有限元车身分析

目录

第一章 绪论 .................................................................................................................... 1

1.1研究背景 ............................................................................................................ 1 1.2研究意义 ............................................................................................................ 1 1.3研究现状 ............................................................................................................ 2 1.4课题研究的内容和方法 ....................................................................................... 3 第二章 车身结构有限元基本理论及软件介绍 ................................................................... 5

2.1有限元基本理论 .................................................................................................. 5

2.1.1有限元法基本思想 .................................................................................... 5

2.1.2有限元法基本方法 .................................................................................... 6 2.2 建模所用单元理论分析....................................................................................... 7

2.2.1 Beam188单元特性.................................................................................... 7 2.3软件介绍 ............................................................................................................ 9

2.3.1 ANSYS软件简介 ....................................................................................... 9 2.3.2 CATIA软件简介 ..................................................................................... 10

第三章车身结构有限元模型............................................................................................ 12

3.1建模准备 .......................................................................................................... 12

3.1.1单位制及材料性能 .................................................................................. 12 3.1.2模型简化 ................................................................................................ 12 3.3几何模型及接口程序 ......................................................................................... 13 3.4有限元模型的生成 ............................................................................................ 14 3.4.1材料属性和梁横截面的指定.................................................................... 14 3.4.2网格的划分 ............................................................................................ 15

第四章车身结构有限元静态分析..................................................................................... 18

4.1车身骨架技术指标 ............................................................................................ 18

4.1.1车身骨架刚度指标 .................................................................................. 18 4.1.1.1弯曲刚度 ............................................................................................ 18 4.1.1.2扭转刚度 ............................................................................................ 18 4.2.2车身骨架强度指标 .................................................................................. 18 4.2.2.1车身的静强度 ..................................................................................... 18 4.2.2.2车身的疲劳强度 .................................................................................. 19 4.3载荷工况分析及加载载荷分析 ........................................................................... 19

4.3.1水平弯曲工况分析 .................................................................................. 19 4.3.2极限扭转工况 ......................................................................................... 22 4.3.3紧急转弯工况 ......................................................................................... 23 4.3.4紧急制动工况 ......................................................................................... 25

第五章车身结构模态计算及结果分析.............................................................................. 27

5.1模态分析的基本思想 ......................................................................................... 27 5.2模态分析的理论基础 ......................................................................................... 28 5.3模态分析的一般过程 ......................................................................................... 28 5.4模态计算结果及分析 ......................................................................................... 30 第六章 总结与展望 ........................................................................................................ 34

6.1论文总结 .......................................................................................................... 34 6.2 工作展望.......................................................................................................... 34

致谢............................................................................................................................... 35 参考文献........................................................................................................................ 35

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第一章 绪论

1.1研究背景

汽车是重要的交通运输工具之一。随着社会经济的发展，人们对汽车尤其是客车在安全性、舒适性、经济性和环保性等方面提出了更高的要求。从而促使汽车的设计水平不断地趋于科学化和人性化。车辆结构设计作为车辆设计的主要内容之一，在车辆设计工作中占有很大的比重。汽车在人类的社会生活的影响越来越大。从长远的可持续发展的角度来看，节约资源、减少环境污染成为现代汽车设计中的两大焦点问题:

(1)能源问题。目前在各国使用的几亿辆汽车中，主要燃料仍以汽油、柴油等石油产品为主，年消耗石油一百多亿桶，占世界石油总消耗量的一半左右。根据预测，到下本世纪后期世界石油可能枯竭。面对这种严峻前景，降低燃料消耗成为汽车界面临的紧迫课题之一，而减轻汽车质量又是降低燃耗最有效的措施之一。

(2)地球环境问题。废气污染是当今社会面临的又一难题，汽车排放成为温室效应和空气污染的重要原因的倾向显著增强，近年来主要国家已相继制定或提高现有燃耗和排放法规。 面对世界能源日趋紧张，终将枯竭的严峻形势和汽车排放严重破坏地球环境的现实威胁，减轻客车质量、节约燃耗、减少排放污染已成为客车产业急待解决的重大难题。在客车燃耗和排放方面，我们与发达国家相比也存在不少差距。为使我国客车工业尽快赶上国际先进水平，应对国际客车界的挑战，客车技术进步显得尤为重要。

在新车型的开发设计过程中，准确判断车身结构的合理性及车身结构静、动态性能的优劣，并对车身结构设计进行优化，是一项十分重要的工作。由于车身结构是个非常复杂的系统，用经典力学方法很难得到精确的优化结果，为了能够计算出车身的刚度和强度，往往对车身结构进行一系列的假设和简化，计算模型只能构造得非常简单，这必然导致与实际的结构相差很大。在计算机和计算机技术飞速发展并广泛应用的今天，采用近似的数值解已成为较为现实又非常有效的选择。实践表明，在众多近似分析方法中，有限单元法是运用最为成功、最为有效的数值计算方法。有限单元法最先应用于航空工程，现已迅速推广到机械与汽车、造船、建筑等各种工程技术领域，并从固体力学领域拓展到流体、电磁声、振动等各学科，几乎在所有工程问题上得到发展和应用。有限单元法已成为一个为大家所普遍接受的工程分析工具。

1.2研究意义

传统的汽车车身设计方法的整个过程是基于手工制作完成的，期间分为初步设计和技术设计两个阶段。特点是整个过程是通过实物、模型、图纸、样板等来传递信息，至少需要进行1:5油泥模型、全尺寸油泥模型和样车制作等阶段;还要进行1:5油泥模型、1:1全尺寸油泥模型、实车三次风洞试验;还要进行车身原始数据保留的车身主图板、车身主模型的制作。随着计算机技术的发展，高速

图形终端和工作站的出现，CAD、CAE、CAM等现代设计方法被引入在车身设计中。而传统的车身CAD方法的一个主要工作是利用计算机辅助几何设计(CAGD)方法来进行车身几何造型设计，即要在计算机上建立一个车身表面模型以取代传统设计中的三维实体模型。但无论是传统的手工设计方法，还是传统的车身CAD设计方法，都免不了进行车身效果图绘制、车身油泥实物型模型制作等步骤，这就大大增加了设计开发的周期和成本。因此，建立一种汽车车身计算机辅助设计和分析的方法也就是虚拟样机设计方法意义很重大。汽车车身采用虚拟样机的设计方法，有利于革新产品开发过程、缩短周期降低成本、改进产品设计质量、提高产品开发效率。采用虚拟样机设计方法，在制造第一台物理样机之前，利用计算机模型可以仿真测试各种不同的设计方案，不必浪费制造物理样机所需的时间与经费，可以获得较优的乃至最优的设计方案;同时可以在计算机上方便地确定、修改设计缺陷，逐步优化设计方案，因此不但减少了昂贵的物理样机数量，而且提高了产品设计质量，大大缩短了产品的开发周期。

21世纪整车发展趋势是系列化、模块化、轻量化、小型化、电子化(自动化、智能化)及个性化。减轻汽车质量直接意味节约了能源和材料。提炼原材料、制造汽车和使用汽车所消耗能源三者的比例为10:5:85，汽车质量每减轻100kg可节油0.2L/1 OOkm~0.3L/100km，因此各国都在努力减轻汽车自身质量。

在汽车制造市场竞争日益激烈的今天，客车制造技术愈来愈先进，作为客车主要承载结构的车身骨架，它们的质量和结构形式直接影响车身的寿命和整车性能。车辆设计中，在满足客车运营中对车身骨架的刚度、强度及工艺改造等因素要求的同时，应当尽可能减轻它们的质量。不但降低制造成本，还可以减少后期使用成本。据统计，客车车身质量占汽车总质量的30%~40%，车身制造成本占整车制造成本的比重超过50% 。车身结构设计对于整车的性能起着举足轻重的作用，因此对车身结构进行研究显得十分重要。

客车车身是一个复杂的空间薄壁杆件结构，从结构力学角度来看，大客车车身是由空间骨架、抗弯薄板、壳体和应力蒙皮等构件组成的空间高次超静定结构。由于结构刚度和强度的需要，各杆件结构形状各异，而且杆件之间的连接也是各种各样的。车身骨架的受力情况比较复杂，结构分析的难度较大，所以国内外汽车制造商对汽车结构分析都非常重视。

车身结构设计的主要目的在于满足车体强度、刚度的前提下，减轻车身骨架的质量，如此不仅可以减少钢材和燃油的消耗，减少污染排放，提高车速，改善汽车起动和制动性能，还可以可有效减少振动和噪声，增加汽车和公路使用寿命。目前，国产客车普遍存在的问题是整车协调性较差;设计中对问题往往采取局部加强的方法，使得客车质量越加越大;而对某些应该减少的构件、减薄的材料或改变结构形式，因无明确依据，生产多不敢决定。如此延续下来，不但整车装备质量增加，而且新的结构形式也不容易产生。因此，在满足结构强度和高度的前提下，开展客车车身结构强度的计算工作，合理的进行结设计，以达到轻量化的目的，对车身优化设计具有重要意义。此外，为了加速企业的新产品开发，进一步提高产品的性能和科技含量，必须对现有的车型进行结构强度、刚度分析计算各相应结构改进的分析研究工作，为新车型的研制开发提高借鉴和校核方法。

1.3研究现状

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经过几十年的积累和发展，许多大汽车公司都已经建立了高性能的车身计算机辅助工程系统，形成了完整的设计、分析方法与试验程序。图1.3.1为普遍采用的车身结构设计系统和流程。

图1.3.1

现代车身结构设计由原来的经验、类比、静态设计，向建模、静动态分析、动态优化及虚拟现实设计转变。现代车身结构设计方法有以下几个比较明显的特点:

(1)设计与分析平行。从早期以满足一定性能要求为目标的结构选型、结构设计，到现在具体设计方案的比较及确定、设计方案的模拟试验，车身结构设计的各个阶段均有结构分析的参与。车身结构分析贯穿了整个设计过程，这样确定的车身结构设计方案，基本上就是定型方案。由此方案设计出的样车只需一定的验证使用即可定型，大大缩短了车身开发及研制的周期。

(2)结构优化的思想被应用在设计的各个阶段。舒适性安全性要求的不断提高，使车身优化设计的难度越来越大。为了满足这些要求，必须在设计的开始阶段就引入优化设计的思想，并将其贯穿整个设计阶段。

(3)大量的虚拟试验代替实物试验。虚拟试验不仅可以在没有实物的条件下进行，而且实施迅速、信息量大。利用虚拟试验，一方面可以在多个设计方案中选择最优，减少设计的盲目性，另一方面可以及早发现设计中的问题，从而进一步减少设计成本，缩短设计周期。

1.4课题研究的内容和方法

本课题来源于某客车(集团)公司，目的是研究该公司生产的所给客车车身骨架的静动态特性问题及模态问题。

本文首先介绍了有限元的概念、原理及分析的基本思路，说明了有限元法在车身结构分析中的应用，然后以该型客车为具体分析对象，讨论了利用ANSYS软件建立客车车身骨架几何模型的方法，以及如何将几何模型转化成可供分析计算的有限元模型;并对分析中涉及到的梁单元作了详细的介绍。接着采用有限元软件ANSYS，结合客车在实际运行中可能出现的多种典型工况，研究了相应载荷及

边界约束条件施加的实现方法，分析了车身结构强度、刚度以及其模态。

根据有限元分析的结果对该客车的车身骨架进行评估，为车身结构设计的改进提供了较准确可靠的理论依据。

本课题采用的研究方法:

(1)本文使用CATIA软件系统，建立其三维空间几何模型，然后导入ANSYS软件;

(2)形成有限元计算模型:依托大型有限元分析软件ANSYS 10.0，根据客车车身骨的特点，确定单元类型，同时确定支承及边界条件，注意模型中各种支承、连接关系与实际结构要相符，形成计算所需的有限元模型;

(3)确定需要计算的各种工况，以及载荷如何选取和加载，选择有限元软件ANSYS 10.0作为分析计算的工具，进行试算并判断模型的准确性;

(4)进行正式计算及结果分析，给出对研究对象结构设计方案的评估结论。

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第二章 车身结构有限元基本理论及软件介绍

2.1有限元基本理论

2.1.1有限元法基本思想

有限元法是20世纪60年代逐渐发展起来的对连续体力学和物理问题的一种新的数值求解方法，它是力学、计算方法和计算机技术相结合的产物，有着自已的理论基础和解题方法。其一般做法是，对所要求解的力学或物理问题，通过有限元素的划分将连续体的无限自由度离散为有限自由度，然后基于变分原理或用其它方法将其归结为代数方程组求解。有限元法不仅具有理论完整可靠，形式单纯、规范，精度和收敛性能得到保证等优点，而且可根据问题的性质构造更加适用的单元，从而具有它比其它数值解法更广的适用范围。随着计算机技术的发展，它已成为涉及力学有关的科学研究和工程技术不可或缺的工具。对于工程技术人员来说，在求解工程技术领域的实际问题时，建立基本方程和边界条件相对容易，但是由于几何形状，材料特性和外部载荷的不规则性，使得解析解很难得到。有限元法主要是把求解区域看作由许多小的在节点处互连接的子域(单元)构成，其模型给出基本方程的分片(子域)近似解。由于单元(子域)可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、材料特性和边界条件。

由于有限元法在解决工程技术问题时的灵活性、快速性及有效性，再加上它有成熟的大型软件系统支持，所以发展非常迅速。最初有限元法被用来研究飞机结构中的应力问题，目前，其应用范围已经包括了各个领域(固体力学、生物力学、流体场、电磁场、温度场、声场)的数理方程，已经成为解数理方程的一种非常受欢迎的，应用极其广泛的数值计算方法。有限元法的基本思想是将一个实际的结构(弹性连续体)划分为有限大小的，有限个数的单元组合体进行研究。这些单元仅在节点处连接，单元之间的载荷也仅由节点传递。这个把连续体划分为离散结构的过程称为有限元的离散化，也叫单元划分。其中有限个单元称为有限单元，简称单元。利用离散而成的有限元集合体代替原来的弹性连续体，建立近似的力学模型，就可以用该模型进行数值计算。通过对这些单元分别进行分析，建立其位移与内力之间的关系，以变分原理为工具，将微分方程化为代数方程，再将单元组装成结构，形成整体结构的刚度方程:

KU=Q 式（2.1.1） 式中: K—结构的整体刚度矩阵; U—节点位移列阵; Q—节点载荷列阵元

离散后单元节点的设置、性质和数目需根据问题的性质、描述变形形态的需要和计算精度而定(一般情况下，单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量也就越大)。所以，有限元法中分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是具有同样材料的由众多单元以一定方式连结成的离散物体。这样做的必然结果就是造成用有限元分析计算所获得的结果只能是近似的。如果划分单元数目足够多而合理，则所获得的结果就与实际情况相符合。分析过程中首先从单元分析入手，确定单元内的位移、应变、应力模式，并确定单元节点力

与单元节点位移的关系，建立单元刚度矩阵。根据离散化结构的联接方式将各个单元刚度矩阵进行组合，得到反映整体结构变形与载荷关系的总体刚度方程。通过求解该总体刚度方程可以得出各个单元的位移，再利用单元分析得到的关系可以求出单元应力及其应变。可见，有限元分析的主要内容是:单元离散化、单元分析、整体分析。 2.1.2有限元法基本方法

结构有限元法一般选择简单的函数近似地表达单元内位移变化规律，利用力学推导建立单元的平衡方程式，再把所有单元的方程组集合成表示整个结构的力学特性的代数方程组，最后引入边界条件求解代数方程组而得到数值解。由此可见，有限元法是从力学模型上采用分块近似，这在数学上只须求解一系列线性代数方程组，从而避免了求解力学微分方程这一繁难的环节，宜于用计算机进行求解。其主要方法步骤如下:

第一步，弹性连续体的离散化。有限元法运用近似分割原理，其基本思想是离散化。所谓离散化，就是假想把分析的连续体分割出有限个单元组成的集合体。这些单元仅仅在节点处连接，单元之间的载荷也仅由节点传递。连续体的离散化也称为网格的划分。离散而成的有限元集合体将替代原来的弹性连续体，所有的计算分析都将在这个计算模型上进行。因此，有限元分析计算的速度和结果的准确度直接受分析模型与实际工程结构力学特性符合程度影响。

有限元离散化过程中有一重要环节是单元类型的选择。在同一被分析结构中，具有不同类型的部件(如梁与板时)，可以而且必须应有不同类型的单元。本文基于相应的假设，选用梁单元进行分析。 第二步，选择单元位移模式。这是单元分析的第一步。位移模式或位移函数，是用来模拟单元内位移分布规律的简单函数，通常为多项式，其项数及阶数取决于单元的自由度数和有关的收敛性要求。单元位移函数要转换成用点位移来表示，从而决定了相应的位移插值函数。选择合适的位移函数是有限元分析的关键，它决定了有限元解答的性质与近似程度，其选择应遵循一定的准则。

第三步，单元力学特性分析。在选择单元类型和相应的位移函数后，即可按几何方程导出单元应变与应力的表达式。然后应用虚功原理或变分法或其他方法建立各单元的刚度矩阵，即单元节点力与节点位移之间的关系。

第四步，整体分析组成结构总刚度方程。整体分析的基础是依据所有的相邻单元在公共节点上的位移相同的每个节点上的节点力与节点载荷保持平衡这两个原则。包括两方面内容:一是由各单元的刚度矩阵集合成整体结构的总刚度矩阵[K];二是将作用于各单元的等效节点力集合成结构总的载荷矩阵{R}。这两项就组成了整体结构的总刚度方程:

KR 式（2.1.2 ）

第五步，约束处理并求解总刚度方程。引进边界约束条件，修正总刚度方程，求节点位移。求解大型联立代数方程的方法很多，求解的时间占据了整个有限元计算时间的大部分。

第六步，计算单元应力并整理计算结果。根据求得的位移求出结构上所有感兴趣部件上的应力，绘出结构变形图及各种应力分量、应力组合的等值图。

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2.2 建模所用单元理论分析

在满足分析要求的前提下，尽量使模型简化，以节省计算时间，所以在建立车身有限元模型时，忽略了车身蒙皮的作用，认为全部车身载荷由骨架承受，同时忽略了悬架对车身的影响。分析的客车车身为半承载式结构，其骨架与底架焊成一体，成为的薄壁杆系结构，因此，车身结构模型化使用空间薄壁梁单元。本文选择使用三维弹性梁单元Beam188单元。 2.2.1 Beam188单元特性

空间梁单元也是有限元中的常用单元，本文中用Beam188单元来对车身进行简化。Beam188是一种可用于承受拉、压、弯、扭的单轴受力单元。这种单元在每个节点上有六个自由度:x, y, z三个方向的线位移和绕x, y, z三个轴的角位移。可用于计算应力硬化及大变形的问题。通过一个相容切线刚度矩阵的选项用来考虑大变形(有限旋转)的分析。如图2.2.1和式(2.2.4)所示，可将任一单元i的线位移分量用1，三个角位移分别用1来表示，由于每个梁单元都含有两个节点，则单元i、j的节点John Swanson位移列阵为

eFeuiiwiiyixizujvjwjjxjyjzT 式（2.2.1）

梁单元的12个节点力为

UiViWiMixMiyMizUjVjWjMMjxMjyjzT 式（2.2.2）

单元刚度方程为

FeKee 式（2.2.3）

其中[K]为式（2.1.1）。

图2.2.1

EAlEAll1y312EIz12EI3yl1zGJl6EI2ykl1z1l1y24zEIyl1z4zEIzl1yEAll1y212EIzl1y312EIz12EIzl1z2l1y26EIz12EIzl1z3GJl6EI2ykGIkl1zl1y22zEIyl1zl6EIz2EIl1yyz2EIl1yy4zEIyl1zz2l1y6EIz4zEIzl1y 式（2.2.4） 式中：

12EIGAyly2 ， 12EIZGAyl2

Y、Z——对Y、Z轴的剪切影响系数;

G、E——剪切模量和弹性模量;

AYIYJK

、AZ——Y、Z轴的截面面积; 、IZ——截面对Y、Z轴的惯性矩; ——截面对x轴的扭转惯性矩;

L——单元长度;

A——梁单元横截面面积。

若记k为整体坐标系下的单元刚度矩阵，则整体坐标单元的节点力向量

eF与位移向量之间的关系为:

eeFkTkTeeeee 式（2.2.5）

kT 式（2.2.6） 毕业论文

0T0000000000 式(2.2.7) 0[T]为单元坐标系变换矩阵。

cos(x,x)其中cos(y,x)cos(z,x)cos(x,y)cos(y,y)cos(z,y)cos(x,z)cos(y,z) cos(z,z)(x，x) ,(，y)、(z,x)分别表示两坐标轴间的夹角。

建立整车有限元模型后，在用有限元软件进行整车强度和刚度分析时，通过输入各梁截面的面积、弯曲特性、扭转特性以及材料特性，程序自动生成单元刚度矩阵，计算出各节点处的位移和应力。

y2.3软件介绍

2.3.1 ANSYS软件简介

ANSYS是由美国ANSYS公司开发的大型通用有限元分析软件。自1970年成立以来，ANSYS公司在其创始人John Swanson教授的领导下，不断吸取世界最先进的计算方法和计算机技术，引导着世界有限元分析软件的发展。以其先进性、可靠性、开放性等特点，被全球工业界广泛认可。并已经拥有着全球最大的用户群。并于1995年，在分析设计类软中第一个过IS09001国际质量体系认证。ANSYS是融多物理场于一体的大型通用FEA软件，其结构相关分析主要功能有以下几个方面：

(1)前处理。ANSYS提供了一个强大的实体几何建模及网格划分工具，用户可以方便地构造三维几何模型及有限元模型。ANSYS提供两种可交叉使用的实体建模方法:自顶向下及自底向上，采用基于NURBS的三维实体描述方法，几十种图素库可以模拟任意复杂的几何形状，强大的布尔运算实现模型的精雕细刻、方便的拖拉、旋转、复制、缩放、蒙皮、倒角大大减少建模时间，辅助工具(如选择、组元、拾取、工作平面、局部坐标系等)为建模提供了极大方便网格划分，ANSYS提供多种网格划分方法，可以实现对网格密度及形态的精确控制;拉伸网格划分可以由二维网格单元直接拖拉成三维单元;智能自由网格划分可对复杂模型直接划分，而且对单元的密度进行智能控制(如在应力集中处的网格自动加密等);映射网格划分可以生成整齐的四边形或六面体网格，而且单元尺寸及形状可以得到最精确的控制;自适应网格划分让用户根据指定的求解精度，指导软件自动生成有限元网格，执行分析、估计网格的离散误差，返回来重新自动定义。网格大小进行分析核误差判断，直到达到要求。ANSYS还提供一些特殊的网格划分工具，以满足特殊要求。如模拟流体动边界层或电磁集肤效应的薄层网格划分，连接六面体与四面体的金字塔过渡单元，以及网格局部细化功能。ANSYS提供的参数化

设计分析语言，以将几何模型及有限元模型参数化，进行产品的系列设计与分析。 (2)结构分析。线性结构分析，用于分析惯性和阻尼对结构影响不显著的线性或准静态问题，其中特征值求解功能可以进行线性曲屈分析:结构非线性分析，包括几何非线性(大变形、大应变、应力刚化、旋转软化以及非线性屈曲等)、材料非线性(模拟100多种非线性材料模式，包括橡胶、泡沫、岩石、土壤等特殊材料)、状态非线性(刚柔接触、柔柔接触问题等)、单元非线性(提供100多种单元类型，以满足不同非线性问题的需要);结构动力学分析，包括模态分析(包括模态循环对称、预应力模态等)、谐波响应分析、瞬态动力学分析、谱分析、随机振动分析等;此外，还支持线性及非线性屈曲分析、拓扑优化功能、断裂力学分析、复合材料分析、疲劳及寿命估计分析、压电分析。

(3)合场分析。ANSYS的祸合场分析可分为两类，直接藕合和间接藕合。直接藕合使用带有多个场自由度的藕合单元。由于通过单元矩阵或载荷向量把藕合构造到控制方程中，因此可以一次求解多场自由度。间接祸合则使用“物理环境”的方法，每种“物理环境”属于不同的物理场。通过将一个“物理环境”分析的结果作为另一个“物理环境”的载荷实现祸合。间接藕合方式为用户提供了更自由的藕合方式，从而实现任意两场或多场的藕合分析。

(4)后处理及其他功能。ANSYS提供了强大的后处理功能，能使得用户很方便地获得分析结果。其功能包括:结果的彩色云图、等值线(面)、梯度、矢量、粒子流、切片、透明显示;变形及动画显示;图形的BMP, PS, TIFF, HPGL, WMF等格式的输出与转换;计算结果的排序、检索、列表及数算;对于钢筋混凝土单元可显示单元的钢筋、开裂情况以及压碎部位;管、肘形弯管、梁、板、磁源等单元的实际形状和横截面显示等:其他功能还包括优化功能、子结构、子模型、生死单元等。

ANSYS作为世界知名的大型通用有限元分析软件，经过近30年的不断完善及应用推广，已经广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航天航空、机械制造、能源、交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、家电等各工业领域。ANSYS软件是第一个通过IS09001国际质量体系认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会(ASME)以及美.国核安全局(NQA)及近二十种专业技术委员会认证的标准分析软件。此外，ANSYS公司自建立就推出支持教学与科研的大学版本，与代表世界计算技术最高水平的高校及专业研究单位紧密合作、促使ANSYS更快地吸取世界最新的计算方法和研究成果，进而造就了不断推陈出新、技术日新月异的有限元分析软件。 2.3.2 CATIA软件简介

CATIA是法国达索公司的产品开发旗舰解决方案。作为PLM协同解决方案的一个重要组成部分，它可以帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。

模块化的CATIA系列产品旨在满足客户在产品开发活动中的需要，包括风格和外型设计、机械设计、设备与系统工程、管理数字样机、机械加工、分析和模拟。CATIA产品基于开放式可扩展的V5架构。通过使企业能够重用产品设计知识，缩短开发周期，CATIA解决方案加快企业对市场的需求的反应。自1999年以来，市场上广泛采用它的数字样机流程，从而使之成为世界上最常用的产品开发系统。CATIA系列产品已经在七大领域里成为首要的3D设计和模拟解决方案：

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汽车、航空航天、船舶制造、厂房设计、电力与电子、消费品和通用机械制造。

CATIA拥有先进的混合建模技术,可实现多种混合建模,如设计对象的混合建模,即在CATIA的设计环境中，无论是实体还是曲面，做到了真正的互操作；变量和参数化混合建模,即在设计时，设计者不必考虑如何参数化设计目标，CATIA提供了变量驱动及后参数化能力;几何和智能工程混合建模：对于一个企业，可以将企业多年的经验积累到CATIA的知识库中，用于指导本企业新手，或指导新车型的开发，加速新型号推向市场的时间。

CATIA具有在整个产品周期内的方便的修改能力，尤其是后期修改性。无论是实体建模还是曲面造型，由于CATIA提供了智能化的树结构，用户可方便快捷的对产品进行重复修改，即使是在设计的最后阶段需要做重大的修改，或者是对原有方案的更新换代，对于CATIA来说，都是非常容易的事。

CATIA所有模块具有全相关性。CATIA的各个模块基于统一的数据平台，因此CATIA的各个模块存在着真正的全相关性，三维模型的修改，能完全体现在二维，以及有限元分析，模具和数控加工的程序中。

CATIA中并行工程的设计环境使得设计周期大大缩短。

CATIA覆盖了产品开发的整个过程，并且CATIA 提供了完备的设计能力，从产品的概念设计到最终产品的形成，以其精确可靠的解决方案提供了完整的2D、3D、参数化混合建模及数据管理手段，从单个零件的设计到最终电子样机的建立；同时，作为一个完全集成化的软件系统，CATIA将机械设计，工程分析及仿真，数控加工和CAT web网络应用解决方案有机的结合在一起，为用户提供严密的无纸工作环境，特别是CATIA中的针对汽车、摩托车业的专用模块，使CATIA拥有了最宽广的专业覆盖面，从而帮助客户达到缩短设计生产周期、提高产品质量及降低费用的目的。

CATIA拥有远远强于其竞争对手的曲面设计模块，本次分析中，建模主要采用创成式造型及自由风格草图绘制。所以以下对这两个模块主要介绍：

1.Generic Shape Design

简称GSD，创成式造型，非常完整的曲线操作工具和最基础的曲面构造工具，除了可以完成所有曲线操作以外，可以完成拉伸，旋转，扫描，边界填补，桥接，修补碎片，拼接，凸点，裁剪，光顺，投影和高级投影，倒角等功能，连续性最高达到G2，生成封闭片体Volume，完全达到普通三维CAD软件曲面造型功能，比如Pro/E。完全参数化操作。

2.FreeStyle Sketch Tracer

简称FST，自由风格草图绘制，可根据产品的三视图或照片描出基本外形曲线。

第三章车身结构有限元模型

3.1建模准备

要分析的客车主要技术参数: 整车性能参数: 总长:10300mm 总宽:2480mm 总高:3190mm

座位数:70（10-46） 整车整备质量:7530kg 最大总质量:15000kg

发动机型号：康明斯ISBE220 31(220PS)（欧III） 3.1.1单位制及材料性能

多数有限元计算程序都不规定所使用的物理量的单位，为了方便使用，不同问题可以使用不同的单位，但在同一个问题中各物理量的单位必须是统一的。由于在实际工程问题中可能会用到多种不同单位的物理量，如果只是按照习惯采用常用的单位，表面上看单位是统一的，实际上却不统一，从而导致错误的计算分析结果。也就是说对于实际工程问题，不能按照手工计算的习惯来选择各物理量的单位，而必须遵循一定的原则，最好的方法是都使用国际单位。

物理量的单位与所采用的单位制有关。物理量可分为基本物理量和导出物理量，在结构和热相关计算中的基本物理量有:质量、长度、时间和温度。导出物理量的种类很多，如面积、体积、速度、加速度、压力、应力、导热率、比热、热交换系数、能量、热量、功等等，都与基本物理量之间有确定的关系。基本物理量的单位确定了所用的单位制，然后可根据相应的公式得到各导出物理量的单位。具体做法是:首先确定各物理量的量纲，再根据基本物理量单位制的不同得到各物理量的具体单位。由于提供的设计资料中，尺寸材料均采用毫米，故将尺寸进行转换，采用kg-m-s单位制。为减少建模过程的工作量，建模初期并没有对尺寸单位进行换算。该客车所使用的材料性能如下表3.1.1。

表3.1.1 材料 抗拉极限 屈服极限 弹性模量 剪切模量 泊松比 (MPa) (MPa) (GPa) (GPa) 16Mn 480~520 280~350 200 79.4 0.3 3.1.2模型简化

客车车身不仅是一个极其复杂的空间薄壁杆系结构，还包括大量的承受应力的蒙皮。其中一些非主要的承载元件对骨架结构的变形和应力分布影响很小，而对问题的求解规模和准确性的影响却很大。因此没有必要完全按照车身的实际结构来构建其有限元模型，而是根据各个分析的侧重点有针对性的对模型进行一些

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简化。

本次根据实际需要建模时对车身骨架采取了如下几点简化措施: (1)省略非承载件。对于某些方便使用或辅助承载而设置的小构件(如:扶手，制动踏板支架，仪表盘支座，裙部斜排等)，由于其对整车的变形和应力分布影响很小，所以可忽略不计。

(2)光顺化构件表面。对于构件表面上的孔、台肩、凹部和翻边等构造尽量酌情予以圆整光滑处理。

(3)简化截面形状。由于客车上构件的设计不仅仅需要考虑简单的受力，而且还要顾及其他部件的安装及使用要求，因此截面形状可能不很规范，但在离散化时要作适当的形状简化处理。

(4)主从节点原则。出于对结构模型病态问题的考虑，对于位置较近的构件结合点则采用适当合并或“主从节点”的方式处理，避免实际计算中可能会导致的方程病态问题。

(S)蒙皮处理原则。蒙皮对骨架刚度加强作用非常小，所以本文忽略了应力蒙皮的加强作用。

(6)曲杆简化为直杆。例如可以把顶盖横梁、前风窗下横梁等曲杆简化成若干直杆，对整个结构计算影响很小。

(7)载荷分配。载荷的分配直接到影响计算结果，应该对地板、乘客、座椅等质量作合理的分配，使之作用在适当的位置上。

3.3几何模型及接口程序

几何模型是有限元模型的基础。ANSYS前处理模块中提供了强大的几何建模功能，但同其它专业CAD软件相比，它所提供的几何建模功能中建模命令不是很丰富，因而使用起来不是很方便。当前国内外广泛使用的大型CAD几何造型软件主要有:UG、PROE、CATIA、Solid Works、Micro Station等。其中CATIA作为高档的CAD软件，提供了先进的几何建模理念和丰富的几何造型命令，拥有庞大的用户群，目前已在国内多数汽车制造厂广泛使用。本文使用CATIA软件系统，根据所提供的设计图纸，建立其三维空间几何模型。

为了同其它CAD / CAE软件实现数据交换，ANSYS还提供了与大多数CAD软件的接口。CATIA软件也提供了多种公共图形的数据交换接口文件。但通过各种数据接口导入ANSYS中的模型除了上述的修改不方便外，其模型的全局坐标系也不能改变。车辆结构分析中有自已的习惯坐标体系，即坐标系z正半轴为车辆的高度方向、x正半轴为车辆的长度方向、y正半轴方向为车辆的宽度方向。而模型建立开始就确立好坐标系的位置，需要大量的复杂的计算，即图纸的尺寸标注的换算。对于复杂的模型，目前普遍的做法有两种:

一，在其它CAD系统中建立几何模型或把已经建好的几何模型，通过公用数据交换文件、商家提供数据接口程序将几何模型导入ANSYS中，利用其提供的几何修复和拓扑修复工具进行适当地修改后，进行网格划分建立有限元模型;

二，根据实际需要，自已编制的接口程序。本文采用第一种方法建立ANSYS几何模型。

CATIA一ANSYS程序处理的文件是CATIA信息文件，通过“另存为„”保存为中间格式，即igs文件。用ANSYS命令GUI: File>Read Input From...读入该文件即可完成模型导入。由于模型完全使用ANSYS命令创建的，所以可以对模

型进行任何操作。

通过接口程序由CATIA中导入的几何模型，还需要做一些必要的修改才能划分网格。由于CATIA系统与ANSYS系统的容差不同，几何模型中与之对应的线与线之间有部分未连接、交叉线之间不存在关键点。为此，需要先对模型中的部分没有关键点的交叉线进行重叠，命令overlap;然后根据给定容差Smm，对所有直线的关键点进行合并操作，命令Merge Keypoint:一;最后压缩直线和关键点的编号，命令Compress„修改后的几何模型便可以进行网格划分了。

3.4有限元模型的生成

3.4.1材料属性和梁横截面的指定

车身骨架所使用的材料均为各向同性材料16Mn，这种材料的参数有:弹性模量Ex=2.1e11、泊松比0.3、密度DENS=7.85e3，所有数值均已经换算为单位制kg-m-s。

车身骨架结构中所使用的梁大多数为规则几何截面的梁(如矩形、U型等)，也可有少数不规则几何截面的梁(如扇形管等)。对于规则几何截面的梁，A'NSYS提供的截面定义工具很容易实现其截面的定义，使用命令SECTYPE , SECQFFSET , SECDAI„A 。对于不规则几何截面定义，ANSYS提供了两种实现方法，一是建立截面的几何形状并使用平面单元进行网格划分后，写入二进制的截面文件:二是从特定格式的ASCII文件中读入截面的网格信息(SECREAD)。此次分析采用矩形梁截面，其网格如图所示：

图3.4.1

图3.4.2

图3.4.3

图3.4.4

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图3.4.5

图3.4.6

图3.4.7

图3.4.8

图3.4.9

3.4.2网格的划分

据有关资料统计，在整个有限元处理时间中，前处理部分占40%~45%，后处理部分占55%~60%，而分析求解计算的时间只占5%左右。因此，对有限元网格划分进行不断的试验、比较且积累经验是十分必要的。有限元建模工作中网格的划分占有很重要的地位。模型的求解规模和求解时间对立统一于网格的疏密程度。网格划分是有限元前处理中的主要工作，也是整个有限元分析的关键工作。网格划分的质量和优劣将对计算结果产生相当大的影响。它不仅繁琐、费时，而且在许多地方，在很大程度上依赖于人的经验和技巧。所以对于很多初学者来说，网格的划分显得那么重要而且困难。

ANSYS提供了3种网格划分的方法，它们分别是:自由网格划分、对应网格划分、对应网格及自由网格混合划分。ANSYS提供的智能网格划分功能是一种比较高效的自由网格划分方法，它考虑几何图形的曲率以及线与线的接近程度自动

进行网格划分，共分10个级别，级别越高网格划分的越粗，级别越低网格划分的越细。智能网格划分应用起来非常简便，用户不必考虑在划分区域内网格划分的具体细节，只须将划分设定为一定的级数即可，省掉了很多麻烦。

在本文中，单元在划分网格时还需要指定一个关键点用来定义梁的方位，梁的空间放置情况将决定后期的加载载荷的方向。本文在划分网格时按照实际梁的空间放置定义了部分梁的空间定位关键点，但这些点并不参加网格的划分和后续分析及模型求解。考虑到车身骨架较为复杂，建模过程中采用创建COMPONENTS操作，如图3.4.8~3.4.9所示：

图3.4.10

图3.4.11

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最终建模结果如图3.4.12~3.4.13：

图3.4.12 线框图

图3.4.13 有限元模型

第四章车身结构有限元静态分析

4.1车身骨架技术指标

4.1.1车身骨架刚度指标

客车车身刚度是评价客车车身性能的一个重要指标，而且车身刚度对车身其它性能如强度、疲劳耐久性和NVH性能也有很大影响。刚度是客车车身结构设计中的一个重要目标。车身结构的刚度值应满足什么标准尚没有定论，但可用现有车辆的车身骨架刚度作为相应的大致标准。

4.1.1.1弯曲刚度

当车身上作用有对称垂直载荷，使得结构处于弯曲工况时，其整体的弯曲刚度由车身底架的最大垂直挠度来评价。将车身整体简化为一根具有均匀弯曲刚度的简支梁，在梁中点加集中力，就可以得到近似车身简支梁的弯曲刚度与垂直挠度关系的计算式(4.1.1）。将真实车身底架的最大垂直挠度值代入该式便得到车身结构的整体弯曲刚度EI的值。

EI=Fax(L2-a2-x2)/6Ly 式（4.1.1） 式中F为集中载荷,L为轴距,x是从支点到测量点的距离,a是支点到加载点的距离,Y为挠度。车身结构的弯曲刚度是一个重要考核指标，校核客车车身刚度必须考虑这个评价指标。

4.1.1.2扭转刚度

当车身上作用有反对称垂直载荷时，结构处于扭转工况，左右载荷不相等，将使车身产生扭转变形。扭转刚度可以作为判断这个变形程度的标准，计算公式(4.1.2)扭转刚度之值GJ用来表征车身在凹凸不平路面上抵抗斜对称扭转变形的能力。

GJTL 式（4.1.2）

式中为L轴距、T为扭矩、为轴间相对扭转角。 4.2.2车身骨架强度指标

客车在行驶时需要承受着复杂多变的载荷，进行车身结构设计及分析时，必

须考虑到实际非行驶中作用的载荷和行驶中的最大载荷，在这种情况下车身骨架不能有较大的变形甚至被损坏，并且承受随机载荷时也不能产生裂纹等疲劳破坏，即车身必须有足够大的静态强度和疲劳强度。

4.2.2.1车身的静强度

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车身的静强度对车身结构进行静力分析的目的在于计算结构在最大载荷作用下的变形与应力，以便于进行静强度和刚度的检验。因此，如何模拟客车承受的载荷是车身结构有限元静态分析一个重要内容，通常需要考虑的载荷工况有:行驶时的最大载荷、单轮跨上或落下的载荷、千斤顶顶起载荷、制动载荷等。

4.2.2.2车身的疲劳强度

客车行驶在颠簸路面上时，车身骨架在路面激振力的作用下会产生各种形式的振动，振动可能会造成结构的疲劳损坏。车身结构的损坏，大多数是由于疲劳破坏引起，因此研究车身结构的强度不仅要分析结构的静强度，还需要研究车身结构在随机载荷作用下的动强度。车身疲劳强度一般是通过耐久试验测得，车身的耐久试验有二种，一种是作为车辆和其它构件一起进行的行驶耐久试验，另一种是以整车域车身为对象，模拟各种载荷条件在台架上进行的台架耐久试验。在确定车身疲劳强度的标准时，由于试验路面的性质、试验条件等不同，以及各公司对车辆性能的要求不同，因此一般都由各公司单独制定。经常行驶在坏路面的客车，山于不断遭受冲击载荷的作用，往往会导致后钢板弹簧和副簧托架处车身骨架纵梁腹板上产生疲劳裂纹。

4.3载荷工况分析及加载载荷分析

客车运行时车身承受的载荷种类很多，就其载荷性质而言，车身所受到的主要载荷有弯曲、扭转、侧向载荷和纵向载荷等儿种。其中弯曲载荷主要产生于车身、车载设备、乘客等的质量;扭转载荷产生于路面不平度对车身造成的非对称支撑，作为对比计算，可以用静态最大可能的扭矩，即模拟一个前轮悬空的极限状态;侧向载荷主要产生于转向时的离心作用;纵向载荷产生于加速、制动时的惯性力作用。标准规定:试验样车必须以一定车逮，在各种道路上行驶一定里程。主要是在高速道路、一般道路、弯道上行驶的弯曲、扭转、紧急制动和紧急转弯等四种典型工况。

为了能比较全面地了解车身骨架在实际工况下的应力分布情况，本文主要对水平弯曲工况(满载)、极限扭转工况(左、右前轮悬空)、紧急转弯工况(左、右转弯)、紧急制动工况(满载)等进行了有限元仿真计算来分析车身结构强度和刚度，为进一步进行优化设计提供参考依据。 4.3.1水平弯曲工况分析

4.3.1.1载荷与边界条件

水平弯曲工况下，车身骨架承受的载荷是主要质量在重力加速度作用下而产生的。本文根据车载质量的空间布置情况将它们换算节点载荷施加在其布置位置的梁的节点上。其主要载荷加载方式如表4.3.1 所示。

此外，为消除车身骨架的刚体位移，需要对骨架与悬架的装配位置的节点进行约束。水平弯曲工况下，其边界条件为:约束前轮装配位置处节点的三个平动

自由度UX, UY, UZ，从而释放三个转动自由度ROTX,ROTY, ROTZ;约束后轮装配位置处节点的垂直方向自由度UZ释放其它自由度。其载荷分布及边界条件施加如表4.3.1所示：

表4.3.1 主要载重质量及加载方式 序号 位置 加载质量（Kg） 计算依据 加载形式 1 驾驶员及座椅 102 2 动力总成 1300 集3 乘客质量 5250 70×75Kg 中载（满载） 荷4 座椅质量 200 10×20Kg 5 空调质量 300 6 骨架质量 惯性加载 计算结果如下所示：

图4.3.1 水平弯曲总变形图

图4.3.2 水平弯曲沿Y轴变形图

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图4.3.3 水平弯曲沿Z轴变形图

应力最大

图4.3.4 水平弯曲应力图

4.3.1.2计算结果及其评价

水平弯曲工况下客车最大变形产生在车身后部，如图4.3.1所示，其最大变形量为6.629 mm，小于国家规定标准GBT/13043-2006.汽车定型试验规程 ，后置发动机客车的最大变形参考值10mm，可见水平弯曲工况下客车有很大的刚度裕量。从图4.3.2可见，Y方向的最大变形出现在车顶中部与侧窗上梁的过渡连接区，中部载重集中（包括空调），所以变形量较大。 水平弯曲工况下的高应力区，主要分布在发动机支撑梁上，如图4.3.4所示，应力值为111MPa，这是由于发动机后置，后桥的轴载质量较大造成的。16Mn材料的屈服强度为345MPa，故安全系数为3.1，由此可见车身结构是满足强度要求，并具有较大的强度富余。

4.3.2极限扭转工况

扭转载荷产生于路面不平度对车身造成的非对称支撑，整车满载水平放置，后两轮固定，前轴间加一极限扭矩(前轴负荷的一半乘以轮距)，相当于客车单轮悬空的极限受力情况，模拟客车在崎岖不平的道路上低速行驶时产生的斜对称垂直载荷。侧向载荷主要产生于转向时的离心作用;纵向载荷产生于加速、制动时的惯性力作用.

4..3.2.1载荷与边界条件

由于路面不平度的作用，汽车需要模拟两前轮之一悬空时，车身骨架静态极限扭转时承受的应力分布情况，这种情况下车身骨架的载荷同满载水平弯曲工况一样。

边界条件为:约束左(右)前轮装配位置处节点的三个平动自由度UX, UY, UZ,释放转动自由度ROTX, ROTY,ROTZ;释放右(左)（右为Y正方向）前轮装配位置处节点的所有自由度;约束后轮装配位置处节点的垂直方向自由度UZ，释放其它所有自由度。其计算结果如下所示：

图4.3.5 扭转工况总变形图

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图4.3.6 扭转工况应力图

4.3.2.2计算结果及其评价

扭转工况下客车最大变形产生在顶棚与右前部，如图18所示，其最大变形量为19.857 mm。

扭转工况下的高应力区，主要分布在车身前部与前悬纵梁交汇处，如图17所示应力值为139MPa。16Mn材料的屈服强度为345MPa，故安全系数为2.48，由此可见车身结构是满足强度要求，并具有一定的强度富余。 4.3.3紧急转弯工况

4.3.3.1载荷与边界条件

汽车满载发生转弯时，车身骨架将受到离心力作用而产生侧向载荷。由于离心加速度的大小由转弯半径以及行驶车速两个参数决定，作为近似计算，本文通过在横向(y轴正方向)施加一个侧向加速度0.4g来模拟紧急右转弯工况下载荷情况。此外，离心力的大小还受到车载质量的影响。该工况下，需要假设后轴在完全侧滑的极限状态下完成。

边界条件:约束右前轮装配位置处节点的三个平动自由度UX, UY, UZ;约束左前轮装配位置处节点的垂直方向自由度UZ.纵向自由度UX;约束后轮装配位置处节点的垂直方向自由度UZ。其计算结果如下所示：

图4.3.7 转弯工况总变形图

图4.3.8 转弯工况沿X方向变形图

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图4.3.9 转弯工况应力图

4.3.3.2计算结果及其评价

转弯工况下客车最大变形产生在车身后部，如图4.3.7所示，其最大变形量为21.108 mm。从图4.3.8可见，车身沿右侧变形较大。

转弯工况下的高应力区，主要分布在后悬架部与左侧梁连接处，如图4.3.9所示，应力值为122MPa。16Mn材料的屈服强度为345MPa，故安全系数为2.83，由此可见车身结构是满足强度要求，并具有较大的强度富余。 4.3.4紧急制动工况

4.3.4.1载荷与边界条件

本工况将模拟客车在行驶中紧急制动时的载荷情况，客车车身除承受乘客及车辆重力作用外，还要受到纵向制动惯性力的作用。

汽车在加速或制动时，由于惯性力的作用，车身骨架将承受纵向载荷。纵向载荷的大小取决于纵向加速度和车载质量两个参数。而在紧急制动工况下，惯性力的大小取决于受制动减速度的大小。以0.8g模拟制动减速度，进行计算时假设制动时前后各车轮同时抱死，在车身骨架上施加一个纵向加速度来模拟紧急制动工况。

边界条件:约束前轮装配位置处节点的三个平动自由度UX、 UY、 UZ，约束后轮装配位置处节点的垂直自由度UZ和纵向自由度UX，释放其它自由度。其计算结果如下所示：

图4.3.10 制动工况总变形图

图4.3.11制动工况应力图

4.3.4.2计算结果及分析

制动工况下客车最大变形产生在车身后部，如图4.3.10所示，其最大变形量为6.823 mm。

如图4.16所示，车身骨架最大应力值为121MPa.这是由于紧急刹车，使得应力位置前移，发生在后悬架大纵梁与垂直加强板连接处，应力增大比较合理。前悬架应力主要集中在前悬架纵梁与垂直立板连接处，主要由于垂直立板与车身相连接的缘故。从强度分析方面来看，最大应力小于客车的许用应力，安全系数为2.85。这说明车身结构在紧急制动工况下满足强度要求，并具有较大的强度余量。

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第五章车身结构模态计算及结果分析

客车在行驶过程中，车身会受到来自外界的多种激振，导致车身运动很复杂，研究车身动态特性不但可以有效地分析汽车的平顺性还可以分析车身的疲劳寿命。考虑车身的动态特性一般需要进行模态分析，获得固有频率和相应的振型。资料表明，各个厂家生产的车身的动刚度在最近的几年中提高很快，而车身质量占整车质量的比例却有所下降。这一成果的取得要归功于有限元法和模态分析技术在汽车领域内的应用。

5.1模态分析的基本思想

模态分析主要用于确定设计中的结构或机器部件的振动特性(固有频率和振型)在结构设计中它是分析结构承受动态载荷的重要参数，同时也可以作为其它更详细的动力学分析的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析、谱分析等。

模态分析的作用主要有以下三个方面:一是使结构避免共振或使其按特定频率进行振动;二是了解结构对不同类型的动态荷载的响应模式;三是有助于在其它动力学分析中估算求解控制参数，例如时间步长的选择等。在很多场合，模态分析都起到举足轻重的作用。例如，很多工程机械在使用过程中都要求必须避免共振，这种情况下进行模态分析后，可以了解结构的固有振动频率和振型，可以采取相应的必要的改善措施，避免在使用中由于共振造成不必要的损失。由于结构的振动特性决定了结构对各种动态载荷的响应情况，所以作者在这里强烈建议在进行其它动力学分析之前首先要进行模态分析。

在客车车身结构的设计过程中，设计人员首先考虑的是结构的静强度和刚度，但是如果仅仅做这些必然会使车身局部结构存在不合理的地方。骨架作为客车车身结构的基础，其振动特性的好坏对车身结构乃至整车性能都有非常重要的影响。当客车行驶在坏路面上时，各个零部件在路面反激振力的作用下会产生各种形式的振动，振动不但会产生共振和噪声，严重时可能造成客车结构的疲劳破坏。当所受激振力的频率与车身结构的某一固有频率相同或接近时，就会引起结构共振，从而产生很高的动应力，造成结构的强度破坏或产生不允许的大变形，破坏客车的性能，这样是非常危险的。因此，具有足够的刚度、强度是车身骨架设计的基本要求，必须对客车进行模态分析。

随着乘客对客车乘坐舒适性的要求日益提高，模态分析也越来越受到重视。对客车车身进行模态分析，有利于我们掌握车身对激振力的响应，从而可以对车身设计方案进行有效的评价和改进。一般来说，车身在激振力作用下，顶盖、地板、侧围、车门等部位都会产生振动。采用有限元法进行模态分析，不需要样车和进行整车实验，只需要根据车身结构图纸建立动力学模型，就可以分析预测客车在各种工况下的振动特性和响应模式。用模态综合法来研究整车振动特性时，车身结构的模态频率是最重要的参数之一。用它能够预测车身与其它部件如悬挂系统、路面、发动机及传动系等系统之间动态干扰的可能性，通过合理的设计可以避开共振频率，控制车身的模态，使车辆处于更安全的行驶状态。一般情况下，希望车身结构整体一阶模态的频率越高越好。

5.2模态分析的理论基础

具有有限自由度的弹性系统运动方程，可应用动载荷虚功原理推导出来，其阵形式为:

MCKP 式（5.2.1） 式中:[M]—结构总质量矩阵; [C]—结构总阻尼矩阵; [K]—结构总刚度矩阵; —节点位移列阵; P—结构的载荷列阵

在模态分析过程中，取C为零矩阵，因结构阻尼较小，对结构的固有频率和振型影响甚微，可忽略不计，由此可得结构的无阻尼自由振动方程:

MKP 式（5.2.2) 这是常系数线性齐次微分方程组，其解的形式为:

0sinwt 式(5.2.3) 式中:w—振动固有频率; —振动初相位

将(5.2.2)式代入(5.2.3)式后，便得到如下的齐次线性方程组:

Kw2M0 式(5.2.4) 式(5.2.4)有非零解的条件是其系数行列式等于零，即:

Kw2M0

当矩阵[K]以及[M]的阶数为n时，式(5.2.4)是w2的n次实系数方程，称为常系数线性齐次常微分方程组(5.2.4)的特殊方程，系统自由振动特性(固有频率和振型)的求解问题就是求矩阵特征值w和特征向量的问题。

5.3模态分析的一般过程

ANSYS中的模态分析是线性分析，也就是说，在模态分析中只有线性行为是有效的。任何非线性特性，例如塑性和接触单元，即使定义了在分析过程中也都将被忽略。

模态分析可以用于对有预应力的结构和循环对称结构进行分析。ANSYS的模态分析主要有下面4个步骤:

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(1)建立有限元模型:

模态分析所用的离散模型与结构静态分析时所用的模型可以相同，如若不然就应该在前处理中定义单元类型，单元实常数，材料特性和模型几何性质。这里需要说明的是，建立模型所定义的单元应该是线性单元。材料模型可以是线性的、各向同性的或各向异性的、恒定的或温度相关的，但是必须通过弹性模量Ex和密度DENS或者以其它方式对材料的刚度与质量进行定义。 (2)施加载荷并求解:

这一步中主要定义分析类型、指定分析设置、定义载荷和边界条件、指定加载步骤设置，然后进行有限元分析求解固有频率。求解结束后，扩展模态以便观察。

①进入ANSYS求解器，定义分析的类型并对求解选项进行设置，分析类型选Modal模态分析):ANSYS提供了7种模态提取方法，它们是子空间法(Subspace)、分块兰索斯法((BlockLanczos) , PowerDynamics法、缩减法(Reduced )、非对称法(Unsymmetric)、阻尼法(Damped)和卯阻尼法(QRDamped)。在指定某种模态提取方法后，ANSYS会自动选择合的方程求解，用户可根据模型的实际情况和需要进行选择。

选择分块兰索斯法(BlockLanczos)，该方法的特点是计算速度较快，输入的参数少，特征值和特征向量求解精度高，适用于大型对称特征值的求解问题。另外，还需要指定所需提取的模态;

②定义扩展模态选项(MXPAND):指定是否需要扩展模态以及需要扩展的模态数目;确定是否要计算单元应力。如果想要为分块兰索斯法提供标准化了的模态形状，就需要选择使用模态扩展并指定模态扩展数。如果还想看除了变形以外单元求解的其它结果，需要打开“Calculate elem results”选项;

③质量矩阵形成方式:指定质量矩阵形成方式((LUMMP)，对于大多数问题，推荐采用系统形成方式;

④指定预应力效应选项(PSTRES):默认情况下，ANSYS的模态分析是不包含预应力，要注意的是对于分块兰索斯法，需要指定约束方程处理方法(Cekey) ;

⑤施加荷载:在典型的模态分析过程中只考虑施加零位移的DOF约束，在提取模态时，加在模型上的力、压力、加速度等荷载都将被忽略，但程序会计算出所加荷载的荷载向，并写入振型文件jobname . MODE中，以便在模态叠加法谐响应分析或瞬态分析中使用:

⑥定义载荷步选项:模态分析中，唯一可用的载荷步选项是阻尼选项和输出控制;

⑦保存数据文件; ⑧开始求解计算; ⑨退出求解器。 (3)扩展模态:

重新进入ANSYS求解器，激活Expansion Pass，设置扩展模态选项，主要是通过指频率范围或给定数目，定义要扩展的模态数。进行输出控制，开始扩展处理，退出求解器。如果在模态求解阶段包含了MXPAND命令，则程序将在求解模态的同时对指定模态进行扩展。 (4)检查计算结果:

模态分析的结果被保存在结构分析结果文件jobname. RST中，包括固有频率、已扩的振型等。检查方法是进入通用后处理器(POST)就可以读入结果数据。

各阶模态以单独的子步保存在结果文件中，子步序数代表了模态的阶数。另外，还可对结果数据进行列表或图形显示，通过显示结构变形图可以查看扩展的型。

5.4模态计算结果及分析

车身的模态分析为的是计算其固有频率和振型，可以在客车骨架无阻尼自由振动状态下进行计算。客车车身由于其体积庞大、结构复杂等原因，采用实验方法进行模态分析具有一定的难度，也就了模态分析在客车车身上的应用。采用有限元法用ANSYS软件对客车车身作模态分析就显得轻而易举。

车身骨架一般只需要进行较低几阶频率的模态分析(高阶频率对结构的动态性影响很小)。利用前面建立的有限元计算模型，使用ANSYS软件计算得出该型客车车身骨架低频段固有率及相应的振型，其频率如表5.4.1所示。

表5.4.1 车身骨架1~10阶固有频率(Hz) 阶数 频率 主要振型特征 1 5.100 1阶纵弯 2 7.501 1阶扭转 3 11.502 1阶弯曲 4 12.065 顶盖1阶弯曲 5 14.174 1阶弯扭 6 17.391 局部弯扭 7 19.579 局部弯扭 8 20.012 整体振型与局部振型混合 9 20.451 整体振型与局部振型混合 10 21.251 整体振型与局部振型混合 下面为各阶振型图：

图5.4.1 1阶

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图5.4.2 2阶

图5.4.3 3阶

图5.4.4 4阶

图5.4.5 5阶

图5.4.6 6阶

图5.4.7 7阶

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图5.4.8 8阶

图5.4.9 9阶

图5.4.10 10阶

第六章 总结与展望

6.1论文总结

(1)对研究的客车车身的结构进行了分析，得到建模的基本数据，并进行了合理的简化，建立了车身三维几何模型。在建模过程中，熟悉了CATIA绘图软件的应用。

(2)定义了梁单元，对该客车车身进行了有限元网格划分，定义了边界约束条件，建立了车身有限元模型。

(3)在弯曲、扭转、急转、制动四种不同工况下，对客车车身模型进行了强度校核和刚度校核，结果表明，该客车车身能够满足强度和刚度设计要求，同时也表明，本文所建立的有限元模型是基本正确的。

(4)对该半承载式客车车身进行了动态的仿真模拟，即模态分析，结果表明，该客车车身的模态分配合理，舒适性较好。

(5)该车身刚度、强度裕量很大，有较大的优化前景。

（6）有限元分析过程中，提升了自已对ANSYS软件的运用，加深自已对理论力学、材料力学等课程的理解，巩固了以往知识。

6.2 工作展望

由于对车架的有限元分析及设计涉及的内容很多，范围很广，受经验、知识面及能力的，本文还存在一些不足之处，需要进一步加以完善。

(1)在模型简化过程中，纵梁上的孔对车架产生的影响没有考虑，单元之间的连接是刚性连接，没有考虑到螺栓及铆钉的柔度，所有这些简化对分析的结果会有一定的影响。

(2)建模过程中对板簧的简化，采用两个的弹簧单元来模拟板簧的上端，约束弹簧单元下端，采用线性静力求解，而没有考虑每片板簧在变形过程中的非线性情况。

(3)钢板弹簧与车架的连接方式属于接触式，是非线性计算，而在简化时由于作者能力限，只能采取刚性连接，也是造成分析数据出现偏差的主要原因。 (4)建模过程中忽略了蒙皮和一些附件的影响，这对模型的变形有一定的影响。在建模及分析过程中，由于时间和能力的，以上问题未能得到充分细致的考虑，在今后的工作中可对它们开展进一步的研究，以减小分析结果的误差。

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致谢

参考文献

[1]刘鸿文编. 材料力学：上册 .第4版. 北京：高等教育出版社，2004 [2]盛冬发，闫小青.理论力学.北京：北京大学出版社，2007.8

[3]张朝晖. ANSYS 11.0 结构分析工程应用实例解析.第2版.北京：机械工业出版社，2008.1 [4]周长城，胡仁喜，熊文波. ANSYS 11.0 基础与典型范例.北京：电子工业出版社，2007.10 [5]余志生．汽车理论[M]．北京：机械工业出版社，2000

[6]王海霞，宋卫. CJ6121GCHK型客车车身骨架有限元建模及结果分析方法研究[J]，汽车

工程，2001 23(1): 33-36