蒙皮对客车车身底架和顶棚结构强度和刚度的影响

将才

客车车身底架以及
顶棚结构强度和刚度的影响, 为客车车身设计和结构强度分析提供了有价值的理论依据。
叙词: 　蒙皮　车身　强度　刚度　轻型客车
　　轻型客车的车身是由骨架和蒙皮(壳体) 组成。由于
骨架一般具有较强的承载能力, 因此在建立模型时, 为
了简化计算, 常忽略蒙皮的作用, 近似地认为骨架承受
着全部车身载荷。
为了弄清楚蒙皮对客车车身底架及顶棚结构强度
和刚度的影响程度, 采用SU PER2SA P 软件对
YZL 6700C 轻型客车车身进行有限元计算来分析和研
究这一问题。
1　车身有限元分析
1. 1　车身蒙皮及骨架组合模型
当蒙皮与骨架紧密接合时, 在模型中应计以蒙皮的
作用。对于蒙皮可采用应力膜元或壳单元进行模拟, 膜
元比壳元简单, 由于蒙皮很薄, 可忽略其抗弯能力, 故采
用只能承受张拉应力的平面应力膜单元。由于车身的有
些部位并非完全规则的几何形状, 如果都用四边形膜单
元来划分, 会使计算出的蒙皮的应力精度下降, 所以根
据实际结构将蒙皮划分成四边形膜单元和三角形膜单
元(共33 个膜单元) , 如图1 所示。

1. 2　模型的简化
本文研究的客车为半承载式车身结构, 各构件之间
的连接点即作为有限元计算模型的节点, 同时载荷的作
用点也取为节点, 在对蒙皮和骨架进行计算时, 蒙皮与
骨架的连接点也为节点, 在如实地反映客车车身实际结
构的重要力学特性的同时, 对模型作必要的简化: (1) 略
去非承载物件; (2) 把顶盖的横梁、前围的横梁等杆件,
划分为若干个直梁单元, 近似代替原曲梁; (3) 对于两个
靠得很近但并不重合的交叉连接点简化为一个节点处
理; (4) 对截面的形状作适当的简化; (5) 对于一些结构
上的孔、台肩、凹部、翻边尽量酌情予以圆整光滑, 以简
化构件截面形状。
1. 3　边界约束条件的处理
半承载式客车车身骨架与车架刚性连接, 而车架又
通过悬架与车桥连接。因此不同的悬架系统对车架及车
身骨架的强度和刚度影响较大。为了能更准确地反映板
簧的实际结构情况, 使计算更符合使用工况, 本文采用
了刚杆—柔性梁结构的弹簧模型来模拟车身的支承系
统, 如图2 所示。

1. 4　载荷处理
作用于轻型客车车身骨架上的载荷有: 底盘和车身
骨架的自重以及外加重量。外加重量包括乘客及行李的
重量、座椅和地板的重量、行李架上的重量, 同时还有底
盘上的发动机、变速器等设备的重量。
对于座椅、乘客及乘客的行李的重量是通过座椅上
的4 个支承点传递给底架的, 所以在建立模型时, 在座
椅的支承处设置为节点, 把乘客以及其所带行李的重量
平均分配到座椅的4 个支承处节点上; 本文研究的轻型
客车, 乘客及行李、座椅的重量每个按75kg 计算。
对于顶棚行李架上的载荷, 根据行李架在顶棚上的
固定位置, 在固定点处的顶棚横梁或纵梁上设置节点,
把顶棚行李架上的载荷平均分配到这些节点上。
对于底盘各总成如发动机总成、油箱、蓄电池、备胎
等的重量, 按其在底盘上的实际位置以集中载荷的形式
加于相应的位置处的节点上。
1. 5　计算工况的选取
轻型客车的行驶工况比较复杂, 然而从实际经验
看, 与客车车身结构强度有直接关系的主要是弯曲工况
和弯扭联合工况。对轻型客车结构强度进行分析, 其目
的在于计算最大载荷作用下车身上的应力分布情况。经
验表明, 如果结构的尺寸选择正确, 使该车身结构能承
受最大的偶然载荷的作用, 那么该车身的疲劳强度也能
满足要求。因此本文计算选用了下述几种工况:
(1) 弯曲工况。整车位于水平位置, 满载, 沿垂直方
向上的载荷乘以动载系数K d= 2. 5[ 1 ] , 以模拟客车正常
运行情况下所承受的动载荷。
(2) 弯扭联合工况。客车在运行过程中不可能仅仅
承受扭转载荷的作用, 而扭转与弯曲总是联合在一起,
所以取客车满载, 有一车轮悬空(本文为轻型客车的右
前轮悬空) 为弯扭联合工况, 且动载系数取K d= 1. 3[ 1 ]。
(3) 同时为了与实验结果相比较, 也取了与实验相
同的工况, 即车身在满载情况下的弯曲工况(不考虑动
载荷) 以及车身在满载情况下的弯扭联合工况(右前轮
被抬起200mm , 且不考虑动载荷)。
2　测试结果与计算结果的比较

由于在用有限元方法对客车车身悬架进行计算时,
存在着模型的简化, 其中条件的处理、载荷加载方式的
近似等问题处理得是否正确, 对计算结果有着较大的影
响, 直接影响着计算结果与实际结果是否相同或近似。
测试采用工程中常用的应力分析方法——应变片电测
法来对计算结果进行比较和验证。实验布片见图3, 比
较结果见图4、图5、图6 和图7。

从以上的比较可以看出, 计算结果较好地反映了实
验结果。说明文中所采用的有限元法是正确的, 能满足
工程上的需要。
3　计算结果分析
3. 1　蒙皮对底架上应力值的影响
一般认为, 蒙皮对底架上的应力影响不大, 然而通
过计算发现, 情况并非如此。在蒙皮的作用下, 车身底架
上的应力也发生了变化。有无蒙皮两种情况下, 车身底
架上的高应力值列于表1。

　　由表1 可以看出, 在考虑蒙皮受力的弯曲工况的情
况下(布点见图8) , 底架上的应力最大值下降了约
70% , 较小值反而升高了, 故使应力分布变化比较均匀,
说明了在蒙皮的作用下, 车身底架的承载能力有所增
加, 且整体承载性能得到了增强。
同时对结果的分析还发现, 在底架的四周与侧周、
前后围的立柱连接处的横梁上, 其应力值增大, 而底架
的中部的梁上应力值减小。分析其原因, 可能由于在蒙
皮的作用下, 侧围和前后围的刚度增加, 从而对这些梁
端部的约束增强。底架上的横梁, 在中部由于与车架(底
盘) 连接在一起, 而车架的刚度很大(一般要比底架的刚
度大得多) , 因此可以认为横梁在中部被约束, 而在两端
其约束的程度随侧围和前后围刚度的增加而增加。当有
蒙皮作用时侧围和前后围的刚度增加, 因而对底架横梁
两端的约束增加, 从而使横梁两端截面上的应力增大,
中间部位截面上的应力减小。
在扭转工况下有无蒙皮时底架上的部分应力值列
于表2。比较结果说明, 在扭转工况下蒙皮对底架上应
力分布有较大的影响, 变化情况与弯曲时大体相同, 尽
管最大应力值基本没有变化, 而其它节点上的应力有了
一定的变化, 所以, 如果通过局部加强措施, 底架的承载
能力将会有较大的提高; 在同一承载条件下, 底架的重
量可以减轻。

　　由以上的分析还可以看出, 加强底架横梁与侧围结
构、悬架支承点处以及牛腿的连接, 可以改善底架的应
力状况。
总体上看, 无论是在弯曲工况还是在扭转工况下,
蒙皮对车身底架上的应力都有影响, 选择蒙皮与车身骨
架适当的连接方式, 可以改善车身底架的受力状况。
3. 2　蒙皮对顶棚上应力的影响
在蒙皮的作用下, 顶棚的刚度增强, 且蒙皮把顶棚
上的杆件之间相互联系在一起, 从而使顶棚整体承载能
力得到提高。有无蒙皮时顶棚上的部分应力值列于表3
(布点见图9)。
　　在弯曲工况下应力最大值下降了12% , 应力最大
值的位置也发生了改变, 由原来的行李架处的倒数第二
根横梁上移到了顶棚前部位于乘客门后立柱上方的横
梁上。在顶棚的后部行李架区的梁上, 应力最大值由原
来的140. 9M Pa 下降到81. 4M Pa; 而顶棚骨架的前部
的梁上, 应力值增加, 成为危险区域。
在扭转工况下顶棚骨架上的应力最大值增加
11% , 最大值的位置也同样由原来行李架处转移到乘客
门后立柱上方的横梁上。其它节点上的应力变化与弯曲
时基本相同。
总体来看, 在有蒙皮时, 顶棚骨架的高应力节点数
减少, 且应力有了较大程度的下降, 只有乘客门后立柱
上方横梁上的应力超过了100M Pa。如果抛开这一点,
则可以说在蒙皮的作用下, 顶棚的承载能力有了较大的
提高。在蒙皮的作用下, 位于乘客门后立柱上方的顶棚
横梁上的点7 处应力最大, 这就解释了为什么有些客车
在对骨架进行计算时, 乘客门上方不是危险区, 而实际
使用中却发现乘客门上方出现破坏。
4　结束语
对蒙皮与车身骨架连接较强的客车来说, 蒙皮对客
车车身强度有一定的影响。通过分析研究得出加强车身
底架横梁与侧围结构、悬架支承点处以及牛腿的连接,
可以改善底架的应力状况, 其承载能力有较大提高; 同
时, 有蒙皮时顶棚骨架的承载能力有较大提高。所以加
强蒙皮与车身骨架的连接, 是提高客车车身承载能力的
途径之一, 也是实现车身轻量化、降低成本、提高效益的
手段。本文的研究对车身设计和结构强度分析具有实际
的指导意义。

好耶

好帖,学习中

机动痴汉

需要编辑一下啊·········谢谢了

QINweilun

好资料啊谢谢了。

shen0285

分析的不错，不光是大客车，小型乘用车（轿车）也一样。由此可知车身板材的厚度对车辆防撞性能的影响。

kuangye041200

受教了，谢谢