基于ansys的某公交車身建模及結(jié)構(gòu)分析

摘要：對承載式客車車身建立有限元模型，進行車身剛度、強度、模態(tài)特性分析，通過對滿載時客車在各種工況下進行應力和變形分析，找到車身各部位的薄弱部件。為車身的改進和新車型結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作提供了有價值的理論指導，并由此可以節(jié)省一部分試驗費用。

關(guān)鍵詞: 客車；有限元法；靜剛度；模態(tài)特性

中圖分類號：U463.82+2 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2012）01-0027-04

Model Building and Analysis for Body Structure of a Bus Based on ansys

ZHANG Ai-jun，TAN Ji-jin，XU Yin-sheng，GU Tong-jin

（School of Mechanical and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

Abstract: Built the finite element model of a bus body that bear the weight，stiffness，strength and modal characteristics were analyzed on the body. The analysis of stress and deformation was carried through in various working conditions while the bus loaded fully and to find the weak parts of the body. Valuable theoretical guidance was provided for new products designed and improved. It can save a part of the test fee.

Key words: Bus; FEM; static stiffness; modal characteristics

公交客車車身是由矩形管組成的骨架結(jié)構(gòu)，由于車身起承載作用，必須要求車身結(jié)構(gòu)有足夠的強度和剛度以保證其疲勞壽命、裝配和使用要求，同時應具有合理的動態(tài)特性以減小振動與噪聲［1］。客車車身是由空間骨架、鋼板、殼體和蒙皮等構(gòu)成的高次超靜定結(jié)構(gòu)，很難求解，且各桿件的截面形狀不一，桿件之間的連接點的結(jié)構(gòu)形式多樣化，由于在設(shè)計的初期缺乏實測數(shù)據(jù)，因此結(jié)構(gòu)的分析難度很大［2］。為克服這個困難，對車身骨架結(jié)構(gòu)進行力學性能分析，尋求滿足工程要求的近似數(shù)值解，在計算機技術(shù)迅速發(fā)展的今天，結(jié)合實際工程實踐表明，有限元法（FEM）是一種有效的數(shù)值計算方法，可在產(chǎn)品設(shè)計階段就對其剛度、強度、固有振型等有充分認識，利用其計算得到的結(jié)構(gòu)應力和應變，可以用來作為車身結(jié)構(gòu)設(shè)計和改進的參考依據(jù)，對不足之處作及時改進，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)省大量的試驗和產(chǎn)品的試制費用，提高產(chǎn)品的可靠性。

1 建立車身有限元模型

1.1 建模的簡化

將UG中建立的幾何模型導入到ansys中，建立車身骨架的有限元模型。如實地反映車身實際結(jié)構(gòu)的力學特性，盡量采用較少的單元和簡單的單元形態(tài)，以保證較高的計算精度及縮小解題規(guī)模。

建立比較精準的有限元模型，要求良好的網(wǎng)格劃分、合理的單元大小密度分布，適合的邊界約束條件和載荷施加，才能最終保證計算結(jié)果的正確性，減小分析誤差。影響有限元分析計算結(jié)果的可信度高低關(guān)鍵是：建立反映實際結(jié)構(gòu)的分析模型、載荷處理、約束條件等和實際工程結(jié)構(gòu)力學特性的符合程度，若有失誤則會造成很大誤差，嚴重時將使計算分析失?。?］。

該車身長14 m，空間結(jié)構(gòu)復雜，為節(jié)約建模時間，建立有限元模型時需要對其作適當?shù)暮喕幚恚?/p>

①忽略某些對車身結(jié)構(gòu)應變和應力分布影響較小的非承載構(gòu)件，對相距很近而又不重合的交叉連接點用一個節(jié)點代替；對于結(jié)構(gòu)上的孔、臺肩、凹槽、翻邊在截面形狀特性等效的基礎(chǔ)上盡量簡化，對截面特性影響不大的特征予以忽略。

②將車身骨架簡化為空間框架結(jié)構(gòu)，對車身骨架用三維梁單元（beam188）進行模擬；對于矩形管間的連接部位，采用耦合約束。

③將空間曲梁簡化為直梁，在不影響整體結(jié)構(gòu)的前提下，對截面形狀作一定的簡化，如：把側(cè)圍、立柱等曲梁劃分為若干個直梁單元。

④在有限元計算模型中，人為地用一根通過截面形心的直線來代替具有一定橫截面尺寸的實際構(gòu)件，以車身骨架上的空間交叉點為節(jié)點、梁柱截面為中心連線建立幾何模型。

⑤由于發(fā)動機的外殼壁較厚，剛度較大，計算時將其簡化為集中質(zhì)量載荷。

車身是由骨架和蒙皮組成，為簡化計算，忽略蒙皮的作用，近似地認為骨架承受著全部車身載荷，大都用梁單元來模擬車身骨架。經(jīng)過適當簡化將客車車身骨架劃分為50 159個節(jié)點，43 651個單元，有限元計算模型見圖1。

1.2 邊界約束條件處理

車身骨架通過懸架系統(tǒng)與車橋連接，懸架系統(tǒng)對車身的強度和剛度影響較大。為了使邊界約束條件符合實際工況，考慮懸架的約束作用，不能簡單地采用兩點支承方式，也要考慮懸架的結(jié)構(gòu)形式如何。僅用螺旋彈簧來模擬鋼板彈簧懸架與實際結(jié)構(gòu)不符，因為鋼板彈簧除了作為彈性元件外，還起到導向作用，在各個方向上均有剛度，并且在其他方向上的剛度要比垂直方向上的剛度大得多。若忽略這一情況，將會導致計算結(jié)果不正確，所以用螺旋彈簧和附加約束的方法來模擬鋼板彈簧［2，3］。

本文采用螺旋彈簧（COMBIN14單元）來模擬懸架系統(tǒng)。兩前輪約束三個平動自由度，兩后輪約束Z方向上的平動自由度。前懸架與底架的連接關(guān)系的處理：限制彈簧與底架的連接節(jié)點9～14 (見圖2)X，Y方向平動，三個轉(zhuǎn)動自由度［4］。圖2中，a表示剛性梁單元；b表示螺旋彈簧單元，1～4為整車的四個車輪接地點，5～14為車架和懸架連接節(jié)點。

2 計算數(shù)據(jù)

2.1 載荷處理

承載式車身的特點是作用于整車上的載荷主要是由車身來承擔的。主要的載荷有：車身骨架自重和外加質(zhì)量。外加質(zhì)量包括乘客及行李、座椅、底盤各總成、發(fā)動機、變速箱、傳動軸、水箱、油箱、電氣設(shè)備、蓄電池以及車身上的車窗玻璃等的質(zhì)量。載荷處理方式主要有以下3種：

①對于骨架自身質(zhì)量和非結(jié)構(gòu)質(zhì)量（頂內(nèi)飾、玻璃、蒙皮），按結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量乘以非結(jié)構(gòu)因子方式處理，ansys軟件自動根據(jù)實常數(shù)將單元載荷因子的信息計入總載荷。

②對于乘客、行李及座椅質(zhì)量按客車座位布置圖，采用均布載荷的方式等效分配到車身骨架的各對應的梁單元上。

③對于底盤各總成的重量如發(fā)動機總成、油箱、蓄電池、方向機等，以靜力等效的原則，按其實際位置以集中載荷的方式施加于相應聯(lián)接部位的單元節(jié)點上。圖3為公交車身所加載荷示意圖。

2.2 計算工況

對結(jié)構(gòu)進行靜態(tài)分析，目的在于計算結(jié)構(gòu)在滿載工況下的應力和變形，以便進行強度與剛度的檢驗，對車身可能承受的最大載荷進行分析。此次計算了滿載狀態(tài)時的載荷工況［5］：

①彎曲工況：模擬客車在靜態(tài)下或良好路面下勻速直線行駛時的應力分布和變形情況。

②扭轉(zhuǎn)工況：模擬客車單輪懸空的極限受力情況，約束處理為去掉左前輪的約束，計算左前輪懸空對車身骨架結(jié)構(gòu)應力應變的影響。

③緊急制動：考慮當客車以最大制動加速度0.8 g制動時，地面制動力對車身縱向的影響。

④緊急轉(zhuǎn)彎：當客車以最大轉(zhuǎn)向加速度0.4 g轉(zhuǎn)彎時，慣性力對車身橫向的影響。

3 計算結(jié)果分析

3.1 振動性能分析

客車在行駛的過程中會受到發(fā)動機、路面等多種激振影響，研究其振動特性能有效地分析客車的平順性，優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)，控制車身的模態(tài)頻率和振型。模態(tài)分析可以用來分析車身的性能并對其結(jié)構(gòu)的直接評價，通過有限元軟件計算得到的某客車的前20階模態(tài)頻率如表1所示。

計算得到的各階頻率和振型表明，車身在按固有的頻率振動時，車身骨架變形較小，該車型由外界激振而導致的破壞可能性較小。

3.2 各工況下的應力應變分析

由于發(fā)動機后置，相應的變速箱、傳動軸、水箱等質(zhì)量集中在底架尾部，而公交車乘客多數(shù)比較集中在空間比較大的中部，最大應力和應變多發(fā)生在底架的中部和尾部。車身骨架最大壓力169.34 MPa遠小于其材料Q345許用應力345 MPa，整車變形量也較小，由計算結(jié)果表明，該車身骨架結(jié)構(gòu)在各種工況下的剛度符合設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)強度符合強度條件且有一定的強度儲備。在彎曲、扭轉(zhuǎn)工況下，車身變形如圖4、圖5所示，此圖為放大100倍后的效果圖。

①彎曲工況：最大應力值為163.44 MPa，發(fā)生在底架中段，后圍產(chǎn)生最大變形量為18.15 mm；

②扭轉(zhuǎn)工況：底架中段應力最大值為169.34 MPa，底架尾段部位相對位移最大值為18.47 mm；

③緊急制動：最大應力值為167.91 MPa，產(chǎn)生在底架中段；而相對位移最大值為17.75 mm，產(chǎn)生底架尾段部位；

④緊急轉(zhuǎn)彎：底架尾段最大值為170.2 MPa，vonmiss應力分布如圖6所示，頂蓋產(chǎn)生相對最大位移為20.24 mm。

車身各部分的應力和相對位移最大值見表2，該車身前后圍的所受應力比較小，底架部位應力較大，與實際載荷影響相符。頂蓋相對位移較大，由于使用矩形管徑較小，剛度偏小所致；后圍與底架尾端相對應變比較大，由于發(fā)動機后置等因素產(chǎn)生。

各工況中，最大應力產(chǎn)生多集中在底架中段，與實際公交乘客乘車特點比較一致。

4 結(jié)論

本文通過建立車身骨架有限元模型，對其結(jié)構(gòu)進行了剛度和強度的校核，計算結(jié)果表明，該車型在實際工況下，其剛度和強度滿足要求。為實際工程應用提供了足夠準確的車身剛度特性，以及車身結(jié)構(gòu)應力分布的大致規(guī)律，為以后的車身骨架設(shè)計優(yōu)化和改進工作提供幫助指導作用。對于實際道路工況中動態(tài)載荷引起的車身結(jié)構(gòu)疲勞損壞，需研究車身結(jié)構(gòu)在隨機載荷作用下的動強度，利用有限元法來計算承載式客車車身的動態(tài)響應問題，有待于做進一步的研究。

參考文獻：

［1］ 馮國勝. 客車車身結(jié)構(gòu)的有限元分析［J］. 機械工程學報，1999，35(1)：91-95.

［2］嚴仁軍，胡暉. 客車骨架結(jié)構(gòu)的有限元分析［J］. 湖南大學學報，2003，(6): 38-40.

［3］ 譚繼錦，張代勝. 汽車結(jié)構(gòu)有限元分析［M］. 北京: 清華大學出版社，2009.

［4］ 孫軍. 車身結(jié)構(gòu)分析及輕量化優(yōu)化設(shè)計［D］. 鎮(zhèn)江: 江蘇大學碩士學位論文，2004.

［5］黃俊杰，張代勝，王松，等. 極限組合工況下客車車身骨架剛度和強度分析［J］. 汽車科技，2010，（5）: 47-50.