沈光烈，吳 磊，黃昶春，韋志林

（廣西工學(xué)院汽車研究所，廣西 柳州 545006）

基于CAE技術(shù)的客車車身骨架結(jié)構(gòu)分析及改進

沈光烈，吳 磊，黃昶春，韋志林

（廣西工學(xué)院汽車研究所，廣西 柳州 545006）

對某全承載式大客車的車身骨架結(jié)構(gòu)，運用Hyperworks軟件進行靜態(tài)仿真分析，從分析結(jié)果對該車身結(jié)構(gòu)提出改進意見。

客車車身；骨架結(jié)構(gòu)；CAE技術(shù)

客車車身骨架是由細長桿件焊接而成，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對設(shè)計要求較高。在確保車體強度、剛度的前提下,進行車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化,不僅可以節(jié)省材料、減輕自重，而且能提高整車的動力性、經(jīng)濟性,減少排放污染[1-2]。本文對桂林某客車公司的某款豪華全承載式49座的大客車車身骨架進行有限元分析，指出車身骨架設(shè)計的不合理之處，并提出改進意見。

1 有限元模型的建立

隨著計算機性能的提高和CAE軟件的升級，能夠使用更精確的板殼單元代替原來的梁單元對客車車身骨架進行有限元計算。同時，為了在不影響計算準(zhǔn)確性的前提下減小計算量，需要對模型進行簡化和清理。

1）略去車身蒙皮[3]；略去一些非承載件，如擋風(fēng)窗玻璃、車門、座椅等，但是仍保留這些結(jié)構(gòu)件的重力作用。

2）不考慮發(fā)動機組、燃油箱、空調(diào)機組等的幾何模型，只簡化為集中載荷添加到模型中對應(yīng)位置。

3）對車頂及側(cè)圍部分的一些曲率較小的構(gòu)件近似看作直梁處理。

4）對于車架部分某些多層結(jié)構(gòu)件采用較厚材料屬性的單層結(jié)構(gòu)。

5）整個客車骨架結(jié)構(gòu)存在大量的縱橫梁交叉連接處，對于這些接頭位置的焊接連接采用合并節(jié)點的形式進行處理。

6）不考慮焊接處材料特性的變化，認為焊縫處材料屬性與母材屬性相同[4]。

基于先進計算硬件設(shè)備的保障，全部采用板殼單元。最終得到的模型中有節(jié)點1074230個，單元1089908個。根據(jù)車輛的實際受力情況，確定分析工況，添加載荷與約束。

2 載荷與邊界條件的處理

1）均布載荷的施加。均布載荷是指載荷作用在結(jié)構(gòu)的一定面積或長度上，如乘客、行李箱重量。乘客重量是將乘客重量平均分配到座椅下前后橫梁上，再除以橫梁的面積，即為該橫梁所受的均布載荷。

2）集中載荷的施加。在實際的車輛結(jié)構(gòu)中，發(fā)動機、變速器、以及空調(diào)機組等部件由于重量較大，而且載荷的作用范圍較小，因此，以集中載荷的形式施加比較合適。具體到有限元模型中，可以借助RBE3單元進行添加。

3）懸架系統(tǒng)的簡化與處理。本文客車懸架是鋼板彈簧結(jié)構(gòu)，因此，每個連接處采取6自由度的彈簧單元對其進行模擬。每一個彈簧單元的上支點連接于板簧的吊耳位置。

3 車身結(jié)構(gòu)強度與剛度的分析

影響車身結(jié)構(gòu)強度和剛度的主要工況是靜態(tài)彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況[5]。本文對車身骨架結(jié)構(gòu)的靜態(tài)分析包括5種工況：水平彎曲工況；左、右前輪各上升200mm的扭轉(zhuǎn)工況；左、右后輪各上升200mm的扭轉(zhuǎn)工況[6]。

由于四個扭轉(zhuǎn)工況得出結(jié)果比較相似，所以只取其中一個右前扭轉(zhuǎn)工況和彎曲工況來分析?？蛙嚬羌苁褂玫牟牧蠟镼345#鋼，其屈服極限為345MPa，對稱載荷的疲勞極限為264MPa。

3.1 強度分析

1）彎曲工況。彎曲工況為一般常見工況，車速較快。車身結(jié)構(gòu)強度分析時，要考慮加上動載系數(shù)1.5和安全系數(shù)1.3，所以一般彎曲工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力不超過130MPa[7-9]。本文車身結(jié)構(gòu)應(yīng)力超過130MPa的部位如圖1所示。

2）扭轉(zhuǎn)工況。扭轉(zhuǎn)工況是出于周密性考慮進行的一些極限工況的模擬。這種工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力低于屈服強度345MPa，認為是安全的。本文計算得到的最大應(yīng)力值為309.6MPa，所以可以認為，該客車結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)工況能夠滿足設(shè)計要求。

3.2 剛度分析

由于剛度是反映結(jié)構(gòu)抵抗變形大小的性能指標(biāo)，因此，如果客車車身結(jié)構(gòu)的剛度不能達到設(shè)計要求的話，將造成車體變形過大甚至開裂的問題。特別是門框、窗框等關(guān)鍵的大開口件部位，如果變形過大，將會出現(xiàn)擋風(fēng)窗玻璃破碎、門鎖變形、車門卡死及密封性不好等狀況[10]。

1）右前扭工況下車身結(jié)構(gòu)大開口件對角線的變形情況如表1所示。

2）右前扭工況下車身結(jié)構(gòu)大開口位置翹曲度的變化。根據(jù)翹曲度的定義[11]，由大開口件四個角的坐標(biāo)值在CDA軟件中作出由這其中3個角確定的平面，然后測出第四個角到這個平面距離的翹曲度，見表2。

表1 右前扭轉(zhuǎn)工況下大開口件變形

表2 右前扭轉(zhuǎn)工況下大口件翹曲度

3）右前扭轉(zhuǎn)工況下前后軸的扭轉(zhuǎn)變形情況。通過對測量變形后前懸前吊耳和后懸后吊耳左右4個點的位置[12]，計算出前后軸相對扭轉(zhuǎn)角為0.0002333°/mm。

4）在右側(cè)中部縱梁上根據(jù)部件安裝情況取12個點，其中包括前軸和后軸兩個點。按撓度的計算方法是在CAD軟件中輸入上述12個點的坐標(biāo)，連接前軸和后軸的點，得到一條直線。測量其他10個點到這條直線的Z向投影距離。其分析結(jié)果如圖2所示。

4 結(jié)構(gòu)改進

1）改進方案。將頂棚閉形管結(jié)構(gòu)由原來的1.5mm改為2mm。在后懸架上方縱梁外側(cè)面加上封板，將后懸前吊耳處的縱梁由原來的2mm改為3mm。在后懸前吊耳處縱梁與立柱連接處加上閉口加強三角板。

2）改進后效果。對彎曲工況應(yīng)力超標(biāo)的位置進行重新測量，前后對比見表3。

根據(jù)表3，新結(jié)構(gòu)彎曲工況的應(yīng)力水平基本上達到了小于130MPa的要求，且其扭轉(zhuǎn)工況的最大應(yīng)用為264.2MPa，小于屈服極限350MPa。所以此次結(jié)構(gòu)改進有較好的效果。

表3 彎曲工況改進前后應(yīng)力對比

5 結(jié)束語

通過對上述相關(guān)剛度數(shù)據(jù)的分析，可以發(fā)現(xiàn)該各車車身骨架結(jié)構(gòu)即使是在右前扭轉(zhuǎn)工況下，車身大開口處的變形情況仍舊在允許范圍內(nèi)，而且前后軸扭轉(zhuǎn)變形情況和縱梁撓度變形情況均合理，因此，車身骨架結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計要求。而在強度方面發(fā)現(xiàn)存在高于規(guī)定應(yīng)力值的薄弱區(qū)域，對其結(jié)構(gòu)改進后有較好的效果。CAE技術(shù)對縮短汽車設(shè)計開發(fā)周期，降低開發(fā)成本具有重要意義。

[1]沈光烈，張富華.承載式大客車車身結(jié)構(gòu)特點[J].廣西大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，1989，（2）

[2]陳光，崔玲，高云凱.大客車車身結(jié)構(gòu)多工況綜合優(yōu)化[J].山東大學(xué)學(xué)報，2009，（6）

[3]沈光烈，熊煥庭，甘連宏.大型空調(diào)客車車身結(jié)構(gòu)分析計算[J].廣西大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，1989，（2）

[4]栗廣生.輕型客車車身結(jié)構(gòu)骨架有限元分析及結(jié)構(gòu)改進[D].柳州：廣西工學(xué)院，2011.

[5]朱恩洲.微型貨車車身結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的分析與改進設(shè)計[D].柳州：廣西工學(xué)院，2011.

[6]尹輝俊，梁雙翼，黃昶春，等.重型車車架的靜動態(tài)分析[J].機械制造，2007，（45）

[7]沈光烈.GL662型客車車身結(jié)構(gòu)計算分析[J].廣西交通科技，1989，（1）

[8]吳長風(fēng).大客車車身架骨架結(jié)構(gòu)強度分析[J].客車技術(shù)與研究，2010，32（5）：18-19.

[9]沈光烈，林圣存.基于有限元法的大型客車模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)改進[J].公路與汽運，2012，（6）

[10]陳勇.微型客車白車身大開口變形有限元分析[J].公路與汽運，2009，（6）：5-6.

[11]沈國文.印制板翹曲度的測量方法[J].電子工程師，1999，（3）

[12]沈光烈，甘連宏，熊煥庭.城市客車車身結(jié)構(gòu)計算分析[J].廣西大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，1988，（2）

修改稿日期：2012-11-05

Analysis and Improvement on Bus/Coach Body Frame Structure Based on CAE Technique

Shen Guanglie,Wu Lei,Huang Changchun,Wei Zhilin
(Guangxi University of Technology,Automotile Institute,Liuzhou 545006,China)

According to a fully integral bus / coach body frame structure, the authors use hyperworks software todevelop the static simulation and put forward the improving suggestions on the body structure based on the analysis results.

bus/coach body;frame structure;CAE technique

U 463.82

B

1006-3331（2013）02-0015-03

沈光烈（1944-），男，高級工程師；研究方向：車輛結(jié)構(gòu)工程。