说，存在着很大的安全隐患。因此，在车 窗和靠窗座椅之间的合适位置，设置横栏，对于提高乘坐安全性，消除隐患是必 要的。 2 4 小结 本章提出了对农村客车结构设计的基本要求，并通过比较现有农村客车主要 车型，分析其结构特点，提出农村客车选型在不同的地形区域应有不同的侧重点， 进一步结合我省省情，提出了关于我省农村客车结构的思考。 福建农林大学硕士学位论文 3 计算分析方法 3 1 分析方法 3 1 1 有限元法 有限元法的实质是把具有无限多个自由度的弹性连续体，理想化为只有有限 个自由度的单元集合体，使问题简化为适合于数值解法的结构型问题汹1 。有限元 法最先应用于航空工程，现已迅速推广到机械、汽车等各种工程技术领域，已成 为一个基础稳固的工程分析工具。 车身受力情况相当复杂，结构分析的难度较大。有限元法作为一种有效的数 值计算方法，用其计算得到的结构位移场和应力场，可以作为结构设计的原始判 据或作为结构改进设计的基础。目前，已经广泛应用有限元法对客车车身骨架进 行分析，有限元法已成为客车结构分析和设计的有效手段。 3 1 2 比较 客车结构设计可分为方案设计阶段和细节结构设计阶段。7 1 ，本文以f j 6 6 0 6 农村客车为例，对其车身的结构进行校核和改进，探讨农村客车的结构设计。本 文分别运用梁单元模型和壳单元模型，对该车进行结构强度计算和动态分析，并 比较两种模型的计算结果。 3 2a n s y s 软件 本文计算使用a n y s y s 软件。h 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删。它能与多数c a d 软件接口，实现 数据的共享和交换。用u g 建立三维实体模型，导入a n s y s 中，经处理后转化为 有限元模型。 3 3 计算单元的简介 3 3 1 梁单元b e a m 4 简介 b e a m 4 是一个轴向拉压、扭转和弯曲的三维弹性梁单元，可用于空间刚架的 弹性分析m 3 。如图3 1 所示。 福建农林大学硕士学位论文 一嗍 ； 图3 一l 梁单兀b e h 1 4 3 3 2 壳单元s h e l l 6 3 简介 s h e l l 6 3 单元综合了平面膜单元和弯曲作用的板单元的共同特性，可以承受 平行及垂直于板中面的载荷“。常见的单元形状有三角形节点和四边形四节点单 元两种。如图3 - 3 所示。 图3 2 壳单元s h e l l 6 3 3 4 小结 本章介绍了所采用的有限元法、分析比较法以及a n s y s 软件，并简要介绍了 所选用的梁单元b e a i d 4 和壳单元s h e l l 6 3 。 福建农林大学硬学位论i 4f d 6 6 0 6 客车结构模型的建立 41 客车概况 f j 6 6 0 6 是我省某客车厂生产的一款两舱式农村客车，主要用于在山区农村客 运。该车采用半承载式车身型式，发动机前置后驱，悬架采用钢板弹簧，如图 4 - l 所示。该车主要分为乘客舱和行李舱，其中行李舱位于车身尾部，与乘客舱 密封隔离，主要是以该车展后一排座椅与后围冲压件围成的区域，如图4 2 所示， 行李舱侧面示意图如图4 - 3 ，可知该行李舱主要由该车地板横粱来支撑。 图4 - lf j 6 6 0 6 客车第一轮样车 图4 - 2 行李舱图 , t - 3 行李舱示意图 福建农林大学硕士学位论文 4 1 1 整车主要参数 总长：5 9 9 0 m m 总宽：2 2 7 0 m m 总高：2 7 8 0 m m 轴距：3 3 0 8 m m 最大总质量：5 0 2 6 k g 前轴荷：空载1 9 1 5 k g ，满载2 3 3 7 k g 后轴荷：空载1 8 2 7 k g ，满载2 6 8 9 k g 4 1 2 结构特点和材料特性 该客车车身结构包括客车车身骨架和蒙皮等，客车骨架分为顶盖、前围、后 围、左侧围、右侧围、地板底架六个部分。客车骨架大部分采用型钢焊接而成， 其中绝大部分是闭口矩形钢管。型材材料为q 2 3 5 碳素结构钢，其材料特性如表 4 - 1 。 表 1 材料特性 4 2 客车结构建模 4 2 1 单元选择 本文对f j 6 6 0 6 客车建立了梁单元模型和全壳单元模型，分别选用梁单元 b e a m 4 和壳单元s h e l l 6 3 。梁单元模型便于模型修改，求解效率高，但是不能 详细反映杆件接头的应力分布；壳单元模型能全面的反映结构的应力分布状况， 特别是杆件接头的应力分布。 4 2 2 简化方法 在建立该客车的有限元模型时，本文做了如下简化： ( 1 ) 忽略车身蒙皮对骨架总体结构强度和刚度的加强作用，从而使计算结构 偏安全。 ( 2 ) 忽略某些对车身结构变形和应力分布影响较小的非承载件和装饰件， 福建农林大学硕士学位论文 如：安装固定板等。 ( 3 ) 不考虑构件连接的焊缝，将其简化为刚性连接。 ( 4 ) 对于梁单元模型，将一些曲率较小的构件近似的看作由直梁组成，即“以 直代曲”。两个相近的交点，可简化为一个节点嘲。 4 2 3 结构模型 根据已有的f j 6 6 0 6 客车图纸，利用a u t o c a d 、u g 软件，建立实体模型，利 用a n s y s 和u g 的接口，将数据导入到a n s y s 中，经处理，建立有限元模型。 采用梁单元，将客车结构离散化为1 5 5 1 个单元，t 9 5 3 个节点，共用1 9 组 不同截面参数的梁单元来模拟骨架杆件和底架，；采用壳单元，将客车结构离散 化为1 9 6 5 5 8 个壳单元，1 9 5 2 5 0 个节点，该车的约束用1 6 根特殊设计的梁单元 来模拟，见图4 - 4 ，图4 5 。 坐标的定义如下：前轴中心线为z 向基准，车尾方向为正；车体纵向中心线 为j ，向基准，朝车体前进方向，右向为正；车架上平面为z 向基准，向上为正。 图4 - 4f j 6 6 0 6 客车梁单元模型 福建农林大学硕士学位论文 图4 - 5f j 6 6 0 6 客车壳单元模型 4 3 计算工况及载荷约束处理 客车行驶在各种工况下，客车结构可能因疲劳载荷而破坏，也可能因偶然的 大载荷，使工作应力超过材料的强度极限或者屈服极限而破坏。经验证明：如果 客车结构能够承受最大的偶然载荷作用，则疲劳强度也足够。在各种工况中， 对客车骨架强度影响最大的工况为弯曲工况和弯扭组合工况。此外，对车顶承载 能力进行计算，以保证翻车时车内乘客的安全。有限元计算载荷和约束的处理很 关键。约束的原则是将有限元模型完全约束住而又不过于约束。本文将对f j 6 6 0 6 在弯曲工况、弯扭组合工况下的强度以及顶盖承载能力进行计算分析。 4 3 1 弯曲工况和弯扭组合工况 对于安放在车身上的汽车总成、设备的重力等。如发动机、变速箱、油箱、 电瓶、备胎等部件，作为集中载荷，按安放点的实际位置，作用在相应的节点上； 对于乘客及行李的重力，作为均布载荷，加在地板横梁上臼铂。车身骨架通过牛腿 与车架相连接，整个车身支在四个钢板弹簧悬架上，前后桥各两个。本文采用 1 6 根特殊设计的梁单元模拟悬架。 4 3 1 1 弯曲工况 客车在平坦路面上以较高的车速行驶时，路面的反作用力使车身承受对称的 垂直载荷。本文主要分析客车在弯曲工况下的强度。 本文定义应力裕度k = o 。0h 福建农林大学硕士学位论文 式中：k b 一弯曲应力裕度 0 。一材料的屈服强度 0 岫一静载最大应力值 计算弯曲载荷的加载数值： p b = w + m l + m 2 + m 3 + g 9 8 1 式中：w 一骨架质量 m 。一乘客和座椅质量 m 2 一行李仓行李质量，取1 0 1 4 = 1 4 0 k g m 。一手提行李质量，取5 1 4 = 7 0 k g g 一发动机、变速箱、油箱、电瓶、备胎等质量 计算中略去安装板件、蒙皮和玻璃的质量。弯曲工况计算时，前后轮支承铰 支，并限制车身前后、侧向平动。 4 3 1 2 弯扭组合工况 扭转工况是车身变形最为严重的工况，一般都是当汽车以低速通过崎岖不平 路面时发生的。该扭转工况下的载荷，在时间上变化很慢，此时惯性载荷也很小 嘲。所以，车身的扭转特性可以近似的看作静态的，许多试验也都证实了这一点。 弯扭组合工况是指弯曲和扭转工况的组合，组合工况的受力分析，按照经验，以 弯曲工况的0 4 倍加上扭转工况的0 3 倍的线性组合值作为载荷分析为宜h 羽。 定义弯扭应力裕度k b 。= 0 。0 。岫 式中：k b 。一弯扭应力裕度 0 。一材料的屈服强度 0 。一一静载最大应力值 由于车身左右的不对称，将弯扭组合工况分为左弯扭组合工况和右弯扭组合 工况。 左弯扭组合工况：以左前轮悬空为左弯扭工况。计算时，后轮支承和右前轮 支承铰支，限制客车结构前后、侧向平动，左前轮悬空。 右弯扭组合工况：以右前轮悬空为右弯扭工况。计算时，后轮支承和左前轮 支承铰支，限制客车结构前后、侧向平动，右前轮悬空。 福建农林大学硕士学位论文 4 3 2 车顶承载能力计算 参照交通部标准n 1 ，农村客车车顶相当于承受整车最大总质量的均布静载 荷，将载荷加载在项盖横梁上。车顶加载时项盖杆件的应力应小于材料的强度极 限，侧围立柱的应力应小于材料的屈服极限。计算时，前后轮支承铰支，并限制 车身前后、侧向平动。 4 5 小结 本章主要介绍了f 6 6 0 6 客车的概况、结构模型建立的方法、计算工况以及 载荷约束处理方法。 福建农林大学硕士学位论文 5f j 6 6 0 6 客车结构强度分析 5 1 梁单元模型结构强度分析 5 1 1 车身骨架最大应力计算 客车车身在承受载荷时，车身骨架梁单元的所受的内力有：轴力n ，两个方 向的剪力q y 和q ：，两个方向的弯距m y 和m ：以及扭矩m n 。由材料力学理论， 可知： 轴向应力 a。=in(5-i) 剪应力 t ，= 瓦q y ( 5 2 ) 弯曲应力 扭转切向应力 t ：垒 。2 a ： m 、， q ，2 贰 m ， o 2 毒 5 嘭 m 。 铲式 式中，a 为截面积，a y ，a z 为剪切面积，w y ，w ：为抗弯模量， w n 为抗扭 模量。 计算中略去对车身强度影响不大的q ，t 。正应力的计算公式为： a2 a h 七o y + o z 并略去多数情况下比仃小得多的乙，所以最大应力 o m a x = i 吒i + l q l + i 吒l ( 5 - 7 ) ( 5 - 8 ) q 川 嘞 呦 福建农林丈学硕学论文 5 12 弯曲工况强度分析 计算时，运用第四章所述的载荷和约束的处理方法对f j 6 6 0 6 客车进行模 拟，如图5 1 所示 图5 - 1 弯曲工况载荷和约束图 计算所得应力分布如图5 - 2 所示，求得高应力杆件如表5 一l 所示 图5 - 2 弯曲工况应力分布图 福建农林大学颂学位论文 计算结果表明：最大应力s 姒= 4 63 6 m p a ，虽大应力位于驾驶区 x 一9 9 0 ，y = 3 3 0 处立柱。应力裕度k = o 。o 蛔= 50 7 。乘客区地板横梁与车架 纵粱连接处、驾驶区x 一9 9 0 横粱中部等处属于应力较高的部位，应力裕度大于 6 3 0 。支撑行李舱的地板横梁的应力值较小，可见，行李舱的强度满足要求。因 此，该车的弯曲强度是足够的。 51 3 弯扭工况强度分析 513 1 左弯扭组合工况 计算时，运用第四章所述的载荷和约束的处理方法，对f j 6 6 0 6 客车进行模 拟，如图5 - 3 所示： 图5 - 3 左弯扭组台工况载荷和约束图 捂建农林大学硕士学论文 计算所得应力分布如图5 - 4 求得高应力杆件如表5 - 2 瞄5 - 4 左弯扭组合工况应力分布图 表5 - 2 左弯扭组台工况高应力及其部位 计算结果表明：最大应力s m x = 1 1 05 2 m p a ，位于乘客门立柱与顶盖边纵粱 连接处。应力裕度k 。= 。o = 21 3 。x = 5 8 0 处乘客门立柱上部、驾驶区x 一9 0 0 处横梁与纵粱连接处、左侧围x = 6 0 处窗立柱、前风窗立柱等处属于应力较高部 位，应力裕度大于21 5 。支撑行李舱的地板横粱的应力值较小，可见，行李舱 的强度满足要求。因此左弯扭工况时，该车强度满足要求。 福建农林大学硕士学位论文 5 13 2 右弯扭组合工况 计算时，运用第四章所述的载荷和约束的处理方法，对f j 6 6 0 6 客车进行模 拟，如图5 - 5 所示： 图5 - 5右弯扭组合工况载荷和约束圈 计算所得应力分布如图5 - 6 ，求得高应力杆件如表5 3 所示 图5 - 6 右弯扭组合工况应力分布图 福建农林大学硕士学位论文 表5 - 3 右弯工况高应力及其部位 计算结果表明：最大应力s m x = 1 1 3 3 1 m p a ，位于x = 5 8 0 处乘客门立柱上部。 应力裕度k 。= o 。o - - 2 0 7 。x = 5 8 0 处乘客门立柱处与顶盖右边纵梁连接处、驾 驶区x = - 9 0 0 处横梁与纵梁连接处、左侧围x = 6 0 处窗立柱、前风窗立柱、驾驶区 部分立柱、顶盖右边纵梁靠近x = 1 4 7 0 处乘客门立柱处等处属于应力较高部位， 应力裕度大于2 0 7 。支撑行李舱的地板横梁的应力值较小，可见，行李舱的强 度满足要求。因此右弯扭工况时，该车强度也满足要求。 可见，弯扭组合工况时，f j 6 6 0 6 客车的结构强度是足够的。 通过f j 6 6 0 6 客车梁单元模型结构强度分析，可对该车的强度进行如下评价：