（车辆工程专业论文）轻型客车结构分析与试验研究.pdf

摘要 7 汽车车身设计技术是一项关键技术，本文运用有限元方法和试验相 l 结合的手段研究了某军车改型后的结构性能。通过有限元计算得到了该 车在满载弯曲、扭转及制动等工况下的结构强度和剐度特性，并对上述 各种工况下车身及车架关键部位的应力、变形的分布进行了分析。在此 基础上，研究了车身蒙皮对整车结构催能的影响；运用有限元方法和实 、 体模态试验研究了该车的固有特性。1 本文的主要研究成果有：在扭转 。， 工况下，车身中的整体应力水平最高，制动工况次之，而满载弯曲工况 下车身中的应力最小，说明扭转工况是最危险的受载情况；蒙皮可在 一定程度上改善整车的应力分布，有利于提高整车的抗扭和抗弯能力； 通过理论模态计算并结合试验手段研究车身的固有特性是改善车身 动态性能的一种行之有效的方法。 本文的重要新意在于：运用了c a d 与c a e 相结合的技术，这保证了 分析模型的精度；研究了蒙皮对车身应力分布的影响，这为汽车的结构 设计提供了一定的参考依据。 关键词： 车身有限元强度9 试验 模态分析 a b s t r a c t c a r b o d yd e s i g ni sak e yt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , t h es t r u c t u r a lp e r f o r m a n c eo f ac e r t a i ni m p r o v e dm i l i t a r yv e h i c l ew a ss t u d i e db ym e a n so ff e m ( f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ) a n de x p e r i m e n t a t i o n a f t e rc o m p u t a t i o nb yf e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) ， t h es t r u c t u r a ls t r e n g t ha n d r i g i dw a s o b t a i n e dv - h e nt h ev e h i c l ew a s f u l l y l o a d e di nt h e s i t u a t i o no f b e n d i n g ，t o r s i o na n db r a k e ，a tt h es a m et i m e ，t h ed i s t r i b u t i o no f s t r e s sa n d d i s t o r t i o nw a sa n a l y z e di nt h ei m p o r t a n tl o c a t i o no ft h eb o d ya n dt h ef r a m e ，o nt h i s b a s i s ，t h ei n f l u e n c eo fe a rs k i nw a ss t u d i e d0 1 1t h ev e h i c l es t r u c t u r a lp e r f o r m a n c ea n d t h ei n t r i n s i cc h a r a c t e r i s t i co f t h ev e h i c l ew a sa l s oa n a l y z e db ym e a n so ff ea n dm o d e e x p e r i m e n t a t i o n h e r ea r em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa n dn e wi d e a si nt h i sp a p e r ：t h e s t r e s sl e v e lo ft h eb o d yi st h e h i g h e s ti nt h es i t u a t i o no ft o r s i o n ，a n dt h eb r a k i n g s i t u a t i o ns e c o n d a r y , t h e nt h es i t u a t i o no f b e n d i n g w h e n f u l l yl o a d e d ，t h er e s u l t ss h o w t h a tt h et o r s i o nw a st h em o s td a n g e r o u so n e ；匡) t h ec a rs k i nc a ni m p r o v et h e d i s t r i b u t i o no fs t r e s st os o m ee x t e n ta n da v a i lt h ee n h a n c e m e n to fa n t i t o r s i o na n d a n t i b e n da b i l i t y ； t h ei n t r i n s i cc h a r a c t e r i s t i co fc a rb o d yw a ss t u d i e dt h r o u g hm o d e c a l c u l a t i n gi nt h e o r e t i c a la s p e c ta sw e l la sb ye x p e r i m e n t a t i o na n dt h e ya r ee f f e c t i v e m e t h o d st oi m p r o v et h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo f v e h i c l e t h em a i nn e wi d e a sl i e si nt h a tt h ec a da sw e l la st h ec a e t e c h n o l o g yw a s u s e d t o g e t h e ri nt h i sp a p e r , w h i c h e n s u r et h ea c c u r a c yo f t h ea n a l y t i c a lm o d e la n dt h e i n f l u e n c eo fc a rs k i no nt h eb o d ys t r e s sw a sa l s os t u d i e d ，w h i c ha p p l yt h er e f e r e n c e f o rt h ev e h i c l es t r u c t u r a ld e s i g nt os o m ee x t e n t k e y w o r d s ：c a r - b o d y , f m i t e e l e m e n t ,s t r e n g t h ，e x p e r i m e n t a t i o n , m o d e a n a l y s i s l l 学位论文版权使用授权书 论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅。 本文授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入相关的数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密叫 学位敝作者躲寺。善 文。文年月妒日 f 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 江苏大学硕士研究生学位论文 引言 第1 章绪论 汽车的特点是结构比较复杂，部件之间存在多种连接方式，使得其分析模型的 建立比较复杂，要想得到比较精确的分析结果，必须对有限元模型进行深入研究。 1 1 课题研究的背景 在发达国家，汽车的普及率已经达到了很高的程度。汽车已成为现代生活不可 缺少的一种工具。然而，中国的汽车人均拥有量远低于发达国家的水平，正是由于 中国巨大的市场和汽车工业对国民经济巨大的推动作用，汽车工业己被国家确定为 国民经济的支柱产业之一。随着中国进入世界贸易组织，国外的汽车公司在国内很 多的省市相继投产，这对国内的汽车产业无疑是个挑战，国有汽车公司如何能够 打开国门迎接挑战，是一个很现实的问题，这就需要我们的国有汽车公司，在引进 国外先进制造和设计技术的同时，主动研制开发适合中国国情的汽车。本文采用有 限元方法，以某军车为研究对象，对改型车进行应力、应变分析并且通过实验数 据对模型的准确性进行了验证，通过对各种评价参数进行对比，分析了局部部件对 整车的应力分布的影响，找到了一种比较新型的结构设计方法。为该车的设计提供 了一定的理论依据。 1 2 课题研究方法和采用的软件 工程实际中的复杂结构问题很难有解析解。有两种方法可以克服这个困难： 一种方法是对复杂问题作出种种简化，提出假设，回避一些难点，最终简化为一个 能够解决的问题，但太多的简化和假设，经常会得出不准确甚至是错误的解答；尽 可能保留问题的原貌，尝试寻求满足工程要求的近似数值解。在计算机和计算技术 迅速发展的今天，后者成为比较现实和有效的选择。对于汽车这种复杂的结构，目 前广泛采用有限元法进行其力学性能的研究及优化设计，该法被证明是一种最成功， 应用最广泛的近似分析方法。 有限单元法所采用的离散化概念早在4 0 年代就已经提出来了由于受计算条件 江苏大学顸士研究生学位论文 的限制，没有得到很好的发展。随着计算机数据处理速度的提高，有限单元法得到 了蓬勃发展。特别是6 0 年代中后期，国外数学家的介入使得有限元的发展有了坚实 的数学基础。有限元法最先应用在航空工程领域，后来迅速推广到机械与汽车、轮 船、建筑等各种工程领域，并从固体力学领域拓展到流体、电磁场、振动等各学科。 在工程技术领域中，有限元法的应用可分为三大类：静态分析，也就是求解 不随时间变化的平衡系统问题。如线弹性系统的应力分析，也可应用在静电学、电 磁学、静态热传导和多孔介质中的流体流动等的分析。模态分析和稳定性分析。 它是平衡问题的推广，可以确定一些系统的特征值或临界值，如结构的稳定性分析 及线弹性系统的固有特性的分析等。进行瞬时动态分析。求解一些随时间变化的 传播问题。如弹性连续体的瞬时动态分析( 动力响应) 和流体力学等。 有限元分析程序一般分为三类：大型通用程序、专用程序和自编程序。所谓通 用程序，它的特点就是“通用性”。单元库内一般常用单元齐全，分析模块众多，有 静力分析、固有特性分析、动态响应分析等，应用范围比较广泛，可涉及连续体分 析、流体分析、热传导分析、电磁分析，以及线性与非线性分析、弹塑性分析、复 合材料分析等，并且一般都有较方便的前后处理功能。不同的通用程序都有各自的 特点【。 在本课题中使用的有限元软件为a n s y s ，其计算步骤以及特点如图1 1 所示： 研究分折结构特点 形成计算模型选程序或蝙制程序 售改横型ji试算ij 修改程序 重= 计算模型准确性判别二 严 惨改方案li 正式计算结果整理 是结掏设计方寨 芝苎要， i 否 = 匠口 图1 1 有限元计算步骤 2 江苏大学硕士研究生学位论文 1 3 有限元法在汽车工程中的应用嘲 静力学和动力学仿真分析方法是研究汽车及其零部件可靠性、寻求最佳设计方 案的主要手段。对于结构和载荷复杂的汽车，难以采用经典方法，只能寻求问题的 近似解，其中有限元法的应用最成功。它将结构的物理模型抽象为有限元计算的数 学模型，通过计算机和相应的软件，求得问题的近似解。这个过程最后获得的主要 数据是：结构的应力分布、变形分布、内力分布，结构的固有特性和动力响应。利 用这些数据，就可进行应力的分析。分析的目的包括：进行方案的优化设计、计 算结构的动、静特性，进行动态优化设计，预测其疲劳寿命和可靠性。分析局部 结构的影响因素，寻求优化的方法。在汽车使用中发生故障时，分析其原因提出 合理的改进方案。 从7 0 年代以来，随着大容量的计算机的出现和美国宇航局结构分析程序n a s t r a n 的开发成功，美国几家大的汽车公司开始了一场汽车结构设计的革命，sae 杂志 上发表了一系列介绍汽车的有限元模型的文章。目前有限元本身的技术也在不断丰 富和完善，模型的规模也从最初的几十、几百个简单的单元发展到了如今的几万甚 至是几十万个单元，分析对象由以前的静态应力到动态响应、噪声、碰撞和优化设 计。应用大型的有限元软件，建立汽车的有限元模型，进行汽车的动静态分析，完 成汽车的优化设计，已是各大汽车公司普遍采用的一种手段。美国福特汽车公司在 7 0 年代就使用n a stra n 软件，用板、粱单元进行车身的有限元静态分析， 找出高应力区，并改进应力分布。日本五十菱汽车公司在80 年代末已将cae 应 用到车身设计的各个阶段，从最初设计阶段的粗略模型到设计中、后期的细化模型， 分析的范围包括强度、刚度、振动、疲劳、碰撞及形状和重量的优化。进入90 年 代有限元分析得到广泛的应用。美国通用汽车公司在通过有限元程序的基础上自主 开发了后处理程序，将发动机和道路激励载荷集成到数据库中，进行汽车对发动机 和道路激励的响应分析和改进，大大简化了分析过程。日本尼桑汽车公司利用有限 元分析仿真来驱动整个性能的优化。在分析中使用的模型已经包括悬架、发动机、 轮胎和转向机构。福特汽车公司也利用cae 在新车开发中提高其nvh 性能，取 得良好的效果。并详细的介绍了福特公司的cae 技术小组如何与其他设计小组配 合以使转向柱和仪表板的设计达到设计要求【2 3 】， 在我国，长春汽车研究所的谷安涛、常国振最早应用有限元法对汽车车架进行 江苏大学硕士研究生学位论文 了设计计算揭开了中国汽车工业计算机辅助设计的序幕。随着计算机软、硬件技 术的发展。特别是微机性能大幅度地提高与普及，使得有限元技术逐步在汽车结构 分析中得到推广和应用。在微机上进行有限元分析不再是个很困难的问题，也使有 限元分析的应用向广度和深度发展，对路面谱及汽车输入谱的研究得以继续开展。 e a e 在汽车等机槭产品的开发应用非常广泛。如采用有限元法( f e m ) 计算机械 零部件的应力和变形分析；采用多体运动学方法进行汽车整车的操纵稳定性和行驶 平顺性的动态仿真分析：采用有限元进行汽车碰撞分析；采用有限元法和边界法 ( b e m ) 分析汽车的噪声等等。 1 4 本课题的研究内容 本课题以某军车为研究对象，对其改型后的结构进行静应力、应变分析以及模 态分析，同时通过对比分析，确定改型车的整体结构性能，为该车型的生产提供理 论依据，并将模态分析理论结果与试验结果进行相关性分析，验证有限元模型的准 确性，确定初步的改进方案的合理性。 本文主要研究内容如下： 运用三维设计软件p r o e 建立改型车车架的实体简化模型 建立改型车有限元模型 改型车有限元模型应力、应变的分析与研究 改型车局部部件对整车应力影响的研究 模态分析与研究 本论文的主要新意： c a d 和c a e 相结合运用于汽车结构的设计和改进中。 分析局部部件对整车的应力和应变的影响即蒙皮对整车结构应力分布和变形的 影响。 运用模态振型的相关性分析，验证理论模型的准确性。 4 江苏大学硕士研究生学位论文 第2 章运用于汽车结构分析的有限元理论基础p i s l 1 6 1 有限元分析首先要将工程问题转化为有限元计算模型，而模型化的关键是选择 合适的单元来模拟结构，工程结构中有许多开口或闭口截面的杆件，如槽钢、角钢 等，它们以重量轻、承载能力强、材料利用较合理等优点而被广泛采用”。本文研究 的整车就是由开口和闭口的薄壁板件组成，该车车架和车身主要是由板壳构成的空 间结构。故在对其进行分析时运用a n s y s 软件中的s h e l l 6 3 壳单元和b e a m 4 单元建 立该车的模型“1 。 2 1 板壳单元理论及s h e l l 6 3 单元简介n 1 汽车结构中大部分零件都是由钢板件冲压而成，因此可采用板壳单元进行结构的 离散化。同薄板一样，板壳理论是基于克希霍夫假设，但其变形不同，除了弯曲变 形外，还有中面的变形。因而壳体中的内力包括弯曲内力和中面内力，且相互影 x m 图2 1s h e l l 6 3 单元结构 响，导致描述它的微分方程更复杂。将壳体曲面划分为有限个单元，一般来说，他 们都是曲面单元。但是当单元逐渐细分时，用平面组成的一个单向或双向折板来近 似壳体的几何形状，就能取得良好的效果。若在壳体上找到同一平面的四个点，就 可以采用矩形平面壳单元。其受力可以分为两类：像薄膜一样承受平面内的应力： 像薄板一样承受弯曲应力。薄壳的分析计算中，其中面是曲面，其变形状态除了扭 转变形之外，还存在中面的拉、压和剪切变形。因此，薄壳单元中的内力包括弯扭 江苏大学硕士研究生学位论文 应力和中面内力两部分吼s h e l l 6 3 是一种典型的壳单元，其单元结构如图2 1 所 示。该单元由4 个节点组成，每个节点存在6 个自由度，它们分别是x 、y 、z 三个 方向上的平移自由度，绕x 、y 、z 轴的转动自由度。一个s h e l l 6 3 壳单元有2 4 个自由度。而且每个节点上的厚度都可以不相等，这种参数的设置能构成一个变截 面的壳单元。 运用有限元求解s h e l l 6 3 整体刚度矩阵要进行以下几个步骤： 确定单元的位移模式和单元受力分析 求解单元应力和应变方程 运用虚功原理求解单元刚度矩阵 进行坐标变换，合并单元刚度矩阵，得出整体刚度矩阵。 在求解s h e l l 6 3 的单元刚度矩阵时，由于在进行单元划分时，每个单元都很小， 可以近似的看成是矩形单元，可得到其单元刚度矩阵为 时= 等肌陋r 0 1 8 d v ( 2 1 ) 式中v 表示单元的体积。 陆】。= 每个子块是6 6 的子矩阵： k 。k u k j ，k k ，k q k k q k i 。k 。 k j mk 口 k 。女。 k m ，k 口 瞳。 = 譬胍p ，i d i b ，矽 ( r = i ，j ，m ，p ；s = i ，j ，1 1 i ，p ) 陋r 一扣匀x ? x ? jy 。) 睾y 一小书，2hr 墨 一去( 。一，辜一，爿 0 一静瓤，荆 扣小韵 扣瓤万y )x l 、x lky l j 0 一姜( + 考 - 一s 考y 。x t 入x | ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 江苏大学硕士研究生学位论文 2 2b e a m 4 空间梁单元简介田】【3 5 】 空间梁单元是有限兀中的常用单兀，本文中用的梁单兀为b e a m 4 如图2 2 ，该 单元每个节点存在6 个自由度：三个线位移分量和三个截面转角分量。可将任节 点i 的线位移分量用瓶) 表示，三个角位移分量用以 来表示，由于每个梁单元都含 有两个节点，则单元f ，j 的节点位移列阵为 p 。= k ，叶w l 以既qv ，w ，0 j y 屯 7 ( 2 5 ) 梁单元的1 2 个节点力为 f 。= u ，1 l 彤l 坂m 。u j 一m ，鸠： ( 2 6 ) 单元刚度方程为 扩 。= 时舻 。 ( 2 7 ) 单元刚度矩阵k + 为( 式2 8 ) 。 图2 2 粱单元节点力 7 w j ) 江苏大学硕士研究生学位论文 1 互f 碉 6 q 确 _ 1 可 硼 叫 碉 l 可 ，0 喇) 砸f 砷埘) l 五f ，( i 喇) 匹f 爿1 叫) 衄 巾删 吲 砷嘶) ( 2 - 童n 1 嘶) “吨畸 丽r 伍f 可习 h 妞 可可 1 q 碉 l z f d 1 砸) 锄 爿l 枷 碰誓 可司 ( 2 8 ) 热办= 券松器 汜 巾y 、巾z 一对y 和z 轴方向的剪切影响系数； g 、e 一剪切模量和弹性模量； 、a z 截面在y 和z 方向的有效抗剪面积； i y 、i z 一截面对y7 和z 轴的惯性矩； j l r 一截面对x 轴的扭转惯性矩； l 一单元长度； i 粱单元横截面面积； 若记瞳 为整体坐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 扩r 与位移向量锣r 之间的关系为： 豁 豁 江苏大学硕士研究生学位论文 钟： - 钟 ( 2 1 0 ) 防f = 口r 陆r 防】 ( 2 1 1 ) m 00 0 陆心0 0 00 c z l0 0 0 刚 t 为单元坐标系变换矩阵。 建立整车有限元模型后，在用有限元软件进行整车强度和刚度分析时，通过输 入各梁截面的面积、弯曲特性、扭转特性以及材料特性，程序自动生成单元刚度矩 阵，计算出各节点处的位移和应力。 2 3 结构整体刚度分析 结构整体刚度方程是作用在结构上的节点载荷向量与载荷位移向量之间的关系 式。组建时，将整体坐标系下的单元刚度方程予以扩展为： 时= 蝌 ( 2 】3 ) 式中 _ y “、黟y “一按节点顺序排列并扩展为疗1 阶的单元e 的节点力向量和节 点位移向量。 k r 一扩展后的竹x n 阶e 单元剐度矩阵。符号上的“一”表示是在整体坐标系下的。 由节点力的平衡条件可知，汇交于某一节点i 的单元节点力( 内力) 的总和， 应该等于作用在该节点上的外力，即： 霄产= 霄 ( 1 ) + 嚣y ”+ = e 对于整体结构，则有 舻严= 舻) ( 1 ) + 舻y ”+ = 舻 所以 峰r + 【_ p + 恬 = 斜 或写成 医料= 仁 9 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 江苏大学硕士研究生学位论文 医j - k r ，+ k ，2 ，+ ( 2 1 8 ) 1 1 为整体坐标系下的总刚度矩阵，对整体刚度方程引入边界条件，进行约束处 理，得到以节点位移为未知数的基本方程组。解此方程组可求得整个结构的节点位 移研。 上述全部计算工作均运用软件由计算机来完成。 1 0 江苏大学硕士研究生学位论文 第3 章有限元模型的建立 建立准确而可靠的整车有限元计算模型是一项极为重要的工作。模型简化正确 直接关系到有限元计算结果的准确性，因此，建立的有限元模型应满足下列要求f l o l ： 计算模型必须具有足够的准确性，所形成的计算模型要能反映车身和车架的 实际结构。既要考虑实际结构与所建模型的一致性，又要考虑支撑情况和边界约束 条件的一致性，还要考虑载荷和实际情况的一致性。 计算模型要具有良好的经济性。复杂的计算模型般具有较高的准确性，但 计算模型并不总是越精确就越复杂。复杂的计算模型的建立相应地会花费更多的时 间、人力、物力去进行前处理、数据准备工作、数据计算和后处理，从而使计算周 期加长费用大大增加。 3 1 模型的简化乜2 3 图3 1计算对象的实物照片 本课题以某军车作为研究对象，其外形如图3 1 所示。 该车是一种采用焊接、铆接以及螺栓连接等方式建立起来的空间板壳结构。在 建立有限元模型前，用p r o e 建立车架的初步实体模型。并按下列原则进行模型简化： 略去功能件和非承载构件。有些构件仅为满足结构或使用上的要求而设置， 并非根据强度的要求而设置，例如：风窗玻璃的鼻梁、中门后用于安装车牌的支架 江苏丈学硕士研究生学位论文 等等。这些构件对车身结构的内力分布和变形影响都较小，因此在建模时将其忽略 【1 4 1 。 将连接部位作用很小的圆弧过渡简化为直角过渡，来提高整车模型的计算速 度。 在不影响整体结构的前提下，对截面形状作一定的简化。在安装衬板的地方， 对结构厚度进行调整，通过结构参数的调整弥补结构上的简化所带来的缺陷。 对于一些结构上的孔、台肩、凹槽、翻边在截面形状特性等效的基础上尽量 简化，对截面特性影响不大的特征予以忽略。1 1 2 1 1 1 3 】 按照简化原则，运用p r o e 得到车架的实体模型，将其输出为i g e s 文件，运用 a n s y s 输入命令，转换为d b 文件，进行文件转换时所用的p r o e 和a n s y s 命令 分别为 p r o e 路径：f i l e e x p o r t m o d e l i g e s ，接着定义输出文件名为f r a m e 。 用s e l e c ta l l 选择所有要输出的面，这样就将p r o e 的p r t 文件转换为i g e s 文件。 a n s y s 路径：f l i m p o r t i g e s ，选择如图3 2 所示的选项。 图3 2i g e s 文件输入选项 通过文件转换得到其车架的实体模型如图3 3 所示 1 2 江苏大学硕士研究生学位论文 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ：车架第1 ，2 ，3 ，4 ，5 横梁；6 ：发动机前支架：7 ：发动机后支架；8 ：驾驶室 车架前连接支架；9 ：刚板弹簧后吊耳；1 0 ：车架左右纵粱；1 1 ：驾驶室车架后连接支架；1 2 ： 车厢第一支承；1 3 ：刚板弹簧前吊耳；1 4 ：车厢第二支承：1 5 车厢第三支承 图3 3 车架实体模型 在所建车架模型的基础上建立整车实体简化模型如图3 4 所示： 图3 4 研究对象实体模型 江苏大学硕士研究生学位论文 3 2 模型离散化 在对整车进行离散化时，根据以往研究者以及自己所做课题经验的总结可以知 道，运用普遍采用的四边形s h e l l 6 3 单元，对其进行离散化与实际情况比较相符。 若采用三角形单元则会有以下缺点： 三角形单元相对比较稳定，在无形之中就人为地增大了实体的刚度，不能很 真实地反应整车模型的应力和应变。 用三角形单元划分整车模型，单元比较多，影响计算时间。 整车离散化模型如图3 5 所示 图3 5 整车离散化模型 3 3 整车模型工况选取和边界条件的处理 3 3 1 模型工况的选取及约束处理 汽车车身通过前、后桥支撑在地面上，地面的反作用力通过悬架传给车体。车 身骨架与车架刚性相连，而车架通过悬架系统与车桥相连。因此不同的悬架系统对 车架以及车身骨架的强度和刚度的影响较大。若忽略悬架的约束作用，根据悬架的 1 4 江苏大学硕士研究生学位论文 结构和车架的连接方式，采用简单的两点支承方式，显然不符合实际情况，这样会 使计算结果和实际结果有较大的出入，特别对约束点附近构件的应力影响更大；同 时，若不考虑悬架的结构形式如何，仅用螺旋弹簧来模拟钢板弹簧悬架，也与实际 结构不符，因为钢板弹簧除了作为弹性元件外。还起到导向作用，因此在各个方向 上均有刚度，且在其它方向上的刚度耍比垂直方向上的刚度大得多，若忽略这一情 况，将会导致计算结果不正确。所以在此用螺旋弹簧和附加约束的方法来模拟钢板 弹簧。后悬架系统的原型如图3 6 a 所示，有限元简化模型如图3 6 b ；采用螺旋弹簧 亭二 甚煅8 a ：普通钢板弹簧模型b ：粱和弹簧单元模拟模型 ，表示弹性元件， 表示刚性粱单元i ，2 ，3 ，4 表示单元相连接的节点。 图3 6 后悬架模拟模型 来模拟前悬架系统，因螺旋弹簧只存在一个沿轴向的自由度，所以也要对弹簧与车 架的连接节点进行附加约束处理。由于车轮轮胎的刚度要比悬架的刚度大得多，故 在约束处理中忽略轮胎的变形。整车悬架系统模拟模型如图3 7 。 车架 ：表示刚性梁单元；：表示螺旋弹簧单元；1 4 为整车的四个车轮接地 点；5 1 4 为车架和悬架连接节点 图3 7 前后悬架机构的模拟模型图 江苏大学硕士研究生学位论文 对整车进行有限元计算时，必须保证结构不产生刚体位移，即必须有足够的自 由度约束，以保证结构的整体刚度矩阵为满秩阵，从而使整体刚度方程有唯一的解。 其中三种常见工况整车约束处理如下： 弯曲工况的约束方式【h 】 弯曲工况下，四个车轮的约束为：左前轮约束六个自由度，右前轮、左后轮和 右后轮均约束z 方向上的平动自由度。 前悬架与车架的连接关系的处理：限制弹簧与车架的连接节点1 3 ，1 4 ( 如图3 7 ) l - 。，u ，r o t x ，r o t y ，r o t z 的自由度。 后悬架与车架连接节点的附加约束处理方法有两种： i 后悬架与车架连接节点6 与7 节点通过藕合使它们在u 。u ，r o t x ， r o t y ，r o t z 上的自由度一致； i i 限制7 节点u ，u ，r o t x ，r o t y ，r o t z 的自由度。 后悬架的两种约束方案对悬架与车架的连接节点都进行了充分的约束，方案i 中6 节点与7 节点的x ，y ，r o t x ，r o t y ，r o t z 相同，当7 号节点产生向前的 位移时，6 号节点产生与其同方向、同太小的位移，6 、7 号节点之间的螺旋弹簧单 元只能产生沿着z 方向变形，左右钢板弹簧通过一根刚性梁相连，使1 0 与i l 号节 点之间的螺旋弹簧也只能沿着z 方向产生变形。方案i i 对7 节点x ，y ，r o t x ， r o t y ，r o t z 自由度进行了限制，当后轮产生绕y 轴的转动时，7 节点限制了其转 动以及x 方向的平动，8 与1 2 号节点之前的车架就会产生附加弯曲变形来满足车架 悬架系统的几何运用关系，这增加了车架在7 、8 号节点之间车架区域的刚度，导致 计算结果不准确。所以本文中采用约束方案i 。 综上所述得到整车弯曲工况下的约束方案如表3 1 。 表3 1 整车模型约束方案 表中节点号l 1 4 见圈3 7 u 。u ”叱表示x ，y z 三个方向的自由度；的l ，r o t ，r o t 。表示绕x y z 轴的 1 6 江苏大学硕士研究生学位论文 转动自由度y 表示该自由度被约束。 扭转工况约束方式探讨与选取f ”】( 3 4 】 四个车轮的约束处理有以下2 种方案： a 限制左前轮六个方向的自由度；左后轮、右后轮z 方向的平动自由度，同时 释放右前轮所有的自由度即右前轮悬空。 b 对于轻型客车的扭转工况我国没有硬性规定的标准，本文参照客车国家表准 汇编上的大型客车电测试验标准，其约束方式是将四个车轮都用垫板垫成一样的高 度，然后撤去右前轮的垫板，使车轮下沉2 4 0 m m 和4 8 0 m m 。在有限元软件中具体的 约束方法为：左前轮、左后轮和右后轮约束方法与a 相同，在右前轮上施加向下的 位移量为2 4 0 r n m 和4 8 0 m m 。 由于b 方案的约束方式与实际情况存在较大出入，考虑到本车的实际行驶路况， 在本文中采用a 约束方式。 前后悬架与车架连接节点的约束处理与弯曲工况下相同。 扭转工况下整车的约束方案如表3 2 。 表3 2 整车模型约束方案 表中节点号l 1 4 见图3 7 ，u u u 。表示x ，y ，z 三个方向的自由度；r o l r o t ，r o t 。表示绕x ，y z 轴的 转动自由度y 表示该自由度被约束 制动工况约束方式的探讨与选取1 3 4 】 当车辆行驶遇到紧急情况时，要进行减速工况，假设此时车辆的正常行驶速度 为5 0 k m h ，车辆的制动滑行距离为a山r毯弘 江苏大学硕士研究生学位论文 言；： 塞5 0 ；驾 墓；： # = ，： 3 3 2 53 3 2 33 3 0 23 3 4 6 3 3 3 75 8 5 63 3 3 23 3 6 13 3 5 5 节点号 图4 6 区域处的应力曲线 从最大应力处的结构分析，该处的应力最大是因为后悬架吊耳与车架连接处存 在尖角过渡，接触面积小，较小的压力就能产生大的应力，这是模型简化过程中的 缺陷，也就是说在实际的结构中，此处会通过圆角过渡的方式来降低应力，该处的 应力值不应作为整车的实际最大应力。如图4 2 所示的1 1 1 区域，从车架的受力分析 中知道该处是整车的最大弯矩所在区域，所毗整车的最大应力应该位于车架上的i 区域，其应力值为4 1 0 m p a 。 2 扭转工况下的强度分析 在满载、右轮悬空的工况下，进行计算得到扭转工况下的应力分布，其中整车 的应力集中区域有： 支撑车厢右边第一支架的上表面( 见图3 _ 3 ) 如图4 2 上的i i i 区域。该处 为整车的最大应力所在位置，最大值为1 2 9 o m p a 。其等应力分布如图4 7 。 支撑车厢左边第一支架的上表面( 见图3 3 ) ，该处的最大应力为1 2 1 o m p a 。 其等应力分布如图4 8 。 驾驶室右门柱的最下端外表面，其应力值为1 0 6 5 m p a 。该区域的应力分布 曲线如图4 9 。 由整车扭转工况下的等应力分布图，可以得到整车的平均应力为6 2 o m p a 。 江苏大学硕士研究生学位论文 i 9 标号表示该线条上的应力为图右边所注释的应力大小其线内区域的应力太于该数值。 图4 7 支撑车厢右边的第一支架等应力分布图 g f e p - 1 g e 州( a v g ) p o 、雌r g r a p h i c 8 e p c e t l l d 默- o d l 2 9 8 g 柑t 1 4 2 e + 0 7 啦c - 1 1 8 e + 0 9 图中说明与圈4 7 中相同 图4 8 支撑车厢左边的第一支架等应力分布图 2 7 一_ _ _ _ _ - - _ - - - _ _ _ - - _ _ - _ _ _ _ - _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ - 。_ - - _ 。一一 7 8 7 t 2 0 e e 3 3 7 e 6 6 e s 9 5 e 7 2 4 e 8 5 4 e ，0 3 皇 1 1 l e n ) a # 7 ， z v c 2 口d t e + + u ( h 3 l e l p t i 7 b o i 0 1 1 s r - h 0 1 t 1 1 1 g t l - _ o r e 8 = - - 涨暑募苦l溢嚣m n 0 e t 8 p t a 口& g 江苏大学硕士研究生学位论文 苜 善 弓 圳 r 型 p 圈4 9 驾驶室右f 柱f 端应力曲线 该工况的最大应力位于支撑车厢的右边第一支架上，从材料力学以及理论力学 的角度分析，右轮悬空时，整车由前左悬架和后刚板弹簧支撑，在右纵梁上形成了 一个单支撑悬臂梁的危险工况，此时在支撑处附近的扭矩最大：两根纵梁通过横粱 相连。作用于右纵梁的力通过第二横梁也形成一种悬臂梁的工况，在支撑车厢的左 边第一支架上也产生较大的扭矩，而车厢左、右边第一支架部位于该区域，所以此 处应力偏大比较合理。驾驶室的右门柱与车厢以及驾驶室相连，实物模型的特征是 带有一定弧度的曲面，有限元模型中采用平面直接连接，曲面有较强的抗扭转能力， 因此其有限元计算结果要比实际大，同时在有限元模型中该处是三个部件相连形成 尖角过渡，所以应力比较集中，但不影响整车应力分布趋势。 3 制动工况下的强度分析 制动作为汽车行驶过程中的一种常见工况，从该工况下整车的应力分布图可以 看出，车身骨架的应力大小比在纯弯曲满载工况下的应力要大些，但是应力大于 5 0 o m p a 的节点个数也只有9 7 个，仅占单元总数的2 8 ( 9 7 3 4 2 5 5 ) 。最大应力为 9 4 3 m p a ，位于前悬架支座所在区域如图4 2 中的x i i i 区域。该工况下的应力集中区 域有： 前悬架在车架纵梁支撑处的侧面，如图4 2 中的x i i i 区域。此处最大应力为 9 4 3m p a ，是整车最大应力所在位置，该区域的应力分布曲线如图4 1 0 。 车厢第二支架对应纵梁的下表面( 左边和右边的支架应力相差不大) ，如图 4 2 中的区域。该处应力最大值为1 4 8 m p a 。其应力曲线如图4 1 1 。 江苏大学硕士研究生学位论文 霄 邑 言 出 r 避 咂 杠 宙 = a r 型 咂 # 图4 1 0前悬架支撑纵粱侧面( x l i i 区域) 9 5 19 5 2 9 4 79 5 49 5 59 5 69 5 79 5 39 6 69 6 5 9 6 49 6 3 9 6 2 节点号 图4 1 li v 区域对应纵梁的下表面应力曲线 从应力分布图中，知道该工况下，除了前悬架与车架纵梁连接处的应力比较集 中外，其他地方的应力都比较小；从应力曲线中也能知道，在最大应力区域的应力 曲线变化平缓。没有出现突变的拐点，其它部件应力分布都比较均匀，所以该工况 下的整车应力分布较理想。 4 强度分析小结 通过满载弯曲、扭转、制动等工况下的应力分析，确定该车在扭转工况下的应 力最大，对该车进行应力校核时，若该车在扭转工况下能满足强度要求，则其在三 种工况下都能满足强度要求。考虑到该车在行驶过程中的动载荷、疲劳及材料缺陷 引起的应力集中等问题，采用的安全系数为1 _ 5 x 2 0 = 3 ，对于该车车身结构材料0 8 钢而言，屈服应力为o , = 4 5 0 o m p a 则车身材料的许用应力为：4 5 0 o m p a 3 = 1 5 0 o m p a ； 该车车架采用m n 钢材料，其屈服极限为8 4 0 o m p a ，则车架部件的许用应力为 2 8 0 o m p a 。各种工况下的最大应力值与许用应力比较，在扭转工况下车架的富余应 力为2 8 0 0 - 1 2 9 0 = 1 5 1 0m p a ：车身上的富余应力为1 5 0 o - 1 0 6 5 = 4 3 5m p a ，从中 知道改型车满足强度要求。 江苏大学硕士研究生学位论文 从应力集中区域的曲线以及应力知道，三种工况下整车的强度薄弱环节位于支 撑车厢右边第一支架的上表面( 见图3 _ 3 ) ，如图4 2 上的i i i 区域，前悬架与车架连 接的纵梁上，如图4 2 中的x i i i 区域。整车中，横梁的应力值普遍较小，说明横梁 应力存在较大的富余。针对应力分布特点，为该车提出如下改进意见： 适当地减少第3 、4 、5 横梁的厚度，使其应力与整个车架的平均应力接近。 在如图4 2 中的i i i 区域、x l i i 区域的车架内侧面添加加强筋的方法，采用 焊接的方式与车架连接。 4 2 2 整车的刚度分析 整车安全性能的影响因素 除了整车的最大应力外，还有 整车的最大变形。在处理整车 的最大变形时，应该去除悬架 变形产生的位移。具体计算最 大变形的方法是拾取变形图中。 的绝对最大变形和绝对最小变 形的节点号，得到整车的最大、 图4 1 2 最大变形计算模型 c 最小变形节点a b c d 变形前、后的绝对坐标。计算两两相互交叉节点之间的相对距 离a c 和c ，。如图4 1 2 所示。将变形前后的距离进行比较，得到该部件的最大绝 对变形量。 = 一舛= 厄i i i 西q f i 石瓦阿i i 谪 一瓜霸可i 习可厮 最大相对变形为：k = 鲁孑 本节也从汽车行驶的三种工况进行分析： 1 弯曲工况下的刚度分析 弯曲工况下，由于该车只承受静态弯曲载荷，所以在该工况下各个部件的应变 都较小，具体的变形量见表4 3 表4 3弯曲工况变形表单位：( r a m ) 3 0 江苏大学碗士研究生学位论文 表示节点位于车架上：o 表不节点位于车身上 从表中知道，在弯曲工况下主要是垂直方向即z 方向上的变形，其最大变形量 为3 5 m ，节点号为3 1 2 6 0 ( 见表4 3 ) ，位于车厢地板的对称面上。车身及窗框上的 ( 节点号为5 8 8 1 ，6 1 0 4 ，7 0 3 8 ，1 7 7 4 5 ) 变形较小，因此该工况下，刚度能满足要求。 2 扭转工况下的刚度分析 扭转工况是整车变形最大的一种工况，最大绝对变形量为13 6 哪，位于车厢地 板和驾驶室地板连接的位置。由于采用右轮悬空的方式，运用材料力学知识，可知 第二根横梁以左钢板弹簧前吊耳为支点形成了一种悬臂梁的危险工况，受到弯矩和 扭矩的联合作用，车厢地板是薄的铁皮，抗弯扭能力较差，因此其变形会很大。第 二根横梁上方地板的变形量如图4 1 3 。 江苏大学硕士研究生学位论文 图4 1 3 第二根横梁上方地板变形量曲线 在车架上的变形量比车身要小，其最大变形为2 4 m m ，位于钢板弹簧后吊耳上方 的纵粱上，其变形量曲线如图4 1 4 。 重2 - 4 5 要2 4 己2 3 5 蚓 婆23 制 要2 2 5 7 8 77 8 67 8 17 8 47 8 37 8 27 7 77 7 87 7 97 8 07 7 5 节点号 图4 1 4 车架上最大变形量曲线图 从该工况下的变形图中可知，整车的变形较均匀，主要部件没有出现大的变形， 出现大变形的区域也较合理。根据轻型车检验标准，车窗以及车门部件的变形也较 小，该工况下整车刚度满足要求。这种工况较危险，在汽车行驶过程中，应该避免 经常出现。 3 制动工况下的刚度分析 制动是汽车行驶过程中一种常见工况，从计算结果可知，其最大变形量为 4 6 m m ，位于车厢后地板上，其节点号为3 1 3 0 9 ( 2 2 7 3 ，4 0 ，1 7 0 ) 变形曲线图如图 4 1 5 ，整车的变形量平均为：1 s m m ；该工况下的变形主要集中在汽车前面区域，如 发动机前支架之前的车架纵梁上( 见图3 3 ) 该处最大变形量为2 o m m ，其变形曲 线如图4 1 6 ；根据轻型车的刚度校核标准，驾驶室门立柱的变形量都较小，最大为 1 6 r a m ，其具体的变形量如图4 1 7