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1,客车骨架有限元分析,姓名：李勇学号：20030623指导教师：巢凯年交通与汽车工程学院车辆工程,2,客车骨架有限元分析过程,（一）概述本次毕业设计采用ANSYS软件，对成都客车厂生产CDK6593N客车的进行有限元分析。主要分析客车骨架的应力和变形。经过分析，客车骨架的应力小于许用应力，变形较小。经过改进后，客车骨架的强度得到了增强，重量减轻，达到了设计的目的。本次设计采用国际单位制：米，千克，牛，帕等，采用的坐标系为：X为汽车的长度方向,Y为宽度方向,Z为高度方向。（二）单元的选择1）BEAM188三维线性有限应变梁单元2）COMBIN14弹簧阻尼单元,3,（三）定义实常数采用的弹簧单元需要实常数弹簧刚度K。由汽车理论的知识我们知道，其中，是车身部分固有频率，K是悬架弹簧的刚度,m2是汽车的悬挂质量，它由车身、车架及其上的总成所构成。通过估算，车身部分固有频率f0=3赫兹，汽车的悬挂质量m2=4500千克，经过计算，悬架弹簧的刚度K=1597255.2牛/米，悬架弹簧由8个弹簧构成，因此每个弹簧的刚度=199657牛/米。,4,(四)材料的定义本次设计采用的结构材料为Q235钢，它的密度是7850，除刚性梁外的结构的弹性模量是Pa，泊松比是0.3，刚性梁的弹性模量采用Pa。（五）横截面的定义根据图纸，本次设计定义骨架杆件共用了15种截面，其中7种模拟矩形空心型钢，4种模拟角钢，4种模拟槽钢。（六）建立有限元模型根据客车骨架的图纸，先建立客车骨架的几何模型，然后定义各根钢管的方向点，指定每根梁的横截面，然后划分网格。由于梁单元的内力、应力和变形的计算都是精确的，所以单元划分可以大一些。在本次设计中，指定单元的长度都是0.1米。,5,建立的客车骨架有限元模型如图所示：,6,(七)分析工况的选择由于弯曲工况是车辆经常处于的工况，而扭转工况下车身的应力较大，所以，在研究分析内容时，选择了满载弯曲工况，满载左前轮和左后轮悬空工况,后者是车辆可能发生的一种极限工况。(八)施加约束客车车身骨架一般是由型钢焊接而成的整体结构，所以在进行有限元分析时将车身作为一个整体来考虑，所以车身的边界条件就体现为板簧支座的位移。,7,如图所示是客车骨架的边界条件约束位置，整车满载弯曲工况的约束方案是：节点5自由度全部约束，节点2，8，11的自由度均约束UY，UZ，ROTX，ROTZ,并对每个弹簧的上下节点进行UX，UY方向耦合。整车满载左前轮悬空的工况约束的自由度是：5，8，11节点约束和弯曲工况约束的自由度相同，2节点不约束。整车满载左后轮悬空的工况约束的自由度是：8，11节点约束和弯曲工况约束的自由度相同，2节点全部自由度被约束，5节点的自由度不约束。,X,Y,Z,8,（九）施加载荷作用在车身上的弯曲载荷是由车身的自重、车辆总成和乘客的重量提供的,车身结构件的重量通过加垂直方向的、大小为9.8的加速度来模拟；估计发动机和变速箱的质量为600千克，加满油后的油箱的质量为150千克，二者作为集中载荷，施加在相应的节点上；其它载荷如转向机、离合器、电瓶、水箱、座椅、乘客（19人）等质量总和估计为2000千克，均布作用在底架上。,9,客车骨架施加约束和载荷后，如下图所示：,10,(十)求解的结果分析后处理主要是将客车骨架有限元分析的结果以等值图的方式的显示，并且进行刚度、强度等分析。下图是弯曲工况下的竖直位移图：,11,下图是在弯曲工况下的应力图：由结果我们可以看出，满载弯曲工况下，客车骨架前围、侧围、后围和顶盖的大部分区域应力小于10MPa,应力比较大的区域是发动机加载的横梁及周围的纵梁上，应力最大值是70MPa左右。,12,下图是左前轮悬空扭转工况下的竖直位移图：,13,下图是左前轮悬空扭转工况下的应力图，客车骨架的很大部分应力小于20MPa，在发动机加载的纵梁和横梁周围产生了较大的应力，约60MPa，在右围的乘客门的竖直的梁上部分区域也产生了较大的应力，约50MPa，前围的支撑挡风玻璃的横梁应力也有些大，但小于许用应力。,14,下图是左后轮悬空扭转工况下的竖直位移图：,15,下图是左后轮悬空扭转工况下的应力图，客车骨架的很大部分应力小于25MPa，在发动机加载的纵梁和横梁周围产生了较大的应力，约100MPa，在右围的乘客们的竖直的梁上部分区域也产生了较大的应力，约70MPa，前围的支撑挡风玻璃的横梁应力也有些大，但小于许用应力。,16,（十二）各工况分析总结经过以上三种工况的分析，本车型在以上3种工况下运行，强度是足够的。应力比较大的区域是：发动机加载的横梁和纵梁上乘客门立柱的下半部分前围风窗下矩管连接处,17,第四章客车骨架改进设计中的结构分析（一）客车骨架改进方案通过对上述弯曲，扭转工况的分析，我们可以看出客车骨架在三种工况下，客车骨架的顶盖、后围的应力均低于25MPa，客车的底架上出现应力不均的现象。因此，改进方案是：对客车骨架的顶盖的部分矩管截面尺寸减小，去掉原来后围的两根立柱的角钢，对底架上的横梁，在发动机加载处，多加两根横梁，同时去掉后半部两根对底架应力不大的横梁，以试图增强客车骨架的强度，减少重量。（二）客车骨架改进前后比较通过在原有的模型的基础上修改模型，然后在改进后的模型上施加约束和载荷，施加约束和载荷的方法和改进前的方法相同，然后用ANSYS软件重新计算。由于三种工况下的位移和改进前相比，变化较小，详见说明书，所以在此只对比三种工况下应力的变化情况：,18,1）弯曲工况比较下图是客车骨架改进后弯曲工况下的应力图，我们可以看出，改进后，客车骨架的顶盖和后围的应力仍小于12MPa，原来应力比较的大的发动机加载点，应力集中的区域减少了许多，此处最大应力约50MPa。而在底架的后半部去掉两根横梁，应力增大到20MPa，应力小于许用应力，满足安全要求。,19,2）左前轮悬空工况比较我们可以看出，改进后，客车骨架的顶盖和后围的应力仍小于27MPa，原来应力比较的大的发动机加载点，应力集中的区域减少了许多，此处最大应力约90MPa。而在底架的后半部去掉两根横梁，应力增大到60MPa，小于许用应力，满足安全要求。,20,3）左后轮悬空工况比较我们可以看出，改进后，客车骨架的顶盖和后围的应力仍小于28MPa，原来应力比较的大的发动机加载点，应力集中的区域减少了许多，此处最大应力约80MPa。而在底架的后半部去掉两根横梁，应力约为20MPa，应力小于许用应力，满足安全要求。,21,结论,经过改进后，客车骨架的重量由原来的501.2千克减小为497.7千克，骨架的重量得到了减轻。并且在比较薄弱的地方加上两根横梁，应力减少，达到了本次设计的目的。,22,致谢,最后，我要感谢巢老师给予的耐心、细致的指导；感谢大学四年来所有的老师，为我们打下汽车专业知识的基础；感谢交通与汽车工程学院的研究生李永生，能够对我无私的帮助；同时也要感谢在毕业设计中和我一起探讨、解决问题的同学。,
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