基于hyperworks的某客車車身結構有限元分析

鄭羿方，肖廣朋，李海輝

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

基于hyperworks的某客車車身結構有限元分析

鄭羿方，肖廣朋，李海輝

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

以某6120大客車為模型，通過建立客車車身的有限元模型，采用hyperworks軟件，Radioss求解器求解。對客車在不同極限工況下的受力情況進行分析，為客車車身的后續改進提供指導。

車輛工程；大客車；hyperworks/Radioss；有限元分析

CLC NO.:U463.32Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)02-38-04

引言

有限元分析技術即FEA，已成為當前汽車領域技術的研究熱點。通過建立車輛的有限元的模型，可以在計算機上模擬車輛在各種工況下的受力工作情況，為設計人員提供設計及改進思路，極大地縮短了汽車的研發周期，為企業在短時間內占領市場提供了幫助。本文以某6120客車為模型，建立車身的有限元模型，運用hyperworks軟件進行網格劃分，Radioss求解器求解，分析客車在幾種典型極限工況下的強度剛度，根據仿真分析結果對該客車車身骨架進行綜合評估，為改進車身結構的設計提供比較可靠的依據。

1、建立客車骨架的三維CAD模型

1.1 客車的主要參數

客車選用IVECO C9.340發動機，具體技術參數參看下表1所示。

表1 整車的技術參數

1.2 車身骨架的CAD模型

運用catia軟件，建立車身骨架的實體模型，在建模中參考實際的工程圖紙建立三維模型，并將一些影響網格劃分質量的結構尺寸進行微調。建模中不考慮車身蒙皮的影響，并簡化安裝的螺栓孔位，以滿足后續網格劃分質量的要求。建立的三維模型如圖1所示。

2、建立客車骨架的有限元CAE模型

2.1 客車骨架材料屬性

該6120客車骨架主要采用Q345的矩形鋼管。Q345主要材料屬性：彈性模量值Eχ=2.1e11、泊松比值一般取0.3、密度為7.85e3，這些數值均應換算為規定的單位制：kg-m-s 制式。由于主要研究材料在彈性范圍內的變化，故以上屬性滿足分析的需要。

2.2 網格單元的劃分

將建立的三維模型導入hyperworks進行網格劃分，建立有限元模型。劃分時使用殼單元shell63，該單元有4個節點，每個節點有6個自由度。網格類型三角形網格類型為CTRIA3，四邊形網格為CQUAD4。單元大小為20mm。劃分結束產生415666個單元，其中四邊形單元數量為411670，三角形單元數量為3990，占總數的1%以下。

2.3 主要客車零部件以及乘員質量的處理

客車的零部件如發動機等因質量較大不應忽略。本文以集中質量代替發動機等主要的零部件，以剛性單元與骨架相連接。另外乘員的質量也以集中質量代替，每人以65kg計算。

3、車身結構靜強度分析

3.1 靜態工況分析

客車承受的主要靜態載荷有：彎曲載荷，扭轉載荷，側向載荷與縱向載荷。本文主要分析滿載情況下的水平彎曲工況，將左或右輪懸空時的極限扭轉工況。急轉彎工況與滿載制動工況。通過Radioss求解器的求解，分析上述工況下車身的剛度與強度是否滿足使用要求，并提出修改意見。

3.2 水平彎曲工況分析

該工況主要分析客車在滿載情況下，骨架在重力加速度的作用下發生的變形與位移。通過約束骨架與懸架連接處的自由度，保證車身不發生剛體的位移。具體的邊界條件是：約束前輪裝配位置的三個平移自由度Ux，Uy，Uz，約束后輪Y，Z方向的平移自由度Uy，其余自由度均釋放。具體邊界條件加載情況如圖2所示。

計算結果如圖3，圖4 所示。

在水平彎曲工況下，客車骨架的最大變形處發生在后圍，如圖3所示，最大變形量2.049毫米，小于國家規定標準GB/T 13043—2006 的汽車定型試驗規程，發動機后置的客車允許的最大變形參考值是10 mm，可見該工況下該客車骨架剛度余量較大，滿足要求。由圖4可見，骨架應力最大處發生在后過橋框處，最大應力為69Mpa。該車身骨架主要使用Q345鋼，可見在該工況下骨架強度也滿足要求。

3.3 極限扭轉工況

客車在崎嶇不平的道路上行駛時，客車的四個輪子可能不在一個平面內，從而使骨架發生扭轉變形，變形的大小取決于路面的不平度與懸架的剛度。極限情況是其中的一個輪子懸空，客車便處于極限受力的情況。在模擬該工況的分析中，具體邊界條件是：約束左（或右）前輪裝配位置的三個平動自由度Ux，Uy，Uz，并約束后輪裝配位置的Z方向的平度自由度Uz，其余自由度均釋放。具體計算結果如圖5，圖6所示。

在極限扭轉工況下，骨架的最大變形發生在側圍前部與頂蓋連接處，如圖5所示，最大變形量為3.47毫米。而高應力區集中在前過橋框處，如圖6所示，最大應力為93Mpa。可見雖然極限扭轉工況下骨架應力有所升高，但強度仍然有富余，滿足強度要求。

3.4 緊急轉彎工況

因離心力的作用，汽車滿載情況下轉彎時車身骨架將產生側向載荷。由于離心加速度值由轉彎半徑、行駛車速決定，因此，通過在Y 軸正方向上施加一定的側向加速度(0.4 g)來近似計算和模擬緊急左轉彎工況下客車車身的受載荷情況。具體邊界條件：約束左前輪裝配位置三個平動自由度Ux，Uy，Uz，約束右前輪裝配位置X和Z方向的平動自由度Ux，Uz。約束后輪Z方向的平動自由度Uz，其余自由度釋放。計算結果見圖7，圖8。

由圖7可見，緊急轉彎工況下，骨架后圍的變形較大。最大變形量為35毫米。而高應力區主要集中在前過橋框處，如圖8所示。最大應力值集中在220Mpa左右。由于采用的是Q345鋼，因此仍然滿足強度的要求。

3.5 緊急制動工況

在緊急制動工況下，前后軸荷發生轉移，骨架將承受加速度產生的附加載荷，主要體現為縱向載荷的變化，其值由縱向加速度以及車載質量決定。本文選取制動減速度0.8來模擬該工況。具體的邊界條件為：約束前輪裝配位置的三個平動自由度Ux，Uy，Uz，約束后輪裝配位置的Z方向自由度UZ和X方向自由度UX，釋放其余自由度。計算結果見圖9，圖10。

在緊急制動工況下，如圖9所示，骨架后圍與

頂蓋連接附近位置變形量最大，最大變形量為3.5毫米。而應力方面，高應力區域集中在前后過橋框處，最大應力為110Mpa，仍然是滿足強度的要求。

4、結論

本文對某6120大客車骨架進行了較為詳細的分析，通過建立客車骨架的有限元模型，對其在集中典型的極限工況下的剛度強度情況做了分析。仿真分析結果表明，該客車的骨架在剛度，強度上均達到實際使用的要求，并且有較大的強度儲備，有較好的進一步優化的前景。

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Finite element analysis of bus frame structure based on Hperworks

Zheng Yifang，Xiao Guangpeng，Li Haihui

(School of Auto of Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064)

Based on an 6120 bus model,use hyperworks to build the finite element model of the bus frame structure, sumbit it to Radioss to calculate. Analysis the strain and stress of the bus frame structure under each extreme working conditions and provide certain directions on the modifications of the bus.

Vehicle Engineering; Bus; Hyperworks/Radioss; FEA

U463.32

A

1671-7988(2014)02-38-04

鄭羿方，碩士研究生，就讀于長安大學，研究方向：汽車CAE技術，車輛安全。