西华大学吉林大学汽车学院汽车专业客车骨架有限元分析A.ppt

1、1,客车骨架有限元分析,姓名：李 勇 学号：20030623 指导教师：巢凯年 交通与汽车工程学院车辆工程,2,客车骨架有限元分析过程,（一）概述 本次毕业设计采用ANSYS软件，对成都客车厂生产CDK6593N客车的进行有限元分析。主要分析客车骨架的应力和变形。经过分析，客车骨架的应力小于许用应力，变形较小。经过改进后，客车骨架的强度得到了增强，重量减轻，达到了设计的目的。 本次设计采用国际单位制：米，千克，牛，帕等，采用的坐标系为：X为汽车的长度方向,Y为宽度方向,Z为高度方向。 （二）单元的选择 1）BEAM188三维线性有限应变梁单元 2）COMBIN14弹簧阻尼单元,3,（三）定义实

2、常数 采用的弹簧单元需要实常数弹簧刚度K。 由汽车理论的知识我们知道， 其中， 是车身部分固有频率，K是悬架弹簧的刚度,m2 是汽车的悬挂质量，它由车身、车架及其上的总成所构成。 通过估算，车身部分固有频率f0=3赫兹，汽车的悬挂质量m2=4500千克，经过计算，悬架弹簧的刚度K=1597255.2牛/米，悬架弹簧由8个弹簧构成，因此每个弹簧的刚度=199657牛/米。,4,(四) 材料的定义 本次设计采用的结构材料为Q235钢，它的密度是7850 ，除刚性梁外的结构的弹性模量是 Pa，泊松比是0.3，刚性梁的弹性模量采用 Pa 。 （五）横截面的定义 根据图纸，本次设计定义骨架杆件共用了15

3、种截面，其中7种模拟矩形空心型钢，4种模拟角钢，4种模拟槽钢。 （六）建立有限元模型 根据客车骨架的图纸，先建立客车骨架的几何模型，然后定义各根钢管的方向点，指定每根梁的横截面，然后划分网格。由于梁单元的内力、应力和变形的计算都是精确的，所以单元划分可以大一些。在本次设计中，指定单元的长度都是0.1米。,5,建立的客车骨架有限元模型如图所示：,6,(七)分析工况的选择 由于弯曲工况是车辆经常处于的工况，而扭转工况下车身的应力较大，所以，在研究分析内容时，选择了满载弯曲工况，满载左前轮和左后轮悬空工况,后者是车辆可能发生的一种极限工况。 (八)施加约束 客车车身骨架一般是由型钢焊接而成的整体结构

4、，所以在进行有限元分析时将车身作为一个整体来考虑，所以车身的边界条件就体现为板簧支座的位移。,7,如图所示是客车骨架的边界条件约束位置，整车满载弯曲工况的约束方案是：节点5自由度全部约束，节点2，8，11的自由度均约束UY，UZ，ROTX，ROTZ,并对每个弹簧的上下节点进行UX，UY方向耦合。 整车满载左前轮悬空的工况约束的自由度是：5，8，11节点约束和弯曲工况约束的自由度相同，2节点不约束。 整车满载左后轮悬空的工况约束的自由度是：8，11节点约束和弯曲工况约束的自由度相同，2节点全部自由度被约束，5节点的自由度不约束。,X,Y,Z,8,（九）施加载荷 作用在车身上的弯曲载荷是由车身的自

5、重、车辆总成和乘客的重量提供的,车身结构件的重量通过加垂直方向的、大小为9.8 的加速度来模拟； 估计发动机和变速箱的质量为600千克，加满油后的油箱的质量为150千克，二者作为集中载荷，施加在相应的节点上； 其它载荷如转向机、离合器、电瓶、水箱、座椅、乘客（19人）等质量总和估计为2000千克，均布作用在底架上。,9,客车骨架施加约束和载荷后，如下图所示：,10,(十)求解的结果分析 后处理主要是将客车骨架有限元分析的结果以等值图的方式的显示，并且进行刚度、强度等分析 。下图是弯曲工况下的竖直位移图：,11,下图是在弯曲工况下的应力图：由结果我们可以看出，满载弯曲工况下，客车骨架前围、侧围、

6、后围和顶盖的大部分区域应力小于10MPa,应力比较大的区域是发动机加载的横梁及周围的纵梁上，应力最大值是70MPa左右。,12,下图是左前轮悬空扭转工况下的竖直位移图：,13,下图是左前轮悬空扭转工况下的应力图，客车骨架的很大部分应力小于20MPa，在发动机加载的纵梁和横梁周围产生了较大的应力，约60MPa，在右围的乘客门的竖直的梁上部分区域也产生了较大的应力，约50MPa，前围的支撑挡风玻璃的横梁应力也有些大，但小于许用应力。,14,下图是左后轮悬空扭转工况下的竖直位移图：,15,下图是左后轮悬空扭转工况下的应力图，客车骨架的很大部分应力小于25MPa，在发动机加载的纵梁和横梁周围产生了较大

7、的应力，约100MPa，在右围的乘客们的竖直的梁上部分区域也产生了较大的应力，约70MPa，前围的支撑挡风玻璃的横梁应力也有些大，但小于许用应力。,16,（十二）各工况分析总结 经过以上三种工况的分析，本车型在以上3种工况下运行，强度是足够的。 应力比较大的区域是： 发动机加载的横梁和纵梁上 乘客门立柱的下半部分 前围风窗下矩管连接处,17,第四章 客车骨架改进设计中的结构分析 （一）客车骨架改进方案 通过对上述弯曲，扭转工况的分析，我们可以看出客车骨架在三种工况下，客车骨架的顶盖、后围的应力均低于25MPa，客车的底架上出现应力不均的现象。因此，改进方案是：对客车骨架的顶盖的部分矩管截面尺寸

8、减小，去掉原来后围的两根立柱的角钢，对底架上的横梁，在发动机加载处，多加两根横梁，同时去掉后半部两根对底架应力不大的横梁，以试图增强客车骨架的强度，减少重量。 （二）客车骨架改进前后比较 通过在原有的模型的基础上修改模型 ，然后在改进后的模型上施加约束和载荷，施加约束和载荷的方法和改进前的方法相同，然后用ANSYS软件重新计算。由于三种工况下的位移和改进前相比，变化较小，详见说明书，所以在此只对比三种工况下应力的变化情况：,18,1）弯曲工况比较 下图是客车骨架改进后弯曲工况下的应力图，我们可以看出，改进后，客车骨架的顶盖和后围的应力仍小于12MPa，原来应力比较的大的发动机加载点，应力集中的

9、区域减少了许多，此处最大应力约50MPa。而在底架的后半部去掉两根横梁，应力增大到20MPa，应力小于许用应力，满足安全要求。,19,2）左前轮悬空工况比较 我们可以看出，改进后，客车骨架的顶盖和后围的应力仍小于27MPa，原来应力比较的大的发动机加载点，应力集中的区域减少了许多，此处最大应力约90MPa。而在底架的后半部去掉两根横梁，应力增大到60MPa，小于许用应力，满足安全要求。,20,3）左后轮悬空工况比较 我们可以看出，改进后，客车骨架的顶盖和后围的应力仍小于28MPa，原来应力比较的大的发动机加载点，应力集中的区域减少了许多，此处最大应力约80MPa。而在底架的后半部去掉两根横梁，应力约为20 MPa，应力小于许用应力，满足安全要求。,21,结 论,经过改进后，客车骨架的重量由原来的501.2千克减小为497.7千克，骨架的重量得到了减轻。并且