客车车身有限元分析与优化设计

客车车身有限元分析与优化设计

作为客车的三个主要部件之一，车身的质量占客车的30%40%，成本超过客车成本的50%。因此，在保证载载能力的前提下，对客车车身进行有限的分析和优化，以实现轻量化的目的，直接影响客运的能耗。此外，车身上的安全、舒适、创新和豪华的特点，如汽车一样，也应体现在车身上。随着全球化经济的发展，环保、节能和主要被动安全问题的提出，对汽车结构的性能要求越来越高。车身的设计与制造是造型艺术、结构力学、人-机工程、材料学、冲压、焊接、涂漆、装饰、防震隔音和采暖通风等方面知识的综合运用,车身的设计与优化往往可以反应一个国家的工业水平。因此进行客车车身结构的分析与优化设计,对提高我国企业汽车产品的开发制造能力,提高汽车产品的质量,降低产品成本,提高国际竞争力具有重大意义。客车车身骨架是一个十分复杂的结构,用经典力学方法不可能得到精确的解答,同时在其设计初期,由于不可能有实测数据,设计基本上是依赖于经验和模拟,缺乏建立在力学特性(强度、刚度等)分析基础上的科学依据。在新车型的开发设计中,如何判断车身结构设计的合理性,并对车身结构进行优化,是一项十分重要的工作。为了解决这些问题,笔者尝试着应用ANSYS有限元分析软件对某客车车身在满载状态下进行强度有限元分析,研究出一些优化车身结构的方案,为车身投入实际的制造提供参考。1建立实体模型有限元分析的最终目的是要还原一个实际工程系统的数学行为特征,因此有限元分析的第1步就是必须针对一个物理原型建立准确的数学模型。有限元模型的来源主要有下面4种方法。1)在有限元软件的前处理器中进行几何建模,再划分网格得到。2)从实体建模软件中引入几何模型,经修改模型和划分网格而得到。3)直接创建节点与网格。4)引入有限元模型。其中前3种方法一般只适合于小型结构分析,然而,现今几乎绝大部分有限元分析模型都用实体模型建模,对于大型复杂结构前3种方法建模比较困难,目前较为流行的方法是,大型结构的有限元模型一般先通过实体建模软件建立,经适当的格式转换成为有限元分析模型。即用数学的方式表达结构的几何形状,在几何模型里面填充节点和单元,还可以在几何模型上方便地施加载荷和约束。但是几何实体模型并不参与有限元分析,所有施加在几何实体边界上的载荷或约束必须最终传递到有限元模型的节点或单元上进行求解。三维实体建模与有限元分析的关系如图1所示。本文的研究正是基于以上方法,在三维实体建模软件UG中根据设计的要求建立客车车身的模型,然后把建好的实体模型以适当的数据转换格式导入有限元分析软件ANSYS中,再运用有限元知识对模型进行一系列的操作,实现对车身模型的有限元分析。有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理现象(几何及载荷工况)进行模拟的一种分析方法,也是目前求解工程问题中最为流行的数值计算方法。其基本思想是将一个连续的求解域离散化,应用ANSYS软件进行结构有限元分析的一般步骤如图2所示,基于ANSYS软件对客车车身进行分析与优化设计的主要分析步骤如下。1.1建立元模型建立车身有限元模型是前置处理阶段的主要工作,包括几何建模、网格划分、载荷移置、约束增加和材料定义等。1.2分析软件完成车身有限元分析可利用通用或专用有限元分析软件完成。经过有限元分析后可得到若干结果,如:结点位移文件和单元应力文件。这些结果是车身后置处理的基础。1.3局部变形和整车刚度车身后置处理主要是将车身有限元分析的结果以等值线图和云图的方式可视化地显示,并且进行刚度、强度、振动频率和抗冲击特性等分析,研究车身的局部变形,校验车身刚度,分析车身变形对车身正常使用的影响以及校核车身强度等。并且对正式计算的结果进行整理输出,提出对所分析客车结构设计方案的评估和改进的方案。2建立植物竞争优势模型客车车身骨架是复杂的空间杆系结构,本文采用UG3.0进行模型的建立,同时建模过程中注意一些技巧:避免使用旋转特征工具,避免面与面特征之间有尖锐的倒角过渡,抑制对实际问题研究没有影响的特征,从而减少模型的特征数,达到降低网格单元数和缩短计算时间的目的。在车身骨架建模过程中具体操作如下:将骨架建成面、车架及加强筋板等采用三维实体建模,同时略去一些功能件和非承载件;将顶盖的横梁和前围的横梁等曲线杆件简化为圆弧过渡,连接部位的小圆弧过渡简化为直角过渡;对于结构上的孔、台阶、凹槽、翻边等尽量简化,对截面特性影响不大的特征予以忽略。建立车身骨架的3D模型如图3所示。本文以UG3.0为建模软件,ANSYS10.0为有限元分析软件,模型的转换有很多种方式,一般情况下常用的是IGES格式,但由于用IGES导入AN-SYS的时候,会发生实体模型数据丢失的情况,例如部分实体无法显示,产生了多余的点、线等问题。选用PARASOLID格式导入ANSYS或者直接导入Part文件则可以避免此类情况的发生。在本文的研究中笔者采用PARASOLID格式从UG导入ANSYS,两者的Parasolid核心保证了模型的完整和不失真。3anasas评分数据分析对车身结构进行有限元强度分析就是把在UG3.0中所创建的实体模型以适当的数据转换格式导入到ANSYS分析软件中,并对其进行强度计算,得出应力分布图,找出不合理的部位进行校核和改进。3.1单元体内anasasys的假设近似解本文是通过UG3.0进行3D建模的,就跳过了ANSYS建模这一步,然后通过ANSYS网格划分将车身骨架分割成127942个单元,其中壳单元数为83508,体单元数为44434,这些单元彼此用节点互相联系。在单元体内ANSYS假设近似解的模式,用有限个节点上的未知参量表征单元的特性,将各个单元的关系通过适当方法,建立组成包含节点未知参数的方程组,求解方程组,得出各节点的未知参数,利用插值函数求出近似解,实际上是对真实情况的一种数值近似。根据以上原则,在第一次所建模型的基础上,按照实际结构进行修改,将修改后的模型导入AN-SYS。利用ANSYS软件自动网格划分功能,定义单元类型为壳单元(shell93)和四面体实体单元(solid92),划分网格,最终节点总数为176839,划分网格后生成单元总数为127942,其中壳单元数为83508,体单元数为44434。3.2型薄土钢管的生产本文所研究的客车车身骨架主结构材料主要采用河北霸州市胜宝制管有限公司生产的60mm×40mm×3mm、40mm×40mm×1.5mm、40mm×30mm×1.5mm、40mm×20mm×1.5mm、30mm×30mm×1.5mm、20mm×20mm×1.5mm的矩形薄壁钢管和上海宝钢集团生产的60mm×40mm×30mm×10mm×2mmP型薄壁钢管。弹性模量E=2.06×103MPa,泊松比μ=0.3,密度ρ=7.8×10-3g/mm3,其它材料特性如表1所示。3.3前后侧窗玻璃风荷载在建立正确的车身骨架有限元分析模型的基础上,加载边界条件,并根据实际载荷配置情况,对车身骨架进行静强度计算分析。车身骨架所受载荷包括。1)车窗玻璃载荷。其中:前挡风玻璃,重约25kg;前侧窗玻璃各2块,分别重约为1kg×2和8kg×2;侧窗玻璃共6块,重约12.5kg×6;后挡风玻璃1块,重约8kg;2)乘客16名,重约65kg×16;3)行李箱载荷,重约260kg;4)风阻力。按车辆最大车速120km/h匀速行驶,近似取迎风面积为:2.17m×1.85m,风阻力按下式计算:式中:ρ-空气密度,取ρ=1.2258kg/m3;v-行驶速度,m/s;S-迎风面积,m2;CD-风载系数,由试验确定,根据有关资料,取CD=0.38。由此计算得风阻力约为1039N。3.4车架载荷的有限元分析由于有限元法中内力或外力均由节点传递,在整体刚度矩阵中的载荷项均为节点载荷。因此,将上述载荷做为集中或均布载荷施加于模型中相应节点上,形成节点载荷,在车架相应支撑处施加约束并求解,进行静态分析。加载后的有限元分析模型如图4所示。建立有限元分析模型后,进入ANSYS求解器进行求解。计算工况为16人工况,计算结果如图5、图6所示。3.5大应力发生部位整车骨架总体强度能够满足要求,16人工况时,局部最大应力(应力集中)约为220～250MPa,当后轮轴上方底骨架与车架间无垫块时,最大应力发生在其上方骨架焊接部位,当加入垫块后,最大应力发生的部位则在底骨架与侧围骨架焊接处以及后排4人座椅支撑处。后排4人座椅支撑处应力偏大的原因是由于支撑刚度相对较弱,变形较大的影响所致。几个应力较大的部位均为骨架结构焊接处,其应力值约在150MPa。不加垫块时,约在200MPa,是应力集中影响的结果。考虑到车身骨架外加蒙皮以及车厢内垫板等的作用,载荷分布应比较均匀,实际的应力值应小于上述计算值。4局部应力的结构结构优化是寻求一种最优设计方案,包括在满足所有设计要求的前提下,所需的支出(如重量、面积、体积、应力、费用等)最小以及所有可以参数化的选项(如尺寸、形状、支撑位置、自然频率和材料特性等),本文根据局部应力过大的现象进行结构改进。4.1骨架焊接部位上一步的分析结果显示,这种客车车身骨架总体强度能够满足要求,但局部最大应力(应力集中)偏大,约为220～250MPa。当后轮轴上方底骨架与车架间无垫块时,最大应力发生在其上方骨架焊接部位,当加入垫块后,最大应力发生的部位则在底骨架与侧围骨架焊接处,原因是由于在这些部位相应结构刚度相对薄弱,在载荷作用下变形较大,导致结构焊接处的应力集中所致。另外,后围骨架下横梁与底骨架之间无连接结构,导致在该处产生局部模态。据此提出相关结构改进方案。1)在底骨架后轮轴上方原横梁处并行添加1根横梁(60mm×40mm×3mm),加强该处支撑刚度,减小变形;2)在后围骨架下横梁与底骨架之间加2根30mm×30mm×1.5mm的方管;3)在后轮轴上方底骨架与车架间相应部位加上垫块。改进后的底骨架结构如图7所示。4.2计算应力值降低车身结构改进后的强度计算结果如图8所示。优化设计后的强度计算结果显示,部分结构改进后,骨架后部结构强度得到加强,计算应力值明显减小。乘座16人时,在后车轮轴上方底骨架的最大集中应力值由大约255MPa下降到约203MPa,减小20%左右,说明通过对客车车身结构进行有限元强度分析后,运用优化设计的方法,在虚拟设计阶段就能提出改进车身结构的方案,改善车身在实际工作状态下的受力情况,降低车身的最大应力,缓解应力集中,进而有利于提高车身的承载能力。5根据下的设计结果对客车车身结构进行有限元分析和优化设计,其过程就是在客车车身实际的设计与制造前,在计算机上运用专用的三维实体造型软件对其进行建模,然后以适当的数据交换格式导入到有限元分析软件中进行强度分析,可以很直观地了解其受力变