客车车身骨架的有限元分析 - 文章

客车车身骨架的有限元分析

作者：闫维王洋

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一、前言

近几年来，国家出台了加快大客车强制报废政策，促进了各地对交通及城市基础设施建设力度的加大，公交客运所需的大，中型城市客车的市场需求也逐渐扩大，人们对公交车的要求也越来越趋向于高速，舒适，稳定可靠。这对客车的设计提出了更高的要求，为满足设计要求，优化客车设计，缩短设计周期，CAE技术起到越来越重要的作用。

车身骨架是客车的主体承载结构，几乎占整车自重的一半的重量，其强度刚度是否满足设计需求，决定了客车整体设计的合理性。本文主要是通过ANSYS有限元软件对某型12米黄海牌客车车身骨架进行的有限元计算与分析。

二、有限元模型的建立及简化

建立车身骨架的有限元模型，既要如实的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，节约计算时间。在建立车身结构的有限元模型时，根据车身的结构及其承载特点，作了一些必要的简化：将车身骨架简化为空间框架结构，忽略车身蒙皮对车身总体结构的强度和刚度的影响，忽略某些对整体结构变形和应力影响较小的非承载元件。

根据客车骨架是由矩形钢管焊接而成的空间杆系结构的结构特点，结点一般选在杆件的交叉点上，连接两个结点的构件，视为一个单元。由于骨架结构的结点，一般用来传递轴力、弯矩和剪力，因此在计算中一般取构件为梁单元，将其简化为空间梁单元组成的空间刚架有限元计算模型。本此建模主要采用了 ANSYS beam 188单元及shell 181单元,此次分析建立的整车骨架有限元模型如图1所示。

图1 骨架有限元模型简图

2.1边界约束条件处理

半承载式客车车身的特点是车身骨架与车架刚性连接，而车架又通过悬架系统与车桥连接。不同的悬挂系统对车架及客车骨架的强度和刚度影响较大，为了使边界约束条件更符合使用工况，将悬架元件与车架组合起来考虑。用梁单元模拟悬架实际结构。

2.2 载荷处理

车身承受的载荷很多，就其载荷性质而言，车身所受到的主要载荷为弯曲、扭转、侧向载荷和纵向载荷等几种。除车架骨架自身的质量外还有外加质量。外加质量包括车身蒙皮，玻璃，动力总成，备用轮胎，电瓶，散热器，压缩机，油箱，驾驶员座椅，乘客，行李质量，底盘各总成及发动机质量等。在处理载荷时，车身骨架质量按均布于骨架各构件上处理；乘客，座椅质量按客车座位布置图等效分配到地板支架上处理，在有座椅处设置相应的节点；地板质量按均布载荷作用于底架上处理；底架各总成，发动及附加物质量作用于支撑点处的节点上。

2.3计算工况

考虑到该车的运行特点，本次计算分析主要讨论比较危险的满载情况下（即有设备自重，还有座席和站立乘员，共计80人）的弯曲、有2.5倍动荷的弯曲、右后轮悬空、左后轮悬空、制动、左转弯、右转弯、启动八种工况。

三、计算结果分析

由于该车为后置车，后部载荷相对较大，同时由于顶部装有空调、天然气瓶等重物，导致整车重心升高，我们对常见的车辆运行情况都进行了静力模拟计算分析，通过试算发现局部应力值偏大。

3.1各工况最大应力值比较见表一：单位MPa

表一：各工况最大应力值比较

典型工况下应力云图比较（由于云图较多，此处仅列举起动工况和左转弯工况）：

从应力分布云图中我们也可以看出：在左右后轮悬空工况下车架后部横支梁受力较大；在2.5倍动荷系数弯曲工况下,侧围立柱与牛腿连接处应力值较大；在左右转工况下最大应力值出现在边梁于空调固定槽梁连接处.以下对各工况各总成最大应力值及位置列表如下。

4各总成最大应力值对比分析

4.1各总成最大应力值比较见下表二：单位MPa

工况	总成	最大应力值（MPa）及位置
弯曲工况	地板梁	43.203左前车轮前地板
	右侧围	43.983后轮后牛腿与侧围立柱连接处
	左侧围	49.879后轮后牛腿与侧围立柱连接处
	顶盖	43.812左边梁于空调固定槽梁连接处
弯曲（2.5倍动荷）工况	地板梁	108.007左前车轮前地板
	右侧围	109.958后轮后牛腿与侧围立柱连接处
	左侧围	124.697后轮后牛腿与侧围立柱连接处
	顶盖	109.529右边梁于空调固定槽梁连接处
左后轮悬空工况	地板梁	103.421左后车轮后支撑梁
	右侧围	112.587后轮后牛腿
	左侧围	51.987后轮后牛腿与侧围立柱连接处
	顶盖	66.717左边梁于空调固定槽梁连接处
右后轮悬空工况	地板梁	94.012右后车轮后地板
	右侧围	49.481后轮后牛腿与侧围立柱连接处
	左侧围	86.511后轮后牛腿与侧围立柱连接处
	顶盖	43.277左边梁于空调固定槽梁连接处
左转弯工况	地板梁	97.222右后车轮后支撑梁
	右侧围	92.734后轮上方窗立柱与腰梁连接处
	左侧围	108.682后轮前牛腿与底边梁连接处
	顶盖	128.997顶盖第九弯梁与右侧围连接处
右转弯工况	地板梁	103.856右后车轮后地板支撑梁
	右侧围	104.117后轮前牛腿与底边梁连接处
	左侧围	101.619后轮上方窗立柱与腰梁连接处
	顶盖	138.257顶盖第九弯梁与左侧围连接处
起动工况	地板梁	44.941右后车轮后地板
	右侧围	57.78门立柱与顶盖连接处
	左侧围	50.931后轮后牛腿与侧围立柱连接处
	顶盖	38.924左边梁于空调固定槽梁连接处
制动工况	地板梁	67.071左后车轮后地板
	右侧围	47.386后窗立柱
	左侧围	53.547后窗立柱
	顶盖	52.365左边梁于空调固定槽梁连接处

4.2典型工况总成应力云图对比

4.2.1起动工况：

4.2.1左转弯工况：

4、结论

通过对该车各种运行工况的静力计算，以及各工况各总成应力对比分析,发现局部地方有应力值较大的现象，因计算采取的是极限状态下的分析,正常运行情况下这种极限情况出现的几率较小，但由于该车顶部装空调和天然气瓶，因而重心较高，在急转弯和制动等情况都将会出现瞬间应力过大现象。考虑该车的使用路况，在试验过程中关注计算中应力值较大的几个部位和经常出现损坏的地方，根据试验结果进行有针对性的二轮改进设计，同时在进行搓板路面和鹅卵石路面时应关心车体的振动情况，通过模态分析得出的车身固有振形看有无局部共振现象发生。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (11/12/2007)


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