客车车身强度及刚度分析

设计研究 客车车身强度及刚度 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 蔺瑞兰 � 张代胜 � (合肥工业大学 ) �摘要 � 用有限元法对客车车身的强度、刚度进行了分析, 用电测量技术对有限元模型进行了验证。为 改进设计提供了有价值的理论依据, 分析结果可作为车身骨架结构优化的参考。 �主题词 � 车身 � 客车 � 有限元 收稿日期: 2006- 09- 08 � � 车身是客车的承载主体, 更是其关键总成。 随着城市公共交通的不断发展, 人们对车身结构 的性能要求越来越高。车身结构必须有足够的强 度以保证其疲劳寿命, 足够的静刚度以保证其装 配和使用要求, 同时应有合理的动态特性达到控 制振动与噪声的目的。但由于客车车身结构复 杂,用经典力学方法很难得到问题的精确解。 本文采用有限元方法,利用 ANSYS有限元分 析软件对某客车车身进行强度与刚度分析, 并进 行实车的静动态应变测试, 在观察变形量、应力分 布、固有振型等的基础上, 反复模拟计算,求出满 足体现车身刚度的弯曲、扭曲刚性和振动特性等 性能的轻量化、高刚性规格。在进行模拟时, 通过 不增加车身质量的改良设计来提高强度和刚性。 应用实践证明,利用有限元法 ( FEM )对客车车 身结构进行静态和动态分析,可在设计图纸变成产 品前就对其刚度、强度、固有振型等有充分认识, 了 解车身可能出现应力和变形情况,对不足之处加以 改进,使产品在设计阶段就可保证满足使用要求,从 而缩短设计试验周期,节省大量试验和生产费用,它 是提高产品可靠性既经济又适用的方法之一。 1 � 车身的有限元计算模型 建立车身骨架的有限元模型时既要如实反映 客车车身实际结构的重要力学特性, 又要尽量采用 较少的单元和简单的单元形态, 以保证较高的计算 精度及缩小解题规模。有限元分析计算结果的可 信度高低直接受分析模型、载荷处理、约束条件和实 际 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 结构力学特性符合程度的影响,若有失误则 会造成很大误差,严重时将使计算分析失败。 该型客车为三段式底架车身结构, 其空间结 构复杂, 在建立力学模型时, 需要对其作适当的简 化处理。 ( 1)将车身骨架简化为空间框架结构, 对车身 骨架和底架的中段用三维梁单元模拟, 对底架的 前段和后段则采用板单元, 这样形成一个板梁结 合的组合模型。忽略车身蒙皮和窗玻璃对车身总 体结构强度和刚度的加强作用, 这将使实际计算 结果偏于安全。 ( 2)利用该车 CAD图纸并参照其骨架数码照 片,结合调研资料,以车身骨架上的空间交叉点为 节点,以梁柱截面形心为连线, 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, 部分 节点采用耦合处理。 ( 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。如侧围、走道和车顶的一 些小连接件和支撑杆件。 ( 4)将空间曲梁简化为直梁。如把顶盖横梁、 前后围横梁等曲梁划分为若干个直梁单元。 2 � 客车车身骨架有限元模型建立 影响有限元计算的关键是建立反映实际结构 !28! 上海汽车 � 2006� 12� � 设计研究 的计算模型和确立载荷条件和边界条件, 因此,有 限元模型的建立要尽量真实地反映分析车型的结 构。 2. 1� 模型的建立 ( 1) 整体坐标系的建立, 以通过前轴中心线 的垂直平面与客车纵向对称面的交线与车架平面 的交点为坐标原点;以客车前进的反方向为 X轴 的正方向; 以从原点垂直向上的直线为 Z轴的正 方向; 由右手定则确定 Y轴。 ( 2) 根据以上模型的简化原则, 首先建立了 整车骨架几何关系模型, 使车身从前到后形成完 整的力学框架。目前国内大客车车身骨架均采用 矩形或异形钢管焊接而成的空间钢架结构, 其空 间关系极其复杂,而且断面形式多样,空间梁单元 是首选计算模型单元。考虑到底架结构的复杂 性,采用更精确的板单元建模计算。模型节点总 数约为 4. 23万 (单元总数约为 4. 20万 )。模型如 图 1。 图 1� 有限元模型 2. 2� 载荷的处理 客车满载时车身结构的载荷分别为: 结构自 重、各装备重量、乘客重量。座位上的乘客与座椅 载荷分配到相近的节点上; 发动机、变速器、压缩 机及传动轴、水箱、油箱、暖风机、储气筒、冷凝器、 蒸发器等载荷则各自平均分配到相应的支承节点 上;站立乘客载荷均布于车厢通道地板上, 电瓶载 荷均布于其支承杆上。 2. 3� 边界约束条件的处理 不同的悬架系统对车架及客车骨架的强度和 刚度影响较大, 该车采用了空气悬架结构。空气 悬架系统中,由于四连杆导向机构的作用, 可忽略 其侧向和纵向的柔性,只考虑垂直刚度, 以一等效 梁单元来 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示, 而把该梁单元上部水平面内的移 动自由度约束住, 以模拟四连杆导向机构的作用。 在计算中用杆、梁单元组合来模拟悬架实际结构, 也可以用伪单元、读入刚度单元等方法解决。由 于轮胎刚度很大, 可忽略它对结构分析的影响,将 它看成是刚性的。 2. 4� 计算工况的选择 对结构进行静力分析的目的, 在于计算结构 在最大载荷下的变形与应力, 以便进行强度与刚 度的检验。因此, 应对车身可能承受的最大载荷 进行分析。根据过去的理论分析、实车试验和实 际使用情况, 直接关系车身骨架强度的主要是弯 曲和扭转两种工况及它们的组合。 ( 1) 弯曲工况:考虑车身质量和载荷, 方向垂 直向下,模拟客车在平坦路面上以较高速行驶时 产生的对称垂直载荷。 ( 2) 扭转工况: 按客车空载下一个前轮悬空 处理。此时客车受到的扭矩很大, 在实际行驶中 一般不可能达到这个数值, 这样定义的目的是为 了横向对比。 ( 3) 弯扭工况: 以车身自重和载荷乘以 1. 3 倍的动荷系数, 并将前悬架两侧车轮位置分别向 上和向下 80mm的指定位移, 模拟客车在不平道 路上行驶时产生的斜对称动载荷。 3 � 计算结果分析 3. 1� 车身强度和应力分析 车身骨架高应力区主要在侧围中门附近, 前 中后底架的部分区域以及后部地板等处。其各总 成弯曲工况下最大应力值见表 1。这是由于发动 机后置, 后桥轴载荷较大,在后车架的载荷作用区 存在应力集中。 表 1也给出了弯曲工况下改进 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 各总成的 应力值,以作比较。具体改进设计时要根据各零 部件的受力情况, 结合各总成的整体受力状态、位 置及重要性, 逐杆分析,调试各总成和车身整体内 力分布,多方案的比选,以达到优化配置目的。 按所提方案, 从骨架各总成应力分布情况和 表 1所列数据可以看出, 车身骨架改进前后应力 !29!� 上海汽车 � 2006� 12 设计研究 表 1� 车身骨架各总成弯曲工况下最大拉压应力表 骨架各总成 原骨架最大应力 (M Pa) 改进后骨架最大应力 (MPa) 侧� 围 113. 9 103. 8 底 架 后车架 237. 3 240. 5 前车架 108. 0 96. 7 中车架 71. 7 85. 9 地 板 前地板 55. 6 60. 0 中地板 64. 9 50. 4 后座椅 113. 2 68. 9 重新分配, 骨架总体应力与变形相对较均匀。而 且不降低整车骨架的强度刚度。改进后车身整体 骨架应力分布如图 2所示。 图 2� 改进车身整体骨架应力分布图 3. 2� 车身刚度分析和车身变形 车身变形一般是指弯曲、扭转和主要的开口 变形。这些计算结果反映了车身的刚度状态。计 算结果给出 3种工况下车身各处的位移量, 其中 弯曲工况下的最大变形量在后车架、车身尾部和 车顶空调加载横梁节点处。弯曲工况下最大变形 见表 2。 表 2� 车身骨架各总成弯曲变形值 对比骨架 各部件 原车身骨架 最大变形 (mm ) 改进车身骨架 最大变形 (mm ) 侧围窗下沿纵梁 (中门至后围处 ) 5. 469 4. 353 顶盖 6. 662 6. 592 前围 4. 601 4. 335 后围 6. 923 6. 871 后车架 7. 311 7. 317 � � 在扭转工况下,根据各节点 Z向的位移, 可计 算出轴间车身相对扭转角、底架纵梁轴间相对扭 转角,并据此计算出车身扭转刚度和车身承载度。 还可根据计算结果检查门框、窗框、前后围窗框对 角线长度变化量中的变形量。其中侧围窗下沿纵 梁相对变形略超出原定值 5mm的技术要求。表 2 同时给出改进车身骨架变形值, 以作比较。改进 后整车变形如图 3所示。 图 3� 改进车身整体弯曲变形图 计算得轴间车身相对扭转角为 0. 39∀, 底架纵 梁轴间相对扭转角为 0. 58∀, 车身承载度值为二者 之比, 0. 68。该数值一般反映车身分担底架 (或车 架 )载荷的程度。该数值低说明车身与底架联系 不够紧密, 与全承载式车身尚有差别。车身承载 度范围建议为 0. 85~ 0. 60。可见该型客车的协 调性较好。 4 � 结语 ( 1) 采用上述力学模型对车身结构进行有限 元分析,比传统的简化计算方法大大发展了一步。 它能提供足够准确的车身刚度特性以及整车结构 的应力分布。为设计工作提供有价值的结构整体 分析数据,从而改变传统的类比设计及仅采取局 部加强的方法。新的设计方法提高了设计的合理 性及可靠性, 可以快速实现产品的系列化, 避免过 多依赖成本昂贵的样机制造。 ( 2) 用板梁单元组合处理车身骨架模型, 模 型精度可靠、规模适中。在车身设计的不同阶段, 模型可以由粗到细, 多次修改。所提出的按车身 各总成模块化建模的方法, 简化了建模过程,加快 了建模速度, 并且可以实现一模多用, 为系列车型 分析打下了基础。 ( 3) 综合上述车身强度和刚度分析, 该车身 整体弯曲和扭转刚度较大, 开口变形小, 弯曲和扭 转应力水平适中, 强度储备处在合理范围。但车身 (下转第 34页 ) !30! 上海汽车 � 2006� 12� � 设计研究 根据各种车辆不同的使用环境, 调整各个相 应加权系数的大小, 可以调整悬架系统的性能,从 而适应各种不同的实际要求。 图 3� 麦弗逊悬架转向机构运动特性 参考文献 1� (日 ) 玄光男, 程润伟. 遗传算法和工程设计.北京:科学 出版社, 2000 2� 方世杰,綦耀光.机械优化设计. 北京:机械工业出版社, 2003 3� 张志涌. 精通 MATLAB 6. 5版. 北京:北京航空航天大学 出版社, 2003 4� 刘臣亚. 麦式独立悬架运动学分析与优化. 华南理工大学 学报, 2003 Abstract G enet ic algo rithm is a k ind o f random search ing algo rithm based on natural selection and genet ic mechanism. The artic le uses genetic algo rithm to opt i� m izeM acPherson suspension. The result indicates that the a lgorithm makes the suspension design mo re e le� gant and effect ive; the k inetic characteristic o f sus� pension system is improved a fter op tim ization. (上接第 30页 ) 骨架应力分布不均, 局部存在高应力区, 车身与底 架联系不强,尤其是底架中段纵梁与前后段底架连 接不够,有必要对相应结构作进一步改进设计, 以 提高车身整体刚度及承载度。侧围处所开中门要 局部加强,后座椅处也要增加连接短杆。要加强关 键部位焊接工艺的质量检查, 如底架和侧围的连 接,一定要确保焊接质量。要加强骨架侧围上部的 侧向刚度,顶盖的垂向刚度,这对整车的抗疲劳以 及车身的减振均有利。要增加一些型材规格,增加 选材余地,使结果更合理一些。 参考文献 1� 冯国胜. 客车车身结构的有限元分析. 机械工程学报, 1999. 2 2� 冯国胜,贾素梅. 轻型客车有限元分析及应用.机械强度, 1996. 18 ( 2) 3� 刘明辉,于学兵. 客车车身骨架结构的有限元分析方法研 究.客车技术, 2005 4� 王海霞,汤文成等. C J6121GCHK型客车车身骨架有限元 建模及结果分析方法研究. 汽车工程, 2001 Abstract The article uses in fin ite element method to ana� lyze the intensity and r ig id ity o f bus body, and uses e� lectricalmeasurem ent techn ique to testify infinite e le� mentmode.l The resu lts theoretically prov ide va luab le reference for improvement design and optim ization o f body fram ew ork structure. !34! 上海汽车 � 2006� 12� �