金亦富，陳祥忠，鄭再象，蔡衛(wèi)江，孫 超

（揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州225127）

某大型客車車身結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析及試驗(yàn)

金亦富，陳祥忠，鄭再象*，蔡衛(wèi)江，孫 超

（揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州225127）

以某國產(chǎn)客車車身為研究對(duì)象，建立客車車身結(jié)構(gòu)有限元模型，分析了客車車身結(jié)構(gòu)彎曲工況下的應(yīng)力和位移分布特征，并進(jìn)行了電阻應(yīng)變測量試驗(yàn).通過試驗(yàn)測得該車身在彎曲工況下的最大應(yīng)力值為201.3 MPa，最大位移為7.31 mm，為該客車車身骨架后續(xù)的改進(jìn)和優(yōu)化提供了參考依據(jù).

客車；車身骨架；有限元法；應(yīng)變測量；靜態(tài)

客車車身骨架與底架是復(fù)雜的空間剛架結(jié)構(gòu)［1］，以傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)難度較大，難以獲得滿意的結(jié)果，但它又直接影響到客車的壽命、成本、安全性能的好壞；因此，在新車型開發(fā)過程中，車身設(shè)計(jì)占據(jù)著主導(dǎo)地位.國內(nèi)外諸多學(xué)者已利用有限元軟件對(duì)車身結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特征進(jìn)行了研究［2-5］，并通過電阻應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)變測量試驗(yàn)［6-8］，分析車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度［9-10］，這些均是車身設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容.本文將對(duì)某客車車身進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)、應(yīng)變測量以及仿真分析，以便該車身強(qiáng)度和剛度的校核檢驗(yàn).

1　客車車身結(jié)構(gòu)及有限元模型建立

1.1車身結(jié)構(gòu)

本文的研究對(duì)象為CA6105LDR80型客車半承載式車身結(jié)構(gòu)，車身骨架的下端與底架剛性相連，使得車身下部與底架組合為一個(gè)整體，底架承擔(dān)著大部分載荷，并通過車身骨架傳遞到車身的各個(gè)部分，車身骨架分擔(dān)了部分的彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷，整車的受力情況得到有效改善，提高了車輛的行駛安全性和乘坐舒適性.

1.2單元選取

客車車身結(jié)構(gòu)可看作是復(fù)雜的空間薄壁桿件組成的構(gòu)件，其中絕大多數(shù)的桿件是閉口薄壁方管.利用殼單元建模，不僅計(jì)算精度高，而且可以計(jì)算車身結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力分布和分析車身的局部應(yīng)力，便于改進(jìn)局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此本研究采用殼單元（pshell）進(jìn)行建模.

1.3材料屬性

根據(jù)廠家提供的技術(shù)資料，該客車車身骨架部分所采用的材料為Q235，底架部分采用的材料為16Mn.材料特征見表1.

表1　材料特性Tab.1 Material properties

1.4連接方式模擬

對(duì)于底架中連接板之間的螺栓連接，可以使用hyperworks軟件中connectors連接單元中的bolt單元來模擬.本試驗(yàn)用hyperworks軟件中的剛性（rigids）單元模擬焊接點(diǎn).

1.5網(wǎng)格劃分

預(yù)處理后，對(duì)于客車頂蓋、左右側(cè)圍、底架與側(cè)圍連接處等主要承載變形部件，采用10 mm的單元來劃分網(wǎng)格；對(duì)于其他變形較小的部件，采用15～20 mm的單元來劃分網(wǎng)格.劃分完成后單元總計(jì)1 045 731個(gè)，其中四邊形單元為1 040 184個(gè)（占99.5%），三角形單元為3 075個(gè)（占0.3%），體單元為2 472個(gè)（占0.2%）.劃分完的網(wǎng)格模型如圖1所示，由于網(wǎng)格數(shù)量太多，從整車模型中很難看出網(wǎng)格，故取底架前部網(wǎng)格為例，如圖2所示.

圖1　整車網(wǎng)格模型Fig.1 The vehicle grid model

圖2　底架前部網(wǎng)格Fig.2 The front chassis grid

1.6邊界條件施加

客車車身結(jié)構(gòu)承受的載荷主要由車身結(jié)構(gòu)的自質(zhì)量和外加質(zhì)量組成.為了能夠真實(shí)地模擬客車行駛過程中各質(zhì)量系統(tǒng)對(duì)車身結(jié)構(gòu)的慣性力作用，本文載荷形式均以質(zhì)量點(diǎn)形式出現(xiàn)，表2給出了整車主要部件的質(zhì)量.

表2　整車主要部件的質(zhì)量Tab.2 The quality of the main components in the vehicle

2　有限元分析結(jié)果

2.1強(qiáng)度分析

圖3給出了車身骨架在彎曲工況下的應(yīng)力分布云圖.圖中前圍、左右側(cè)圍為應(yīng)力較小的區(qū)域，后圍為應(yīng)力較大的區(qū)域，車身骨架的最大應(yīng)力發(fā)生在底架行李倉后面，最大應(yīng)力值為208.1 MPa，該值小于Q235的屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求［10］.

2.2剛度分析

圖4為客車彎曲工況下的位移云圖.由圖可以看出，客車彎曲工況的最大變形發(fā)生在底架后部發(fā)動(dòng)機(jī)附近，最大位移為7.31 mm.這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)后置，導(dǎo)致動(dòng)力傳動(dòng)部件都集中在底架后部，造成底架后端變形最大.此外，頂蓋骨架空調(diào)處和后排五人座位處的位移也較大.但車身整體變形不大，符合該工況下的實(shí)際情況，說明車身結(jié)構(gòu)剛度滿足要求.

圖3　車身骨架彎曲工況應(yīng)力云圖Fig.3 Nephogram of body frame stress

圖4　車身結(jié)構(gòu)彎曲工況位移云圖Fig.4 Displacement nephogram of body structure

3　客車車身骨架彎曲工況試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)準(zhǔn)備

為驗(yàn)證有限元模型計(jì)算正確性及有限元分析的可靠性，同時(shí)也為車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案提供可參考數(shù)據(jù)，參照有限元分析結(jié)果，確定選擇24個(gè)車架骨架關(guān)鍵點(diǎn)作為檢測點(diǎn)（如圖5所示），采用電阻應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)變測量試驗(yàn).主要試驗(yàn)設(shè)備有：BX120-3AA應(yīng)變片，NI cDAQ-9178機(jī)箱1個(gè)，NI9237數(shù)據(jù)采集卡3塊，筆記本電腦1臺(tái)，萬用表1只，導(dǎo)線等.

圖5　應(yīng)變片布點(diǎn)示意圖Fig.5 The placement of strain piece

3.2測試結(jié)果數(shù)據(jù)處理

本次試驗(yàn)分2組進(jìn)行，每組采集12個(gè)點(diǎn)，各點(diǎn)在滿載彎曲工況下的應(yīng)變值可通過數(shù)據(jù)采集軟件Lab VIEW測出，待信號(hào)穩(wěn)定后各采集10 s.采用公式σ=Eε計(jì)算各點(diǎn)靜態(tài)應(yīng)力值，式中σ為應(yīng)力值；E 為彈性模量（骨架材料Q235取206 GPa）；ε為應(yīng)變值.

3.3測試結(jié)果及分析

根據(jù)公式將測試應(yīng)變結(jié)果間接換算得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)與有限元分析所得的理論計(jì)算應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如表3所示.

表3　試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison of the test results with that of finite element

在測試過程中，因貼片原因，點(diǎn)21和點(diǎn)23出現(xiàn)異常，應(yīng)剔除.由表3知在彎曲工況下，應(yīng)力較大部位主要集中在左、右側(cè)圍主縱梁上，最大應(yīng)力值為201.3 MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)位于左側(cè)主縱梁與左后輪前立柱連接處的上表面.通過數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出：除了測點(diǎn)21與測點(diǎn)23外，其余各測點(diǎn)應(yīng)力值與有限元分析值相對(duì)誤差均在10%左右，這表明有限元模型的有效性.

4　結(jié)論

1）客車車身骨架在彎曲工況下的應(yīng)力值最大，為208.1 MPa.而骨架材料為Q235，其屈服強(qiáng)度為235 MPa，由此可知車身結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求，但車身骨架的應(yīng)力分布不均勻.

2）在左、右側(cè)圍骨架的主縱梁連接處以及后橋附近與主縱梁相連的幾根立柱出現(xiàn)大應(yīng)力，需對(duì)這些應(yīng)力較大的梁進(jìn)行進(jìn)一步的研究與改進(jìn)［9］226.

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Finite-element analysis of the body static structure of a large bus

JIN Yifu，CHEN Xiangzhong，ZHENG Zaixiang*，CAI Weiiiang，SUN Chao
（Sch of Mech Engin，Yangzhou Univ，Yangzhou 225127，China）

Taking a certain bus body as the research obiect，this paper establishes a finite-element model of the body structure in detail，analyzes the bus body structure stress and the displacement distribution characteristics under bending condition.A resistance strain measurement experiment is carried out.It is found that under bending conditions the maximum stress value of the body is 201.3 MPa，the maximum displacement is 7.31 mm.The proposed conclusion provides the reference basis for follow-up improvement and optimization of the bus body frame.

bus；body frame；finite-element method；strain measurement；static state

TH 123.4；U 463.82

A

1007-824X（2015）01-0024-04

（責(zé)任編輯 賈慧鳴）

2014-07-22.*聯(lián)系人，E-mail：zzx_ci@163.com.

揚(yáng)州市-揚(yáng)州大學(xué)合作項(xiàng)目資助（YZ2011143）.

金亦富，陳祥忠，鄭再象，等.某大型客車車身結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析及試驗(yàn)［J］.揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，18（1）：24-27.