大型客车车身骨架静态模态分析及优化

1 3 0 机 械设 计 与 制造 Ma c h i n e r y De s i g n Ma n u f a c t u r e 第 4期 2 0 1 6年 4月 大型客车车身骨架静态模态分析及优化 伍玉霞 韩剑 刘俊杰 1 桂林电子科技大学信息科技学院 广西 桂林5 4 1 0 0 4 2 桂林电子科技大学 机电工程学院 广西 桂林5 4 1 0 0 4 摘要 在 C A D数据模型的基础上 采用有限元分析软件 A N S Y S 建立了某大型客车车身骨架的有限元模型 对其施 加合理的栽荷与约束条件分析了在四种典型工况下车身骨架的静态特性 并采用兰索斯法对骨架进行 了自由模态分 析 得到了骨架的前 2 0 阶的振型和固有频率 根据分析结果采用零阶优化方法对骨架进行了优化设计 研究结果表 明 本次优化实现了骨架的轻量化 在骨架应力增加不大的情况下变形和车身安全 系数得到降低 同时骨架的固有频 率范固变宽 关键词 大型客车 静态分析 模态分析 t t 化设计 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 6 o 4 0 1 3 0 0 3 S t a t i c Mo d a l An a l y s i s a n d Op t i mi z a t i o n o f Mo t o r b u s Bo d y Fr a me WU Y u x i a H A N J i a n L I U J u n j i e 1 I n s t i t u t e o f I n f o r ma t i o n T e c h n o l o g y o f G U E T G u a n g x i G u i l i n 5 4 1 0 0 4 C h i n a 2 S c h o o l o f Me c h a n i c a l E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g G u i l i n U n i v e r s i t y o f E l e c t r o n i c T e c h n o l o gy G u a n g x i G u i l i n 5 4 1 0 0 4 C h i n a A b s t r a c t O n t h e b asis o ft h e C A D m o d e 1 t h e fin i t e e l e m e n t m o d e l o f0 r t e mot o r b u s b o d y f r a m e埘 傩 e s t a b l is hed i n fin i t e e le me n t a n a l y s is o fiw a r e A N S Y S t he s t a t i c c h a r a c t e r i s t ic off r a me u n der f o u r t y p ica l c o n d i t i o n s w e r e a n a l y z e d w i t h r e a s o n a b l e l o a d a n d c o nst r a i n t c o ndi t io n a n d 7 e mod a l a n a l y s is off r a m e埘 珊 c a r r i e d o u t b y L a n c z o s me t h o d a n d t he v i b r at io n t y p e a n d n o t u ar e fre q u e n c y oft hefi r s t 2 0 o r d e r w e r e o b t a i n e d T h e o p t i miz ati o n des i g n off r o me c a r r i e d o u t b y z e r o o r der o p t i m iz at io n met hod acc o r d i n g t o t he r e s u l t s w h ic h s h o w e d t he l i g h t w e i g h t of f r a n W a S re a l iz e d d e f o r m a t io n and b o d y s t y f actor 璐 r e d u c e d i n t he c a s e of l i t t l e fra m e s t r e s s i ncr e a s e w h i le t h e n atu r e fre q u e ncy r ang e off r a m e W as w d e n e 正 Ke y W o r d s Mo t o r b u s S t a t i c An a l y s i s M o d a l An a l y s i s Op t i mu m De s i g n 1引言 车身是客车的三大总成之一 也是客车的重要承载部件 l 1 统计资料表明 大型客车车身的质量约占 整车装备质量的 4 0 6 0 相应的车身骨架制造成本约占整车制造费用的一半左右 因此客车车身的设计与制造直接代表着整车的开发水平咖 客车 骨架是车身的承载结构 也是固定内外护板 车身附件和承载蒙 皮覆盖件等构件的基体 车身骨架的载荷分布极为复杂 对其进 行承载分析具有较大难度睁 訇 由于车身骨架的质量和结构形式直 接影响客 车的豪 全性 舒适性 动力 性和使 用寿 命等 因 此在客车 设计的初始阶段就要充分考虑骨架的强度 刚度和加工工艺的合 理性 并在保证上述条件的前提下适当 减轻 自 身重量 7l 种工况下骨架变形和应力以及在无阻尼 自由振动状态下的前 2 O 阶模态的固有频率和振型 根据分析结果对骨架进行优化设计 2车身骨架有限元模型的建立 本研究中的客车是半承载式车身 发动机后置 客车尺寸为 8 8 3 0 x 2 3 5 0 x 3 2 8 0 mm 驾驶员位置位于客车前部左侧 有前 后 风窗 单乘客门位于客车前部 左右侧布置双人座椅 共 3 4张乘 客座位 正驾座 1 个 最后一排 5座 侧窗为铝合金窗 车身材料 也多为封闭的矩形管件 底架为纵梁加横梁结构 纵梁和横梁的 断面均为槽型 客车骨架采用冷弯型矩形金属管 连接方式为焊 接 在 A N S Y S中建立骨架的有限元模型 如图 1 所示 该模型 本研究以国内某大型客车为目 标车型 通过分析得到在四 包含2 2 8 2 2 个单元和2 1 4 5 4 A 一 来稿 日 期 2 0 1 5 0 8 0 2 作者简介 伍玉霞 1 9 8 8 一 女 广西桂林人 硕士研究生 主要研究方向 汽车电子 韩剑 1 9 8 2 一 男 江西玉山人 硕士研究生 讲师 主要研究方向 精密测量与自动控制 E D A技术 第4期 伍玉霞等 大型客车车身骨架静态模态分析及优化 l 3 l l车身骨架有限元模 型 F i g I F i n i te El e me n Mo d e l o f F r a me 静态分析前根据实际情况对骨架进行加载 加载方式有均 布载荷和集中载荷两种 本研究中部件的质量和加载方式如下 1 均布载荷 顶盖空涮和行李舱行李 9 0 0 k g 2 集中载荷 玻璃 前 后闹玻璃 I l O k g 司机左侧玻璃 2 0 k g 左右侧玻璃各 4块 一共2 0 0 k g 乘员 鹰椅及物品行李 乘 员一共 3 4人 每人 7 0 k g 座椅和随身行李每人 3 0 k g 一共 3 4 0 0 k g 发动机 变速性 油箱 水箱 压缩机以及备胎一共 1 7 4 0 k g 3 非结构 因子 骨架 1 7 5 0 k g 小地板 和顶内饰一共 4 1 O k g 3骨架结构静态分析 验证车身骨架性能优劣和客车设计质量的一个硬性指标就 是骨架的强度与刚度指标 本研究提出在静态下通过分析以下4 种典型T况来模拟客车真实行驶中的应力应变情况来校核客车 的强度刚度是否达标 间接检验客车的骨架质量 3 1垂直弯曲工况 垂直弯曲 r 况是客 车在 良好路面上匀速行驶 状态 该 r 况 的主要载荷为客车自重和司机乘客及行李等的重力 静态分析时要根据这些单元的质量分布情况将其等效为节 点载荷施加在梁上 年身上的集中载荷按其质心分布对应加载在 乍架节点上 顶盖空调和行李仓行李均匀分布在对应的梁单元 上 此外还要在底架与悬架连接处设置约束点 约束四个轮子的 z方向平动自由度和绕 y Z轴转动 j m度 该 r 况下骨架变彤和 嘘力 如图 2所示一 a bj 图 2垂直弯曲骨架变形和应力 云图 Fi g 2 Fr a me De f o r ma t i o n a n d S t r e s s Cl o u d Un d e r Ve r t i e a l Be n d i n g 从冈 2 a 可知顶盖中部的变形最大 达到 了 2 0 1 4 2 ram 从罔 2 b 罔可知底架尾部右侧的应力值最大 最大值为 1 4 6 0 9 M P a 1 6 Mn 合金钢的屈服强度为 2 8 0 3 5 0 MP a 一 计算m骨架安全系数 为 1 9 2 2 4 0 可见 身骨架 垂直弯曲工况下满足强度要求 3 2紧急制动工况 客车在正常行驶中遇到紧急情况时需要紧急制动 也就是 通常所说的刹车 计算该 况下骨架变形和应力情况只需在弯曲 况的基础上加一个纵向的 8 0 O O m m s 向后的加速度即可 其它 的载荷条件与弯曲1 况相同 约束四个轮子 方向的平动 自由 度和绕 y Z轴的转动 A由度 该T况下骨架变形和应力 如 3 所示 3紧急制动骨架变形和应力云罔 Fi g 3 F r a me 1 e fi u ma t i o n a n d S t r e s s Cl o u d Un d e r Eme e n e y Br a k i n g 从图 3 a 可知骨架变形 量比垂直 弯曲 r 况要 大 顶盖 中部 的位移最大 达到 了 4 9 0 5 3 m m 从 图 3 b 可知最大 应力值同样 出现在底架尾部右侧 达到了 l 6 9 6 3 MP a 计算出骨架安全系数 为 1 6 5 2 0 6 可见该T况下车身骨架满 足强度要求 3 3紧急转弯工况 紧急转弯T 况模拟的是客4 三 以最大横向加速度 0 4 g s z 转弯 时 纵向惯性作用力对车身的影响 客车在满载时转弯 骨架受到离心力会发生侧偏 该工况需 要在垂直弯曲T况 的基础上添加一个 方向上 4 0 0 0 mm s 的横 向加速度 约束点取在前后轮与年桥相连位置处 约束左前轮 z 方 向自由度 右前轮 Y z方 向 自由度 左后轮 z方 向 自南度 右后轮 Y y z方向自由度 陔 T 况下骨架变形和应力 如图4所 4紧急转弯骨架变肜 和应力 I錾 1 Fig 4 F r a me 1 e fi r ma t i o n a ll I S t r e s s Cl o u d Un d e r Eme r g e n e y F u r n i n g 从图 4 a 町知顶 盖变形最大 最大值为 9 7 8 3 4 1n m 南 1 二 惯 性和离心力的耦合作用 乍身整体变形量急剧增大 从图4 b 可 知右侧行李舱巾部的应 最大 最大值为 1 7 8 6 M P a 汁算出车身 安全系数为 1 5 6 1 9 6 因此该丁况下 身骨架满足强度要求 3 4极限扭转工况 极限扭转T况主要模拟客车满载行驶时任一车轮从平坦路 面驶上突出物或进入凹坑而使左右车轮接地点m现高度差 本研 究中扭转工况采用左前轮被抬高 2 5 0 mm的垂 直方向位移来模 拟 约束点在左前轮悬架与底架交点的位置上 该 况下载衙分布与垂直弯曲 1 况一致 边界条件为 约束 左前轮 z方向自由度 右前轮 l z方向自由度 左后轮 z方向 自南度 右后轮 l z疗向 F f 1 度 陔丁况下骨架变形和应力 如网 5所示 从冈 5可知 极限扭转 况下骨架变形和应力急剧增加 最 大变形发生在客车前脸左半部 最大值为 1 7 1 6 4 ra m 最大应力发 生在行李舱底架与车身底架交接处 最大值为 l 9 3 8 7 M P a 计 算 车身安全系数为 1 4 4 1 8 1 可见陔 ll 况下车身骨架满足强度 要求 l 3 2 机 械 设 计 与 制 造 NO 4 Ap r 2 01 6 a b 图5极限扭转骨架变形和应力云图 F i g 5 F r a me De f o r ma t i o n a n d S t r e s s Cl o u d u n d e r L i mi t T wi s t 4骨架结构 自由模态分析 客车在平直路面或崎岖的山路上行驶会受到各种激励而产 生振动 共振对车辆的破坏性极大 因而在设计中除了要满足车 辆运行时的强度 刚度要求外 还要考虑行驶过程中的振动特性 对客车进行模态分析时 一般将频率值作为检验标准 用它作为 检测骨架结构 发动机系统 悬挂系统和传动系统等与地面发生 共振的依据 本次模态分析在 A N S Y S中采用兰索斯法计算自由 模态下骨架的前 2 O阶振 和频率 如表 1 所示 表 1低 阶固有频率和振型 T a b 1 L o w L e v e l Na t u r e F r e q u e n c i e s a n d Mo d e Sh ap e s 前 6阶为刚体模态 频率为0 局部振型为车身侧同和顶盖 薄壁构件和梁的局部振动 车身扭转为整个车身绕 轴扭转 纵 弯为车身沿 y轴的振动 横弯指整个车身绕 z轴弯曲 从表 1中 得出前 2 O阶频率的范围是 7 8 5 2 3 8 6 3 H z 恰好落在 3 4 0 H z 的范围内 表明前 2 0阶模态处于可控范围内 能避免车身与路面 和发动机激励发生共振 5骨架结构优化设计 从上述分析可知 骨架的强度和刚度均满足要求 车身安全 系数合理 但仍存在优化空间 从静态分析可知 极限扭转工况是 骨架承受变形和应力的最大工况 刚度基本达到要求 而强度略 显不足 故选择扭转 T况下车身骨架应力最高区域 顶盖中部区 域和车身骨架应力较小的区域 后围 侧嗣杆件的截面尺寸参数 为设计变量 选取骨架应力最大的六个点为目标变量 车身重量 为目标函数 通过改变设计变量 在满足车身应力强度的条件下 实现车身的轻量化 在 A N S Y S中采用零阶优化方法进行 3 0次迭 代计算后得到了优化后的骨架模型 对优化后主要杆件的截面尺 寸进行 处理后得 到其优化尺寸 如表 2所示 表 2优化杆件截面参数对照 T a b 2 Se c t i o n a l P a r a me t e r Co mp a r i s o n o f Op t i mi z a t ion L e v e r 优化后骨架质量 由 2 4 2 6 8 k g减少 到 2 2 6 5 6 k g 减轻 了 1 6 1 2 k g 为验证优化效果 下面对优化后的骨架模型进行极限扭 转工况模拟及分析 该工况下骨架变形和应力 如图 6所示 a b 图 6极限扭转骨架 变形和应 力云图 F i g 6 F r a me D e f o rm a t i o n a n d S t r e s s Cl o u d Un d e r L i mi t Tw i s t 从图 6 a 可知 最大变形发生在顶盖上 其值为 1 1 5 5 m m 相比原骨架减小了3 2 7 7 变形较大的位置集中在前围和顶盖 上 和优化前变化不大 从图6 b 可知 骨架的最大应力在底架 与行李舱的交接处 最大值为2 2 0 5 6 MP a 增加了 1 3 7 7 计算出 车身安全系数是 1 2 7 1 5 9 满足要求 极限扭转工况的计算结 果表明本次优化方案可行 满足客车行驶时对强度刚度的要求 优化I j i 后骨架的模态分析结果对比分析 如表 3 所示 表 3骨架模态对 比 T ab 3 F r a me Mo d a l Co mp a r i s o n 从表 3 可知 优化后骨架的低阶振型和固有频率发生变化 固有频率范围为 9 2 3 4 2 8 1 6 8 H z 较优化前频率范围变宽 最大 频率增加了4 3 0 5 H z 振型的变化不大 固有频率范围仍然在 3 4 0 H 的范围内 说明前 2 O阶模态处于可控范围内 能避免车身 与各种激励发生共振 满足车辆行驶要求 下转 第 1 3 6页 1 3 6 机 械 设 计 与制 造 No 4 Ap r 2 01 6 变 使车速维持在 3 5 k m h并持续约 2 5 s 从 6 5 s 开始前车突然以 较大加速度降速至停车并持续近 3 0 s 从 6 5 s 开始 制动踏板量先 是增大以适应减速要求 然后维持在定值 2 2 ra m用以保证巡航车 减速后停止 此时的停车距离为2 m并持续约 3 0 s 期间节气门开 度始终为 O 上述控制过程与汽车实际驾驶过程基本是一致的 4结论 设计了以巡航车与其前车间安全距离与相对距离偏差及两 车实际车速的偏差为输入控制量 将发动机节气门开度变化或制 动踏板行程作为输出控制量 的模糊控制器 利用 MA T L A B S i m u l i n k实现了控制策略的仿真验证 结果表明 提出的汽车巡 航智能控制策略可有效保证巡航车在安全距离范围内智能跟随 前方车辆 并具备 自 动起步与停车功能 说明该策略是可行的且 具有较好控制效果 论文研究成果可为巡航系统硬件快速原型的 搭建及产品研发提供理论参考 参考文献 1 Y Y a m a m u r a Y S e t o H N i s h i r a T K a w a b e A n A C C d e s i g n m e t h o d f o r a c h i e v i n g b o t h s t ri n g s t a b i l i t y a n d r i d e c o m f o r t J J o u r n a l o f S y s t e m D e s i gn a n d Dy n a m i c s 2 0 0 8 2 4 9 7 9 9 9 0 1 2 S e u n g w u k Mo o n a H y o u n g J i n K a n g b K y o n g s u Y i Mu l t i v e h i c l e t a r g e t s e l e c t i o n for a d a p t i v e c r u i s e c o n t r o l J V e h i c l e S y s t e m D y n a m i c s 2 0 1 0 4 8 1 1 1 3 2 5 1 3 4 3 3 Ma r t i n e z J J C a n u d a s d e Wi t C A s a f e l o n g i t u d i n al c o n t r o l fo r a d a p t i v e c r u i s e c o n t r o l a n d s t o p a n d g o s c e n a r i o s C J E E E T r ans a c t i o n s o n C o n t r o l S y s t e m s T e c h n o l o g y 2 0 0 7 1 5 2 2 4 6 2 5 8 4 C h i n g C h i h T s a i S h i h M i n H s i e h C h i e n T z u C h e n F u z z y l o n g i t u d i n al c o n t rol l e r d e s i gn and e x p e rime n t a t i o n f o r a d a p t i v e c r u i s e c o n t rol a n d s t o p gn J J o u rualo f I n t e l l i g e n t R o b o t i c S y s t e m s 2 0 1 0 5 9 2 1 6 7 8 9 5 张磊 基于驾驶员特性自 学习方法的车辆纵向驾驶辅助系统 D 北京 清华大学 2 0 0 9 Z h a n g L e i A v e h i c l e l o n git u d i n al d ri v i n g a s s i s t a n c e s y s t e m b a s e d o n s e l f l e a r n i n g m e t h odo f d r i v e r c h a r act e r i s t i c s D e i j i n g T s i n g h u a U n i v e r s i t y 2 0 0 9 6 罗莉华 龚李龙 李平 考虑驾驶员行驶特性的双模式自适应巡航控制 设计 J 浙江大学学报 工学版 2 0 1 1 4 5 1 2 2 0 7 3 2 0 7 8 L u o L i h u a G o n g L i l o n g L i P i n g T w o mode a d a p t i v e c r u i s e d e s i gn w i t h h u m ans d ri v i n g h abi t s c o n s i d e r a t i o n J J o u r n al o f Z h q i ang U n i v e r s i t y E n gin e e r i n gS c i e n c e 2 0 l 1 4 5 1 2 2 0 7 3 2 0 7 8 7 裴晓飞 刘昭度 马国成 一种汽车巡航控制的分层控制方法 J 北京 理工大学学报 2 0 1 2 3 2 3 5 4 3 5 4 7 P e i X i a o f e i L i u Z h a o d u Ma G u o c h e n g A s t u d y o n h i e r a r c h i c al c o n t rol alg o r i t h mo f a d a p t i v e c r u i s e c o n t r o l J J T r ans a c t i o no f B e i j i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o gy 2 0 1 2 3 2 3 5 4 3 5 4 7 8 裴晓飞 刘昭度 马国成 汽车自适应巡航系统的多模式切换控制 J 机械工程学报 2 0 1 2 4 8 1 0 9 6 1 0 2 P e i X i a o f e i uu Z h a o d u Ma Gu o c h e n g Mu l t i mode s w i t c h c o n t r o l l e r fo r v e h i c l e a d a p ti v e c rui s e c o n t ro l s y s t e m J J o u rnalo f M e e h ani e a l E n gi n e e ri n g 2 0 1 2 4 8 1 0 9 6 1 0 2 9 卢燕 城市工况汽车走一 停巡航算法的研究 D 长 春 吉林大学 2 0 0 7 L u Y an R e s e ar c h o f s t o p g o c r u i s e a l g o ri t h m o n c i t y t r a f f i c D C h a n g c h u n J i l i n U n i v e rsi t y 2 0 0 7 1 0 陈学文 李萍 汽车巡航控制方法及S i m u l i n k 仿真 J 辽宁工程技术 大学学报 自 然科学版 2 0 1 4 3 3 2 2 3 2 2 3 5 C h e n X u e w e n L i P i n g R e s e a r c ho n t h e c o n t rol m e t h od o f a u t o mo b i l e c r u i s e s y s t e m b ase d o n Ma fl a b s i m u l i n k J j o u r n al o f L i a o n i n g T e c h n i c al U n i v e r s i t y N a t u r e S c i e n c e 2 0 1 4 3 3 2 2 3 2 2 3 5 上接第 1 3 2页 6结论 通过对某大型客车车身骨架的静态分析可知骨架的强度和 刚度基本满足要求 但是极限扭转工况下变形和应力较大 从模 态分析结果可知车身的固有频率落在 3 4 0 H z 说明前 2 0阶模 态处于可控范围内 能避免车身与路面和发动机激励发生共振现 象 对骨架模型优化后 骨架质量降低了 1 6 1 2 k g 实现了车身的 轻量化 极限扭转工况下骨架最大变形为 1 1 5 5 m m 比优化前减 小了 3 2 7 7 最大应力为 2 2 0 5 6 MP a 比优化前增加了 1 3 7 7 固有频率范围为 9 2 3 4 2 8 1 6 8 H z 比优化前变宽 由以上可以 得 出 本次优化取得了较好效果 参考文献 1 徐志汉 客车车身骨架有限元建模及优化 D 合肥 合肥工业大学 2 0 09 Xu Zh i h a n Fi n i t e e l e me n t s a n aly s i s a n d o p t i mi z a t i o n o f c o a c h b ody f r a m e E D H e f e i H e f e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y 2 0 0 9 2 魏宁波 基于 A N S Y S 的全承载式客车车身结构有限元分析 D 西安 长安大学 2 0 1 1 We i N i n g b o T h e fi n i t e e l e me n t s o f a n al y s i s o f i n t e g r a t e d c o a c h b ody b a s e d o n A N S Y S D X i a n C h a n g a n U n i v e rs i t y 2 0 1 1 3 杜娟 基于有限元分析的大客车车身结构强度优化 D 西安 长安大 学 2 0 0 9 D u J u a n S t u d y o n t h e s t r e n g t h o p t i mi z a t i o n o f c o a c h b ody s s t r u c t u r e b a s e d o n fi n i t e e l e m e n t D X i a n C h a n g a n U n i v e rs i t y 2 0 0 9 4 白倩 浅析汽车制造业在国民经济发展中的作用 J 商场现代化 2 0 1 0 6 1 8 1 9 B a i Q i an S t u d y o n t h e rol e o f a u t o mo b i l e i n d u s t r y i n n a t i o n al e c o n o m i c d e v e l o p m e n t J M ark e t M o d e rni z a t i o n 2 0 1 0 6 1 8 1 9 5 丁龙建 汽车车身结构有限元模态分析 J 金属加工 2 0 0 8 2 1 6 8 7 O D i n g L o n i an F i n i t e e l e m e n t m o d al a n al y s i s o f a u t o m o b i l e b ody s t r u c t u r e J Me t a l P r o c e s s i n g 2 0 0 8 2 1 6 8 7 0 6 查官飞 大客车车身结构侧翻试验仿真与安全研究 D 重庆 重庆交