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1、合肥工业大学硕士学位论文客车车身骨架轻量化研究及疲劳分析姓名：孙立君申请学位级别：硕士专业：载运工具运用工程指导教师：谭继锦20100401客车车身骨架轻量化研究及疲劳分析摘要本文根据某全承载式客车车身骨架的结构特点和承载特点，采取各总成分开建模，六大片集中装配的方式，由两组人员分别建立了梁单元有限元模型和板壳单元有限元模型。两套有限元模型在网格划分时均以2 0 m m 为单位，且在进行静态分析时对各工况施加完全相同的载荷条件和约束条件。对比静态测试分析结果，两套有限元模型均可以用于静力分析，板壳单元有限元模型满载水平弯曲工况下的应力值与试验测试结果更为接近，梁单元有限元模型可以用于做进一步的
2、轻量化设计。对轻量化设计前后的梁单元有限元模型的部分构件采取板单元的方式重新划分网格，利用梁单元和板单元的混合单元有限元模型对轻量化设计前后的部分测点进行了疲劳寿命估算。在满足结构刚度、强度、振动性能和疲劳寿命的前提下，车身骨架质量减轻了约9 5 姆。关键词：客车车身；有限元法；强度分析；轻量化；疲劳分析L i g h t w e i g h ta n dF a i t g u eR e s e a r c hO i lC o a c hB o d yF r a m eA B S T R A C TA c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t
3、 i c so fs t r u c t u r ea n dl o a d i n g，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l so fs o m ep r o d u c e di n t e g r a lc o a c hb o d yf r a m ew e r ed i v i d e ds i xp i e c e sw h i c hi n e l u d ea l la s s e m b l ya n de s t a b l i s h e d T h eb e a me l e m e n tm o d e la n dt h es
4、 h e l le l e m e n tm o d e lw e r ee s t a b l i s h e db yt w og r o u p s T h e yw e r ed i v i d e di n t o2 0 r a mm e s h s，a n dw e r ei m p o s e dt h es a m el o a d i n gc o n d i t i o n sa n dc o n s t r a i n t sd u r i n gt h es t a t i ca n a l y s i s C o m p a r i n gw i t hs t a t
5、 i ct e s tr e s u l t s，t w of i n i t ee l e m e n tm o d e l sc a nb eu s e df o rt h es t a t i ca n a l y s i s，a n dt h es t r e s so ft h es h e l le l e m e n tm o d a lw a sm u c hc l o s e rt h et e s tr e s u l t si nl e v e l i n ga n db e n d i n gc o n d i t i o n，a n dt h eb e a me l
6、e m e n tm o d e lc a nf o rt h ed e s i g no fl i g h t w e i g h t S o m ef i n i t ee l e m e n tm o d e le l e m e n t so fb e a me l e m e n t sw h i c hb e f o r ea n da f t e rt h el i g h t w e i g h td e s i g nw e r er e m e s h e di nt h es h e l le l e m e n tw a y T h eh y b r i df i n
7、i t ee l e m e n tm o d e lo fb e a ma n ds h e l le l e m e n t sw e r eb u l i ti nt h i sp a p e r A n dt h e n，t h ef a t i g u el i f eo fs o m et e s tp o i n t sw e r ee a l c u l a t e d F i n a l l yt h eq u a l i t yo fb o d yf r a m ew e r er e d u c e db y9 5 k gu n d e rt h ep r e m i s
8、 eo fm e e t i n gt h es t r u c t u r a ls t i f f n e s s，s t r e n g t h，v i b r a t i o np e r f o r m a n c e，a n df a t i g u el i f e K e y w o r d s：C o a c hb o d y；F i n i t ee l e m e n tm e t h o d；S t r e n g t ha n a l y s i s；L i g h t w e i g h t；F a t i g u ea n a l y s i s插图清单图1 1
9、国外普遍采用的车身结构设计系统流程4图1 2 客车车身骨架有限元建模流程7图2 1 空间梁单元一1 2图2 2 薄板的坐标和内力分量1 4图2 3 薄板中面内力1 5图2 4 板型矩形壳单元1 6图2 5 四节点四面体实体单元18图2-6 结构质量单元2 0图2 75 0 C r V 的P S N 曲线2 4图2 8 疲劳分析的基本流程2 5图2-9N S O F T 软件疲劳分析的基本框架2 6图2 1 0M S C F A T I G U E 软件疲劳分析的基本框架2 7图3 1U G 软件中的三维实体几何模型2 9图3 2A N S Y S 软件中的三维线框几何模型3 0图3 3H Y
10、P E R M E S H 软件中的三维板壳几何模型3 0图3 4A N S Y S 软件中整车车身骨架及各总成有限元模型31图3 5 部分异型梁3 l图3-6H Y P E R M E S H 软件中整车车身骨架及各总成有限元模型3 2图3 7 整车车身骨架加载模型3 4图4 1 梁单元有限元模型水平弯曲工况整车车身骨架变形和应力分布3 8图4 2 梁单元有限元模型水平弯曲工况车身骨架各总成应力分布3 9图4 3 梁单元有限元模型极限弯扭工况整车车身骨架变形和应力分布4 0图4 4 梁单元有限元模型极限弯扭工况车身骨架各总成应力分布4 1图4 5 板壳单元有限元模型水平弯曲和极限弯扭工况车身
11、骨架应力分布一4 2图4 6 两种有限元模型底架后段左侧与后悬架的连接区域对比4 3图4 7 静、动态试验一4 4图5 1 底架前段和后围加强方案5 5图5 2 轻量化车型水平弯曲工况车身骨架变形和应力分布5 6图5 3 轻量化车型极限弯扭工况车身骨架变形和应力分布5 7图5-4 轻量化后车型部分模态振型一5 9图6 1 空间应力状态6 2图6 24 l 号、4 2 和4 3 号测点梁局部有限元模型。6 2图6 31 6 M n 的P S N 曲线6 5图6 4 输入A N S Y S 软件中的1 6 M n 的9 0 s N 曲线值6 6图6-54 2 号测点轻量化设计前后的疲劳计算结果6
12、6表格清单表3 1 各物理量单位制2 8表3 21 6 M n 的材料性能2 8表3 3 客车车身骨架有限元模型加载质量分布情况3 3表4 1 梁单元有限元模型与板壳单元有限元模型的最大应力及变形对比4 2表4 2 主要试验仪器4 4表4 3 应变片分布情况4 5表4 4 车身骨架静态应力值4 7表4 5 车身骨架静态应力变化值一4 8表4-6 客车高速环道(满载)动态应变应力值变化4 9表4 7 客车车身可靠性道路(满载)动态应变应力值变化4 9表4 8 水平弯曲工况(满载)有限元计算结果与静态试验结果对比5 0表5 1 底架总成初始轻量化设计方案：5 2表5 2 轻量化车型水平弯曲工况各总
13、成最大应力和变形及变化值5 6表5 3 轻量化车型极限弯扭工况各总成最大应力和变形及变化值5 7表5 4 车身骨架轻量化设计前后前十阶固有频率和主要振型5 8表6 11 6 M n 旋转弯曲P S N 曲线的口。值和b。值6 3表6 21 6 M n 的5 0 S N 曲线值6 3表6 3l6 M n 的9 0-S N 曲线值6 4表6 41 6 M n 的9 5 S N 曲线值6 4表6 5 轻量化设计前各测点的疲劳计算结果6 7表6 6 轻量化设计后各测点的疲劳计算结果6 7独创性声明本人声明所是交的学位论文是本人在导师指导卜进行的研究r：作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志
14、和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包禽为获得金g 墨：!：些厶堂或其他教育机构的学位或证I5 而使H j 过的材料。与我一同I：作的同忠对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签字：圣J、盏忍签字日期：加”年奉月哆自学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解金胆：=!；：、业盔堂有关保留、使川学位论文的规定t 有权保留弗向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被夯阅或借阅。本人授权金8 垦!：些厶堂可以将学俯论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采圳影印、缩印或扫描筲复制手段保存、汇编学位论文。(保密的
15、学1：7：论文在解密后适刚本授权书)导师签名：签字日期：电话：邮编：癣嘶矿，矿年驴月、日磊日，乃一哆、月向、19 去莎后：年业名p 毕签护者者：作：文明文位址论日论单地何字何作讯学签学上通特别声明本学位论文是在我的导师指导下独立完成的。在研究生学习期间，我的导师要求我坚决抵制学术不端行为。在此，我郑重声明，本论文无任何学术不端行为，如果被发现有任何学术不端行为，一切责任完全由本人承担。学位论文签名：签字日期：2，年 7 6互办4 月z 多日致谢荏苒冬春，寒暑忽流，我的硕士研究生学习阶段即将结束。从一个懵懂的少年走到现在，此间的成长得益于师长、亲人和朋友的关怀与支持。首先，感谢我尊敬的导师谭继锦
16、副教授，衷心的感谢他在我读研期间所给予的学术指导和生活关怀。谭老师知识渊博、思维敏捷、治学严谨、人格高尚、宽以待人、严于律己，是我今后学习和工作的榜样，我将受益终身。感谢张代胜教授在我学习过程中所给予的热心帮助和细心指导。张老师求实的态度，豁达的胸襟，使我在学习和做人方面都受益匪浅。在此，谨向我尊敬的两位老师再次表示最诚挚的谢意!感谢陈朝阳教授，感谢车辆教研室钱立军教授、石琴教授和尹安东副教授等在课题研究期间给予的热心帮助!感谢车辆试验室徐建中和王荣贵老师等在试验测试期间给予的热心帮助!感谢研究生期间同学：蒋成武、阮晓波、马钧、李传博、任彦铭、储昭淼、林伟、姚伟、陈娜、王晓丽、柏林、何丽君、朱
17、清君、魏洪革、阮仁宇等对本人学习、论文完成和其它各方面的帮助!感谢昔日同窗：张连锁、辛春亮、颜瑞、张林涛、胡思杰、赵继峰、王柏、任臣栋、邓广森等，是兄弟们伴我成长。感谢我的小学启蒙老师孙玉华先生。最后，衷心地感谢我的亲人。感谢老爸老妈的养育之恩，感谢老姨老姨夫从小到大的照顾，感谢大哥大嫂的全力帮助，感谢母丹伴我度过的四个春秋。正因为你们的关怀和支持，才使我迈入而立之年，尚能安心于学业，最终完成硕士研究生毕业论文。谨将这篇论文献给我的老师、亲人和朋友。作者：孙立君2 0 1 0 年0 4 月1 0 日于格物楼汽车实验室第一章绪论1 1 引言随着国民经济的高速发展和人们生活水平的不断提高，人们的出
18、行方式也向多元化方向发展。特别是城乡公路建设和高速公路的连线成网，有力地促进了公共交通事业和长途运输事业的发展，给我国客车生产企业带来了新的发展空间和机遇。但是，我国客车生产企业在迎接发展机遇的同时，也面临着巨大的挑战，既要面临国内行业内部的竞争，也要面临与国际接轨的诸多问题。一方面，国内有百余家客车生产企业，干余种客车产品，迫使客车市场的供求关系发生变化，已经由卖方市场逐步转为买方市场。这就要求客车生产企业不断地将新概念、新方法和新技术融入到产品的设计和生产中，与时俱进的生产系列化产品，以满足国内不同客户不同时期的不同需求：另一方面，国内市场对客车的需求量有限，迫使客车生产企业必须开发国际市
19、场，设计和生产满足国际市场使用要求的车型。随着人们对客车的安全性、舒适性、环保性和经济性等各方面提出了越来越高的要求，客车企业要提高产品的市场占有率和经济效益，提高企业的自主创新能力和竞争能力，就必须研发自己的产品，树立自己的品牌，且相比同类产品质量要好、价格要低、更人性化。随着计算机技术的快速发展和相关理论的趋于成熟，工程设计人员已越来越多地将计算机辅助工程C A E(C o m p u t e r A i d e dE n g i n e e r i n g)技术融入到产品研发的各个阶段【1 5 1。在产品生产以前进行一系列的分析、试验和论证等相关的研究工作，不但可以缩短产品的研发周期，还
20、可以有效的降低研发成本。而且，根据各个阶段的不同特点，C A E 技术产生了一系列的技术分支，如：计算机辅助设计C A D(C o m p u t e rA i d e dD e s i g n)、计算机辅助制造C A M(C o m p u t e rA i d e dM a n u f a c t u r i n g)、计算机辅助试验C A T(C o m p u t e rA i d e dT e s t)和计算机辅助工艺过程设计C A P P(C o m p u t e rA i d e dP r o c e s sP l a n n i n g)等。1 2 研究背景自1 8 8 5
21、年，德国人K a r lF r i e d r i c hB e n z(1 8 4 4 1 9 2 9)研制出世界上第一辆马车式三轮汽车，百余年来，汽车在改善人们生活质量和提高人们生活水平的同时也带来了诸多问题：(1)安全问题随着汽车保有量的持续增长，因驾驶人员操作不当或设计缺陷导致的交通事故频繁发生，汽车的安全性能越来越受重视，所以需要加强安全设计和疲劳寿命设计【6 J。(2)能源问题汽车工业消耗着大量的世界能源。人类社会面临着严重的能源危机，节能环保已成为汽车工业不可避免的课题。在保证汽车正常使用的安全性能下，对其结构进行优化设计，降低其质量，是降低油耗的有效措施之【7 1。(3)环境问
22、题油耗与废气排放密切相关，汽车尾气中含有大量的N O x、C 0 2、C O、H C，特别是C 0 2 的温室效应日趋明显，近年来许多国家已相继制定或正在制定限制油耗和排放的法规【引。面对交通事故频繁发生的严重事实，世界能源过分消耗的严峻前景，地球环境日益恶化的现实威胁，减轻客车车身骨架质量、降低油耗、减少排放、提高安全性、合理设计疲劳寿命和提高材料利用率，已成为客车生产企业技术革新的重要课题。国内客车生产企业在早期的车身骨架设计中，基本以拆装仿制或改装同类车型为主。由于缺乏有效的理论分析和可靠的试验数据，设计人员只能凭经验进行类比设计，没有引进现代设计方法，整车出厂后的实际运行中，常会出现部
23、件过早的疲劳破坏、异常磨损或整车振动噪声过大等各种问题【9】。一旦出现的问题则采取局部加强的办法，使整车质量不断增加，性能没有得到优化，也制约着新结构的产生。因此，开展客车车身结构设计与分析工作，在满足结构强度、刚度、振动性能和疲劳寿命的前提下，合理地进行结构再设计，对客车车身设计具有重要的意义。客车车身骨架轻量化的途径一般有两条：一是改变材料，即使用密度小，弹性模量值高的轻质材料；二是改变车身骨架结构，即去掉对结构影响不大的梁或局部结构重新设计，减小梁的截面尺寸或梁壁的厚度【l0 1。但一般车身骨架所用材料较为单一，国内一般用途客车车身骨架材料基本选用1 6 M n。由于生产成本的限制，除非
24、特殊用途客车，否则一般营运客车不会采用价格昂贵的密度小、弹性模量值高的轻质材料。现阶段客车车身骨架轻量化的主要途径基本是设计合理的车身骨架结构型式，以减轻车身骨架的质量【1 1 1。客车的行驶过程中，车身骨架有些部件是易于破坏的，有些部件则是不易于破坏的，为使客车车身骨架在合理使用年限后各总成共同达到报废，在轻量化设计的同时还要针对车身骨架进行疲劳寿命分析与设计等工作【l2 1。本课题就是在上述背景下提出的，目的在于研究全承载式客车车身骨架结构，分析其静、动态特性，进行等强度和等寿命设计。在保证客车性能和功能不受影响或有所提高的情况下，实现客车车身骨架结构的优化设计，减轻客车车身骨架质量。1
25、3 研究目的和意义客车车身骨架结构按车身承载方式可以分为：全承载式车身、半承载式车2身和非承载式车身三大类。其中，全承载式车身是一种基于车身轻量化及车身结构合理化的无车架的复杂的空间薄壁框架结构，是当今大客车上广泛采用的一种车身骨架结构。从结构力学角度分析，车身是由空间骨架、薄板、壳体和蒙皮等组成的空间高次超静定结构。根据装配和加载等工艺的需要，车身骨架主要采用矩形梁，并采用少量的异型梁和钢板，各杆之间多采取焊接的方式连接。因此，对全承载式车身骨架进行静、动态分析，采用经典力学方法已很难得到精确的解。随着计算机软硬件水平的逐步发展，有限元理论的不断深入，电子设备的日趋精密，建立客车车身骨架有限
26、元模型，利用有限元法对客车车身骨架进行静、动态分析已经成为种趋势【1 3】。作为全承载式客车主要承载结构的车身骨架，其结构形式直接影响车身的整车性能(如：振动、噪声和疲劳寿命等)【l4 1。在全承载式客车车身骨架设计中，不但要满足客车运行中对车身骨架的刚度、强度、振动性能和疲劳寿命等方面的要求，而且应尽可能地减轻车身骨架的质量以降低制造成本。由此，不仅可以降低油耗，减少污染，提高车速，改善客车起动和制动性能，而且可以提高公路的使用寿命。强度、刚度和疲劳寿命是对工程结构和机械使用的三个基本要求【l5。绝大多数机械零部件承受着交变载荷作用，导致疲劳破坏，疲劳破坏又是机械零部件的主要破坏形式之一【l
27、6，1 7J。一般而言，零部件发生疲劳破坏时，应力水平往往远小于材料本身的屈服应力和强度极限。因此，开展客车车身骨架的疲劳分析工作，对车身骨架的疲劳寿命进行预测和设计也有其重要意义。在传统的客车研制过程中，需要进行长期的整车道路试验，不仅试验费用高、周期长，而且问题大多出现在产品设计完成之后，对产品的设计更改带来一定的难度，制约着产品的研发速度【l 引。因客车产量不高的特点，决定其不能像轿车一样，对新车型进行大量的道路试验，然而通过建立有限元模型对车身骨架的疲劳性能进行仿真研究，可以在产品设计初期发现骨架结构薄弱的环节，提出合理的改进方案，并可以大幅度减少或最终取代部分道路试验，在降低研制费用
28、的同时还可以缩短汽车产品的研制周期【l 引。本文通过建立某全承载式客车车身骨架有限元模型，对车身骨架进行刚度、强度、模态和疲劳寿命分析，并通过试验对车身性能做出评价，提出轻量化设计方案和局部结构加强方案，其研究方法对客车生产企业的车身骨架结构设计具有一定的参考价值。1 4 国内外研究现状1 4 1 国内外客车行业研究状况国外大型汽车公司经过多年的汽车设计与制造，在车身设计方面积累了丰富的理论分析经验和相关的试验数据。在车身开发比较成熟的方面主要有：刚度和强度分析(应用于大小总成和整车分析及轻量化设计)、N V H 分析(应用于各种振动和噪声分析)和碰撞仿真分析等【2 0-2 3】。国外普遍采用
29、的车身结构设计系统流程如图1 1 所示【2 4】。国际比较著名的客车及客车底盘生产企业主要有：法国的雷诺；德国的奔驰、凯斯鲍尔、尼奥普兰；瑞典的沃尔沃；意大利的依维柯：匈牙利的伊卡露斯和日本的五十铃、日产等。在上述生产企业中，德国的大中型客车技术在世界上一直保持领先地位。我国客车企业引进的客车技术也主要集中在欧、日两大系列。一皇一车身结构垄J 三维实体一-有限元网格划分身叫7 y，建模与装配布乙卫玉f车卜局玉乙j 竖5乙玉7身设奎外置静动疲碰流结设身形态态劳撞体构计结数设设寿安力优方玲构计计命全学化案设据车分分分分分分修计模八车身截面卜身析析析析析析型_ 1 曲线库y改骨架构可盯一盯一r 丁一
30、E rr 丁一z 一件888 U 8 U特征截面卜、设特征库卅J继重；亚协计万1=I 葡禾丌。【J l图1 1 国外普遍采用的车身结构设计系统流程我国的汽车工业自主设计研发产品时间较短，设计方面长期借鉴前苏联的经验。产品的设计、仿真和制造方法与国外先进汽车行业相比，都存在一定的差距。我国的汽车工业也有自己的特殊性：是直接引进国外技术，国产化生产；二是对进口车进行拆装仿制或改装设计。虽然，我国部分客车企业已逐步具备大中型客车的自主研发能力，但是设计方法还不够成熟，设计理念还有所滞后，相关数据积累还不够丰富，这些都制约着我国客车企业的进一步发展。目前国产客车普遍存在的问题【2 5 2 6 l：是整
31、车协调性差，尤其是振动方面，整车出厂后，出现的问题很难解决；二是强度分布不合理，有些部位强度余量较大，而有些部位强度不足，材料利用率不高，等寿命设计不佳；三是客车行业标准不够健全，部分标准由各生产厂家单独制定。41 4 2 国内外C A E 研究状况C A E 技术最早始于有限元分析F F A(F i n i t eE l e m e n tA n a l y s i s)。5 0 年代中期，开始使用一些专用的程序进行结构分析。l9 7 0 年美国国家航空航天局开发的N A S T R A N 软件几乎可以求解任何线结构问题。除了著名的N A S T R A N 软件以外，比较成熟的有限元软件
32、有：以热传导分析和场分析见长的美国A B A Q U S公司开发的A B A Q U S 软件；以流体力学分析见长的比利时C A P V I D I A 公司开发的F L O WV I S I O N 软件；以有限元前处理见长的美国A l t a i r 公司开发的H Y P E R W O R K S 软件和美国A N S Y S 公司开发的大型通用有限元软件A N S Y S 软件等。经过多年的发展和累积，C A E 技术已经融入多个领域产品研发中的设计、分析和仿真的各个阶段【2 7，2 引。C A E 技术在国外汽车领域的应用主要有零部件、各总成及整车的有限元分析【2 9 引】，包括：零
33、部件结构强度和刚度分析；整车系统动力学仿真分析；整车系统在真实路面行驶条件下的疲劳寿命分析；整车系统在真实路面行驶条件下的N V H 分析；汽车碰撞车身吸能和驾驶员安全分析；制造工艺过程与模具仿真设计等。我国汽车工业的C A E 技术始于7 0 年代。国内部分公司、科研机构和高等院校陆续引进并开发了一些通用性很强的大型有限元分析软件程序，积累了宝贵的经验，推动了我国汽车行业的发展。1 9 7 7 年长春汽车研究所发表的“汽车车架设计计算的有限元方法”，揭开了中国汽车工业计算机辅助设计的序幕。进入8 0 年代，有限元分析在汽车结构分析中逐步开始推广应用。进入9 0 年代，随着计算机软硬件技术的发
34、展，计算机的性能大幅地提高，在计算机上进行有限元分析已不再很困难，促使有限元分析的应用向广度和深度发展。特别是进入2 0 0 0 年以后，利用有限元法，对汽车结构进行静态分析取得了大量的成果，但由于动态分析起步较晚，涉及的问题不但多而且比较复杂，没有进行更深入的研究和得到更广泛应用 3 2-3 4 J。国内在利用有限元法对客车结构分析与国外相比还存在一定的不足。主要差距有【3 5 3 7】：(1)设计、分析和制造的并行度不高；(2)计算机硬件水平仍限制有限元模型的精度和规模；(3)有限元模型的加载精度不够、边界条件模拟不够准确；(4)有限元分析主要停留在结构的强度和刚度分析方面，客车疲劳、碰撞
35、、振动和噪声等方面的模拟仿真还不够成熟。1 4 3 国内外疲劳寿命研究状况人们对机械零部件疲劳性能的研究已有1 6 0 多年的历史。疲劳寿命设计经历了以疲劳极限控制为基础的无限寿命设计；以伊一N 曲线、占一曲线、M i n e r理论为基础的安全寿命设计；以裂纹扩展分析为基础的损伤容限设计；以经济寿命分析为基础的耐久性设计。疲劳设计的四个阶段充分反映了疲劳设计思想的发展与进步【3 8，3 9 J。但是，各种设计方法不能完全相互取代，需要根据不同的结构和使用条件采用不同的设计方法，以便得到最佳的效果。国外对汽车零部件疲劳性能的研究，经过多年的积累与发展，从理论到实践，从C A E 仿真到试验验证
36、，日趋成熟。工程设计人员越来越多的借助C A E技术，利用多体动力学仿真和有限元分析相结合的方法，从时域或频域的角度研究疲劳寿命，然后通过试验验证方法的有效性，尤其是在汽车结构设计的早期阶段已经逐步利用仿真手段代替疲劳试验【4 叽4 3 1。不但对汽车关键零部件进行了大量的研究，而且对复杂的整车疲劳可靠性也做了系统的研究。国外已开发了一系列用于疲劳分析的软件，如：英国N C O D E 公司开发的N S O F T 软件、比利时L M S 公司开发的T E C W A R E 软件和美国M S C 公司开发的M S C F A T I G U E软件等【4 4 1。另外，利用A N S Y S
37、 软件后处理中的F a t i g u e 工具也可以在A N S Y S静力分析基础上进行疲劳仿真分析【45 1。疲劳软件的开发既促进了疲劳理论的发展，又增强了试验能力，使汽车零部件的疲劳强度计算与疲劳寿命估算更趋准确合理。近年来，随着国内自主研发产品能力的提高，汽车零部件的疲劳设计也有较大的发展 4 6-4 8 J。8 0 年代初，我国著名汽车专家孟少农教授将S A E 的零件疲劳设计手册翻译成中文，有力地促进了国内汽车设计水平的提高【4 9 1。但是，国内汽车零部件疲劳寿命研究状况和国外相比依然有着差距，疲劳研究的重点也主要停留在一些关键结构的零部件及总成，如：转向节臂、轮毂、后桥、悬架
38、等的抗疲劳设计上，也做了一些小型白车身疲劳性能的研究，但是大型复杂的整车疲劳性能相关报道不多。此外，国内借助C A E 技术进行疲劳仿真的结果与试验验证的结果相比，相关性往往不高，制约汽车产品早期的研发。1 5 研究内容本文的某全承载式客车车身骨架空间关系复杂、截面形式多样，根据其结构特点和承载特点，对其结构进行合理的简化，采取各总成分开建模，六大片集中装配的方式建立两套有限元模型：即在A N S Y S 件中以梁单元为主建立车身骨架梁单元有限元模型；在H Y P E R M E S H 软件中以板壳单元为主建立车身骨架板壳单元有限元模型。具体内容如下：(1)调研国内、外客车车身骨架结构型式、
39、车身骨架材料及加工和装配工艺，为有限元建模与分析和整车试验提供参考；(2)有限元建模工作分两组同时进行：即一组人员在A N S Y S 软件中建立梁单元有限元模型，另一组人员在H Y P E R M E S H 软件中建立板壳单元有限元模型；6(3)为了保证A N S Y S 软件中的梁单元有限元模型与H Y P E R M E S H 软件中的板壳单元有限元模型能够进行有效的对比分析，两套有限元模型在网格划分时均以2 0 m m 为单位，并对各工况施加完全相同的载荷和约束条件；(4)对比梁单元有限元模型与板壳单元有限元模型的有限元分析结果，根据对比后的有限元分析结果并与厂家设计人员协商，布置
40、客车车身骨架静、动态测点：(5)对某全承载式客车车身骨架进行静、动态应力测试和分析，根据试验分析结果，进一步校正有限元模型；(6)根据校正后的有限元模型分析结果，选择梁单元有限元模型对车身骨架结构进行初步轻量化改进设计，并对局部应力薄弱结构采取加强措施；(7)对轻量化设计前后梁单元有限元模型的部分结构采取板单元方式重新划分网格，生成可用于疲劳寿命分析的梁单元和板单元的混合单元有限元模型，对轻量化设计前后的部分测点进行疲劳寿命分析。为了实现客车车身骨架轻量化研究及疲劳分析，本课题从两方面着手，即C A E 分析和试验分析并行，客车车身骨架有限元建模流程如图1 2 所示。试验是对有限元模型的检验，
41、可以更全面的掌握整车车身骨架的刚度和强度分布状况，为建立准确的有限元模型提供修改依据；同时C A E 分析结果可为制定试验方案及新车型的改进设计提供参考。图1 2 客车车身骨架有限元建模流程1 6 本章小结本章从本课题的研究背景、研究目的和意义及国内外研究现状等方面进行了全面的阐述，说明了进行客车车身骨架轻量化设计及疲劳分析的工程实践意义和发展前景。8第二章相关理论及软件介绍2 1 有限元理论及软件介绍2 1 1 有限元法的基本思想有限元法作为结构分析的种计算方法，从数学角度看，其基本思想是通过离散化的手段，将偏微分方程或变微分方程转换成代数方程求解。从力学角度看，其基本思想是通过离散化的手段
42、，将连续体划分成有限个单元体，并使它们在有限个节点上相互连接。在一定精度要求下，用有限个参数来描述每个单元的力学性能，而整个连续体的力学性能，可以认为是这些小单元体力学性能的总和，从而建立连续体的力的平衡关系【50 1。2 1 2 有限元法的基本理论2 1 2 1 线弹性体静力学问题线弹性体的静力分析问题是整个结构有限元分析的基础【5 1，5 2 1。(1)基本假定连续介质假定假定弹性体所占据的空间区域由连续分布的物质点充满，不留空隙。小位移、小变形假定假定弹性体任一点处的位移和应变都很小，应变与位移之间的关系是线性的，并且在建立平衡方程时可不考虑弹性体几何形状的变化。线性弹性假定假定弹性体的
43、应力一应变关系服从广义胡克定律。把满足以上三条基本假定的固体力学问题简称为线弹性问题。(2)结构离散化结构离散化是把复杂的由无限个质点组成的具有无限个自由度的连续弹性体简化为有限个单元组成的集合体，这些单元只在有限个节点上相铰接。因此，集合体具有有限个自由度，这就为解算提供可能。结构离散化的数学意义在于把微分方程的连续形式转化为代数方程组，以便于进行数值求解。离散化时应遵守下述两条基本原则：几何近似要求物理模型从几何形状方面近似于真实结构。物理近似要求离散的单元特性从物理性质方面(如：受力情况、变形情况、材料物性等情况)近似于真实结构在这个区域的物理性质。(3)单元位移模式任何单元的单元分析都
44、应首先确定其位移模式，然后逐步推导出单元刚度9矩阵。把单元中任意一点的位移近似地表示为该点的坐标的某种函数，该位移的表达式就称为单元的位移函数或位移模式，即：f)=【皖)(2 1)式中：厂 一为单元内任意一点的位移列向量；皖卜一为单元的节点位移列向量；f 1 为形状函数矩阵。(3)单元应变与单元应力根据弹性体小位移、小变形的假定。利用几何方程，可以导出用节点位移表示的单元应变，即：H=皖)(2 2)式中：f B l 一为几何矩阵。根据线性弹性假定。利用物理方程，可以导出用节点位移表示的单元应力，即：盯=D 口】魂)(2 3)式中：f D l 一为弹性矩阵。(4)单元刚度矩阵根据虚功原理可知，节
45、点力在节点的虚位移上所做的虚功应等于单元内部应力在虚应变上所作的虚功。利用虚功方程，可得单元节点载荷与单元节点位移之间的关系式，称为单元的刚度方程，即：=K 暝)(2 4)从而可以导出单元的刚度矩阵，即：【t】-【B 九D B J d v(2 5)式中：【K】一为单元刚度矩阵。单元刚度矩阵具有下列性质：【K】是对称矩阵；疋】的主对角线元素是恒正值；【K】是奇异矩阵；【K】仅与几何矩阵 B】和弹性矩阵【D 有关。(5)等效节点载荷用有限元求解问题时，单元上所受的各种载荷都应移置到节点上。单元所受到的载荷类型包括：体积力、面力和集中力，在进行结构分析时，将这些力移置到节点上成为节点载荷，建立总体平
46、衡方程。载荷移置的原则是静力等效原则。对于给定的位移函数，移置的结果是惟一的。(6)总体刚度矩阵l O集合所有单元刚度方程，建立整个结构平衡方程，可得总体刚度矩阵，即：【K】=尸)(2 6)式中：K 1 一为全结构的总体刚度矩阵；万 一为全结构的节点位移列向量；尸 一为全结构的等效节点载荷列向量。总体刚度矩阵具有下列性质：【K】具有对称性；【K】具有稀疏性；【K】具有带状性；【K】是奇异矩阵；【K】仅与材料物理性质和结构的几何尺寸有关。(7)对称性分析与边界条件对称性分析当结构具有对称性时，可以利用这个特性来减少计算工作量。所谓结构对称性，是指结构的几何形状、支承条件和材料性质都对某轴对称。就
47、是说，当结构绕对称轴对折时，左右两部分完全重合，这种结构称为对称结构。结构的对称是对称性利用的前提。边界条件求得总体刚度矩阵和总体结构节点载荷列阵后还不能立即求解，因为在建立总体刚度矩阵时，认为结构不受外界约束，是一个自由体，结构具有刚体位移，因此这样的刚度方程不可能有正确的解。要使刚度方程有惟一解，必须消除结构的刚体位移，即必须引人几何边界条件以限制刚体位移。(8)应力计算在总体刚度方程中引人位移边界条件后，即可对其求解，此时所求解是惟一的，求解线性方程组，即可得到节点位移。节点位移求出后，即可利用单元应力矩阵求出各单元的应力。实际上在整个有限元求解过程中，只有位移是求出量，应力则是导出量，
48、即应力是由位移导出的。2 1 2 2 有限元解的收敛准则有限元解的精度实质上依赖于有限元所建立的位移模式逼近真实位移形态的状况。因此，若使有限元解收敛于真实解，位移模式的选择必须满足下述准则【5 3】：完备性准则完备性准则要求位移函数中必须包含常数项和线性位移项。单元内各点的位移一般包含两部分：一部分是由本单元的自身变形引起的：另一部分是由其它单元发生变形通过结点传递给它的，即所谓刚体位移。刚体位移与本单元的自身变形无关。常数项提供刚体位移，所以选取的位移函数中必须包含常数项。单元内各点处的应变般包含两部分：一部分是与单元中各点的坐标有关的，对各点是不同的，称作变应变；另部分是与坐标无关，对各
49、点是相同的，称作常应变。对于小变形问题，线性位移项就是提供常应变，所以选取的位移函数中必须包含线性位移项。把位移函数中包含常数项和线性位移项的单元称为完备单元。协调性准则在连续体中位移是连续的，划分成许多单元后，相邻单元的位移必须保持连续，即不仅节点处的位移应当协调，沿公共边界上的位移也应当协调。把满足协调性条件的单元称为协调单元。同时满足完备性和协调性条件的单元，称之为完备协调单元。一般情况下，要保证所选取的位移函数收敛于精确解必须满足完备性和协调性条件。对于一些比较复杂的问题，要使位移函数完全满足完各性和协调性条件难以做到，可以放松对协调性的要求，采用完备而非协调单元，只要这种单元能通过分
50、片试验，有限元解仍然可以收敛于正确的解。2 1 3 有限元单元介绍工程结构分析问题可以简化为一维杆系结构、二维平面结构和三维实体结构等。因此，有限元单元类型也针对不同结构划分成一维单元(如杆单元、梁单元和管单元等)、二维平面单元、三维空间单元，其它还有接触单元、弹簧单元、质量单元等专用单元【5 4】。本文根据某全承载式客车车身骨架结构特点，在A N S Y S 软件中以梁单元为主建立梁单元有限元建模，在H Y P E R M E S H 软件中以板壳单元为主建立板壳单元有限元模型。本节重点介绍空间梁、薄板及壳体结构，并对实体结构及质量单元做了简要介绍。2 1 3 1 空间梁结构空间梁单元是有限