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1、书书书第 卷第 期 重 庆 理 工 大 学 学 报（自然科学）（）年 月 收稿日期：作者简介：王若平（），女，黑龙江哈尔滨人，博士，教授，主要从事汽车理论设计与方法研究。引用格式：王若平，柳淑云，朱国梅 大客车车身骨架早期局部开裂分析 重庆理工大学学报：自然科学版，（）：，：，（）：（）大客车车身骨架早期局部开裂分析王若平，柳淑云，朱国梅（江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 ；潍柴（扬州）亚星汽车有限公司，江苏 扬州 ）摘要：客车骨架早期局部开裂问题影响客车的可靠性和耐久性。通过 和 软件对某客车车身骨架进行了多种工况下的有限元强度分析。分析结果表明：该客车在各种工况下应力集中的位置基本
2、一致，且与客车发生早期开裂的位置吻合，主要发生在前后悬架钢板脚附近以及侧窗立柱与上下梁的焊接处。根据强度分析结果对客车结构薄弱处进行改进优化，使其达到使用要求，提高了客车的可靠性和耐久性。关键词：客车车身骨架；有限元；强度分析；改进优化中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；（），）：，：；近年来，我国的客车行业有了蓬勃的发展，但由于起步较晚，与国外的客车行业相比还有一定的差距。目前客车设计存在几个问题：一是以引进国外技术进行仿制和改装设计为主，自主开发的新产品较少；二是国内的一些客车厂对客车进行制造、改进时还或多或少地依靠经验设计方法，造成一些产品结构强度分布不合理；三是我国各地区道路
3、、路面工况不一，客车行驶在盘山公路或路面高低不平的道路上时，整个车身骨架会受到反复弯扭等复杂工况的考验 。这些因素会导致客车局部位置早期开裂，这势必会影响企业声誉和客车的产品质量，也使客车在行驶过程中存在很大的安全隐患。针对早期开裂的问题，我国客车厂家一般都采用局部加强的方法，缺乏相应的理论依据，导致整车整备质量增加，影响燃油经济性等。随着计算机技术的快速发展，有限元法在客车结构强度分析中得到了广泛的应用。本文试图运用有限元方法对客车的强度进行分析，从整车角度进行结构优化，解决客车车身骨架早期局部开裂的问题，为提高客车产品质量提供有效方法 。骨架特点和失效情况发生早期局部开裂问题的客车骨架由前
4、围、后围、左侧围、右侧围、顶盖、地板和底架组成；其中，地板骨架、左右侧围骨架、顶盖骨架以及前后围骨架组成一个六面体。地板、左右侧围、前后围、顶盖骨架主要由形状规则的钢管、角钢等焊接而成。客车的底架部分主要由纵梁、外横梁、内横梁和加强板等组焊而成。客车骨架的几何模型如图 所示。图 客车骨架几何模型客车骨架发生早期局部开裂的位置有：后门前立柱（见图）；窗立柱上端（见图）；窗立柱与窗上下沿梁接合处。有限元模型的建立本文所建立的模型由车身骨架和车架组成，车身骨架材料为 ，车架采用材料主要为 ；整车整备质量为 ，总质量为 ，最大载客人数为 ；整车的附件包括前后轴总成、发动机、变速箱、离合器、钢瓶及支架等
5、；悬架是钢板弹簧。建立有限元模型过程中的一些细节如下：模型的简化：略去非承载构件和装饰件；曲率较小的构件近似地看作直梁；靠的很近但不重合的连接面，简化为同一平面；很小的圆弧过渡，简化为直角过度；结构上的孔、台阶、凹槽、翻边在截面性状特性等效的基础上尽量简化，对截面特性影响不大的特征予以忽略。网格和单元：客车的模型采用板壳单元进行网格划分。为了兼顾时效性和准确性，建模时把重要的、应力较大的部分和钢管连接点等处划分的单元细化，把不重要、应力小、钢管和板的非连接点部分简化。经反复对比车身模型不同大小单元的计算结果，将板壳单元按 划分。图 后门前立柱开裂照片图 窗立柱上端开裂照片附件的处理：发动机、变
6、速箱、离合器、钢瓶及其支架以质量点的形式进行模拟，用 约束单元将质量点与车身的骨架单元进行连接。悬架的处理：通常运用悬臂梁单元来模拟板重 庆 理 工 大 学 学 报簧，保证悬臂梁在竖直方向上的等效刚度和板簧的刚度一致，在桥的部分节点上增加一些集中质量点，以保证簧下质量与实际一致；轮胎和气囊用梁单元等效轴向刚度模拟。载荷的处理：客车骨架的自身重量，在 软件前处理程序中输入骨架材料的密度和重力加速度，程序便根据所输入的单元形状、实常数自动将单元载荷因子的信息计入总载荷进行计算；装在车身或车架各总成，如发动机、蓄电池、钢瓶等，可作为集中载荷，按照在车上安装的实际位置及各位置所分担的重力，作用于相应的
7、节点上；乘客及座椅的重力，可作为集中载荷，按支点跨距分配于相应的节点上。车内站立的乘客按每平方实际站立人数，作为均布载荷作用于地板上并传到底架上。在选定好单元类型、单元大小和材料模型后，对本车整车骨架进行网格划分，整车的有限元模型共划分为 个单元，个节点。客车车身骨架的有限元模型如图 所示。图 客车车身骨架有限元模型 强度分析和优化本文对车身骨架在垂直载荷、整车弯扭、发动机最大扭矩 种工况下进行了强度分析。有限元分析的基本原则：应力大于 （包含冲击载荷系数 ，但不包括疲劳系数）的区域认为是危险区；施加约束导致局部畸变而引起的危险点忽略；红色为危险区，越往白色过渡应力越小。垂直载荷工况计算结果及
8、优化垂直载荷工况计算主要用于客车满载状况下、四轮着地时结构的静态强度校核，该工况下路面的反作用力使车身承受对称的垂直载荷而产生弯曲变形。垂直载荷工况下的计算结果如图 所示。由分析结果可知：前后悬架钢板脚附近的应力略大，详见表 ，其他部位的应力均满足要求。图 垂直工况下整车的应力云图表 悬架钢板脚局部位置应力位置应力 前悬架前钢板脚 前悬架后钢板脚 后悬架前钢板脚 后悬架后钢板脚 针对前后悬架钢板脚处应力集中的现象，提出了如下优化措施：车架前后悬架钢板脚薄弱处在纵梁侧面增加覆板分散应力；车架后部钢瓶改为横向布置，尽量使左右两侧重量分布均匀。按以上措施改进后，前后悬架钢板处的应力集中现象得到了解决
9、。整车弯扭工况分析结果及优化整车弯扭工况主要考虑的是客车满载、左前轮悬空时施加在车桥上的扭矩的作用，这是最严重的扭转工况，一般发生在汽车低速通过崎岖不平的路面时。这种工况下的动载变化缓慢，惯性载荷很小，故车身的扭转特性可近似看作是静态的。弯扭工况下整车的应力分布情况如图 所示。由分析可得侧窗立柱和侧窗上下沿梁连接处的应力偏大，尤其是右侧窗，有些地方的应力超过了 。这是因为客车的前后门设在右侧围，乘客从右侧围上下车。右侧窗立柱和侧窗上下梁连接处的应力情况详见表 。王若平，等：大客车车身骨架早期局部开裂分析图 弯扭工况整车的应力云图表 右侧窗局部位置应力位置应力 第二窗立柱上端 第三窗立柱上端 第
10、四窗立柱下端 后门立柱下端 针对侧窗立柱与上下沿梁连接处应力过大的现象，提出各种优化措施，经过反复的试验和对比后，最终确定的优化措施为：侧窗下沿梁的异型管改为两根钢管拼焊；调整窗洞使窗立柱与顶盖横梁对应，窗立柱、顶横梁、裙立柱、地板骨架横梁形成封闭受力环；调整下沿梁下方立柱支撑和斜撑的位置，使之与窗立柱对应，以增加窗立柱处强度；门立柱略改变横截面后由一根改为两根，并取消窗立柱止口梁。按照以上措施改进优化后，侧窗立柱与上下沿梁的交接处的应力得到了很大的改善，具体情况详见表 。表 改进前后窗立柱应力大小对比位置优化前的应力优化后的应力变化量 左第二窗立柱 左第三窗立柱 左第四窗立柱 右第一窗立柱上
11、端 右第二窗立柱上端 右第三窗立柱上端 右第四窗立柱下端 后门前立柱与下沿梁交接处 发动机最大扭矩工况发动机处于最大扭矩工作状态也是客车的极限工况之一，因此也要对其进行分析。分析结果如图 所示，分析结果显示：发动机处于最大扭转工况工作状态时，整车应力分布均满足要求。图 发动机最大扭矩工况下整车的应力分布 结论）本文建立了车身骨架的有限元模型，用 对车身强度进行了静态分析，得到车身分别在垂直载荷、整车弯扭、发动机最大扭矩工况下的应力分布情况。）由车身骨架在多种工况下的应力分析结果可知，车身骨架出现应力集中的位置基本相同，主要在侧窗立柱与上下沿梁的连接处，与客车发生早期开裂的位置基本相同。）针对应
12、力集中的情况，经过反复的实验调整和研究分析，最终确定客车骨架的优化方案，对整车和局部的骨架进行优化，消除了应力集中现象。）采用全壳结构建模，提高计算结果的精确度。积累了有限元建模、载荷处理、结果分析等方面的经验，对今后产品结构设计提供了参考。参考文献：郑冬黎，张胜兰，张兵，等 基于 的客车车身骨架强度分析与结构改进 湖北汽车工业学院学报，（）：丁良旭，卢刚 国外客车技术的主要发展趋势 汽车研究与开发，（）：重 庆 理 工 大 学 学 报 谭继锦 汽车有限元法 北京：人民交通出版社，梁栋科，杨大智，齐民，等 超弹性镍钛合金血管内支架的有限元分析 功能材料，（）：管义群 客车有限元建模方法概述 客
13、车技术与研究，（）：王力，林济余，刘向征，等 某一级踏步 城市客车强度分析与结构优化 客车技术与研究，（）：田芳，王涛，石琴 全承载式客车车身结构有限元分析 客车技术与研究，（）：韦志林，沈光烈，黄昶春 客车骨架有限元计算模型的改进 机械设计，（）：杜娟 基于有限元分析的大客车车身结构强度优化 西安：长安大学，徐志汉，张代胜 客车车身骨架有限元建模及优化 合肥工业大学学报：自然科学版，（）：周伟，宋学伟 客车车身结构拓扑优化设计 客车技术与研究，（）：庞建武，刚宪约 一种基于强度理论的大客车开口变形分析新方法 农业装备与车辆工程，（）：邓承浩，范子杰，桂良进 全承载大型客车车身骨架梁单元与壳单
14、元模型有限元计算对比 汽车技术，（）：，余启志 基于 的客车车身骨架优化设计 制造业自动化，（）：高伟，邓召文，方超 客车车身骨架静动态分析与轻量化设计 重庆交通大学学报：自然科学版，（）：，代国玉，李志 承载式城市客车车身骨架结构模块化设计 客车技术与研究，（）：刘文彬，汪小朋 基于 的某客车车身骨架振动特性分析 轻型汽车技术，（）：，木标，王浩，蒋成武 客车车身骨架动态特性分析 山东交通学院学报，（）：，左向南，焦映厚，陈照波，等大型客车车身骨架结构分析 机械工程师，（）：张林涛，于潮，陈红涛，等某三段式客车车身骨架有限元分析 汽车零部件，（）：吉国光 大型客车车身骨架重点部位的修复 重型
15、汽车，（）：王远，谷叶水 基于 的客车车身骨架模态分析 拖拉机与农用运输车，（）：岳凤来，吴志新，周荣 城市客车车身骨架有限元分析及改进设计 机械设计与制造，（）：陈金亮，王远，谷叶水 客车车身骨架强度与刚度的有限元分析 拖拉机与农用运输车，（）：，王德伦，肖荣光 基于 的车身薄板件点焊漂移偏差仿真 四川兵工学报，（）：王中林，杨晟，石金发 铝合金薄板激光焊接试验 激光杂志，（）：，张大千，张天侠，张国胜，等 基于灵敏度分析的客车车身骨架轻量化设计 机械强度，（）：陈峰，何仁，刘文光，等 前轴载荷对电动客车 系统的助力与节能性的影响 重庆理工大学学报：自然科学版，（）：，刚灵，尹明德 基于 ，的客车车身骨架的有限元建模 机械制造与自动化，（）：常海雷，张建，王栋，等 基于 、的某客车车身骨架的有限元建模研究 汽车实用技术，（）：（责任编辑刘舸）王若平，等：大客车车身骨架早期局部开裂分析