某电动客车车身骨架强度与刚度特性分析_杨路_杨秀建_高晋_张.

第44卷第2期 2015年4月小型内燃机与车辆技术SMALLINTERNALCOMBUSTIONENGINEANDVEHICLETECHNIQUEVol.44No.2Apr.2015·设计·计算· 某电动客车车身骨架强度与刚度特性 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 * 杨路杨秀建高晋张 云南昆李海青６５０５００）（昆明理工大学交通 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 学院昆明 摘要：车身骨架的刚度是影响车辆设计可靠性与行驶安全性的重要因素。基于CATIA建立某电动客车车身骨架模型，针对梁单元无法考虑构件局部屈曲的不足，建立基于壳单元的车身骨架有限元模型。利用HyperWorks软件对骨架弯曲工况和扭转工况下的强度和刚度进行计算，得到相应工况下的应力应变分布；并对骨架进行模态分析，得到车身骨架整体刚度响应。结果 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 明：骨架结构强度在材料的屈服极限内，骨架存在局部应力集中，且整体应力余量较大；模态分析发现骨架整体刚度较大，骨架顶盖有明显的突变现象；还对骨架的动静态特性进行了评价，并提出改进意见，研究结果可为电动车骨架结构设计与改进提供参考。 关键词：刚度强度 中图分类号：U463.82车身骨架壳单元电动客车文章编号：2095-8234（2015）02-0061-05文献标识码：A StrengthandRigidityAnalysisforanElectric BusBodyFrame GaoJin，ZhangKun，LiHaiqingYangLu，YangXiujian， FacultyofTransportationEngineering，KunmingUniversityofScienceandTechnology （Kunming，Yunnan，650500，China） Abstract：Rigidityofvehiclebodyframeisoneofthecrucialfactorsthataffectingvehicle′sdesignreliabilityanddrivingsafety.TheCADmodelofanelectricbusbodyframeiscreatedbasedonCATIA，inallusiontoshortcomingsofmodalbasedonbeamelementthatcan'tconsiderlocalbuckling，thefiniteelementmodelofbusbodyframeisestablishedbasedonshellelements.ThenitisemployedtocompleteitsstrengthandrigiditycalculationunderfullloadbendingandtorsionoperatingconditionsbymeanoftheHyperWorkssoftware，obtainingacorrespondingstressandstraindistribution,andmodalanalysisofbodyframeismade，thenobtainingintegralrigidityresponseofbodyframe.Theresultsareshownthatthisbodyframe′sstrengthiswithinthescopeofthematerialsyield,thelocalstressconcentrationismarkedlyfoundontailbeamofbodyframe，andintegralstressallowanceislarger；itisfoundthatbodyframeintegralrigidityislarger，carryingasignificantmutationontheroofofbodyframe；thedynamic&staticcharacteristicsofvehiclebodyframeareevaluated，somesuggestionsareproposedaccordingly.Theresultspresentedinthepapermaybehelpfulforthestructuraldesignandimprovementoftheelectricbusframe.Keywords：Rigidity，Strength，Busbodyframe，Shellelement，Electricbus 引言 低噪声电动客车凭借其污染小、无需机械传动、 *等特点成为短途运输的主力车型。车身骨架作为车辆载荷承载基体，不仅承受动力电池全部质量、乘客质量，还承受车辆行驶过程中的力和力矩，因此有必（51465023），昆明理工大学人才培养项目（KKSY201402065）。基金项目：国家自然科学基金项目 作者简介：杨路（1989-），男，硕士研究生，主要研究方向为车辆动力学与汽车CAE技术。 通讯作者：杨秀建（1980-），男，博士，副教授，主要研究方向为汽车系统动力学与控制、汽车CAE技术等。 62小型内燃机与车辆技术第44卷 2] 要对车身骨架强度及刚度进行分析[1，。文献[3~5]利用有限元法对汽车车身结构进行了研究，其中文献 型进行简化，采用以四边形为主的网格类型，避免过多的三角形单元引起局部刚性过大。考虑到模型精度及计算规模，将单元尺寸控制在10～25mm的范围内。分析中使用RBE2刚性单元模拟部件间的焊接，整车形成焊接单元2378个，最后整车骨架划分为300035个单元，其中四边形单元29844个，三角形单元1587个，模型精度较高。 [3]运用参数化曲面造型技术完成整车造型、使用壳单元划分网格，完成轿车的刚度强度分析，弥补了梁单元不能反映连接处局部应力分布的不足。文献[4]是通过创建摩托车车架有限元模型，将轮毂中心的 强迫位移 函 关于工期滞后的函关于工程严重滞后的函关于工程进度滞后的回复函关于征求同志党风廉政意见的函关于征求廉洁自律情况的复函 数作为激励载荷加载，分析了车架在振动工况下的动态响应，但需要测量车架前后轮毂中心激励位移，增加了测量成本。文献[5]基于模态参数理论对某微型电动车车架的振动特性进行了研究，并对其进行结构优化，为电动车动态性能分析提供新的思路。电动车车架的研究因动力源的不同而有别于传统汽车，不能简单地将传统汽车车架应用于电动车上，因此有必要针对电动车自身的特点对骨架结构进行研究。 本文以某型电动客车车身骨架为研究对象，对骨架结构的动静态性能进行研究。利用HyperWorks软件建立基于壳单元的车身骨架有限元模型，运用OptiStruct求解器求解骨架满载弯曲及扭转工况的静态响应；利用有限元模型，基于模态分析理论，对车身骨架的动态特性进行分析。研究结果可为电动车车身骨架结构设计与优化提供依据。 2.1 静态分析 分析中的边界条件 分析中的边界条件是车辆实际行驶工况在有限元模型中的具体表现形式[6～8]。约束的施加随汽车行驶工况的变化而变化，同时要满足结构部件不发生刚性位移和不影响部件发生自由变形的要求。分析中主要对车身骨架的前桥螺栓孔和后桥钢板弹簧悬架支撑点进行约束。 UY、弯曲工况分析时约束前轴16个螺栓的UX、 UZ三个方向自由度，左后轮UZ方向自由度，右后轮UZ两个方向自由度，UY、弯曲工况有限元模型如图2a）所示，图2b）中Ⅰ和Ⅱ分别为前、后轴约束及载荷的局部放大图；扭转工况分析时释放左后轮所有自由度，前轴和右前轮的约束与弯曲工况相同，其中UX、UZ分别表示约束位置的纵向、横向、垂向自由度。UY、 正确处理载荷及其施加形式是获取精确可靠有限元分析结果的前提。车辆满载时骨架载荷主要包括骨架自重、电机质量、驾驶室质量、乘员质量、侧围质量、前后围质量、以及其它附件质量。结合车辆行驶过程中骨架载荷的实际情况，对载荷进行了如下处理，如表1所示。 表1 序号123456 载荷名称骨架自重蓄电池（轮罩）蓄电池（尾部）乘员30人驾驶室及附件电机及转向器 1有限元模型的建立 图1所示为车身骨架模型。该型车车身由底骨 架、侧围、前后围、顶盖构成的半承载式车身，主要是60×40×20mm、40×30×2mm、25×25×1.5mm、20×20×1.5mm的矩形钢板焊接而成。半承载式车身底骨架前端与带有副车架的整体式前桥通过M16螺栓连接；后桥与钢板弹簧通过吊耳连接。该电动客车骨架材料采用合金钢，其力学特性参数如下： 泊松比μ为0.30；弹性模型为2.1×105MPa；密度ρ为 热处理后的屈服极限为500MPa。7.9×10-9t/mm3； 载荷及施加方式 质量/kg约800约480约400约1800约200约200 载荷施加方式集中载荷均布载荷均布载荷均布载荷集中载荷均布载荷 图1 车身骨架几何模型 Ⅱ Ⅰ a）骨架有限元模型 为较为真实地反映构件连接处的应力状况，将 车身骨架离散为壳单元集，采用PSHELL单元对其进行网格划分，在保证车身结构主要力学特性及计算精度的前提下利用HyperMesh程序对骨架几何模 第2期杨路等：某电动客车车身骨架强度与刚度特性分析63 看出，骨架中部和尾部变形较大，最大变形量为 2.803mm，位于车辆尾部，这是由于尾部电池过重造成的，此处易发生骨架破坏，比较危险；车辆中部变形较大是因为乘客多位于车厢中部，符合实际情况。从应力云图结果来看，骨架最大应力为280.6MPa， Ⅰ前轴约束局部放大图 位于骨架尾部前轴约束位置，除前后轴约束位置应力较大外，大部分应力在32MPa左右。 位 移最大处 Ⅱ后轴约束局部放大图 b）局部放大图 a）位移云图 图2 骨架有限元模型 2.2计算分析 在后处理模块中可得通过OptiStruct求解计算， 到骨架不同工况下的应变和应力云图，分别如图3、图4所示。 应力最大处 b）应力云图 图4 位移最大处 扭转工况的位移云图和应力云图 a）位移云图 扭转工况是模拟某个车轮悬空、被抬高或降低 时骨架结构的受力状态。从图中可以看出，左后轮悬空时骨架最大变形量为14.52mm，位于顶盖左后端。左后轮悬空时承受轮罩电池质量，致使左纵梁变形大于右纵梁的变形，变形量从后向前依次减小。从应力云图可以看出，车身结构等效应力最大值为396.7MPa，位于右后轮罩与横梁联接处，骨架发生较大扭转变形时，此处较高的抗扭刚度阻碍扭转变形沿横梁传递，造成右后轮罩下方部件应力大幅度增加，产生应力集中。扭转工况在使用中属危险工况，应尽量避免。 应力最大处 b）应力云图 3模态分析 动态分析设计是结构设计中的重要环节之一， 图3弯曲工况的位移云图和应力云图 弯曲工况是模拟满载状态下，四轮着地时汽车 在良好路面匀速直线行驶的状态。从位移云图可以 动态性能的好坏直接影响到结构的可靠性及使用寿命。模态分析作为动态分析的基础，是动态分析的重 64小型内燃机与车辆技术第44卷要内容，因此通过模态分析获得骨架结构的动态设计参数是非常重要的。 车身骨架是一个多自由度弹性系统，有无限多固有振型，设车身骨架具有n个自由度，在不考虑阻尼及外载的情况下，系统的振动方程为： 咬}+[K]{X}=0[M]{X（1）式中：[M]、[K]分别为系统的质量矩阵、刚度矩阵；{X}为系统的位移矩阵。将骨架振动分解为形如（2）式的一系列简谐振动： {X}={u}sin（ωt+φ）a）第9阶振型（2）将（2）式代入（1）式得 ）{u}=0（3）（[K]-ω2[M] 式中：ω为简谐振动的圆频率，rad/s；φ为任意常数；{u}为特征向量或振幅，m。 式（3）有非零解的条件是系数行列式的值为零，也就转化为求解特征值的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。 （4）|K-ω2M|=0 方程（4）为结构自由振动特征值方程，是ω2的n次方程，通常有n个不同的特征根： ω1＜ω2＜…＜ωn 称为特征值， ω1＜ω2＜…＜ωn222b）第11阶振型（5）（6） 2称为系统的固有频率。对应于每个特征值ωi方 程都有解u，称为系统的模态向量，系统的模态矩（3） 阵为 （7）u={u1u2u3…un} 通常用ui描述了振型。各阶固有振型的线性组合构成了结构的振动，其中低阶振型对结构的动力影响程度比高阶振型大得多，分析中提取前16阶的模态振型进行分析。由于分析的是自由模态，所以前6阶是模态频率为零或者接近零的刚体模态。弹性模态计算结果从第7阶算起，骨架的模态分析结果如表3所示，主要振型图如图5所示。 表3 阶数 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16c）第13阶振型骨架模态分析结果频率 / Hz 8.81710.19413.15014.56514.74615.83316.85217.98920.08521.655振型描述前端弯曲振动顶盖左右振动弯曲振动顶盖左前方扭转振动顶盖弯曲振动顶盖后端弯曲振动弯扭混合振动弯曲振动左右振动弯扭混合振动d）第14阶振型图5第9、11、13、14阶振型模态分析是分析结构整体动态特性的有效方法，图5给出了几阶变形较大的振型图。骨架第9阶振型以顶盖中部弯曲振动为主，且振动幅度很大，其余部分振动幅度很小；第11阶振型为弯曲振动，骨架顶盖前部变形较大；第13阶振型是弯扭混合振