基于有限元的某承载式客车车身结构静态特性分析
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摘 要：在调研国内外相关研究的基础上，结合全承载式客车的特点，建立了某型客车车身骨架有限元模型，并进行实验验证，运用验证的模型分析静态工况下客车车身骨架的强度及刚度特性。
关键词：车身骨架 有限元 强度分析 刚度分析
中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）09（a）-0108-01
客车车身结构设计的主要任务是确保车体具备一定的刚度、强度和相应动态性能以满足实际使用的需求[1]。本文运用有限元法，采用ANSYS软件建立了某承载式客车车身骨架有限元模型，通过实车静态应变测试验证了模型的精确性。最后，运用所建立的模型分析该型客车在整车装配条件下各部件、总成的应力分布及车身变形情况[2]。
1 有限元模型的建立
1.1 模型的简化
有限元分析过程中，几何模型在尽可能如实反映整车结构主要力学特征的基础上应对模型进行适当简化[3]以提高分析的效率，忽略某些对整车应力分布和变形影响较小的小尺寸结构，如：小孔、开口、翻边等；忽略车身蒙皮的影响；将空间曲梁简化为直梁并建立等效的悬架系统。
1.2 几何模型的生成
将车身UG模型导入ANSYS软件中，生成三维几何模型。
1.3 材料属性的确定
该型客车的车身骨架采用的是16Mn，16Mn的材料参数如表1所示，材料参数的单位均已经换算为单位制Kg-mm-s。
1.4 载荷处理
汽车在行驶过程中是受交变载荷作用的，当动载荷较小时，只需进行静态分析。此时，发动机、车窗玻璃、乘客质量可按集中载荷加载到相应的支撑结点上；行李舱内放置的行李及顶盖上的空调可按均匀加载方式，均匀分布到车身骨架对应的梁单元上。
2 静态电测实验及有限元模型验证
对加载后的模型进行求解计算，选取模型中应力较大的地方并根据实际经验确定布点方案，布置70个测点。对实车进行静态电测试验，静态试验所测得的值和模型有限元分析结果通过对比，80%多的测点理论计算值与试验结果相对误差都在允许范围内。由于模型得简化和加载不可避免的与实车存在差异，同时考虑到实际的实验误差，可以认为测试结果与计算分析比较吻合，从而说明所建立的有限元模型是正确和可靠地。
3 载荷工况分析
3.1 计算工况
（1）水平弯曲工况。
水平弯曲工况模拟客车在静态或在水平良好路面上匀速直线行驶时产生的对称垂直动载荷。约束条件为：约束左前板簧支撑点全部自由度，约束右前板簧支撑点X、Z方向自由度，约束左后板簧支撑点Y、Z方向自由度，约束右后板簧支撑点Z向自由度，并释放支撑点全部转向自由度。
（2）弯扭工况。
弯扭工况模拟客车满载状态下在不平的路面行驶时，一个车轮进入凹坑而悬空，另一车轮被抬高时施加在车桥上的扭矩作用。约束条件为：释放左前板簧支撑点Z方向自由度（左前轮悬空），其他同水平弯曲工况。
（3）制动工况。
制动工况模拟客车行驶过程中以最大制动加速度紧急制动时，地面制动力对车身骨架的影响。约束条件为：对整车施加纵向加速度0.7g，其他同水平弯曲工况。
（4）转弯工况。
转弯工况模拟转弯时侧向惯性力对车身的影响。约束条件为：在水平弯曲工况的基础上，对整车施加横向加速度0.4g。
3.2 强度分析
强度分析采用第四强度理论导出的等效应力，即VonMises应力进行评价。采用安全系数n评判强度是否足够，该车型骨架材料采用16Mn=345MPa。
分析看出，四种工况下客车底架总成区域应力最大。底架承受了客车大多数的垂直载荷，因而这一结果符合实际。安全系数上，除极限弯扭工况外，四种工况下客车各总成均具有较大的安全系数。客车实际运行过程中极少会出现极端的极限弯扭工况。
3.3 刚度分析
车身静态刚度的优劣直接影响汽车使用性能的正常发挥。刚度不足会使车身部件产生变形而破坏零部件之间的相对位置，从而引起应力集中降低零部件的使用寿命。通过对比，极限弯扭工况下变形最大达到29.83mm，位于顶盖、前围和左侧围连接区域。其他三种工况下，车身各部件均无较大变形，整车车身骨架刚度尚可。
4 结语
车身结构强度和刚度分析是车身结构评价的基础，建立车身结构强度分析的边界条件、载荷工况、评价规范是分析的重点。本研究通过对该型客车四种工况的模拟与分析，可以认为该型客车车身骨架的刚度和强度基本满足使用要求。同时，底架前段应力值较高，也可对客车底架结构进行进一步优化。
参考文献
[1] 杨宇光，胡锫.客车车架结构强度计算[J].长春光学精密机械学院学报，1998.
[2] 柴山，焦学健，王树凤.CAE技术在汽车产品设计制造中的应用[J].农业装备与车辆工程，2005.
[3] 冯国胜.轻型车有限元分析及应用[J].城市车辆，1995.