客車車身骨架的瞬態動力學分析

姚賓,王藝穎,孟斌

(長安大學，陜西西安 710064)

客車車身骨架的瞬態動力學分析

姚賓,王藝穎,孟斌

(長安大學，陜西西安 710064)

為了分析動態工況對客車車身骨架的影響，建立了客車車身結構的有限元分析模型，重點研究了車身骨架結構在動態彎曲工況和動態扭轉工況下的瞬態響應。從車身骨架瞬態響應分析中可以看出：車身骨架最大應力值為247.7 MPa，沒有超過材料的屈服極限，扭轉工況下的最大應力隨時間的變化呈“拋物線”狀，而彎曲工況下最大應力隨時間波浪振動、逐漸減小，最大位移隨時間的變化呈“馬鞍”狀；無論是扭轉工況還是彎曲工況，其Z向速度在波峰時均為零，此時加速度達到最大值。由此驗證了該客車設計的合理性，所得結果可直接為該款客車的進一步優化分析提供參考依據。

客車；車身骨架；有限元；瞬態動力學分析

0 引言

隨著汽車理論、振動理論等學科的發展，人們對汽車性能(如舒適性、安全性等)的要求也就越來越高，過去僅針對汽車靜強度和靜剛度性能的分析已經遠遠不能滿足現代人們的需求，因此對動態性能的研究就顯得更為重要。動態響應分析是指在動態載荷作用下結構的各個總成和部件的響應，其載荷可以是與時間相關的力、位移、速度、加速度，響應結果是與時間相關的位移、速度、加速度、力、應力、應變等。行駛在道路上的汽車，其各個部件和總成所受到的載荷都是隨道路的變化而變化的動載荷，這些動載荷的大小、方向不僅與空間位移相關，而且也隨時間而變化。作者對汽車進行動力學方面的分析就是研究汽車的各個部件和總成在動載荷作用下，其最大應力、最大位移、速度、加速度隨時間的變化關系，從而為汽車設計提供依據。

1 建立有限元模型

文中所研究的客車其車身是全承載式的，前后兩軸，其發動機后置，客車的基本尺寸是10 820 mm×2 500 mm×3 450 mm，總長為11 000 mm，整個車身由底架、左右側圍、頂棚、前后圍和地板等總成焊接而成，客車車身骨架結構所采用的材

料為薄壁鋼管。建模時遵循模塊化建模的思想，將整個車身骨架分為左側圍、右側圍、前圍、后圍、地板、底架、車頂、其他等8個子模塊。客車車身骨架主要是通過螺栓連接、焊接等方式裝配起來的，在對這些連接處進行模擬時，為了簡化模型以及在建模時假設連接處具有足夠的強度和剛度，一般將連接處的節點合并為一個節點，那么連接處的這些節點就有相同的速度和位移。這種模擬方法由于建模所需時間短，因此被廣泛采用。經過模型簡化、抽取中面、幾何清理、網格劃分、網格質量檢查后，如圖1所示，總共生成的網格數量是341 370個，其中：三角形單元6 820個，四邊形單元334 152，三角形單元數量占整個車身骨架模型單元數量的1.9%，滿足三角形單元數量要小于單元總數的5%的要求。

2 車身動態扭轉工況下的瞬態響應分析

2.1 工況介紹

客車在以11 100 mm/s(即40 km/h)的速度行駛時，其左前方有一半波長為1 000 mm、波高為200 mm的正弦波形凸起路面，左前輪通過此路面，其時間過程為：t=0 s時到達正弦波路面，t=0.045 s時達到正弦波的波峰，t=0.09 s時越過此凸起路面，在這個過程中，其他的3個車輪一直行駛在水平路面上。

2.2 位移-時間歷程劃分

在凸路面上行駛對車身動載荷的輸入可以簡化為位移-時間歷程，位移-時間歷程如表1所示，整個歷程共分為7個時間節。

表1 位移-時間歷程表

2.3 施加約束

約束條件如表2所示，約束的位置施加在客車懸架安裝在車身上的位置，其中Dof1代表約束沿X軸方向平動的自由度，Dof2代表約束沿Y軸方向平動的自由度，Dof3代表約束沿Z軸方向平動的自由度，Dof4代表約束沿X軸方向轉動的自由度，Dof5代表約束沿Y軸方向轉動的自由度，Dof6代表約束沿Z軸方向轉動的自由度。

表2 邊界條件

2.4 動態扭轉工況瞬態分析計算結果

圖2、3為提取的車身最大應力、最大位移的時間-歷程曲線。可以得到：車身的最大應力大致呈“拋物線”的形狀，在t=0.045 s時達到“拋物線”頂點，此時最大位移也達到最大值，所以選擇提取t=0.045 s的結果進行分析。

圖4、5分別為車身在豎直方向上的位移和車身應力云圖，可以看出：其最大值均出現在前圍。圖5說明了t=0.045 s時車身的最大應力出現在底架，最大值為247.4 MPa，但仍小于材料的屈服強度 ， 因此是安全的。

3 車身動態彎曲工況下的瞬態響應分析

3.1 工況描述

同動態扭轉工況，不同之處只是在于動態彎曲工況下客車的兩前輪同時通過半正弦波，動載荷仍然為隨時間變化的位移載荷，這時兩后輪一直位于水平路面上。

3.2 載荷步劃分

位移-時間歷程如表3所示，整個歷程共分為7個時間節點。

表3 位移-時間歷程表

3.3 施加約束

約束條件如表4所示，約束的位置施加在客車懸架安裝在車身上的位置，其中Dof1代表約束沿X軸方向平動的自由度，Dof2代表約束沿Y軸方向平動的自由度，Dof3代表約束沿Z軸方向平動的自由度。

表4 邊界條件

3.4 動態彎曲工況計算結果及分析

圖6、7為提取的車身最大應力、最大位移的時間-歷程曲線。可以看出：與動態扭轉工況不同，動態彎曲工況下車身最大應力時間-歷程曲線并不像動態扭轉工況那樣呈現出“拋物線”的形狀，而是一個震蕩曲線，且其最大應力遠遠小于扭轉工況下的應力，整個歷程中，最大應力發生在t=0.051 s，其最大應力為66.62 MPa，遠小于扭轉工況下的應力和材料的屈服強度，所以是安全的；彎曲工況下車身最大位移時間-歷程曲線在t=0.033 s和t=0.066 s達到兩個峰值，呈“馬鞍”狀，然后逐漸減小，也就是說，動態彎曲工況下，其最大位移并不是發生在波峰處，而是在其左右各大約30°的位置。于是選擇提取t=0.033 s、t=0.051 s的結果進行分析。

圖8—11分別是t=0.033 s、0.051 s時車身Z向位移云圖、車身應力云圖。t=0.033 s時Z向最大位移發生在前圍，其值為3.755 mm，最大應力發生在底架，其值為40.17 MPa；t=0.051 s時Z向最大位移發生在前圍，其值為3.060 mm，最大應力發生在地板，其值為66.52 MPa。均滿足要求。

4 結束語

以有限元分析軟件HyperMesh為前處理，以客車有限元分析模型為對象，在RADIOSS求解器中得出結果，并在HyperView中進行后處理。主要計算了動態扭轉工況與彎曲工況下的瞬態響應，研究了客車車身位移、動應力的分布情況，從計算結果中可以發現：動態扭轉工況比動態彎曲工況的動應力要大得多，動態扭轉工況最大應力發生在t=0.045 s(即波峰)時，最大應力值為247.7 MPa;而動態彎曲工況時，最大動應力發生在t=0.051 s時，最大值為66.62 MPa。動態扭轉工況在日常生活中并不經常發生，所以，只要最大動應力不超過材料的屈服極限，就認為這是可以接受的。通過計算可知：無論動態扭轉工況還是動態彎曲工況下的最大應力都在材料的屈服極限355 MPa以內。通過這兩種工況的對比分析還可以得出:扭轉工況下的最大應力隨時間的變化呈“拋物線”狀，而彎曲工況下最大應力隨時間波浪振動，逐漸減小，最大位移隨時間的變化呈“馬鞍”狀；無論是扭轉工況還是彎曲工況，其Z向速度在波峰時均為零，此時加速度達到最大值，這與實際相符合，驗證了模型的正確性。

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DynamicCharacteristicsAnalysisofCoach-BodyStructure

YAO Bin,WANG Yiying,MENG Bin

(Chang’an University,Xi’an Shaanxi 710064,China)

In order to analyze the effect of dynamic conditions on the coach body structure,a FEA model of coach body structure was established to study transient response of body frame structure under the dynamic torsion and bending conditions.The results of body frame transient response analysis show that:the maximum stress of the body frame is 247.7MPa,which is still within the material yield limit;under the torsion condition,maximum stress changes with time as a parabola,while under bending condition changes as vibration wave and gradually decreases;however,under both torsion condition and bending conditions,in the vertical direction,the wave crest is zero,which means peak acceleration at the moment.Thereby the design rationality of the coach is verified and the obtained results provide some references for the further optimization analysis of the coach.

Coach;Body frame;FEA;Transient dynamic analysis

2014-10-11

姚賓(1989—)，碩士研究生，專業方向為車輛工程。E-mail：yaobinx@163.com。