（载运工具运用工程专业论文）客车车身结构优化及车内噪声分析.pdf

摘要 摘要 未来汽车车身结构的发展方向是减轻重量、降噪、保证撞击安全等。对汽 车振动、噪声的研究和控制是进行汽车自主开发设计的重要一环。振动和噪声 既会给乘员造成疲劳和不适，又给城市环境带来噪声污染。而随着能源短缺、 环境污染等一系列问题日益突出，减轻汽车质量的任务也就显得尤为迫切。因 此，这已成为当前研究的一个非常重要的课题。 利用a n s y s 软件及m a t l a b 软件对h b 6 7 9 0 客车进行了结构分析和优化， 对h b 6 6 0 6 型客车进行了噪声分析，并提出了改进方案。 首先以h b 6 7 9 0 型客车为研究对象，建立了以板、梁单元为基本单元的客车 有限元模型，对其进行了纯弯工况和弯扭联合工况下的静力分析及模态分析： 其次，利用神经网络对有限元计算的样本数据建立起结构设计参数( 输入) 与 位移、应力和频率等( 输出) 的全局性映射关系，以获得遗传算法求解结构优 化问题所需的目标函数值，从而对客车车身骨架进行优化：最后，以h b 6 6 0 6 型 客车为研究对象，运用a n s y s 软件对车内噪声进行声一固耦合分析，并进行了 噪声振动实验，验证了有限元的可行性。对客车减振降噪进行了试探性研究。 一方面运用有限元、人工神经网络及遗传算法的有效结合对客车车身的结 构优化分析进行了有益的尝试，对汽车的优化技术有较强的理论与实践意义。 另一方面，为客车车内噪声尤其是低频噪声控制寻求新韵途径，有较强的工 曼 实用意义。对c a e 技术在汽车领域的运用有一定的参考价值。 关键词：客车，有限元分析，神经网络，遗传算法，噪声分析 a b s t l a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，v e h i c l e sa r ed e s i g n e dt oh a v el i g h t e rw e i g h t ，l o w e rn o i s ea n db e t t e r p a s s i v es e c u r i t y i ti si m p o r t a n tt o r e s e a r c ha n dc o n t r o lv i b r a t i o na n dn o i s ei nt h e i n d e p e n d e n tv e h i c l e sd e v e l o p m e n t t h ev i b r a t i o na n d n o i s en o to n l ym a k e p a s s e n g e r u n c o m f o r t a b l e ，b u ta l s ob r i n gn o i s ep o l l u t i o nt oe n v i r o n m e n t d u et ot h ee n e r g yc r i s i s a n dt h ee n v i r o n m e n tp o l l u t i o n ，i ti sb e c o m i n gi m p e r i o u sa n di m p o r t a n tr e s e a r c ht a s k t ol i g h tt h ev e h i c l ew e i g h t a n s y sa n dm a t l a bs o f t w a r ew e r eu s e di nt h e6 7 9 0b u sb o d y ss t r u c t u r e o p t i m i z a t i o na n d t h e6 6 0 6b u s si n t e r i o rn o i s ea n a l y s i s t h ei m p r o v e m e n ts c h e m ew a s p u t f o r w a r d f i r s t l y , t h e6 7 9 0b u sb o d ym o d e lw h i c ht o o kp l a t ea n db e a ma s b a s i cu n i ti s e s t a b l i s h e db a s e do nt h i sm o d e l ，s t a t i cs t r e s sa n dr i g i d i t yu n d e rv a r i o u sw o r k i n g c o n d i t i o nw a so b t a i n e da n dt h em o d a la n a l y s i sw a sc a r r i e do u t ，s e c o n d l y , an o n l i n e a r m a p p i n g f u n c t i o nf r o m m u l t i p l ei n p u td a t a ( d e s i g nv a r i a b l e s ) t om u l t i p l eo u t p u td a t a ( d i s p l a c e m e n t ，s t r e s s e s a n df r e q u e n c yc a l c u l a t e db yf e m ) w a sc o n s t r u c t e dw i t h i nb p n e u r a ln e t w o r k si no r d e rt oo b t a i nt h eo b j e c t i v ef u n c t i o nv a l u e st h a ta r en e c e s s a r y i n o p t i m u md e s i g n o fs t r u c t u r e s u s i n gg e n e t i ca l g o r i t h m s f i n a l l y ，a m e t h o dw a s d i s c u s s e dt op r e d i c tt h e6 6 0 6b u si n t e r i o rn o i s e a c o u s t i cf e m m o d e lw h i c ht o o k ， 口l a t e ，b e a ma n df l u i da sb a s i cu n i ti se s t a b l i s h e d a c o u s t i c - s t r u c t u r a lc o u p l e d m o d a l a n a l y s i sm e t h o dw a sa p p l i e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h em e t h o d o f a c o u s t i c s t r u c t u r a lc o u p l e dm o d a la n a l y s i si sf e a s i b l ea n de f f e c t i v ei n b u si n t e r i o r n o i s ep r e d i c t i o n t h i si sag o o da t t e m p tt oo p t i m i z eb u ss t r u c t u r eb yc o m b i n i n gf e m w i t ha n n a n dg aa n dt os e e kn e ww a y so f n o i s ea n a l y s i sa n dc o n t r o lo fb u s t h i sa t t e m p ti s v a l u a b l eb o t hi nt h e o r yr e s e a r c ha n de n g i n e e ra p p l y i n g a n d t h ep a p e r sr e s e a r c hh a s a l s oar e f e r e n c e dv a l u ef o r t h ea p p l i c a t i o no f c a et e c h n i q u e i nv e h i c l ef i e l d k e y w o r d s ：b u s ，f e ma n a l y s i s ，a n n ，g a ，n o i s ea n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文巾特别加以标注和致谢的地方 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 获得石家庄铁道学院或其它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。 签名：里之! 三玺口期：竺：! ：! 垂 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学院有权保留送交论文的复印件，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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：! 量! 三玺导师签名驷亟驻妇 期： 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 1 11 选题背景 第一章绪论 未来汽车车身结构的发展方向是减轻重量、降噪、保证撞击安全等。对汽 车振动、噪声的研究和控制是进行汽车自主开发设计的重要一环n ，。由于路面不 平度、发动机运转以及悬架、传动部件振动等引起的噪声既会给乘员造成疲劳 和不适，又给城市环境带来噪声污染。在市场经济条件下，各大汽车公司纷纷 把对汽车噪声特性的预测、设计放在非常重要的地位，以期有助于提高自己产 品的竞争力而获得更好的经济效益。因此，这已成为当前一个非常重要的研究课 题。 而随着能源短缺、环境污染等一系列问题也日益突出，减轻汽车质量、降 低燃油消耗和减少排放污染的任务就显得尤为迫切。汽车的轻量化不仅可以减 小汽车的滚动阻力，加速阻力和爬坡阻力、降低燃油消耗，而且也有利于改善 汽车的转向、加速、制动和排放等多方面的性能，同时还可以降低噪声、振动， 为实现大功率化创造条件。 在国外，众多汽车生产企业无不高度重视c a e 在产品设计中的应用。3 。而 汽车在设计阶段的性能如何，就要靠c a e 工程分析和预测技术的实施，帮助设 计者通过仿真分析和预测，在产品定型和投产前提高性能质量，降低设计成本， 尽可能地减少试验次数，节约资金，缩短产品投放市场的时间。我国汽车工业 的发展，特别是客车行业，迫切需要改变过去汽车产品以经验设计为主、单一车 型的设计方法，取而代之的必须是能满足多品种、小批量、高质量、短周期和 低成本的新的设计方法。而c a e 计算机辅助工程正是这一新方法中必不可少的 环节。 1 12 目的及意义 c a e 技术能够显著提高产品设计的科学性，减少盲目性，提高设计效率 第章绪论 主要用来预测、估计设计产品的强度、寿命及性能。它一般分为三个阶段：一 是建立某一设计产品的计算机分析模型；二是用计算机对该模型进行计算分析： 三是分析计算结果，验证计算方案并确立设计修改方案。其最大优点是可以在 产品设计初期，即图纸设计阶段，通过建立基本的计算机分析模型，对所设计 的产品进行强度、寿命及特性预测，从而指导产品设计，使产品设计指标得到 保证，有效地提高设计产品的可靠性，缩短设计周期，而且也有利于通过优化 等手段开发出性能更为优越的汽车整车和零部件“1 。 运用c a e 技术的有限元方法( f e m ) ，将车身与车架作为一个整体考虑，对 结构进行静态与模态分析。静态分析的目的是计算在最大载荷情况下结构的变 形和应力，进行刚度和强度的校验。刚度不足，会引起结构变形量大，还会造 成振动频率过低、发生结构共振。强度不够，则会造成局部应力过大，而使车 体结构局部产生应力集中，造成部件的损伤。以上这些问题最终均会直接或间 接地影响汽车的强度、耐久性、n v h 性能及安全性能。 模态分析通过计算结构的各阶固有频率、振型及其它模态参数，能够用来 预测车体结构与其它部件如悬挂系统、路面、发动机及传动系等系统之间的动 念干扰的可能性，通过合理的结构设计可以避开共振频率。 车内噪声特性是汽车乘坐舒适性的评价指标之一。车内噪声中除了发动机 及其它机械噪声通过车身缝隙以及车身壁板进入车内的空气噪声外。由于车身 壁板振动而辐射出来的结构噪声也是车内噪声的重要组成部分。这种结构噪声 一般具有低频特性，会给乘员一种沉闷感和压抑感，严重影响了汽车的乘坐舒适 性。通过在车内粘附吸声材料，对车内的高频噪声的吸收有很大的荧献但对 低频噪声就无能为力了。而由于低频噪声主要是由于结构与声场的耦合作用而 产生的，因此，通过分析改进车身的结构，使声一固耦合模态避开空腔声学模 态以实现对汽车车内低频噪声的控制具有重要意义。 在汽车结构设计阶段，利用c a e 技术可以对结构剐度与模态有初步的认识， 预测设计缺陷，通过合理选择结构形式及尺寸参数，使其具备良好的动静特性， 减少车身设计过程中的样车试制及试验的次数从而缩短开发周期，节省大量的 试验与生产费用。另外也可对汽车结构进行故障分析，确定结构破坏原因，利 用优化技术改进结构参数。 通过本课题的研究，可为客车的c a e 分析提供数据积累，为今后的研究提 供理论依据和参考价值。 2 一 翌：至笪堡 1 2 国内外研究情况及发展趋势 1 21 0 a e 技术的发展概况 为使我国的汽车工业赶超世界先进水平，设计理论与方法的科学化及现代 化首当其冲。国外已将c a e 技术应用到汽车设计的许多方面，并取得了很好的 效果。近几年c a d 技术在我国汽车行业受到广泛的重视，从发展的观点看，没 有工程分析的c a d 是没有前途的，许多c a d 应用水平较高的单位己开始应用 有限元、优化设计等工程分析方法，从而使计算机能够真正“辅助”产品设计。 国外基本情况：经过三十多年的积累和发展，国外许多大汽车公司建立了 高性能的计算机辅助工程分析系统，形成了完整的设计、分析方法与试验程序。 在工程分析应用方面有以下特点n ，： ( 1 ) 应用范围广。应用领域涉及以下几个方面：结构分析。如车身及局 部结构的静态刚度、强度分析；耐久性分析；塑性变形分析；复合材料分析。 整车及零部件的模态分析。n v h ( n o i s e v i b r a t i o nh a r s h n e s s ) 分析。包括各种 振动、噪声，如摩擦噪声、风噪声等。车辆模拟碰撞分析。可以模拟车辆的 正面、侧面、追尾碰撞，还可以模拟碰撞中成员的姿态。流体分析c f d 。如 空气动力特性分析。优化分析。包括对结构形状与尺寸的优化、结构重量最 轻、动静特性最优等综合分析。 工程分析贯穿车身结构设计的全过程。对应于车身结构设计的概念设计阶 段，结构设计阶段及不同的分析目的，选用不同的单元、不同的模型规模进行 车身结构分析。目前，国外新车型开发周期已经缩短到2 4 至3 6 个月，这与工 程分析在车身结构设计中的广泛应用是分不开的。 模型细化程度不断提高，对结构细部的研究不断深入。为获得更加准确的 模拟计算结果，目前国外用来进行静态分析及静态特性优化的轿车车身有限元 模型单元高达八万多个：用于碰撞和噪声分析的模型单元则高达十几万。出现 了对焊点模拟的研究、车身钣金件冲压成型时钢板厚度变化对分析结果的影响 的研究等报道。 软硬件实力雄厚，二次开发能力强。国外各大公司不仅拥有世界上最先进 的工程分析软件，而且还能充分利用现有的软件，结合各自的c a e 系统进行开 发，达到前后处理与分析的高度自动化。 第一章绪论 通过多年的经验及数据积累，形成工程分析规范。虚拟试验己逐步取代实 车试验。 国内基本情况：国内车身开发工作起步较晚，工程分析在车身结构设计中 的应用相对较少。虽有一些在大客车、轿车和骨架蒙皮式半承载式轻型客车车 身结构分析方面的应用，但与国外的车身结构分析相比仍存在着许多不足。主 要差距有： ( 1 ) 车身结构开发工作主要还是依赖经验和解剖进口车结构进行参照性设 计的，工程分析多用来解决样车试验以后出现的设计问题，设计与分析未能真 正做到并行。 ( 2 ) 由于软硬件对计算模型规模的限制，模型的细化程度不够，因而结构的 刚度尤其是强度分析的结果还比较粗略。工程分析计算结果多用来进行结构的 方案比较，离虚拟现实的要求还有相当大的差距。 ( 3 ) 工程分析主要应用在结构的强度和刚度分析方面，在碰撞、振动、噪声、 外流方面的模拟计算才刚刚起步，对车身结构或部件的各项性能指标进行系统 分析及优化的实例还未见到。 ( 4 ) 结构分析的数据积累工作还不够完善。如果没能全面完整的分析数据及 试验数据的积累，就不可能建立相应的工程分析规范。 1 2 2 结构优化发展概况 优化设计是2 0 世纪6 0 年代初期在现代计算机广泛应用的基础上发展起来 的新技术，是根据最优化原理和方法综合各方面的因素，以人机结合方式或“自 动探索”方式，在计算机上进行的半自动或自动设计，以选出在现有工程条件 下的最佳设计方案的一种现代设计方法。其设计原则是最优设计：设计手段是 电子计算机及计算程序；设计方法是采用最优化数学方法。 目前，国内对汽车结构件的设计与研究，己从主要是依靠经验设计发展到 应用有限元方法进行静强度计算和模态分析阶段，但尚未能进行像汽车整车和 主要零部件的参数确定和选择那样广泛的应用优化设计方法。汽车结构参数优 化设计仍是汽车工业近些年的重要研究领域。 文献 5 研究了用有限元法对半承载式客车车身刚度、强度及动态特性分析 的方法，对改型设计提供了理论依据：文献 6 在对某电动客车的研发中，采用 有限元方法对车身一车架进行了结构静力分析，并验证了结构轻量化的可能性： 一 笙。童堑堡 文献 7 1 进行了某型客车静、动态性能分析，对整车的结构设计做了分析评价： 文献 8 对某改型货车车架进行了静力和模态分析，确定了车架的应力分布和局 部应力集中，以及车架的自振频率和模态；文献 9 以某型客车骨架为例阐述了 框架结构的梁单元建模技术及结果分析技术，通过对不同典型工况下强度、刚 度校核，提出对该客车车身骨架结构进行粗略修改的方案。 1 2 3 人工神经网络发展概况 随着生物神经科学的发展，a n n 的研究经历了漫长的过程。1 9 4 9 年，心理 学家d o h e b b 出版行为构成一书，在该书中首先建立了被称为h e b b 算法 的连接权训练规则。2 0 世纪5 0 年代，f r o s e n b l a t 首次设计了著名的感知器，提 出了一种具有三层网络的结构，第一次从理论研究转入工程实现阶段。为了解 决三层感知器的算法问题，1 9 6 2 年w i d r o w 提出自适应线性元件( a d a l i n e ) 及6 学习规则。由于他们的工作，在2 0 世纪6 0 年代掀起了一次研究神经网络的热 潮1 。 随着研究的深入，出现了各种各样的困难。1 9 6 9 年人工智能创造人之一 m a r v i n m i n s k y 和s e y m o u rp a p e r t 出版一本名为感知器的专著，提出了一种 悲观的论调，神经网络的研究也随之陷入低潮。直到1 9 8 2 年美国加州理工学院 物理学家j o h njh o p f i e l d 教授提出了一种递归网络一- - h o p f i e l d 网络，神经网络 的研究才开始复苏，1 9 8 6 年，贝尔实验室宣布制成神经网络芯片，在这不久之 前，以美国认知心理学家d e r u m e l h a r t 和j l m c e e l l a n d 为首的p d p 研究小组 发表了多层神经网络学习的误差反向传播算法( 简称b p 算法) ，至1 9 8 8 年发表 了并行分布式处理( 简称p d p ) 一书共三卷，这部书最重要的贡献之一是发 展了多层感知机的反向传播训练算法，将学习结果反馈到中间层次的隐结点， 改变其连接权值，以达到预期的学习目的。p d p 网络的提出，对新高潮的到来 起到了推波助澜的作用。1 9 8 7 年6 月2 1 日，以在美国圣地亚哥第一届国际神经 网络学术会议的召开为开端，很快涌现出各种神经网络的期刊，将神经网络的 研究与开发推向新的高潮。当前各国发展的重点是以应用为导向，采取长远计 划发展与近期效果相结合方法，以研究更高性能的混合计算机为目标，使神经 网络在工业技术应用上发生更大的突破和新的发展。 我国脑功能和神经网络课题的研究，早在4 0 年前就已经开始，对于人工神 经网络能力的研究，是在2 0 世纪8 0 年代才开始“。1 9 8 8 年，北京大学组织召 第一章绪论 开了第次关于神经网络的讨论会。1 9 8 9 年，北京和广州等地召开了神经网络 及其应用讨论会和第一届全国信号处理一神经网络学术会议。1 9 9 0 年2 月， 由中国电子学会及计算机学会等八个学会联合发起并组织了中国第一次神经网 络会议。1 9 9 1 年成立了中国神经网络学会，大大推动了中国学术界及工程界在 人工神经网络理论及应用方面的研究。经过l o 余年的发展，我国人工神经网络 的研究和应用正迈向新的高科技时代。 1 2 4 遗传算法发展概况 遗传算法的研究历史可追溯到2 0 世纪六七十年代。1 9 6 7 年，b a g l e y 首次在 他的论文中提出了遗传算法这一术语。第一个将遗传算法应用于函数优化的是 h o l l s t i e n ，1 9 7 1 年他在论文“计算机控制系统中的人工遗传自适应方法”中阐述 了遗传算法用于数字反馈控制的方法。到了2 0 世纪8 0 年代，遗传算法成为人 工智能研究的一个热点。随着遗传算法研究的不断深入发展，一系列以遗传算 法为主题的国际会议变得十分活跃。2 0 世纪9 0 年代以后，遗传算法的应用研究 同益广泛，在求解n p 一完全类型的组合优化和各种非线性高维目标函数的优化 问题中取得了丰硕的成果。在国外进行了如遗传算法对多目标、多约束的处理、 多目标进化遗传算法，遗传算法在优化与机械学习的应用也日益广泛“。国内 也相继出版了一些介绍遗传算法专著，一些学者也将这一技术运用到了工程领 域。文献 1 3 提出了将b p 神经网络和遗传算法相结合用于结构优化设计的方法， 并编制了相应的计算程序，实现了一个含9 个设计变量的发动机盘模型的结构 优化计算：文献 1 4 通过用m a t l a b 构造了人工神经网络和遗传算法程序，人 工神经网络用来建立数据样本间的函数关系，而遗传算法用来求解由该函数作 为目标函数的优化问题。文献 1 5 利用神经网络对有限元计算的样本数据建立 起结构设计参数与位移、应力等的全局性映射关系，以获得遗传算法求解结构 优化总量所需的目标函数值，从而进一步获得问题的优化解。文献 1 6 利用遗 传算法解决了非连续设计空闯的结构优化设计问题。文献( 1 7 利用遗传算法求 解了桁架等的结构优化问题。 1 2 5 车内噪声分析及控制发展概况 近二十年来，随着数值计算技术和信号处理技术的发展，声学理论分析方 第一章绪论 法和测试分析手段也逐步完善，使得在设计和试制阶段对车内噪声的预测和诊 断以及合理降噪措施的运用成为可能“”。而在我国，关于车内噪声分析及测试 的研究近1 0 年爿得到重视。对车内噪声的控制综合起来大致可分为被动控制、 主动控制和基于声固耦合振动分析的声场优化与边界结构的动力修改。 随着有限元分析方法的发展，从2 0 世纪6 0 年代中期开始，人们对振动与 声的耦合理论进行研究并采用有限元分析，取得了具有标志性的进展。在不同 的分析方法中，声固耦合振动分析及噪声控制在理论及应用方面发展较快，其 中在声固耦合振动分析基础上进行声场优化是一个正在发展的方向。通用公司、 尼桑公司采用有限元法对车身结构振动声学特性及车内空间声学特性进行研 究，优化设计避开车身结构和车内空间的固有频率。国内的同济大学、重庆大 学、西安公路交通大学、浙江大学等院校、科研机构也对乘座室内声学特性及 声固耦合特性进行了研究，文献 1 9 在考虑拖拉机驾驶室的声固耦合动态分析 时，提出了择优声学设计的概念并做了定性分析；文献 2 0 研究了结构声场耦 合模态分析方法在车内噪声测试分析及控制中的应用与： 程实现，并开发了相 应的测试开发系统：文献 2 1 探讨了进行汽车室内噪声预测的基本方法，并利 用有限元软件进行建模并在此基础上进行了仿真；文献 2 2 建立了壁面有吸声 材料时拖拉机驾驶室声固耦合有限元模型，计算了驾驶室内噪声响应；文献 2 3 讨论了几种常见车内声场建模简化方法对车内声学模态分析的影响程度：文献 2 4 介绍了有限元法和模态分析技术在某汽车车身结构振动和乘座室空腔内部 噪声测试分析上的应用，同时应用声固耦合理论对车身结构和车内噪声耦合 进行了研究。 1 3 论文主要研究内容 以河北客车厂生产的h b 6 7 9 0 和h b 6 6 0 6 型客车为分析对象，利用大型结构 工程软件a n s y s 对其进行结构分析及噪声分析；利用神经网络与遗传算法技术 对车身进行结构优化。 研究所涉及的主要内容为： ( 1 ) 采用板壳单元对车架进行离散，对纵梁与牛腿间的螺栓连接采用刚单元 模拟。客车车身属于空间框架结构，主要由多种截面形状的梁结构构成，所以 采用空问梁单元对车身进行离散。对悬架结构通过梁、杆单元对其进行离散。 第一章绪论 在此基础上建立车身车架的有限元模型。 ( 2 ) 对车体进行纯弯曲和弯扭组合工况下的静力分析及模态分析。 ( 3 ) 利用有限元计算的样本数据建立起结构设计参数与位移、应力等的全局 性映射关系，用神经网络代替有限元的结构重分析，用遗传算法进行车身结构 优化。 ( 4 ) 建立该客车的三维乘坐声学模型，其空腔声学单元采用f l u i d 三维声学 流体单元，结构单元采用三维s h e l l 板壳单元和三维b e a m 梁单元。在此基础上 进行车身声一固耦合模态分析及空腔声学模态分析。 ( 5 ) 通过客车振动与车内噪声传递路径的实验研究，验证利用有限元方法进 行客车车内噪声分析的可行性。 本文的研究工作是石家庄市科委“车辆振动声学系统新技术研究”( 编号： 0 3 1 0 8 4 8 1 a ) 科研项目的一部分。 第二章客车结构有限元分析 第二章客车结构有限元分析 汽车设计的轻量化一直是汽车工程师所追求的目标。初期的客车设计，大 都采用比较保守的设计思想，因此许多局部强度裕量过大。为了合理地进行车 身和车架的设计，需要对其进行结构强度、刚度及模态分析，在得出车身和车 架的应力分布等情况后，才能对其进行结构优化，以达到轻量化和等强度设计 的目标。 客车结构的几何外形相当复杂，所受的外力负载种类相当多，理论分析往 往无法进行，欲求得其解答，则需简化其结构，或者采用其他有效的数学物理 方法。在计算机和计算技术飞速发展并广泛应用的今天，应用计算机进行数值 解法已广泛的应用于客车结构分析，其中应用较多的是有限差分法( f d m ：f i n i t e d i f i e r e n c em e t h o d ) 和有限元法( f e m ：f i m t ee l e m e n tm e t h o d ) ，尤以后者应用更 广( 嚣j 。而a n s y s 大型结构分析软件作为一种有限元分析的工具，以它强大的有 限元分析计算能力，也越来越受到工程分析人员的重视。本课题选取了a n s y s 软件对客车结构进行了有限元分析。 2 1客车结构有限元法 2 1 1 有限元法及a n s y s 软件简介 在众多的近似分析方法中，有限单元法是运用最为成功、最为广泛的方法口”。 有限元法的基本思想是将一个复杂的结构拆分成“有限”个“单元”，对这些单 元分别进行分析，建立其位移与内力之间的关系，以变分原理为工具，将微分 方程化为代数方程，再将单元组集成结构，形成整体结构的刚度方程。利用计 算机求解大型线型代数方程组，即可求得结构的内力和位移。有限单元法的分 析过程如图2 1 示。 在汽车结构分析中，有限单元法已作为一种常用的基本方法被广泛使用， 具体的讲，汽车结构有限元分析的应用一是体现在汽车的设计中，对所有结构 件、主要机械零部件的强度、刚度、稳定性分析，有限单元法是一种不可替代 9 第二章客车结构有限元分析 的工具；二是在汽车结构的计算机辅助设计( c a d ) 、优化设计中，有限单元法作 为结构分析的工具已成为其中主要组成部分之一；三是应用在汽车结构动态分析 中，普遍采用有限单元法来进行各构件的模态分析，为结构的动态设计提供方 便有效的工具。另外有限单元法还应用于车身内的声学设计，通过车身内声模 态与整车结构的耦合，评价乘员感受的噪声并进行噪声控制。还可应用于汽车 的空气动力学计算、汽车碰撞和被动安全性计算等等。 弹性连续体的离散化 0 选择单元位移模式 0 单元力学特性分析 上 楚体分析，组集结构总刚度方程 0 约束处理并求解总刚度方程 计算单元应力并整理计算结果 图2 1 有限单元法分析流程图 a n s y s 软件是一个功能强大的、灵活的设计分析及优化、融结构、热、流 体、电磁、声学于一个的大型通用有限元商用分析软件，可广泛应用于核工业、 铁道、航空航天、机械制造、汽车交通、电子、土木工程等诸多领域。a n s y s 软件含有多种有限元分析的能力，包括从简单线性静态分析到复杂非线性动态 分析”“”1 。 2 1 2 客车结构静力分析有限元法随2 ” 根据不同参数的单元，可求得各单元的刚度矩阵。再通过转换矩阵可求得整 体坐标系中的单元刚度矩阵，然后按叠加规则直接相加而形成整体刚度矩阵。根 据各单元节点力和位移的平衡及连续性条件，可将它们组合成整体线性联立方 程组 一1 0 一 第二章客车结构有限元分析 k l ik 1 2 k 2 lk 2 2 - k 1 1 。 吒，吒： k l 。 k 2 。 k j 五 x 2 _，- x l x ， 只 是 - 异 _ 只 ( 2 1 ) 式中，”壮点总数； 爿第i 节点的6 个自由度方向上的广义位移； 尸作用于第i 节点上与其6 个自由度相对应的广义外力； k 客车车体结构整体刚度矩阵。 显然，式( 2 - 1 ) 包含6 1 1 个独立方程。对模拟前后车轮的杆单元的四个节点的 6 个自由度分别进行一定的约束。这样就可得到一个包含约束方程在内的联立方 程组，解此方程组可求得车身框架各节点上的位移x 。，五，也，并可据此求得 各单元的应力。 + 2 13客车结构模态分析有限元法_ 圳 具有有限个自由度的弹性系统运动方程，可应用动载荷虚功原理推导出来， 其矩阵形式为 【m 舻 + 【c 】+ 【k 】 万) = p ( 2 2 ) 式中，f m 卜一结构总质量矩阵； c 卜结构总阻尼矩阵； 陋1 结构总刚度矩阵： 巧 _ 一节点位移列阵； f p l _ 结构载荷列阵。 在模态分析过程中，取 p 1 为零矩阵，因结构阻尼较小，对结构的固有频率 和振型影响甚微，可忽略不计，由此可得结构的无阻尼自由振动方程： 阻水 + 十旧= o ( 2 3 ) 这是常系数线性齐次微分方程组，其解的形式为 研= 戍js i n ( a j t + 庐) ( 2 4 ) 式中，街振动固有频率； 西振动初相位。 第二章客车结构有限元分析 将( 2 4 ) 式代入( 2 3 ) 式后，便得到如下的齐次线性代数方程组 i x 一2 阻】 万 = 0 ( 2 5 ) ( 2 - 5 ) 式有非零解的条件是其系数行列式等于零，即 k 卜2 m l = o ( 2 6 ) 当矩阵【k 以及【吖】的阶数为”时，式( 2 - 6 ) 是2 的h 次实系数方程，称为 常系数线性齐次常微分方程组( 2 3 ) 的特征方程，系统自由振动特性( 固有频率 和振型) 的求解问题就是求矩阵特征值和特征向量 截的问题。 2 2 客车结构有限元建模 2 2 1 建立数学模型 h b 6 7 9 0 型客车是河北客车厂开发的一种车型，它采用江淮汽车厂 h f c 6 7 8 2 k y 2 型客车底盘，发动机为直列、四缸四冲程、水冷直喷式柴油机， 发动机后覆后驱动( 4 x 2 ) 。车身右侧前端设有乘客门，车身为全金属、半承载 式，其车身与车架刚性相连，使车身也参与承载，增加了车身和车架的总体刚度 和强度。 车身结构是由空间骨架、抗弯薄板、车身蒙皮和内装饰件等构成的复杂空 间结构。由于车身结构的复杂性，要建立精确的力学模型显然是相当困难的。因 此在建立车身结构的力学模型时，应对车身结构作适当的简化处理汹3 。 ( 1 ) 将车身简化为空间框架结构，用b e a m l 8 8 空间梁单元模拟车身骨架，忽 略车身蒙皮和窗玻璃对车身总体结构的强度和刚度的加强作用。这将使实际计 算结果偏于安全。 ( 2 ) 以车身骨架上的空间交叉点为节点，对相距很近而又不重合的交叉连接 点用一个取中的节点代替。 ( 3 ) 忽略某些对整车结构变形和应力分布影响较小的非承载构件，如：车顶 及车身侧围的一些承载较小的连接杆和支撑杆件。 ( 4 ) 将空间曲梁简化为直梁。用尽量少的直梁单元近似曲梁，比如把顶盖横 粱、前风窗上、下横梁等曲梁划分为若干个直梁单元。 客车车架由纵梁和横梁组成，纵梁和横梁及与纵梁相连的牛腿均由薄板冲 1 2 第二章客车结构有限元分析 压成型，为一板壳结构。传统的车架有限元模型常采用梁单元，其优点是计算费 用小，但由于梁单元的模型过于简单，单元截面特性难以准确确定，因而对粱 单元模拟变截面形状的构件，计算精度较低，且不能为截面形状设计提供依据。 在实际工程运用中，由于车架是由一系列薄壁件组成的结构，且形状复杂，宜 离散为许多板壳单元的组集，其缺点是前处理工作量大，计算时间长，然而随 着计算机技术的不断发展，这个问题已得到了较好的解决，而且由于有大型有 限元软件支撑，巨大的前处理工作量绝大部分可由计算机完成。这种模型使得 对车架分析计算更为精确，能为车架设计提供更为有利的帮助。因此本文采用 s h e l l 6 3 板壳单元来模拟车架。当这种单元足够小时，这种近似结构是能够趋近于 真实结构的”。 对于纵梁与牛腿之间的连接件铆钉，采用r i g i d 钢单元来实现，这样可以 更真实地反映出锄j 钉在车架的变形中承受着剪切和拉压变形3 。车架纵梁和横 梁之问的联接在焊接满足工艺要求的情况下可简化为刚性的。由于车架纵粱上 的小圆孔只影响纵梁上很小的局部区域的刚度，而对整个车架的计算精度影响 很小，为简化模型，减小解题规模，建模时将这些小圆孔忽略不计。 由此，可将车体骨架离散化为6 5 7 个梁单元( b e a m l 8 8 ) ，1 4 4 6 0 个板单元 ( s h e l l 6 3 ) ，8 个杆单元( l i n k 8 ) 和9 6 个刚单元( m r c i 8 4 ) ，节点总数共计1 3 2 7 0 个。 建立的有限元模型如图2 2 示。在整个车身骨架中，梁单元由各种截面形状和长 度尺寸不同的矩形管、槽钢和角钢等构成，梁单元截面形状共分为9 种，如图2 - 3 示。组成车身一车架总成的各单元属性如表2 一l ( 钢单元没有属性) 。 ( a ) 空间骨架结构 、l 一 lll1 广 d 陡；p 朔lfp l l llo ul旷、 l i 图2 - 2 客车有限元模型 ( b ) 有限元模型 第二章客车结构有限元分析 粱1 6 ：l x b x h ( m m l 粱l ：5 0 x 5 0 x 3 粱4 ：5 0 x 4 0 x 1 7 5 酶辱尉 梁7 ( m m )梁8 ( m m )粱9 ( m m ) 梁2 ：5 0 x 5 0 x 1 7 5 粱5 ：4 0 x 4 0 x 1 7 5 图2 - 3 车身骨架梁截面形状 表2 1 单元属性列表 粱3 ：5 0 x 3 0 1 7 5 粱6 ：4 0 x 3 0 x 1 7 5 2 2 2边界条件处理 车身与车架是通过悬架系统、车桥和车轮支承在地面上的。因为轮胎的刚 度和悬架系统的刚度不是同一数量级的，轮胎的刚度要比悬架系统的刚度大的 多，因此，在进行有限元分析时，为了更准确地模拟实际使用工况，将悬架系 统与车身及车架组合起来考虑，轮胎只考虑其约束情况。悬架系统中钢板弹簧 除了做弹性元件外，还起导向作用，因此其在各个方向上均有刚度，且在其他 方向上的刚度要比垂直方向上的刚度大的多，故用刚性杆一柔性梁结构模拟钢 板弹簧1 3 1 , 3 2 。在约束处理中忽略轮胎的变形。刚杆一柔梁模拟悬架的等效图如 2 4 所示。 图2 叫钢板弹簧支撵模拟 一1 4 车架 第二章客车结构订限元分析 悬架弹簧刚度k j ；= j 水平柔梁的垂直弯曲刚度米等效，对于刚性杆，为使其 垂直位移远小于柔性梁，取其轴向刚度为6 x1 0 9n m 可通过施加耦合自由度约 束将剐性杆的所有自由度耦合，使杆上各节点保持问一个位移值以模拟刚性， 刚杆截面积由式a = k l e 计算，其中，爿为刚性杆的截面面积；k 为刚性杆的 轴向刚度；为刚性杆的长度，根掘实际结构，取2 0 0 m m ；e 为钢的弹性模量，耿 2 0 6 1 0 “n m 2 。可得刚性杆截面积为o 0 0 58 2 5m 2 。 将钢板弹簧等效为一个水平布置的柔性梁，并以主从结点关系模拟梁的两 端点与列应车架吊耳处结点之间的关系。柔性梁截面取正方形，h 为截面边长， - 31 由挠度公式推出悬架弹簧的刚度的导数应等于五，即五= 熹= 专。 由，= 西h 4 ，可得 h = 4 碰? 肛( 2 7 ) 式中，k 钢板弹簧铅垂方向上的装车钢度( 其中前簧为1 3 00 0 0n m ，后簧为 2 1 00 0 0 n m ) ； 三铜板弹簧活动吊耳与固定吊耳之问的水平距离( 前簧为1 2 7 n l ，后 簧为1 3 7m ) ； e 等效粱材料( 一般取为钢材) 的弹性模量( 取为2 0 6 1 0 u ) 。 得到h = 0 0 4 8m ，h 月= 0 0 5 7m 。 有限元分析模型的4 个支撑点分别取在对应4 个钢板弹簧等效梁的中点， 即相当于轮胎位置。 2 2 3 载荷移置： ( 1 ) 对于车身车架自重，在a n s y s 软件前处理程序中输入结构材料的密度 和重力加速度，程序便根据所输入的单元截面形状、实常数自动将单元载荷因 子的信息计入总载荷，进行计算。 ( 2 ) 安放在车身或车架上的附件，如发动机总成、备胎、蓄电池、油箱、空 调、冷凝器、蒸发器及行李等，可作为集中载荷，按安放点的实际位置及各位 置所分担的重力，作用于相应的节点上。( 主要附件及其质量见表2 2 ) 一1 5 第一二章客车结构有限元分析 ( 3 ) 载重力，如乘员及座椅的重力，可作为均布载荷作用于相应的支撑梁单 元上，有限元程序会自动将其转换到对应节点上。 由于在有限元法中认为内力或外力均由节点来传递，在整体刚度方程中的 载荷项均为节点载荷。因此，当梁单元受到均布载荷或其他非节点载荷时，必 须将其向节点移置，即将非节点载荷换算成作用在节点上的等效节点载荷。在 a n s y s 软件中，如果先在车体有限元模型上加载再进行网格划分，能直接将非 节点载荷转换成等效节点载荷。施加载荷及边界条件后的客车有限元模型如图 2 5 示。 图2 - 5 施加载荷的有限元模型 2 ，3 客车有限元结构静力分析 对结构进行静力分析的目的，在于计算结构在最大载荷作用下的变形与应 力，以便进行强度与刚度的检验。 强度是机械零件正常必须满足的最基本的要求。机械零件在工作时，不容 许出现断裂或塑性变形，也不容许发生表面损坏。强度是指零件抵抗这类破坏 的能力，可分为静强度和疲劳强度，客车结构强度不足会使车架或车身骨架发 生断裂，过早失效。而车身结构的刚度不足会引起车身的门框、窗框等开口处 1 6 一 第二章客下结构有限元分析 的变形大，以至车门卡死、玻璃压碎、密封不严导致漏雨、渗水及内饰脱落等 问题，还会造成车身振动频率低、发生结构共振，破坏车身表面的保护层和车 身的密封性，从而削弱抗腐能力。因此，为安全起见，应对车身可能承受的最 大载荷进行分析。客车的使用工况很复杂，有弯曲工况、扭转工况、转弯工况 和加速工况等。理论分析、室内试验和使用实践都表明，直接关系到整车结构 强度、刚度的主要是弯曲和扭转两种工况。 2 3 1有限元静力分析边界条件处理 不同的工况下边界条件处理如下。： ( 1 ) 弯曲工况：车身自重和载荷乘以2 5 的动载系数，方向竖直向下，模拟 客车在平坦路面以较高车速行驶时产生的对称垂直动载。并约束车轮处的所有 自由度。 ( 2 ) 弯扭工况：通过约束右前轮、】，、z 方向的平动自由度和z 方向的 转动自由度，左前轮和右后轮的z 方向的平动自由度，来模拟车身左后轮悬空， 右前轮陷入坑中的扭转工况。 2 3 2 刚度计算结果及分析 2 3 2 1 弯曲工况 客车在良好路面匀速行驶时，四轮着地，车身骨架承受弯曲，主要发生弯 曲变形。客车弯曲变形图如2 - 6 示。 图2 - 6 弯曲工况下客车变形图 一1 7 第二章客车结构有限元分析 车身右后角区域从车顶到车架各部分均有较大位移，而且越靠近角区域位 移越大，最大位移为1 9 7 3 7m l n ，位于车后围右上方节点9 4 0 处。车身开1 2 1 变形 是车身刚度的一个重要指标，开口变形过大影响到车身密封性，严重时可能扭 碎挡风玻璃或挡风玻璃脱落。车门变形大可能发生开门困难。所以设计中都