客车车身及车架的静动特性分析

将才

摘要:本文介绍了用有限元法对客车车身进行静力分析和动力分析的方法,探讨了分析结果在车身改进设计中的应用。
对HB6790 客车进行的计算分析及试验表明,文中所涉及的建模和分析手段是行之有效的。
关健词:客车　有限元法　静动特性　
Analysis of the Static and Dynamic Behavior of the Bus Body
Wu Li-jun 　Fong Guo- sheng 　Xu Ming- xing
　　Abstract :In this paper ,FEM is used to analyze the static and dynamic behavior of the half-loading bus body ,and the analysis is
applied to design improvement . As an example ,the analysis and experiment with the body of HB6790 are covered to prove the effec2
tiveness of the methods the paper concerns.
Key words :bus ;FEM;static and dynamic behavior
1 　引言
大多数大中型客车采用半承载式车身,其车身与车架通
过铆接或焊接的方法刚性联接,车身除承受本身重力、所装
载的人和货物的的重力以外,还分担车架的部分载荷,故常
将车身与车架作为一个整体进行分析。在产品开发阶段,有
限元法是对整体结构的强度、弯曲刚性、扭曲刚性和振动特
性等指标进行分析的最有效的方法。根据分析结果可判断
应力分布是否合理,强度储备是否足够,固有频率、固有振型
是否妥善等,从而直接指导工程师的设计,大大提高汽车产
品的设计质量和设计效率。
文献[3 ]利用板单元对车架进行了静动特性的分析;文
献[2 ]提出对紧急制动工况下的车身强度进行分析;文献[ 4 ]
用模态实验验证动态计算的有效性;本文对HB6790 客车进
行静动特性分析后,提出相应的改进措施,通过产品可靠性
试验验证了静动特性分析的有效性。
2 　有限元模型的建立
211 　结构的模型化
车身结构的离散化必须反映其主要的力学特征,又要尽
可能地采用较少的单元和简单的单元形态,以缩小解题规
模。分析模型与实际力学特性的相符程度是决定计算结果
可信度的关键。客车车身是一个极为复杂的空间薄壁杆系
结构,根据多年的计算经验,我们认为以下方法在其结构模
型化方面是行之有效的。
21111 略去非承载构件以减小单元个数。有些构件是为了满
足构造或使用上的要求而设置的,并非根据强度的要求而设
置,如风窗玻璃的鼻梁、前后保险杠、踏板支架等,对结构变
形和内力分布影响很小,在建模时可忽略。
21112 　将曲杆简化为直杆。例如,可把顶盖横梁、前风窗下
横梁等杆件划分成为若干个直杆单元。

21113 　有些邻接构件在空间交接的轴线不重合,交接处的
两节点变形很接近,可简化成一对主从节点。结构的有些区
域在某方向上刚度很大,例如车身立柱与低横梁连接处,车
架纵梁上钢板弹簧支座附近等,各节点的位移相近,利用相
关位移来处理,可避免可能出现的总刚度矩阵的病态,同时
也可以降低方程的阶数。
21114 　车身蒙皮的承载远远小于骨架的承载能力,故可忽
略蒙皮的作用。
21115 　横梁与车架纵梁之间存在较大的偏心,将其连接处
分为由刚臂元联接的两个节点。
21116 　用刚臂元处理横梁与纵梁连接处的“牛腿”。具体方
法见文献[1 ] 。
21117 　将发动机简化为集中质量,分别作用在各支点上。
212 　边界条件的处理
半承载式车身骨架与车架刚性联接,而车架通过悬架系
统柔性连接于车桥上,在动力分析时,必须将悬架系统与车
身组合起来分析。一般用杆、梁单元组合来模拟悬架实际结
构[ 3 ,6 ] 。也可以用伪单元、读入刚度单元进行模拟[ 7 ] 。而静
力分析时,则可忽略悬架的作用,整体结构采用前一后二3
点支撑,前支点允许沿车身纵轴的位移和绕纵轴的旋转,后
支点允许绕横轴的旋转。
213 　单元划分
车身骨架的交叉点、集中载荷的作用点及构件的拐点等
均应作为节点。节点编号要连续,并尽量减少相邻节点的编
号差,以减小带状矩阵的带宽,缩短运算时间。一般是从顶
盖骨架中部开始,以螺旋展开的方式编号。但在内存足够
时,为方便模型的校核,应尽量使车身骨架各总成节点编号
连续。以相邻节点为单元进行编号,单元编号也应连续,并
尽量使各总成的单元号连续,以同一截面性质的杆件单元编

号连续为宜。
3 　数据准备
311 　载荷处理
车身车架的自重按均布载荷处理,以单元载荷因子计入
总载荷。设备重量加在其相应的节点处。地板、乘客、座椅
等重量按面积均布。
312 　杆件截面特性计算
车架及车身骨架的截面型式主要有闭口、开口和既有闭
口部分又带开口部分的混合截面。其中开口截面和混合截
面在涉及到扭转工况的计算时,其扭转惯性矩不可按一般方
法计算,而应以当量扭转惯性矩代替,以计及由翘曲引起的
附加的扭转阻矩。开口截面和混合截面的当量扭转惯性矩
分别见文献[5 ]及[1 ] 。
313 　载荷工况的确定
实践表明,弯曲工况和弯扭联合工况是客车车身的主要
受力变形模式,为此应做弯曲、扭转和弯扭三种静力工况下
的应力变形分析,以确保车身的强度和刚度满足要求。
31311 　弯曲工况:车身自重和载荷乘以2～215 的动载系
数,方向竖直向下,模拟客车在平坦路面以较高车速行驶时
产生的对称载荷。
31312 　扭转工况:后二轮固定,前轴间加一极限扭矩(前轴
负荷的一半乘以轮距) ,模拟客车前轮单轮悬空的极限受力
情况。
31313 　弯扭工况:车身自重和载荷乘以112 的动载系数,并
在前轴与两纵梁交接处分别给定向上和向下的指定位移(如
250mm) ,模拟客车在不平道路上行驶时产生的斜对称动载
荷。
另外,车身振动是造成疲劳损坏的主要原因,如果车身
结构与其他部件(如簧下质量) 的固有频率发生耦合便会发
生共振,不仅影响舒适性,也会导致车身某些部位的早期损
坏。通过动力分析可求得车身结构的各阶固有频率及其振
型。
4 　分析实例
HB6790 型客车是河北客车厂开发的新车型,它采用江
淮汽车厂HFC6782KY2 型客车底盘,为分析该车车身和车
架的强度、刚度、模态频率、模态振型及应力分布情况,我们
在微机上用SuperSAP 程序进行了有限元计算。模型忽略车
身蒙皮的承载作用,以空间梁单元来模拟车身骨架,梁单元
允许有轴向拉压变形,轴向扭转变形和具有剪切作用的弯曲
变形,它的每个端点可以有六个自由度,经过适当简化将
HB6790 客车车身骨架划分为441 个结点,612 个梁单元,34
个刚臂元。
411 　静力分析
计算结果表明,在扭转工况下乘客门、后轮罩区、后立
柱、后围上下围梁处应力超过A3 钢的疲劳极限160MPa ;弯
曲工况和弯扭工况下高应力区均位于后轴前后吊耳之间,后
侧窗下沿及后轮罩区。
刚度方面,在弯曲工况下,底架变形呈双峰形,最大位移
点在车尾137 结点处,最大位移值为24125mm;扭转工况下,
车身最大位移点在车前端247 结点处, 最大位移值为
64126mm。

由纯扭转工况下的底架角位移分布计算得轴间车身相
对扭角为215DEG,扭转刚度J1 = 3015kNm2/ DEG。底架纵
梁轴间相对扭角为3127DEG, 扭转刚度J2 = 2314kNm2/
DEG。车身承载度为轴间车身相对扭角与底架纵梁轴间相
对扭角之比,其值为0177 。根据统计资料,国产的半承载式
客车J2 值大致在18～40kNm2/ DEG范围内,车身承载度建
议范围为0185～0160 。因而,HB6790 型客车的扭转刚度和
协调性比较适中。

图2 　扭转变形图
另外,车身开口最大变形
是车身刚度的另一个重要的指标,开口变形过大影响到车身
密封性,严重时可能扭碎挡风玻璃或挡风玻璃脱落。车门变
形大可能发生开门困难,所以在设计中都很注意开口变形问
题,一般要求客车开口变形不超过10mm。全景风挡应控制
在15mm 以内。该车前风窗在纯扭转工况下,两个对角线的
伸长量和收缩量分别为83124mm 和6198mm ,超出安全规
范。

412 　动力分析
经计算得到各阶固有频率见表1 。
各阶频率基本避开了簧下质量的固有频率(前悬架
9101Hz ,后悬架13133Hz) ,但前风窗、乘客门、第七和第八横
担与纵梁连接处振型不平滑,易出现疲劳损坏。

经过多种方案的比较分析,我们提出将第5 、6
横担改为50mm ×50mm ×5mm ,左右侧骨架中的下边梁、侧
窗上横梁改为50mm ×50mm ×1175mm ,后立柱和侧窗中立
柱Ⅲ改为50mm ×40mm ×1175mm ,斜衬Ⅰ、斜衬Ⅱ改为角
钢30mm ×30mm ×3mm 等建议,经采纳后试制的样车由国
家重型汽车质量监督检验中心进行了产品定型试验,可靠性
行驶考核中,未发现车身车架断裂的故障,由此验证了有限
元分析的正确性。
5 　结论
通过理论分析和试验证明:文中提出的有限元模型建立
方法具有足够的精度预测车身的刚度特性,并能反映大致的
应力分布趋势,从而揭示车身强度的薄弱环节。
通过有限元法可进行车身结构的动力特性分析,大致确
定各阶模态频率和模态振型,为动态设计提供依据,这里悬
挂边界条件的处理极为关键。
为了获得更好的计算精度,可用板单元模拟纵梁[ 3 ,4 ] ,特
别是较大翘起部位的纵梁[ 6 ] ,但计算机时将明显增多。
疲劳破坏是车身损坏的主要原因,对车身强度的分析应
深入到路面随机载荷作用下的动强度,这方面的工作有待于
进一步的研究。

好耶

都是好帖,我们向你学习,

xqf945

dingding

panyajun

好资料，值得收藏。

46590996

有原文么?这样看上去好累啊

fancycai

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