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客车车身的有限元计算与分析 |
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作者：郑州宇通客车股份有限公司 马勇 罗伟 秦小奎 |
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摘要] 汽车是一个复杂的结构，本文采用有限元法对半承载式客车车身进行强度计算。通过对车身的受力状态的应力分析，计算出整个车身结构的载荷和应力分布，为进一步改进设计提供理论依据。
关键词：客车 三段式底盘 模型简化 有限元分析 网格划分 载荷
1 前言
有限元法是近代随着高速电子计算机的勃兴而发展起来的一种有效的数值方法。尤其近年来计算机和软件技术的发展，有限元法也得到很大的发展，其应用范围不断扩大，在机械产品的设计中也得到广泛的应用。随着汽车工业的发展，有限元的计算及分析方法目前已成为汽车设计的一个重要的环节。目前ANSYS 有限元分析软件是其中功能比较强大的一种有限元分析软件。
有限元分析在汽车上的应用十分广泛，从车身、车架计算到发动机的曲轴、及传动系统的计算。随着客车行业的快速发展，对客车的设计已发生了根本的改变，越来越多的技术被运用到客车的设计上，有限元法已成为各客车厂家所关注的重点。本文针对从实际的大客车车身有限元计算项目出发(该项目经过多次论证)，应用ANSYS 软件在SUN 工作站上对其进行结构强度分析。通过分析，找出其车身的薄弱环节，改进设计，使结构更合理。该车车身长为10m，宽为2.45m，高为3.5m，采用柴油发动机，发动机后置。后轮驱动，采用半承载车身，载客量为45 人，主要用于长途客运。
2 车身计算的有限元模型
有限元法是把连续的弹性体划分成有限多个彼此只在有限个点相连接的、有限大小的单元组合体来研究的。就是说用一个离散结构来代替原结构作为真实结构的近似力学模型，即有限单元离散化，然后进行结构的整体分析，组集联系整个结构的节点位移和节点载荷的总刚度方程。总刚度方程是包含有限个未知节点位移分量的线性代数方程组，利用单元分析得到的关系，就可求出各单元的应力。车身的有限元法就是基于此原理而进行的计算设计。
对于半承载车身，它保留了底盘车架，将车身结构件与车架连接，使车身参与整车承载，从而可以对车架及结构断面进行减重，以达到材料的合理利用。该车身与车架的刚性连接一般是通过将车身的裙边梁立柱焊接在由车架纵梁两侧伸出的三段式底架引出的连接梁来实现的。由于客车车身结构的复杂性，必须对客车计算模型进行简化。车身外蒙皮是靠焊接固定在骨架上的，承载能力相对骨架小得多，为简化计算，本计算实际中忽略蒙皮的作用。客车的骨架结构由抗扭刚性很高的矩形钢管焊接形成的空间框架，由前、后、左、右，顶盖、地板六大部分组成。
另外根据需要简化车身内饰部分，结构叠合部分作了功能处理，即将一些邻近的节点进行合并处理，以减少总刚度方程的阶数。
经过以上处理，可建立简化模型。因为客车骨架大部分由开口薄壁梁构成，按照有限元计算的规律(根据国内和国外的先进经验)把单元类型选择薄壁梁单元（BEAM50），即单元格大小为50，矩形网格，允许在边界和结合处进行划分三角单元，每个单元有12 个自由度，此次有限元计算共划分节点63481 个，单元60015 个，模拟焊点为7671 个。模型如下图所示。材料的弹性常数由国家相关材料标准设定为：
3 有限元划分注意事项
在客车车身计算的过程中，前期处理的是否正确直接影响到计算的结果。因此把连续体离散化成有限元计算简图时，应使原构件或结构尽可能比较准确地得到模拟。这步工作是否适当，关系到最后计算精度的高低。因此在划分有限元时，应该注意下列一些原则：
(1) 单元小，网格密，则计算精度高，但对计算机的整体性能要求高，计算时间长；单元大，网格稀，虽然对计算机的整体性能要求低，计算时间短，但计算精度低。因此，应在计算机容量的范围内，根据合理的工作时间，并考虑工程上对精度的要求，合理决定单元的大小。
(2) 对结构的不同部位采取相同的单元大小以便计算。对边界曲折的部位、应力或位移变化剧烈的部位，单元应尽可能的小。
(3) 对边界平直的构件，在用矩形单元的同时允许出现三角单元，便于减小不必要的误差，但三角单元的三个内角大小不要相差太大，不要有钝角，最好不要小于30 度。
(4) 在载荷集度变化处和集中力处，应布置节点，以反映应力变化。
4 车身载荷
模型建立以后，就要将客车车身所受的载荷加到模型上，客车车身所受的载荷主要有：
(1) 车身骨架自重：此次计算将车身自重作为均布载荷分布在骨架上。
(2) 附件自重：座椅作为均布载荷分布在地板骨架上。
(3) 载重：乘客及司机作为均布载荷分配于相应节点上，根据统计资料，每个乘客的平均重量为65Kg。
(4) 总成及设备重量：主要指发动机和变速箱及空调重量，在计算中将其作为集中载荷，作用于边后梁的节点上，各部分载荷具体数值如下：
1) 发动机及变速箱质量：850kg，分布在发动机车身上。
2) 乘客质量（本车载45 人）：45×65=2925kg；
乘客椅质量：45×30=1350kg；
司机质量：65kg；
司机椅质量：30kg；
司机、司机椅、乘客及乘客椅均匀分布在地板骨架上。
3) 空调蒸发器质量为100kg，分布于空调支架上；空调冷凝器质量为50kg，分布于冷凝器支架上。
4) 车身质量为6460.37kg(I-DEAS 软件计算结果)。
5 材料特性
客车车身涉及两种材料：
(1) 汽车大梁用热轧钢板WL510
(2) 普通碳素结构钢Q235
查阅有关材料，得其材料特性如下：
以上计算是静态计算。而实际中客车是以一定的速度行驶的，在行驶过程中由于路面不平等原因汽车产生振动，产生加速度，所以汽车在行驶过程中所受的载荷比静态计算的载荷要大的多，在强度分析中一定要考虑动载荷，一般是静载荷乘以动载系数。而动载系数主要取决于三个方面：道路条件、汽车行驶状况和汽车的结构参数。由于以上参数复杂，使动载系数很难用数学分析方法确定，所以在计算中采用经验数值。由实验和计算得出，在强度校核时，当客车四轮着地时，受对称垂直载荷时，动载系数可取为：Kzs= 2.0~2.5，本文取Kzs=2.5。对于一轮悬空，客车受非对称垂直载荷时，在这种复杂的工况下客车不允许速度太高，动载系数取为：Kzs =1.2。
6 应力计算
载荷加好以后就可对模型进行计算。根据实际情况分两种情况分析。
6.1 四轮着地
此种结构就是车身结构完全支承，在满载的情况下计算各处的应力.该计算工况是在前、后悬架前吊耳处约束X、Y、Z 三个平移自由度，后吊耳处约束Y、Z 两个平移自由度.经过计算分析可得到如下结果，车身的变形形状如图1 所示。
图1
6.2 一轮悬空
这是一种危险的工况，汽车满载行驶在凹凸不平的路面时，往往会出现一轮悬空的情况，这时车身受到变扭联合作用，由于车身左右设计不对称，所以计算中分以下几种情况进行分析计算（图2）：
图2
①右前车轮腾空状况；②左前车轮腾空状况；③右后车轮腾空状况；④左后车轮腾空状况。
四种工况计算的结果如下表：
7 结论
以上为该次有限元计算的结果，根据以上的计算结果可见，右后车轮腾空的工况下应力最大，在此极限工况下最大应力值为119MPa，小于材料屈服极限（235MPa），这与理化分析是一致的，另外从计算结果中还可以看出，由于车身设计时左右不对称导致右侧车身前车门处结构相对比较薄弱，所以应力值比较大，这与实际也是相符的，所以建议加强车门横梁的结构，改变应力分布，使车门部位应力分布均匀。以上分析是经过简化的情况下计算出来的，所以也是最保守的计算，其应力结果符合设计的强度要求，而实际的情况比计算的结果小，完全符合强度要求。(end)
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(5/13/2005) |
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