客车车身骨架的瞬态动力学分析

姚宾,王艺颖,孟斌

(长安大学，陕西西安 710064)

客车车身骨架的瞬态动力学分析

姚宾,王艺颖,孟斌

(长安大学，陕西西安 710064)

为了分析动态工况对客车车身骨架的影响，建立了客车车身结构的有限元分析模型，重点研究了车身骨架结构在动态弯曲工况和动态扭转工况下的瞬态响应。从车身骨架瞬态响应分析中可以看出：车身骨架最大应力值为247.7 MPa，没有超过材料的屈服极限，扭转工况下的最大应力随时间的变化呈“抛物线”状，而弯曲工况下最大应力随时间波浪振动、逐渐减小，最大位移随时间的变化呈“马鞍”状；无论是扭转工况还是弯曲工况，其Z向速度在波峰时均为零，此时加速度达到最大值。由此验证了该客车设计的合理性，所得结果可直接为该款客车的进一步优化分析提供参考依据。

客车；车身骨架；有限元；瞬态动力学分析

0 引言

随着汽车理论、振动理论等学科的发展，人们对汽车性能(如舒适性、安全性等)的要求也就越来越高，过去仅针对汽车静强度和静刚度性能的分析已经远远不能满足现代人们的需求，因此对动态性能的研究就显得更为重要。动态响应分析是指在动态载荷作用下结构的各个总成和部件的响应，其载荷可以是与时间相关的力、位移、速度、加速度，响应结果是与时间相关的位移、速度、加速度、力、应力、应变等。行驶在道路上的汽车，其各个部件和总成所受到的载荷都是随道路的变化而变化的动载荷，这些动载荷的大小、方向不仅与空间位移相关，而且也随时间而变化。作者对汽车进行动力学方面的分析就是研究汽车的各个部件和总成在动载荷作用下，其最大应力、最大位移、速度、加速度随时间的变化关系，从而为汽车设计提供依据。

1 建立有限元模型

文中所研究的客车其车身是全承载式的，前后两轴，其发动机后置，客车的基本尺寸是10 820 mm×2 500 mm×3 450 mm，总长为11 000 mm，整个车身由底架、左右侧围、顶棚、前后围和地板等总成焊接而成，客车车身骨架结构所采用的材

料为薄壁钢管。建模时遵循模块化建模的思想，将整个车身骨架分为左侧围、右侧围、前围、后围、地板、底架、车顶、其他等8个子模块。客车车身骨架主要是通过螺栓连接、焊接等方式装配起来的，在对这些连接处进行模拟时，为了简化模型以及在建模时假设连接处具有足够的强度和刚度，一般将连接处的节点合并为一个节点，那么连接处的这些节点就有相同的速度和位移。这种模拟方法由于建模所需时间短，因此被广泛采用。经过模型简化、抽取中面、几何清理、网格划分、网格质量检查后，如图1所示，总共生成的网格数量是341 370个，其中：三角形单元6 820个，四边形单元334 152，三角形单元数量占整个车身骨架模型单元数量的1.9%，满足三角形单元数量要小于单元总数的5%的要求。

2 车身动态扭转工况下的瞬态响应分析

2.1 工况介绍

客车在以11 100 mm/s(即40 km/h)的速度行驶时，其左前方有一半波长为1 000 mm、波高为200 mm的正弦波形凸起路面，左前轮通过此路面，其时间过程为：t=0 s时到达正弦波路面，t=0.045 s时达到正弦波的波峰，t=0.09 s时越过此凸起路面，在这个过程中，其他的3个车轮一直行驶在水平路面上。

2.2 位移-时间历程划分

在凸路面上行驶对车身动载荷的输入可以简化为位移-时间历程，位移-时间历程如表1所示，整个历程共分为7个时间节。

表1 位移-时间历程表

2.3 施加约束

约束条件如表2所示，约束的位置施加在客车悬架安装在车身上的位置，其中Dof1代表约束沿X轴方向平动的自由度，Dof2代表约束沿Y轴方向平动的自由度，Dof3代表约束沿Z轴方向平动的自由度，Dof4代表约束沿X轴方向转动的自由度，Dof5代表约束沿Y轴方向转动的自由度，Dof6代表约束沿Z轴方向转动的自由度。

表2 边界条件

2.4 动态扭转工况瞬态分析计算结果

图2、3为提取的车身最大应力、最大位移的时间-历程曲线。可以得到：车身的最大应力大致呈“抛物线”的形状，在t=0.045 s时达到“抛物线”顶点，此时最大位移也达到最大值，所以选择提取t=0.045 s的结果进行分析。

图4、5分别为车身在竖直方向上的位移和车身应力云图，可以看出：其最大值均出现在前围。图5说明了t=0.045 s时车身的最大应力出现在底架，最大值为247.4 MPa，但仍小于材料的屈服强度 ， 因此是安全的。

3 车身动态弯曲工况下的瞬态响应分析

3.1 工况描述

同动态扭转工况，不同之处只是在于动态弯曲工况下客车的两前轮同时通过半正弦波，动载荷仍然为随时间变化的位移载荷，这时两后轮一直位于水平路面上。

3.2 载荷步划分

位移-时间历程如表3所示，整个历程共分为7个时间节点。

表3 位移-时间历程表

3.3 施加约束

约束条件如表4所示，约束的位置施加在客车悬架安装在车身上的位置，其中Dof1代表约束沿X轴方向平动的自由度，Dof2代表约束沿Y轴方向平动的自由度，Dof3代表约束沿Z轴方向平动的自由度。

表4 边界条件

3.4 动态弯曲工况计算结果及分析

图6、7为提取的车身最大应力、最大位移的时间-历程曲线。可以看出：与动态扭转工况不同，动态弯曲工况下车身最大应力时间-历程曲线并不像动态扭转工况那样呈现出“抛物线”的形状，而是一个震荡曲线，且其最大应力远远小于扭转工况下的应力，整个历程中，最大应力发生在t=0.051 s，其最大应力为66.62 MPa，远小于扭转工况下的应力和材料的屈服强度，所以是安全的；弯曲工况下车身最大位移时间-历程曲线在t=0.033 s和t=0.066 s达到两个峰值，呈“马鞍”状，然后逐渐减小，也就是说，动态弯曲工况下，其最大位移并不是发生在波峰处，而是在其左右各大约30°的位置。于是选择提取t=0.033 s、t=0.051 s的结果进行分析。

图8—11分别是t=0.033 s、0.051 s时车身Z向位移云图、车身应力云图。t=0.033 s时Z向最大位移发生在前围，其值为3.755 mm，最大应力发生在底架，其值为40.17 MPa；t=0.051 s时Z向最大位移发生在前围，其值为3.060 mm，最大应力发生在地板，其值为66.52 MPa。均满足要求。

4 结束语

以有限元分析软件HyperMesh为前处理，以客车有限元分析模型为对象，在RADIOSS求解器中得出结果，并在HyperView中进行后处理。主要计算了动态扭转工况与弯曲工况下的瞬态响应，研究了客车车身位移、动应力的分布情况，从计算结果中可以发现：动态扭转工况比动态弯曲工况的动应力要大得多，动态扭转工况最大应力发生在t=0.045 s(即波峰)时，最大应力值为247.7 MPa;而动态弯曲工况时，最大动应力发生在t=0.051 s时，最大值为66.62 MPa。动态扭转工况在日常生活中并不经常发生，所以，只要最大动应力不超过材料的屈服极限，就认为这是可以接受的。通过计算可知：无论动态扭转工况还是动态弯曲工况下的最大应力都在材料的屈服极限355 MPa以内。通过这两种工况的对比分析还可以得出:扭转工况下的最大应力随时间的变化呈“抛物线”状，而弯曲工况下最大应力随时间波浪振动，逐渐减小，最大位移随时间的变化呈“马鞍”状；无论是扭转工况还是弯曲工况，其Z向速度在波峰时均为零，此时加速度达到最大值，这与实际相符合，验证了模型的正确性。

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DynamicCharacteristicsAnalysisofCoach-BodyStructure

YAO Bin,WANG Yiying,MENG Bin

(Chang’an University,Xi’an Shaanxi 710064,China)

In order to analyze the effect of dynamic conditions on the coach body structure,a FEA model of coach body structure was established to study transient response of body frame structure under the dynamic torsion and bending conditions.The results of body frame transient response analysis show that:the maximum stress of the body frame is 247.7MPa,which is still within the material yield limit;under the torsion condition,maximum stress changes with time as a parabola,while under bending condition changes as vibration wave and gradually decreases;however,under both torsion condition and bending conditions,in the vertical direction,the wave crest is zero,which means peak acceleration at the moment.Thereby the design rationality of the coach is verified and the obtained results provide some references for the further optimization analysis of the coach.

Coach;Body frame;FEA;Transient dynamic analysis

2014-10-11

姚宾(1989—)，硕士研究生，专业方向为车辆工程。E-mail：yaobinx@163.com。