《西華大學(xué) 吉林大學(xué) 汽車學(xué)院 汽車專業(yè) 客車骨架有限元分析說明書》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《西華大學(xué) 吉林大學(xué) 汽車學(xué)院 汽車專業(yè) 客車骨架有限元分析說明書（38頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 摘要 現(xiàn)代的汽車設(shè)計(jì)廣泛采用CAE技術(shù)，目前CAE技術(shù)普遍使用的是有限元方法通過使用有限元方法，可以縮短開發(fā)周期，節(jié)省開發(fā)費(fèi)用，使產(chǎn)品更有市場競爭力。 本文采用ANSYS軟件為分析平臺(tái)，對CDK6593N客車進(jìn)行了強(qiáng)度分析，并提出了值得注意的問題和改進(jìn)意見。以下為本文的主要內(nèi)容： 1、簡要介紹了目前我國客車發(fā)展的現(xiàn)狀。 2、介紹了CAE技術(shù)在客車車身分析中的應(yīng)用。 3、簡要介紹了有限元分析方法在客車中的應(yīng)用領(lǐng)域。 4、介紹了有限元分析方法的概念和原理，以及有限元軟件ANSYS的使用方法。 5、詳細(xì)地介紹了用ANSYS軟件分析客車骨架強(qiáng)度的分析過程。 6、分析了客車骨架在

2、彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下的計(jì)算結(jié)果，并提出了CDK6593N客車的改進(jìn)意見，并對比了改進(jìn)前后的結(jié)果。 關(guān)鍵詞：客車；有限元分析；強(qiáng)度 Abstract Finite element method, which is the important method in CAE, is widely used designing cars nowadays. At the same time, using the finite element method can make the product more advantage in the mar

3、ket competition by reducing the time-to-market and cost of product. According to the analysis of bus CDK6593N skeleton strength by using software ANSYS, this paper sets forth some noticeable problems and methods to improve them. The following is the main contents of this paper: 1. Briefly introd

4、uce the present situation on the development of buses in our country. 2. Introduce the application of the CAE technology in the analysis of bus body. 3. Briefly introduce the application domain of the finite element method. 4. Introduce the concept and the principle of the finite element method,

5、and how to use the software ANSYS. 5. In detail introduce the analysis process on the bus skeleton by using the software ANSYS. 6. This paper analyzes the strength result and sets forth some improvement on the CDK6593N bus made in Shudu Bus company and compare to the results of original model and

6、the model which is improved. Key words: bus；finite element method；strength 前言 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目是客車骨架有限元分析，之所以選擇這個(gè)題目，首先是因?yàn)橥ㄟ^這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠較快地對客車行業(yè)入門，其次是因?yàn)橛邢拊治鲎鳛檩^先進(jìn)的CAE分析方法，我們應(yīng)該掌握。 本文研究的目的是對客車骨架進(jìn)行建模，網(wǎng)格劃分，確定邊界條件和載荷，求解客車骨架應(yīng)力與變形，顯示分析結(jié)果，然后對該骨架的強(qiáng)度作出判斷，然后修改骨架結(jié)構(gòu)，然后重新分析，觀察計(jì)算結(jié)果，重量是否減輕，強(qiáng)度是否增強(qiáng)。 本文是以成都客車廠生產(chǎn)

7、的CDK6593N客車為例，運(yùn)用有限元分析技術(shù)對客車骨架的剛度、強(qiáng)度進(jìn)行了研究和探討，內(nèi)容包括： 介紹了中國客車行業(yè)的發(fā)展趨勢，以及存在的問題，通過運(yùn)用有限元分析方法，能夠?qū)鉀Q安全問題有一定幫助； 介紹了客車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新特點(diǎn)，即CAE方法越來越廣泛地運(yùn)用于客車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，形成了以計(jì)算分析為主，試驗(yàn)方法為輔的設(shè)計(jì)思路； 介紹了有限元的概念、原理和分析的基本方法，詳細(xì)說明了有限元分析方法在客車骨架分析中的步驟，并對本次設(shè)計(jì)中用到的梁單元和彈簧單元作了詳細(xì)的介紹； 以CDK6593N客車為例，對客車骨架分析載荷和約束進(jìn)行了模擬，對車身在彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析，校核了其

8、能否滿足安全需要，并對客車骨架結(jié)構(gòu)作出了修改，使其重量減輕，強(qiáng)度增強(qiáng)。 本文研究內(nèi)容的意義： 本文研究客車骨架有限元分析方法，對客車車身有限元分析積累了經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，對今后從事有限元分析方面的工作有一定的幫助； 本文通過修改骨架結(jié)構(gòu)，達(dá)到優(yōu)化的目的，對以后的相關(guān)工作有一定的指導(dǎo)意義； 本文研究的客車優(yōu)化設(shè)計(jì)思想，對客車行業(yè)車身的優(yōu)化具有一定的參考和借鑒價(jià)值。 目前，中國客車行業(yè)的競爭日益加劇，有限元分析方法越來越廣泛地運(yùn)用在客車設(shè)計(jì)中，在保障安全性的同時(shí)，可以為企業(yè)節(jié)省材料，增強(qiáng)市場競爭力，現(xiàn)在越來越多的工程技術(shù)人員掌握了此項(xiàng)技術(shù)，發(fā)展速度很快，但是，由于起步晚，我們和國際上先進(jìn)的有限

9、元分析技術(shù)還有一定的差距，相信隨著市場競爭的加劇和人們安全意識(shí)的提高，我們國家的有限元分析技術(shù)也將進(jìn)入世界前列。 第一章 客車概述 中國是一個(gè)客車大國，但還不是客車強(qiáng)國。究其原因，客車的安全性與世界先進(jìn)水平的差距是一個(gè)重要方面。人們在購買轎車的時(shí)候會(huì)很在意它們有沒有安全氣囊，有沒有ABS。但在乘坐客車的時(shí)候，卻很少有人去問一問我所乘坐的客車有哪些安全裝備？車身結(jié)構(gòu)夠不夠安全？長期以來，客車的安全性一直沒有引起足夠的重視，這一方面需要全社會(huì)安全意識(shí)的提高，另一方面，客車制造企業(yè)和公路客運(yùn)企業(yè)也有義不容辭的責(zé)任。 由于承擔(dān)著群體生命的安全，客車的安全性可以說比其他車型要求更高。隨著汽

10、車保有量的增長，道路交通事故已成為世界性的社會(huì)問題。全世界每年死于道路交通事故的人數(shù)超過50萬人，受傷人數(shù)達(dá)到1000萬人，而我國是世界上交通事故最嚴(yán)重的國家之一。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，2005年全國發(fā)生特大交通事故47起，其中客車事故29起，造成480人死亡。有關(guān)人士指出，現(xiàn)在我國群死群傷特大交通事故的原因之一，就是車輛總體構(gòu)成不合理，整車安全技術(shù)性能較差。因此，對客車的總體結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)，不僅關(guān)系到企業(yè)的贏利能力，更關(guān)系到人們的生命安全和社會(huì)的和諧。 同時(shí)，作為一種運(yùn)輸工具，客車的優(yōu)勢正在受到挑戰(zhàn)，只有高品質(zhì)的客車產(chǎn)品才能增強(qiáng)客車運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢。在很多國家，有完善的航空、海運(yùn)和鐵路運(yùn)輸，如果客車不能達(dá)到

11、高品質(zhì)的要求，很難獲得發(fā)展。公路客運(yùn)突出的優(yōu)點(diǎn)就是方便快捷，如果客車不能體現(xiàn)出公路運(yùn)輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，將很難參與競爭，這就需要參與公路運(yùn)輸?shù)目蛙嚤仨毦邆涓咂焚|(zhì)。高品質(zhì)的客車必然要求客車的骨架能夠勝任工作中的各種危險(xiǎn)工況。 近幾年，國內(nèi)客車企業(yè)對客車的主動(dòng)安全性越來越重視。由于技術(shù)原因，許多客車在被動(dòng)安全性上難以達(dá)標(biāo)，造成客車在行駛中尤其是高速運(yùn)行過程中頻頻發(fā)生重大事故，人員傷亡慘重。因此，加強(qiáng)客車的被動(dòng)安全性，對客車骨架進(jìn)行分析優(yōu)化，已成為國內(nèi)客車亟待解決的問題。 客車是載送9個(gè)以上乘員，供公共服務(wù)用的汽車，按車輛總長度分類是：車輛總長度，微型；<車輛總長度7米，輕型；7米<車輛總長度10米，中型

12、；10米<車輛總長度12米，大型；鉸接式客車與雙層客車，特大型。 在歐洲，盡管轎車制造和普及非常廣泛，但作為公共交通主體的大中型客車制造業(yè)仍然表現(xiàn)出相當(dāng)強(qiáng)的生命力，多年以來，歐洲客車，無論是從設(shè)計(jì)理念還是設(shè)計(jì)技術(shù)都表現(xiàn)出相當(dāng)成熟的產(chǎn)業(yè)功底,使得歐洲客車制造業(yè)在市場動(dòng)蕩中仍然得以健康地生存和發(fā)展。 ??? 在中國，尤其是近年來中國高速公路的發(fā)展和用車水平的提高，中國現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)能力已經(jīng)開始不能滿足這種日益增長的需求，這就是中國客車制造業(yè)發(fā)展的瓶頸，也是中國客車制造業(yè)發(fā)展的機(jī)遇，中國客車制造業(yè)將在此基礎(chǔ)上與全球客車產(chǎn)業(yè)一道，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)整合。 ? 目前，國內(nèi)客車制造企業(yè)的技術(shù)力量比較薄弱，既

13、缺技術(shù)，又缺資金，再有企業(yè)規(guī)模參差不齊，產(chǎn)業(yè)集中度低，資金和技術(shù)投入分散，在生產(chǎn)、市場研究與開發(fā)等方面難以形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢。 我國客車生產(chǎn)的集中度不高，規(guī)模效益較差。要想在成熟的市場競爭中立于有利地位，就必須實(shí)施大集團(tuán)戰(zhàn)略。韓國大宇公司產(chǎn)品研究人員中，有10%的人員研究先進(jìn)技術(shù)及車身造型,130多人從事車身和底盤設(shè)計(jì)。中國主要差距是人才量不足，產(chǎn)品研究開發(fā)人員少，雖然從總數(shù)量來看，具有一定優(yōu)勢，但由于他們分屬于數(shù)以百計(jì)的廠家，造成各企業(yè)的科技人員的相對數(shù)量少，而大多數(shù)技術(shù)人員又是為生產(chǎn)服務(wù)的，主要是進(jìn)行老產(chǎn)品的改造，很少搞超前研究和超前開發(fā)。目前企業(yè)短期行為比較嚴(yán)重，新產(chǎn)品研究與開發(fā)投入少

14、，大多數(shù)企業(yè)無法形成經(jīng)濟(jì)規(guī)模，導(dǎo)致效益不好，無錢投入到技術(shù)改造，技術(shù)進(jìn)步中，從而造成惡性循環(huán)。人才相對數(shù)量不足，即技術(shù)人員占職工比例較少，特別是高、精、尖專業(yè)技術(shù)人才缺乏，人才結(jié)構(gòu)不合理。技術(shù)更新慢，工程技術(shù)人員缺乏知識(shí)更新機(jī)會(huì)，企業(yè)短期行為明顯，不愿在應(yīng)用研究方面投入人力和財(cái)力。 由此，對比中國客車制造業(yè)的現(xiàn)狀，我們必須主動(dòng)地加強(qiáng)中國客車制造業(yè)的設(shè)計(jì)能力和制造水平，大膽借鑒國外客車制造業(yè)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，并同步培養(yǎng)能夠滿足這種要求的技術(shù)和經(jīng)營人才。只有這樣，才能實(shí)現(xiàn)中國客車制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展。 入世以來，國外客車沒有對中國市場構(gòu)成太大的沖擊，尤其是歐、美國家的產(chǎn)品，海運(yùn)費(fèi)昂貴，一臺(tái)大客車運(yùn)費(fèi)12

15、000美元以上，再加上關(guān)稅，實(shí)際價(jià)格比在歐、美國家本地銷售高得多。而國產(chǎn)客車卻有絕對的性價(jià)比優(yōu)勢，因?yàn)閲鴥?nèi)勞動(dòng)力成本低，國內(nèi)客車底盤和車身技術(shù)的日趨成熟，再加上中國人多而經(jīng)濟(jì)不是很發(fā)達(dá)，使得國產(chǎn)客車能夠很快在中國發(fā)展，并走向世界。 據(jù)了解，2006年，宇通客車總銷量為2萬輛，同比增長20%；出口2000輛，同比增長60%。2006年，金龍客車總銷量為2.4萬輛，較2005年增長30%；出口2500輛，同比增長200%。 宇通和金龍客車能夠在客車行業(yè)做得很好，關(guān)鍵在于他們重視自主研發(fā)，“宇通客車每年耗資近2億元用于研發(fā)?！庇钔蛙囅嚓P(guān)人士表示，“中國客車企業(yè)只有不斷學(xué)習(xí)和創(chuàng)新，才能走過知識(shí)

16、產(chǎn)權(quán)爭端這個(gè)門檻。事實(shí)上，自主研發(fā)是每個(gè)客車企業(yè)“走出去”都避不開的路。一位業(yè)內(nèi)人士表示，國內(nèi)有些客車巨頭在發(fā)展之初，雖然車輛貼上了自己的牌子，但是由于沒有自主技術(shù)，處處受制于外方，導(dǎo)致贏利水平很低。是否能做到自主研發(fā)，自主研發(fā)的程度有多深，可以說決定了一個(gè)客車企業(yè)的盈利能力和市場地位。但不得不承認(rèn)的是，像發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車底盤等核心技術(shù)，至今仍主要掌握在幾個(gè)國際巨頭的手里，國內(nèi)企業(yè)在技術(shù)上的差距還比較明顯，更多的國內(nèi)客車企業(yè)則還只能在外觀、內(nèi)飾等技術(shù)的邊緣徘徊。因此，對于我們即將走向汽車工業(yè)的學(xué)生，加強(qiáng)學(xué)習(xí)車身和底盤等技術(shù)，已是迫在眉睫。 第二章 有限元法在客車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用 2.1

17、客車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 現(xiàn)代客車工業(yè)對客車產(chǎn)品的開發(fā)水平要求愈來愈高，它要求整車及零部件具有足夠的強(qiáng)度和剛度及良好的振動(dòng)特性；同時(shí)要求縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低費(fèi)用，使開發(fā)的產(chǎn)品更具有競爭力。傳統(tǒng)的客車設(shè)計(jì)走的大多是經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的路子,即產(chǎn)品設(shè)計(jì)以生產(chǎn)技術(shù)中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù),運(yùn)用一些附有經(jīng)驗(yàn)常數(shù)的計(jì)算公式為主要方法,這樣的設(shè)計(jì)由于缺乏準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和科學(xué)的計(jì)算方法,使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)取的偏大,所設(shè)計(jì)的零件過于笨重。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CAD/CAE技術(shù)在提高產(chǎn)品質(zhì)量和建立自主開發(fā)能力方面,對客車企業(yè)提供了極大的幫助。CAE 技術(shù)中一種新的結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬方法——有限元分析正越來越廣泛的應(yīng)用于客車產(chǎn)品開發(fā)

18、中。 客車設(shè)計(jì)的直接目的就是安全、舒適、可靠、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和自重輕等，在這些研制工作中要解決的技術(shù)關(guān)鍵之一就是客車強(qiáng)度和剛度問題?？蛙嚱Y(jié)構(gòu)的力學(xué)特性在很大程度上決定了整車的品質(zhì)。在保證具有必要的強(qiáng)度和剛度標(biāo)準(zhǔn)條件下，既要保證其疲勞壽命，又要保證其裝配和使用要求，同時(shí)最大限度地減輕客車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的自重。隨著現(xiàn)代客車向高速化和輕量化方向發(fā)展，振動(dòng)和噪聲控制日益成為客車設(shè)計(jì)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。NVH（noise, vibration and harshness）控制技術(shù)，亦在客車工業(yè)的科研中占據(jù)了重要位置。通過整車的動(dòng)態(tài)特性分析以達(dá)到控制振動(dòng)與噪聲的目的。另外客車結(jié)構(gòu)還需要滿足安全性、經(jīng)濟(jì)性、乘坐舒適性等

19、指標(biāo)的要求。所有這一切都將使客車設(shè)計(jì)的內(nèi)容更加豐富，也為有限元提供了更為廣泛的分析領(lǐng)域。 客車結(jié)構(gòu)由多種材料組成，其部件形式各種各樣，包括板、梁、軸、塊等，通過鉚接與焊接構(gòu)成空間形狀復(fù)雜的體系，不可能用傳統(tǒng)的解析數(shù)學(xué)來描述。再有客車所承受的載荷也十分復(fù)雜，包括自重、貨物、乘員、設(shè)備等各種載荷的作用，同時(shí)也受到各種路面激勵(lì)和各種車速條件下慣性力的作用以及各連接構(gòu)件的相互約束作用，不可能用經(jīng)典力學(xué)的方法來計(jì)算。在客車結(jié)構(gòu)分析中，有限元法由于其能解決結(jié)構(gòu)形式和邊界條件都任意的力學(xué)問題的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。各種客車結(jié)構(gòu)都可應(yīng)用有限元法進(jìn)行靜態(tài)分析、模態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析?，F(xiàn)代客車設(shè)計(jì)中，已從早期的靜態(tài)

20、分析為主轉(zhuǎn)化為以模態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析為主。因?yàn)閷?shí)際客車強(qiáng)度更加依賴于客車振動(dòng)和隨機(jī)載荷響應(yīng)。只有通過結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析，才能進(jìn)一步提高客車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)水平，客車結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元分析已成為客車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要方法，這種方法與傳統(tǒng)的客車設(shè)計(jì)分析方法相比較具有以下新特點(diǎn)： 1) 設(shè)計(jì)與分析并行； 2) 優(yōu)化的思想在設(shè)計(jì)的各個(gè)階段被引入； 3) 大量的虛擬試驗(yàn)代替實(shí)物實(shí)驗(yàn)。 2.2 有限元分析在客車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用范圍 有限元分析在客車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在： 1）客車設(shè)計(jì)中對所有結(jié)構(gòu)件、主要零部件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性分析，車架和車身

21、是客車中結(jié)構(gòu)和受力都較復(fù)雜的部件，車架和車身有限元分析的目的在于提高其承載能力和抗變形能力、減輕其自身重量并節(jié)省材料。另外，就整個(gè)客車而言，當(dāng)車架和車身重量減輕后，整車重量也隨之降低，從而改善整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性等性能； 2）客車結(jié)構(gòu)件或零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，如以客車質(zhì)量或體積為目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)設(shè)計(jì)，還有對比分析中的參數(shù)化設(shè)計(jì)和形狀優(yōu)化； 3）對客車結(jié)構(gòu)件進(jìn)行模態(tài)分析、瞬態(tài)分析、諧響應(yīng)分析和響應(yīng)譜分析，為結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供方便有效的工具； 4）客車零部件及整車的疲勞分析，在概念或詳細(xì)設(shè)計(jì)階段估計(jì)產(chǎn)品的壽命或是分析部件損壞的原因； 5）應(yīng)用概率有限元，為客車零部件提供效率和可靠性設(shè)計(jì)依據(jù)；

22、6）車身內(nèi)的聲學(xué)設(shè)計(jì)，將車身結(jié)構(gòu)模態(tài)與車身內(nèi)聲模態(tài)耦合，評價(jià)乘員感受的噪聲并進(jìn)行控制； 7）車身空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算，解決高速行駛中的升力、阻力和湍流等問題，為客車性能和造型設(shè)計(jì)服務(wù)； 8）客車碰撞歷程仿真和乘員安全保護(hù)分析，提高客車結(jié)構(gòu)的被動(dòng)安全性，如何提高車身的抗碰撞能力是客車被動(dòng)安全性中需要解決的問題之一。利用有限元法進(jìn)行客車碰撞過程的模擬計(jì)算，涉及到大變形等非線性問題，不同于一般的有限元分析。由于模擬計(jì)算可以節(jié)省昂貴的實(shí)車碰撞試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，且在設(shè)計(jì)階段模擬分析是唯一的分析手段，國內(nèi)、外客車公司普遍采用這一方法。 現(xiàn)代客車對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了越來越高的要求，分析已不滿足于傳統(tǒng)的彈性分析，展現(xiàn)出許

23、多新的特點(diǎn)。在要求有限元精確建模及產(chǎn)品精細(xì)設(shè)計(jì)的前提下，產(chǎn)品開發(fā)要更多地考慮非線性效應(yīng)；進(jìn)行有限壽命設(shè)計(jì)，以求產(chǎn)品輕量化；進(jìn)行整車非線性系統(tǒng)分析，即整車平順性、操縱穩(wěn)定性不能僅以剛體模型進(jìn)行分析，還要考慮結(jié)構(gòu)的變形效應(yīng)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1）電子和電器產(chǎn)品比重不斷加大，這就涉及到多物理場的仿真問題； 2）需要進(jìn)行更精確的非線性分析，如少片彈簧、橡膠輪胎、懸掛的大變形、零部件間的柔性連接等； 3）客車零部件分析的一個(gè)難點(diǎn)就是分析載荷的不易確定問題，為避免零部件內(nèi)力確定不清，邊界條件的不確定性等情況，影響計(jì)算精度甚至結(jié)果不可用，可以從總成系統(tǒng)及整車分析入手，如懸架系統(tǒng)、白車身系統(tǒng)等；

24、 4）剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析，從傳統(tǒng)的剛體動(dòng)力學(xué)分析到考慮結(jié)構(gòu)彈性的應(yīng)力響應(yīng)，如懸架車輪系統(tǒng)等。 在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的各個(gè)階段，有限元分析的引入對降低開發(fā)成本，縮短研制周期，實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)等都非常關(guān)鍵且效果顯著。在概念設(shè)計(jì)階段，從最初的總布置即可介入，如概略確定車身、發(fā)動(dòng)機(jī)等總成的拓?fù)浜徒Y(jié)構(gòu)參數(shù)；在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，對結(jié)構(gòu)及零件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度校核和優(yōu)化設(shè)計(jì)；在樣車試驗(yàn)階段，進(jìn)行專項(xiàng)分析，如部件疲勞分析、整車碰撞計(jì)算等，解決設(shè)計(jì)中存在的問題，將問題解決在產(chǎn)品投放市場前。達(dá)到縮短開發(fā)時(shí)間、節(jié)省研制費(fèi)用、減少投資風(fēng)險(xiǎn)，使產(chǎn)品效益最大化的目標(biāo)。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算規(guī)模、計(jì)算速度、計(jì)算機(jī)容量等已不再

25、是主要矛盾，在客車結(jié)構(gòu)有限元分析中，大多數(shù)問題可在微機(jī)上完成。通過建立零部件、結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的有限元計(jì)算模型，或?qū)AD模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對模型加載荷或其他性能條件，即可進(jìn)行計(jì)算。應(yīng)用中的主要難題是如何精確的建立計(jì)算模型；如何實(shí)現(xiàn)計(jì)算模型中的各種支撐、連接與實(shí)際結(jié)構(gòu)相符；如何確定載荷，尤其是動(dòng)態(tài)載荷、路面載荷等；如何施加載荷，以反映各種行駛狀態(tài)等。 有限元分析已成為客車設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，無論是在新車開發(fā)，還是在車型改造階段，對產(chǎn)品中的強(qiáng)度、疲勞、振動(dòng)、噪聲等問題進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算分析，可提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短開發(fā)周期，節(jié)省開發(fā)費(fèi)用，真正形成自主開發(fā)能力。 第三章 有限元原理 有限元法的概念 所

26、謂有限元法（Finite Element Method）就是關(guān)于連續(xù)體（連續(xù)結(jié)構(gòu)）的一種離散化的數(shù)值計(jì)算方法，亦即在力學(xué)模型上近似的數(shù)值方法，它的基本思路是：假想地將連續(xù)體（連續(xù)結(jié)構(gòu)）劃分為有限個(gè)單元，這些單元都由具有一定自由度的節(jié)點(diǎn)相互連接而成。這樣，原來的連續(xù)體（連續(xù)結(jié)構(gòu)）就變成為由有限個(gè)單元裝配而成的離散結(jié)構(gòu)，原有連續(xù)體的無限個(gè)自由度的問題就變?yōu)殡x散結(jié)構(gòu)的有限個(gè)自由度的問題。有限元法的主要優(yōu)點(diǎn)是物理概念清晰，容易理解和掌握，適用性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣泛，許多復(fù)雜的工況和邊界條件都可靈活地加以考慮。 有限元的基本思想是“分與合”，分是為了劃分單元，進(jìn)行單元分析，合則是為了集合單元，對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)

27、行綜合分析。無論是什么樣的結(jié)構(gòu)，有限元分析的過程都是類似的。其基本步驟為：（1）研究分析結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，包括結(jié)構(gòu)形狀與邊界、載荷工況等；（2）將連續(xù)體劃分成有限單元，形成計(jì)算模型，包括確定單元類型與邊界條件、材料特性等；（3）以單元節(jié)點(diǎn)位移作為未知量，選擇適當(dāng)?shù)奈灰坪瘮?shù)來表示單元中的位移，再用位移函數(shù)求單元中的應(yīng)變，根據(jù)材料的物理關(guān)系，把單元中的應(yīng)力也用位移函數(shù)表示出來，最后將作用在單元上的載荷轉(zhuǎn)化成作用在單元上的等效節(jié)點(diǎn)力，建立單元等效節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系，這就是單元特性分析；（4）利用結(jié)構(gòu)力的平衡條件和邊界條件把各個(gè)單元按原來的結(jié)構(gòu)重新連接起來，集合成整體的有限元方程，求解出節(jié)點(diǎn)位移。對不同

28、的結(jié)構(gòu)，要采用不同的單元，但各種單元的分析方法又是一致的。當(dāng)前，國內(nèi)外已研制了許多有限元分析專用和通用軟件，著名的程序不下幾十種。大型通用有限元分析軟件多已商品化，這些軟件解題規(guī)模大，建模和分析能力強(qiáng)，計(jì)算效率和可靠性高，能夠適應(yīng)廣泛的工程領(lǐng)域需要。到90年代末，國外有限元軟件紛紛進(jìn)入國內(nèi)市場，像NASTRAN、ANSYS、MARC、LS-DYNA3D、PAM-CRASH等，這些軟件的分析功能強(qiáng)，解題規(guī)模大，計(jì)算效率高，能夠解決汽車工程領(lǐng)域的絕大部分問題。 3.2 汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析的步驟 有限元計(jì)算可以對汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)分析，了解應(yīng)力、位移和頻率特性，對不足之處及時(shí)改進(jìn)，從而提

29、高產(chǎn)品質(zhì)量。有限元的核心思想是結(jié)構(gòu)離散，單元分析和整體組裝和前后數(shù)據(jù)處理。從解決工程實(shí)際問題的角度看，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的步驟可分為四部分： 1）首先要研究結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，提出對問題的合理簡化，包括形狀的簡化、材料的簡化、支撐的簡化和載荷的簡化等，提煉出與力學(xué)模型對應(yīng)的幾何模型，指制定分析方案。 2）其次是數(shù)據(jù)的前處理，即建立有限元模型。目前一般通用程序都配有前處理軟件，可通過建立零部件或結(jié)構(gòu)的幾何模型，由程序完成劃分網(wǎng)格，根據(jù)問題的性質(zhì)，添加材料物理性質(zhì)數(shù)據(jù)、邊界條件數(shù)據(jù)和載荷數(shù)據(jù)等。 3）運(yùn)行有限元程序計(jì)算。在此，對于非線性問題，要了解并出手干預(yù)計(jì)算過程。 4）最后是計(jì)算結(jié)果的后處理，即整理

30、并分析輸出的計(jì)算結(jié)果，判斷計(jì)算是否合理。寫出有限元分析報(bào)告，拿出設(shè)計(jì)方案。 在這里面，往往還會(huì)經(jīng)歷失敗，需要進(jìn)行試算，修改模型，修改設(shè)計(jì)方案等反復(fù)過程?？傊?，正確地建立有限元模型是關(guān)鍵。 3.3 有限元分析數(shù)據(jù)前處理工作 有限元分析的數(shù)據(jù)前處理工作可概括為下述幾個(gè)方面： 1）創(chuàng)建幾何模型 目前通用程序中一般提供兩種獲得模型的途徑：一是利用程序自帶的建模功能創(chuàng)建模型，既可以采用人機(jī)交互圖形輸入方式構(gòu)建幾何模型，也可以利用數(shù)據(jù)文件形式輸入幾何模型，在數(shù)據(jù)文件中用點(diǎn)、線、面和體的數(shù)據(jù)描述幾何模型；二是通過程序的CAD接口導(dǎo)入/導(dǎo)出幾何模型。導(dǎo)入的圖形一般都要進(jìn)行修正處理，幾何模型不等于有限

31、元模型。導(dǎo)入的圖形雖然聯(lián)系在一起，但是沒有粘合在一起，如果就此進(jìn)行網(wǎng)格劃分，各個(gè)圖形并沒有通過單元節(jié)點(diǎn)連成一體，載荷也無法通過節(jié)點(diǎn)傳遞，表面上劃分了網(wǎng)格，實(shí)際上并未達(dá)到有限元建模的條件。 2）創(chuàng)建有限元模型與網(wǎng)格劃分 創(chuàng)建有限元模型有兩種方法：一是直接創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)，然后生成單元；二是創(chuàng)建或?qū)霂缀文Ｐ?，將其離散化成網(wǎng)格模型。這里面還包括設(shè)置單元屬性數(shù)據(jù)：單元類型、材料數(shù)據(jù)、單元類型編號(hào)、單元坐標(biāo)系等?？刂凭W(wǎng)格劃分密度，執(zhí)行網(wǎng)格劃分操作和網(wǎng)格檢查，修改網(wǎng)格模型。這里面也包括人工劃分、手動(dòng)劃分和自動(dòng)劃分方式，但不能一味采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格方式。網(wǎng)格劃分方法應(yīng)適應(yīng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)計(jì)算和分析軟件的要求生成各

32、種類型單元，要注意通過多種途徑檢查網(wǎng)格質(zhì)量和有限元模型。 3）施加載荷和邊界條件 施加載荷及邊界條件的方式有兩種途徑：一是在實(shí)體模型上施加，這仍然要轉(zhuǎn)換到有限元模型上，要注意實(shí)體坐標(biāo)系和有限元節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系的一致性；二是在有限元模型上施加載荷，這就是有限元分析的最終載荷施加狀態(tài)。廣義載荷包括：自由度約束，集中力，面載荷，體載荷和慣性載荷等。 目前，通用程序的前處理模塊已發(fā)展成為類似于Auto CAD的交互式圖形系統(tǒng)，結(jié)合各種實(shí)體的圖形數(shù)據(jù)庫，運(yùn)用布爾運(yùn)算等各種輔助手段可以生成復(fù)雜的幾何圖形及網(wǎng)格。對大型結(jié)構(gòu)也可以分成幾個(gè)獨(dú)立部分建模，利用合并功能得到連續(xù)體幾何模型。另外通用程序多帶有CAD接

33、口功能，可以實(shí)現(xiàn)幾何圖形的無縫傳遞。一種是通過標(biāo)準(zhǔn)IGES文件導(dǎo)入，該方法一般要經(jīng)過CAD-IGES-通用程序的轉(zhuǎn)換過程，但對于復(fù)雜大型結(jié)構(gòu)信息容易出現(xiàn)信息丟失現(xiàn)象，無法實(shí)現(xiàn)百分之百的轉(zhuǎn)換；另一種是針對CAD產(chǎn)品的專用圖形文件接口，這類接口直接讀取CAD圖形文件，成功率高。常用的有：Pro/E專用接口，UG專用接口，Parasolid專用接口，CATIA專用接口等。但將產(chǎn)品模型直接導(dǎo)入到程序中，往往不能使用，一般要經(jīng)過模型修復(fù)。雖然通用程序多帶有幾何模型修復(fù)工具，但模型修復(fù)的工作仍然是很大的。一種處理辦法是在專用圖形處理軟件中，利用CAD系統(tǒng)中的交互圖形軟件的強(qiáng)大功能，按照構(gòu)建有限元模型的思想

34、來建立幾何模型，這樣的模型建立在產(chǎn)品模型的基礎(chǔ)上，從已建立的產(chǎn)品模型中提取和轉(zhuǎn)換劃分有限元網(wǎng)格所需的幾何模型數(shù)據(jù)，將有限元模型同產(chǎn)品造型聯(lián)系起來，導(dǎo)入到程序中的圖形修復(fù)工作量將大大減少。 幾何模型建立后，就是網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分就是用適當(dāng)類型和數(shù)量的單元離散被分析的結(jié)構(gòu)，即將幾何模型人為地劃分成若干規(guī)則或不規(guī)則形體，然后分別對每個(gè)形體劃分網(wǎng)格，再將他們拼裝成為完整的網(wǎng)格模型。通常采用迭代法、人機(jī)交互方式逐步優(yōu)化。網(wǎng)格劃分方法要適應(yīng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)計(jì)算和分析軟件的要求生成各種類型單元。網(wǎng)格的疏密分布要由用戶控制，并可在局部區(qū)域加密。要能進(jìn)行單元質(zhì)量檢查，并盡可能減少用戶的數(shù)據(jù)輸入。劃分網(wǎng)格之前要對

35、網(wǎng)格密度進(jìn)行必要的控制。合理的單元網(wǎng)格密度是獲得高精度結(jié)果的保證，能確保捕捉場量的分布和梯度變化，如應(yīng)力/應(yīng)變的分布和梯度變化，塑性區(qū)的位置、控制過程和最終塑性區(qū)域的大小等。在實(shí)際工程計(jì)算中，要根據(jù)分析目的和問題的性質(zhì)來確定劃分網(wǎng)格的密度控制，最后有限元分析結(jié)果的精度及計(jì)算所需時(shí)間和存儲(chǔ)容量都與網(wǎng)格劃分有直接關(guān)系。 第四章 客車骨架有限元分析過程 客車骨架有限元分析概述 ANSYS是目前應(yīng)用最為廣泛的通用的有限元計(jì)算機(jī)程序之一，用戶可以應(yīng)用ANSYS進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、熱傳導(dǎo)、流體流動(dòng)和電磁學(xué)的分析。在過去的幾十年里，ANSYS是最主要的FEA程序。當(dāng)前的ANSYS版本的圖形用戶界

36、面窗口、下拉菜單、對話框和工具條等的設(shè)計(jì)都十分友好，用戶使用方便，而且算法和模塊的完善和加強(qiáng)，使其解決各工程領(lǐng)域問題的功能更加強(qiáng)大。因此，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用ANSYS軟件，對成都客車廠生產(chǎn)CDK6593N客車的進(jìn)行客車骨架有限元分析。 本次設(shè)計(jì)采用國際單位制：米，千克，牛，帕等，采用的坐標(biāo)系為：X為汽車的長度方向,Y為寬度方向,Z為高度方向。 客車骨架的有限元模型是進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)。建立客車骨架的有限元模型，就是根據(jù)所研究的問題的具體情況，選擇合適的有限元單元，對客車骨架進(jìn)行離散化，給這個(gè)模型賦予合適的材料屬性，進(jìn)行邊界條件的模擬，進(jìn)行模型的調(diào)試，最后提供一個(gè)具有可接受的精度的客車骨架

37、的仿真模型的過程。 客車車身一般是由骨架和殼體構(gòu)成的組合結(jié)構(gòu)?？蛙嚨能嚿碇饕捎贸休d式和半承載式，承載式結(jié)構(gòu)由于車身的上下結(jié)構(gòu)形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，在承受載荷時(shí)，以強(qiáng)濟(jì)弱，可使整個(gè)車身殼體達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)，半承載式結(jié)構(gòu)是車身骨架（立柱）的下端與底架縱梁兩側(cè)懸伸的橫梁（俗稱牛腿）剛性連接，使車身也分擔(dān)載荷，無論采用哪種方式，客車的骨架是主要的承載件。至于蒙皮承載能力相對較小，主要起對骨架結(jié)構(gòu)加強(qiáng)作用，如果考慮蒙皮作用，也只要考慮對客車骨架剛度有貢獻(xiàn)的那部分，如車身中腰部分的預(yù)應(yīng)力張拉蒙皮等。為了簡化計(jì)算，可以忽略蒙皮的作用，認(rèn)為全部車身載荷由骨架承受。 單元的選擇與介紹 ANSYS 軟

38、件提供了較為完備的單元庫，使用戶能夠模擬工程實(shí)際中千變?nèi)f化的結(jié)構(gòu)。下面對有限元模型中用到的單元類型加以說明。 BEAM188—三維線性有限應(yīng)變梁單元 客車骨架結(jié)構(gòu)多由矩形鋼管和異形鋼管焊接而成，構(gòu)件細(xì)長比一般都大于10，完全可以采用全梁單元模型。當(dāng)然，對安裝懸架的縱梁部分可以采用板單元模型，以反映該處的應(yīng)力變化情況?？蛙囓嚿矸治鲆怨羌転橹?，蒙皮是否計(jì)入分析應(yīng)從實(shí)際結(jié)構(gòu)和計(jì)算目的出發(fā)。由于時(shí)間緊，本次設(shè)計(jì)未考慮蒙皮的作用，客車骨架的結(jié)構(gòu)全部采用梁單元模擬。 梁單元用來建立三維結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)上理想化的一維有限元模型，與實(shí)體單元和殼單元相比，使用梁單元可以提高求解效率。ANSYS提供了多種梁

39、單元庫以適應(yīng)不同的需要，其中Beam44為3-D 漸變非對稱截面梁，Beam188和Beam189為3-D有限應(yīng)變梁，ANSYS的梁單元在非線性分析方面具有下列獨(dú)特的優(yōu)勢。 1. 三維真實(shí)描述——梁單元在空間上是一維的線單元，單元特性和截面屬性是相互獨(dú)立的，通過指定截面編號(hào)，一維的梁單元就可以描述真實(shí)的三維空間結(jié)構(gòu)，并且ANSYS可以以三維的形式顯示分析結(jié)果。ANSYS提供了11種常用的截面形狀，并允許用戶定制截面形狀，用戶可以利用二維建模的方式創(chuàng)建新截面，并可以把定制的截面形狀保存在截面形狀庫中。 ——ANSYS允許定義任意截面形狀，允許單元的每一端具有不同的不對稱幾何

40、形狀，并允許其端節(jié)點(diǎn)從梁的中心軸偏移。 ——ANSYS的梁單元可以考慮預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)力剛化效應(yīng)。所謂應(yīng)力剛化效應(yīng)對于梁單元來說就是軸向應(yīng)力引起的垂直軸向的剛度變化。 ——ANSYS可以定義任意幾何形狀由多個(gè)各向同性材料組成的橫截面，可以用來模擬層狀復(fù)合材料梁，長纖維增強(qiáng)復(fù)合材料梁和傳感器等。 ——ANSYS的梁單元在平面假設(shè)的基礎(chǔ)上可以考慮剪切變形的影響。ANSYS的梁單元還可以考慮非圓截面梁扭轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的翹曲影響，這時(shí)每個(gè)端節(jié)點(diǎn)有7個(gè)自由度，包括3個(gè)平動(dòng)，3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)翹曲自由度。Beam188和Beam189單元不僅能模擬直梁的彎曲剪切響應(yīng)，而且能模擬橫向—

41、扭轉(zhuǎn)屈曲行為(特征屈曲和非線性崩塌)。 Beam188 單元適合于分析從細(xì)長到中等粗短的梁結(jié)構(gòu)，該單元基于鐵木辛哥梁結(jié)構(gòu)理論，并考慮了剪切變形的影響，在本次設(shè)計(jì)中選擇使用Beam188單元來模擬客車骨架的結(jié)構(gòu)。是ANSYS 單元庫中的BEAM188—三維線性有限應(yīng)變梁單元。 圖4.2-1 BEAM188—三維線性有限應(yīng)變梁單元 Beam188 是三維線性（2 節(jié)點(diǎn)）或者二次梁單元。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)或者七個(gè)自由度，自由度的個(gè)數(shù)取決于KEYOPT(1)的值。當(dāng)KEYOPT(1)＝0（缺?。r(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)自由度；節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系的x、y、z 方向的平動(dòng)和繞x、y、z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)KEYO

42、PT(1)=1 時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有七個(gè)自由度，這時(shí)引入了第七個(gè)自由度（橫截面的翹曲）。這個(gè)單元非常適合線性、大角度轉(zhuǎn)動(dòng)和/或非線性大應(yīng)變問題。 當(dāng)NLGEOM 打開的時(shí)候，Beam188 的應(yīng)力剛化，在任何分析中都是缺省項(xiàng)。應(yīng)力強(qiáng)化選項(xiàng)使本單元能分析彎曲、橫向及扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定問題（用弧長法）分析特征值屈曲和塌陷。 Beam188可以采用sectype、secdata、secoffset、secwrite 及secread 定義橫截面。本單元支持彈性、蠕變及塑性模型（不考慮橫截面子模型）。這種單元類型的截面可以是不同材料組成的組合截面，Beam188 從6.0 版本開始忽略任何實(shí)參數(shù)。

43、 Beam188單元的幾何形狀、節(jié)點(diǎn)位置、坐標(biāo)體系如所示，Beam188由整體坐標(biāo)系的節(jié)點(diǎn)I和J定義，節(jié)點(diǎn)K 是定義單元方向的所選方式，Beam188 可以在沒有方向節(jié)點(diǎn)的情況下被定義。在這種情況下，單元的x 軸方向?yàn)镮 節(jié)點(diǎn)指向J節(jié)點(diǎn)。對于兩節(jié)點(diǎn)的情況，默認(rèn)的y 軸方向按平行x－y 平面自動(dòng)計(jì)算。如果采用第三個(gè)節(jié)點(diǎn)（K）的話，將和I，J節(jié)點(diǎn)一起定義包含單元x 軸和z 軸的平面。如果該單元采用大變形分析，需要注意這個(gè)第三號(hào)節(jié)點(diǎn)僅在定義初始單元方向的時(shí)候有效。 COMBIN14—彈簧阻尼單元 對客車鋼板彈簧的模擬采用的是剛性梁單元和彈簧阻尼單元，圖 所示為ANSYS 單元庫的COMB

44、IN14—彈簧阻尼單元。 圖4.2-2 COMBIN14—彈簧阻尼單元 該單元可以承受軸向拉壓載荷或扭轉(zhuǎn)載荷。當(dāng)選用軸向拉壓載荷選項(xiàng)時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有沿節(jié)點(diǎn)的x、y、z 軸平動(dòng)三個(gè)自由度，不考慮彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷。當(dāng)選用扭轉(zhuǎn)載荷選項(xiàng)時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有繞節(jié)點(diǎn)的x、y、z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)三個(gè)自由度，不考慮彎曲和軸向載荷。 COMBIN14單元可以用來模擬前懸架的螺旋彈簧或扭桿彈簧，當(dāng)前后懸架的鋼板彈簧簡化為剛性梁與螺旋彈簧的形式時(shí)，則可以用其模擬此處的螺旋彈簧。 4.3 定義實(shí)常數(shù) 客車骨架結(jié)構(gòu)采用的梁單元不需要實(shí)常數(shù)，采用的彈簧單元需要實(shí)常數(shù)彈簧剛度K。 由《汽車?yán)碚摗返闹R(shí)我們知道， 其

45、中，是車身部分固有頻率，K是懸架彈簧的剛度和，是汽車的懸掛質(zhì)量，它由車身、車架及其上的總成所構(gòu)成。 通過估算，車身部分固有頻率=3赫茲，汽車的懸掛質(zhì)量=4500千克，經(jīng)過計(jì)算，懸架彈簧的剛度K=1597255.2牛/米，在本設(shè)計(jì)中，懸架彈簧由8個(gè)彈簧構(gòu)成，因此每個(gè)彈簧的剛度=199657牛/米。 4.4 材料的定義 本次設(shè)計(jì)采用的結(jié)構(gòu)材料如下表，模擬鋼板彈簧的剛性梁的彈性模量采用Pa,這樣能夠保證剛性梁處不發(fā)生變形。 表1 材料及其力學(xué)參數(shù) 材料 彈性模量（Pa） 密度（） 泊松比 屈服極限（Pa） Q235 7850 235 4.5 橫截面的

46、定義 根據(jù)圖紙，本次設(shè)計(jì)定義了15種截面來模擬，其中7種模擬矩形空心型鋼，4種模擬角鋼，4種模擬槽鋼。 4.6 建立有限元模型 建立客車骨架的有限元模型是前處理階段的主要工作，包括幾何建模、網(wǎng)格劃分等。根據(jù)圖紙，先建立底架、右側(cè)圍骨架、前圍骨架、后圍骨架，左側(cè)圍骨架和頂蓋骨架的幾何模型，在此應(yīng)注意保證線之間的粘接，然后定義各根鋼管的方向點(diǎn)以定義單元的位置放置情況，指定每根梁的橫截面，然后劃分網(wǎng)格。節(jié)點(diǎn)的布置和單元的劃分是相互聯(lián)系的。通常集中載荷的作用點(diǎn)、分布載荷強(qiáng)度的突變點(diǎn)、分布載荷與自由邊界的分解點(diǎn)、支承點(diǎn)等都應(yīng)取作為節(jié)點(diǎn)，如果物體的厚度有突變或者物體由不同的材料構(gòu)成時(shí)，在布置節(jié)點(diǎn)

47、時(shí)就必須把厚度和材料不同的區(qū)域劃在不同的單元中。 由于梁單元的內(nèi)力、應(yīng)力和變形的計(jì)算都是精確的，所以單元?jiǎng)澐挚梢源笠恍?。但是，如果要清晰的繪出彎矩圖等，仍需要將網(wǎng)格劃分的細(xì)些，否則內(nèi)力圖形將不連續(xù)。在本次設(shè)計(jì)中，指定單元的長度都是。建立的有限元模型總節(jié)點(diǎn)數(shù)為3608個(gè)，共使用Beam188單元1873個(gè)，Combin14單元8個(gè)。建立的幾何模型和有限元模型分別如下圖所示： 圖4.6-1 客車骨架幾何模型 2 客車骨架有限元模型 4.7 分析工況的選擇 由于彎曲工況是車輛經(jīng)常處于的工況，而扭轉(zhuǎn)工況下車身的應(yīng)力水平較大，所以，在研究分析內(nèi)容時(shí)，選擇了滿載彎曲工況（簡稱彎曲

48、工況），滿載左前輪和左后輪懸空工況（簡稱扭轉(zhuǎn)工況）,后者是車輛可能發(fā)生的一種極限工況。 綜上，本次分析選擇的兩種工況如下： （1）滿載純彎曲工況（彎曲工況）； （2）滿載左前輪懸空（扭轉(zhuǎn)工況）； （3）滿載左后輪懸空（扭轉(zhuǎn)工況）。 4.8 施加約束 客車車身骨架一般是由型鋼焊接而成的整體結(jié)構(gòu)，所以在進(jìn)行有限元分析時(shí)一般將車身作為一個(gè)整體來考慮，非承載式與半承載式車身通過車架與板簧支座相連，所以車身的邊界條件就體現(xiàn)為板簧支座的位移。邊界約束的模擬是車身結(jié)構(gòu)分析中的另一個(gè)重要環(huán)節(jié)，約束模擬的正確與否也是計(jì)算成敗的關(guān)鍵。 約束模擬必須遵循以下原則： 1）要有足夠的約束使結(jié)構(gòu)消除剛體

49、運(yùn)動(dòng)的可能，從而保證剛度矩陣非奇異，獲得位移的確定解。 2）不得有多余的約束。因?yàn)槎嘤嗟募s束會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生實(shí)際不存在的附加約束力，從而增加部件的計(jì)算剛度，使計(jì)算結(jié)果失真。 分析過程中將整個(gè)車輛作為一個(gè)簡支梁來模擬，用剛性梁單元和彈簧單元來模擬鋼板彈簧。 車架前端 剛性梁 彈簧單元 圖4.8-1 客車骨架的邊界條件約束位置 本次設(shè)計(jì)，客車骨架的約束位置如圖（3）所示，彈簧的上節(jié)點(diǎn)和車架連接，彈簧的下節(jié)點(diǎn)和車架連接，整車滿載彎曲工況的約束方案是： 表2 整車模型約束方案 節(jié)點(diǎn)號(hào) UX UY UZ ROTX ROTY ROTZ 2 Y Y Y

50、 Y 5 Y Y Y Y Y Y 8 Y Y Y Y 11 Y Y Y Y 注：UX,UY,UZ分別表示X，Y，Z方向的移動(dòng)自由度，ROTX，ROTY，ROTZ表示繞X，Y，Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。Y表示該自由度被約束。 另外，懸架系統(tǒng)中的8個(gè)彈簧的每個(gè)節(jié)點(diǎn)各有UX，UY，UZ三個(gè)自由度，對每個(gè)彈簧的上下節(jié)點(diǎn)進(jìn)行UX，UY方向的耦合，使彈簧的上下節(jié)點(diǎn)的水平方向運(yùn)動(dòng)相同，如在1點(diǎn)產(chǎn)生向前位移，那么在1743節(jié)點(diǎn)也將產(chǎn)生與1節(jié)點(diǎn)同方向，同大小的位移。 懸空工況模擬的是移去左前輪處支撐，整車滿載左前輪懸空的工況約束的自由度

51、是：5，8，11節(jié)點(diǎn)約束和彎曲工況約束的自由度相同，2節(jié)點(diǎn)不約束。 整車滿載左后輪懸空的工況約束的自由度是：8，11節(jié)點(diǎn)約束和彎曲工況約束的自由度相同，2節(jié)點(diǎn)全部自由度被約束，5節(jié)點(diǎn)的自由度不約束。 4.9 施加載荷 車身承受載荷的模擬是車身結(jié)構(gòu)有限元分析中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的真實(shí)性，因此必須慎重處理。作用在客車車身骨架上的載荷有車身自重和外加載荷兩種。在車身有限元分析計(jì)算時(shí)，根據(jù)載荷的不同可分別按下列方式處理： 1） 車身自重力。視具體結(jié)構(gòu)可作為均布載荷分布到結(jié)構(gòu)的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上，也可以密度和重力加速度的方式施加。后者更為方便，也更常用。由于建模時(shí)的簡化會(huì)造成模型的

52、重量小于車身的真實(shí)重量，所以在施加載荷時(shí)有必要對車身自重進(jìn)行補(bǔ)償，常用的補(bǔ)償辦法有質(zhì)量補(bǔ)償、密度補(bǔ)償和重力加速度補(bǔ)償。所謂補(bǔ)償就是指在模型中相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上設(shè)置質(zhì)量元或增大材料的密度或增大重力加速度。 2） 安放在車身或底架上的汽車總成、設(shè)備的重力。如發(fā)動(dòng)機(jī)總成、備胎、油箱等，可作為集中載荷，按安放點(diǎn)的實(shí)際位置及各位置所分擔(dān)的重力作用于相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上；也可以質(zhì)量元的方式施加。 3） 載重力。如乘員及座椅的重力、行李及行李架的重力或貨物的重力，可作為集中載荷（或質(zhì)量元），按支點(diǎn)跨距分配于相應(yīng)單元的節(jié)點(diǎn)上。在大客車上有站立乘員者，可按實(shí)際每平方米的站立人數(shù)，作為均布載荷作用于地板并傳到底架的單元上。

53、 4） 扭轉(zhuǎn)載荷。當(dāng)用白車身模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可以在前軸中心（或后軸中心）相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上施加一對力偶作為扭矩；當(dāng)用考慮懸架的整車模型計(jì)算時(shí)，可以在前輪或后輪左、右輪相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)懸空來產(chǎn)生扭矩。 車身計(jì)算載荷可以分成對稱垂直載荷和非對稱垂直載荷（扭轉(zhuǎn)載荷）兩大類。 （1） 垂直載荷：大客車垂直載荷可分為骨架自重；各總成及設(shè)備（發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、油箱、水箱、蓄電池、備胎、空調(diào)機(jī)等）；非結(jié)構(gòu)質(zhì)量（如內(nèi)飾、玻璃、地板等）；乘客和行李等。以上載荷視具體結(jié)構(gòu)可作為集中載荷和分布載荷作用在骨架的相應(yīng)位置上。 （2） 扭轉(zhuǎn)載荷：當(dāng)汽車處于左右不對稱的不平路面上時(shí)，支承反力不再呈對稱狀態(tài)。此時(shí)車身除承受彎曲作用

54、外，還承受來自前后橋間的扭轉(zhuǎn)載荷。 實(shí)際車輛在受扭轉(zhuǎn)的同時(shí)還承受彎曲載荷，但車身計(jì)算時(shí)還是分成兩種情況分別計(jì)算。這是因?yàn)榉謩e研究車身彎曲強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度對修改設(shè)計(jì)往往更方便一些。當(dāng)然也可考慮彎曲和扭轉(zhuǎn)聯(lián)合工作的綜合工況。 作用在車身上的彎曲載荷是由車身的自重、車輛總成和乘客的重量提供的,車身結(jié)構(gòu)件的重量通過加垂直方向的、大小為 的加速度來模擬； 發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱的總質(zhì)量為600千克，施加在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上； 加滿油后的油箱為150千克，施加在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上； 其它載荷如轉(zhuǎn)向機(jī)、離合器、電瓶、水箱、座椅、乘客（19人）等質(zhì)量總計(jì)為2000千克，均勻作用在底架上。 客車骨架施加約束和載荷后，如下

55、圖所示： 圖4.9-1施加約束和載荷后的客車骨架 4.10 求解 客車骨架經(jīng)ANSYS有限元軟件分析后，可得到若干結(jié)果文件，如：節(jié)點(diǎn)位移文件、單元應(yīng)力文件，這些文件是車身后處理的基礎(chǔ)。 4.11 后處理操作 后處理主要是將客車骨架有限元分析的結(jié)果以等值線圖、云圖的方式可視化的顯示，并且進(jìn)行剛度、強(qiáng)度等分析，研究車身的局部變形，校驗(yàn)車身剛度，分析車身變形對車身正常使用的影響，校核車身強(qiáng)度等。在車身改進(jìn)設(shè)計(jì)中，通過對比改型前后的云圖，研究車身經(jīng)過局部改進(jìn)后，對車身剛度、強(qiáng)度的影響。 彎曲工況分析 下圖是彎曲工況下的豎直位移圖： 圖4.11-1 滿載彎曲工況下的豎直

56、位移圖 我們可以看到，剛性梁處的豎直位移基本上沒有豎直位移，而客車骨架上端的豎直位移較大，這是由于車架受到載荷后，骨架整體要向下移動(dòng)。經(jīng)過分析，我們知道，在司機(jī)門處豎直位移較大，這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器在底架前端布置，而司機(jī)門處支撐構(gòu)件較少的緣故。 客車車身的材料多為低碳鋼和合金鋼，結(jié)構(gòu)的破壞形式一般為塑性屈服。因而在強(qiáng)度分析中采用第三強(qiáng)度理論或者第四強(qiáng)度理論。第三強(qiáng)度理論未考慮主應(yīng)力的影響，它雖然可以較好的表現(xiàn)塑性材料（如低碳鋼）塑性屈服現(xiàn)象。但只適用于拉伸屈服極限和壓縮屈服極限相同的材料。第四強(qiáng)度理論考慮了主應(yīng)力 的影響，而且和實(shí)驗(yàn)較符合，與第三強(qiáng)度理論相比更接近實(shí)際情況。因而在強(qiáng)度評價(jià)

57、中通常采用第四強(qiáng)度理論導(dǎo)出的等效應(yīng)力（又稱Von Mises應(yīng)力）來評價(jià)。 第四強(qiáng)度的含義就是：在任意應(yīng)力狀態(tài)下，材料不發(fā)生破壞的條件是： 其中，、、為第一，第二，第三主應(yīng)力，為許用應(yīng)力， 材料屈服極限是使材料產(chǎn)生給定的永久變形時(shí)所需要的應(yīng)力，金屬材料試樣承受的外力超過材料的彈性極限時(shí)，雖然應(yīng)力不再增加，但是試樣仍發(fā)生明顯的塑性變形，這種現(xiàn)象稱為屈服，即材料承受外力到一定程度時(shí)，其變形不再與外力成正比而產(chǎn)生明顯的塑性變形，產(chǎn)生屈服時(shí)的應(yīng)力稱為屈服極限?？蛙嚬羌苁撬苄圆牧?，當(dāng)受到的應(yīng)力達(dá)到屈服極限，骨架將會(huì)發(fā)生永久變形。強(qiáng)度計(jì)算中，以大于1的因數(shù)除極限應(yīng)力，并將所得結(jié)果稱為許用應(yīng)力。在

58、本次設(shè)計(jì)中取安全系數(shù)是1.3，則 許用應(yīng)力=180MPa 等效應(yīng)力，所以使用Von Mises計(jì)算應(yīng)力，就相當(dāng)于使用第四強(qiáng)度理論計(jì)算。 下圖是根據(jù)第四強(qiáng)度理論，計(jì)算出在彎曲工況下的應(yīng)力圖： 圖4.11-2 滿載彎曲工況下的應(yīng)力圖 由結(jié)果我們可以看出，滿載彎曲工況下，客車骨架前圍、側(cè)圍、后圍和頂蓋的大部分區(qū)域應(yīng)力小于10MPa,應(yīng)力比較大的區(qū)域是發(fā)動(dòng)機(jī)加載的橫梁及周圍的縱梁上，應(yīng)力最大值是70MPa左右，材料應(yīng)力小于許用應(yīng)力180MPa，能夠滿足安全要求。圖上顯示的最大應(yīng)力作用在剛性梁上，這是由于客車骨架的所有力都傳到了剛性梁上，應(yīng)力最大。由于這是模擬鋼板彈簧而加的梁，故它的受力與

59、客車骨架應(yīng)力無關(guān)。 4.11.2 左前輪懸空工況分析 下圖是左前輪懸空扭轉(zhuǎn)工況下的豎直位移圖： 圖4.11-3 滿載左前輪懸空扭轉(zhuǎn)工況下的豎直位移圖 我們可以看出，客車骨架在左前輪懸空工況下，由于客車左前部分的骨架可以移動(dòng)，因此這部分骨架的變形量較大，約15厘米，骨架的右后方產(chǎn)生了向上的位移，約5厘米。右后端的部分底架變形很小，只有9毫米左右。 下圖是左前輪懸空扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力圖： 圖4.11-4 滿載左前輪懸空扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力圖 下圖是客車前端局部放大圖： 圖4.11-5 滿載左前輪懸空扭轉(zhuǎn)工況下的客車骨架前端應(yīng)力圖 我們可以看出，客車骨架的很大部分應(yīng)力小于

60、20MPa，在發(fā)動(dòng)機(jī)加載的縱梁和橫梁周圍產(chǎn)生了較大的應(yīng)力，約60MPa，在右圍的乘客門的豎直的梁上部分區(qū)域也產(chǎn)生了較大的應(yīng)力，約50MPa，前圍的支撐擋風(fēng)玻璃的橫梁應(yīng)力也有些大，但不影響安全。圖上顯示的最大應(yīng)力作用在剛性梁上，這是由于客車骨架的所有力都傳到了剛性梁上，應(yīng)力最大，由于這是模擬鋼板彈簧而加的梁，故它的受力與客車骨架應(yīng)力無關(guān)。 4.11.3 左后輪懸空工況分析 下圖是左后輪懸空扭轉(zhuǎn)工況下的豎直位移圖： 圖4.11-6 滿載左后輪懸空扭轉(zhuǎn)工況下的豎直位移圖 我們可以看出，客車骨架在左后輪懸空工況下，由于客車左后部分的骨架可以移動(dòng)，因此這部分骨架的變形量較大，約13厘米，

61、骨架的右前方產(chǎn)生了向上的位移，約3厘米。右前端的部分底架變形很小，只有10毫米左右。 下圖是左后輪懸空扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力圖： 7 滿載左后輪懸空扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力圖 下圖是應(yīng)力較大區(qū)域放大圖： 8 滿載左后輪懸空扭轉(zhuǎn)工況下的客車骨架前端應(yīng)力圖 我們可以看出，客車骨架的很大部分應(yīng)力小于25MPa，在發(fā)動(dòng)機(jī)加載的縱梁和橫梁周圍產(chǎn)生了較大的應(yīng)力，約100MPa，在右圍的乘客們的豎直的梁上部分區(qū)域也產(chǎn)生了較大的應(yīng)力，約70MPa，前圍的支撐擋風(fēng)玻璃的橫梁應(yīng)力也有些大，但不影響安全。圖上顯示的最大應(yīng)力作用在剛性梁上，這是由于客車骨架的所有力都傳到了剛性梁上，應(yīng)力最大，由于這是模擬鋼板彈簧而

62、加的梁，故它的受力與客車骨架應(yīng)力無關(guān)。 各工況分析總結(jié) 經(jīng)過以上三種工況的分析，本車型在以上3種工況下運(yùn)行，強(qiáng)度是足夠的。 應(yīng)力比較大的區(qū)域是： （1） 發(fā)動(dòng)機(jī)加載的橫梁和縱梁上； （2） 乘客門立柱的下半部分； （3） 前圍風(fēng)窗下矩管連接處。 客車骨架的其它部分應(yīng)力小于許用應(yīng)力，可以滿足安全要求。 第五章 客車骨架改進(jìn)設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)分析 5.1 客車骨架改進(jìn)方案 通過對上述彎曲，扭轉(zhuǎn)工況的分析，我們可以看出客車骨架在三種工況下，客車骨架的頂蓋、后圍的應(yīng)力均低于25MPa，客車的底架上出現(xiàn)應(yīng)力不均的現(xiàn)象，因此，改進(jìn)方案選為：對客車骨架的頂蓋的部分矩管尺寸由原來

63、的改為，對原來后圍的兩根立柱的角鋼去掉，對底架上的橫梁，在發(fā)動(dòng)機(jī)加載處，多加兩根橫梁，同時(shí)去掉后半部兩根對底架應(yīng)力不大的橫梁，以試圖增強(qiáng)客車骨架的強(qiáng)度，減少重量。 客車骨架改進(jìn)前后比較 通過在原有的模型的基礎(chǔ)上修改模型，修改后的有限元模型，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為3612個(gè)，共使用Beam188單元1875個(gè)，Combin14單元8個(gè)。然后在改進(jìn)后的模型上施加約束和載荷，施加約束和載荷的方法和改進(jìn)前的方法相同，然后用ANSYS軟件重新計(jì)算，得出以下三種工況的比較： 彎曲工況比較 下圖是客車骨架改進(jìn)后彎曲工況下的豎直位移圖： 圖5.2-1 改進(jìn)后滿載彎曲工況下的豎直位移圖 我們通過

64、對比可以看出，由于骨架重量減輕，所以客車骨架整體的豎直位移減少。 下圖是客車骨架改進(jìn)后彎曲工況下的應(yīng)力圖： 圖5.2-2 改進(jìn)后滿載彎曲工況下的應(yīng)力圖 從總體上看，我們可以看出，改進(jìn)后，客車骨架的頂蓋和后圍的應(yīng)力仍小于12MPa，原來應(yīng)力比較的大的發(fā)動(dòng)機(jī)加載點(diǎn)，應(yīng)力集中的區(qū)域減少了許多，此處最大應(yīng)力約50MPa。而在底架的后半部去掉兩根橫梁，應(yīng)力增大到20MPa，應(yīng)力小于許用應(yīng)力，滿足安全要求。 左前輪懸空工況比較 下圖是改進(jìn)后左前輪懸空扭轉(zhuǎn)工況下的豎直位移圖： 圖5.2-3 改進(jìn)后滿載左前輪懸空扭轉(zhuǎn)工況下的豎直位移圖 通過對比，我們可以看出，左前輪懸空時(shí)，最大

65、位移稍微增大，這是由于前端增加了兩根橫梁造成的。 下圖是改進(jìn)后左前輪懸空扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力圖： 圖5.2-4 改進(jìn)后滿載左前輪懸空扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力圖 從總體上看，我們可以看出，改進(jìn)后，客車骨架的頂蓋和后圍的應(yīng)力仍小于27MPa，原來應(yīng)力比較的大的發(fā)動(dòng)機(jī)加載點(diǎn)，應(yīng)力集中的區(qū)域減少了許多，此處最大應(yīng)力約90MPa。而在底架的后半部去掉兩根橫梁，應(yīng)力增大到60MPa，小于許用應(yīng)力，滿足安全要求。 左后輪懸空工況比較 下圖是改進(jìn)后左后輪懸空扭轉(zhuǎn)工況下的豎直位移圖： 5 改進(jìn)后滿載左后輪懸空扭轉(zhuǎn)工況下的豎直位移圖 通過對比，我們可以看出，左后輪懸空時(shí)，最大位移稍微減小，這是由于

66、后端減少了兩根橫梁造成的。 下圖是改進(jìn)后左后輪懸空扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力圖： 圖5.2-6 改進(jìn)后滿載左后輪懸空扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力圖 從總體上看，我們可以看出，改進(jìn)后，客車骨架的頂蓋和后圍的應(yīng)力仍小于28MPa，原來應(yīng)力比較的大的發(fā)動(dòng)機(jī)加載點(diǎn)，應(yīng)力集中的區(qū)域減少了許多，此處最大應(yīng)力約80MPa。而在底架的后半部去掉兩根橫梁，應(yīng)力約為20 MPa，應(yīng)力小于許用應(yīng)力，滿足安全要求。 5.3 客車骨架改進(jìn)總結(jié) 經(jīng)過改進(jìn)后，客車骨架的重量由原來的減小為，骨架的重量得到了減輕。并且在比較薄弱的地方加上兩根橫梁，應(yīng)力減少，達(dá)到了本次設(shè)計(jì)的目的。 結(jié)論 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)介紹了有限元分析的原理和在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，并利用有限元分析軟件ANSYS，對成都客車廠生產(chǎn)CDK6593N客車進(jìn)行骨架有限元分析，得到了靜態(tài)下，彎曲和扭轉(zhuǎn)工況的位移和應(yīng)力的求解結(jié)果。通過圖形可以直觀的看到最容易變形和破壞的區(qū)域，為后續(xù)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了有力的依據(jù)。 通過前面的分析找到了需要解決的問題，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)安放的位置，應(yīng)力較大，而頂蓋的應(yīng)力較小，在原模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，對發(fā)動(dòng)機(jī)安放的位置多加兩