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某商用车白车身结构静强度分析 |
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作者：陈斌 李源 蒋政 |
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摘 要：本论文依据有限元的基本理论，建立某型商用车白车身有限元模型，并在通用有限元分析系统MSC.Patran/Nastran 中进行白车身结构的弯曲、单边扭曲、全扭曲三种工况的静态强度分析。
关键词：白车身；有限元；静态分析
前言
从2000 年法兰克福国际商用车展到2009 年第37 届美国中部卡车展，商用车（尤其是重型卡车）在国际主流车市上凸显强劲的增长势头和市场占有率。驾驶室作为商用车辆的一个主要产品总成，由于它是造型和结构功能的有机结合体，同时也是驾驶员和乘员工作和休息的空间，因此它在整车中体现出共性的技术应用和独有的发展特征。
本论文某型商用车驾驶室白车身作为研究对象，首先对白车身结构几何进行网格划分，检查网格划分质量，建立精确的有限元分析模型；进而基于此模型，施加适当约束，使用MSC.Patran/Nastran 对白车身结构进行弯曲、单边扭曲、全扭曲等不同工况的静态强度仿真分析。
1 白车身有限元模型的建立
驾驶室白车身含有零件数目众多，并且常含有复杂的曲面，用网格准确描述其几何特征的难度较高，复杂的曲面会产生许多网格上的问题，如单元畸变、网格细小、网格失真等诸多问题。对数目繁多、曲面复杂的零部件划分高质量的网格工作量大、难度高。除此之外，白车身各个部件之间是通过焊接连接起来的，两部件在焊接处具有完全相同的自由度，为刚性连接，可用一维rigid 单元模拟表示。在整个白车身模型中焊点多达上万个，需利用rigid 面板在焊点位置逐个施加。并且焊点与焊点、焊点与约束之间很容易出现过约束的情况。
文中将网格的检查标准设为Jacobin=0.6、aspect ratio=5、warpage=15°、skew=40°、min-angle=30°、max angle=120°，经检查后，不合格网格数为162 个，网格失效百分比为0.0%，整体上网格的形状较为理想，网格质量较高，为计算结果的准确性提供了一个必要条件。图1为白车身整车的有限元模型。
图1 白车身整车的有限元模型
2 白车身弯曲工况下的静强度分析
弯曲工况模拟白车身两前轮同时着地时，主副驾驶员重力、卧铺人员重力以及车身自重对白车身产生静态弯曲作用的情况。
载荷的分布如图2，驾驶座的重力均布于四个连接座椅的部件上，主副驾驶座受力均为1000N。卧铺人员的重力均布于卧铺板，合力为1000N。 
图2 弯曲工况载荷分布
约束的分布如图3，前面两处约束表示车身与两个前轮的连接，因为前轮始终着地，需限制Z 方向的自由度；后面两处约束表示车身与车架的连接，限制了X、Y、Z 三个方向的自由度，表示节点位置固定。
图3 弯曲工况约束分布
图4 左图为经静态分析后的白车身整体应力云图，最大应力为148MPa，但应力数值偏大。右图为主后杠为应力偏大的主要部件，主要集中在与车架连接的位置。 
图4 弯曲工况静态分析后的应力云图
2 白车身单边弯曲工况下的静强度分析
单边扭曲工况模拟白车身两前轮中主驾驶轮跳到悬空时，主驾驶员重力对白车身产生静态单边扭曲作用的情况。
单边扭曲工况主驾驶轮悬空，副驾驶轮着地，前副驾驶轮处存在约束，限制Z 方向的自由度；后面两处约束表示车身与车架的连接，同样限制了X、Y、Z 三个方向的自由度，约束节点位置固定。单边扭曲工况仅受主驾驶室处的重力，主驾驶员的重力均布于两个连接座椅的部件加载到车身上，主驾驶座处受扭力为1000N。
经Nastran 分析后，与弯曲工况类似，主后杠仍是主要应力部件，最大应力达210MPa 超过屈服极限，其余部件的最高应力为90MPa，符合强度理论的要求。图5 为单边扭曲静态分析的应变云图，最大应变为2.29mm。
图5 单边扭曲工况静态分析应变云图
3 白车身全扭曲工况的静强度分析
全扭曲工况模拟白车身两前轮均悬空时，主副驾驶座上相对反向的作用力对白车身产生静态全扭曲作用的情况。此工况两前轮均悬空，车身前端两个与前轮连接位置均无约束；后端两处约束表示车身与车架的连接，同样限制了X、Y、Z 三个方向的自由度，约束节点位置固定。
全扭曲工况主驾驶座从下至上均布于两个连接座椅的部件上施加了1000N 的力，副驾驶座从上至下均布于两个连接座椅的部件上施加了1000N 的力。经Nastran 分析后，主后杠仍为主要应力部件，最大应力达403MPa，不仅超过材料屈服极限，而且超过了材料抗拉极限。图6 为全扭曲静态分析的应变云图，最大变形为19.13mm。
图6 全扭曲工况静态分析应变云图
4 小结
文中首先建立了某型商用车白车身的精确有限元模型，确定了合理的网格划分和精确的约束施加位置，并对其在三种不同工况下的静强度进行了分析。通过上述的分析，可以得到不同工况下白车身结构的应力和应变值，并能够准确判断应力较大区域。经比较，白车身结构具有较大的优化空间。
5 参考文献
[1] 马爱军，周传月，王旭. Patran和Nastran有限元分析. 北京：清华大学出版社, 2005。
[2] 高云凯. 汽车车身结构分析. 北京：北京理工大学出版社，2005.
[3] 谭继锦. 汽车结构有限元分析. 北京：清华大学出版社，2009.(end)
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(3/9/2011) |
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