基于ansys的某公交車身建模及結構分析

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構的設計工作提供了有價值的理論指導，并由此可以節省一部分試驗費用。

關鍵詞: 客車；有限元法；靜剛度；模態特性

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構，由于車身起承載作用，必須要求車身結構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、殼體和蒙皮等構成的高次超靜定結構，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構形式多樣化，由于在設計的初期缺乏實測數據，因此結構的分析難度很大［2］。為克服這個困難，對車身骨架結構進行力學性能分析，尋求滿足工程要求的近似數值解，在計算機技術迅速發展的今天，結合實際工程實踐表明，有限元法（FEM）是一種有效的數值計算方法，可在產品設計階段就對其剛度、強度、固有振型等有充分認識，利用其計算得到的結構應力和應變，可以用來作為車身結構設計和改進的參考依據，對不足之處作及時改進，從而縮短產品開發周期，節省大量的試驗和產品的試制費用，提高產品的可靠性。

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構的力學特性，盡量采用較少的單元和簡單的單元形態，以保證較高的計算精度及縮小解題規模。

建立比較精準的有限元模型，要求良好的網格劃分、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果的正確性，減小分析誤差。影響有限元分析計算結果的可信度高低關鍵是：建立反映實際結構的分析模型、載荷處理、約束條件等和實際工程結構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敗［3］。

該車身長14 m，空間結構復雜，為節約建模時間，建立有限元模型時需要對其作適當的簡化處理：

①忽略某些對車身結構應變和應力分布影響較小的非承載構件，對相距很近而又不重合的交叉連接點用一個節點代替；對于結構上的孔、臺肩、凹槽、翻邊在截面形狀特性等效的基礎上盡量簡化，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構，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，在不影響整體結構的前提下，對截面形狀作一定的簡化，如：把側圍、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件，以車身骨架上的空間交叉點為節點、梁柱截面為中心連線建立幾何模型。

⑤由于發動機的外殼壁較厚，剛度較大，計算時將其簡化為集中質量載荷。

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。經過適當簡化將客車車身骨架劃分為50 159個節點，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與車橋連接，懸架系統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，也要考慮懸架的結構形式如何。僅用螺旋彈簧來模擬鋼板彈簧懸架與實際結構不符，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。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系的處理：限制彈簧與底架的連接節點9～14 (見圖2)X，Y方向平動，三個轉動自由度［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點。

2 計算數據

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量。外加質量包括乘客及行李、座椅、底盤各總成、發動機、變速箱、傳動軸、水箱、油箱、電氣設備、蓄電池以及車身上的車窗玻璃等的質量。載荷處理方式主要有以下3種：

①對于骨架自身質量和非結構質量（頂內飾、玻璃、蒙皮），按結構自身質量乘以非結構因子方式處理，ansys軟件自動根據實常數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接部位的單元節點上。圖3為公交車身所加載荷示意圖。

2.2 計算工況

對結構進行靜態分析，目的在于計算結構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時的載荷工況［5］：

①彎曲工況：模擬客車在靜態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構應力應變的影響。

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緊急轉彎：當客車以最大轉向加速度0.4 g轉彎時，慣性力對車身橫向的影響。

3 計算結果分析

3.1 振動性能分析

客車在行駛的過程中會受到發動機、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，優化車身結構，控制車身的模態頻率和振型。模態分析可以用來分析車身的性能并對其結構的直接評價，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

由于發動機后置，相應的變速箱、傳動軸、水箱等質量集中在底架尾部，而公交車乘客多數比較集中在空間比較大的中部，最大應力和應變多發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，由計算結果表明，該車身骨架結構在各種工況下的剛度符合設計要求，結構強度符合強度條件且有一定的強度儲備。在彎曲、扭轉工況下，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，發生在底架中段，后圍產生最大變形量為18.15 mm；

②扭轉工況：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，產生在底架中段；而相對位移最大值為17.75 mm，產生底架尾段部位；

④緊急轉彎：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，由于發動機后置等因素產生。

各工況中，最大應力產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 結論

本文通過建立車身骨架有限元模型，對其結構進行了剛度和強度的校核，計算結果表明，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，以及車身結構應力分布的大致規律，為以后的車身骨架設計優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載荷引起的車身結構疲勞損壞，需研究車身結構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. 客車車身結構的有限元分析［J］. 機械工程學報，1999，35(1)：91-95.

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

［3］ 譚繼錦，張代勝. 汽車結構有限元分析［M］. 北京: 清華大學出版社，2009.

［4］ 孫軍. 車身結構分析及輕量化優化設計［D］. 鎮江: 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.