基于ANSYS的某重型特种车车身本体的有限元分析

刘建军，赵文明，禹文成

(泰安航天特种车有限公司，山东泰安 271000)

0 引言

某重型车身是某特种车的重要组成部分，底盘的部分电气、加速系统、内饰、上装设备及车身附属件等部件布置在车身上，该特种车使用环境复杂，要求车身本体具有较高的抗拉强度和抗弯刚度。该车在行驶中具有3种典型工况：水平弯曲、紧急制动、紧急转弯。此重型车为非承载式车身，通过两个前悬点、两个后悬点装配在车架上，因而车辆行驶时车身不会出现扭转工况。在汽车车身设计中，应用有限元法对重型车身本体进行静态特性分析，可以获得车身结构的应力和变形情况，缩短开发周期降低研发费用，并为车身结构设计的优化提供了参考依据。

1 车身本体有限元模型的建立

该重型车身的外形尺寸为2 800 mm×3 600 mm×2 500 mm，总质量为2 300 kg。车身本体主要由地板、前围、后围、侧围及顶盖组成，采用蒙皮与骨架相结合的方式组合在一起。根据每个分析的侧重点不同，对车身本体结构进行简化。

文中借助三维软件UG建立模型，所用蒙皮及骨架均以片体形式存在。车身本体所用材料为08AL，弹性模量为207 GPa，密度为7 800 kg/m，屈服极限为195 MPa，抗拉强度为325 MPa。

将模型导入ANSYS Workbench中，因车身本体所有联接件以片体形式存在，划分网格时选用壳单元，且以四边形单元为主，模型划分后的节点数为242 800，单元数为824 759，建立的有限元模型如图1所示。

图1 车身本体有限元模型

2 车身本体结构有限元静态分析

汽车在实际运行时，会遇到水平弯曲、制动、转弯等工况，下面将对这3种工况模拟车身本体的加载和约束情况。

2.1 水平弯曲工况

水平弯曲工况即车辆在静止的情况下，车身本体主要承受来自自身重力的影响，其他附属部件以远程载荷的形式加载在车身相应位置，该车身的约束条件和载荷情况如图2所示。

图2 水平弯曲工况下边界条件加载示意

图3为水平弯曲工况下各点Mises应力云图，图4为水平弯曲工况下各点位移云图。

图3 水平弯曲工况下各点Mises应力云图

图4 水平弯曲工况下各点位移云图

由图3可知，车身最大应力值发生在前围与地板左右两根纵梁接触处，应力值为86.4 MPa;车身各部分结构最大应力值没有超过材料的许用应力值，安全系数为2.3，满足强度设计要求。由图4可知，车身最大变形发生在顶盖中部，因该处为空调回风口，无加强梁通过，因而变形较大，但该值小于GB/T 13043—2006的规定。

2.2 紧急制动工况

紧急制动工况是指该重型车辆在运行时因紧急刹车使得车辆以0.8的加速度进行减速。车身承受重力加速度和制动加速度的共同作用，其附属部件以转换后的远程载荷加载到车身相应位置，该车身的约束条件和载荷情况如图5所示。

图5 紧急制动工况下边界条件加载示意

图6为紧急制动工况下各点Mises应力云图，图7为紧急制动工况下各点位移云图。

图6 紧急制动工况下各点Mises应力云图

图7 紧急制动工况下各点位移云图

由图6可知，车身最大应力值发生在左右侧围两根纵梁与竖梁接触处，应力值为73.7 MPa，安全系数为2.7，满足强度设计要求。由图7可知，车身最大变形发生在顶盖安装空调设备回风口处，最大变形量为1.9 mm。

2.3 急速转弯工况

通过施加一向心加速度为0.8的转向惯性力来分析计算该车驾驶室结构在急速转弯工况下的应力及变形特性。该车驾驶室在急速转弯工况下各处的边界条件约束自由度情况设定同水平弯曲工况下的约束条件。由于驾驶室近似左右对称，因此只分析紧急左转弯工况，其约束条件和载荷情况如图8所示。

图8 急速转弯工况下边界条件加载示意

图9为急速转弯工况下各点Mises应力云图，图10为急速转弯工况下各点位移云图。由图9可知，整个驾驶室最大应力值仍位于前围与地板左右两根纵梁接触处，应力值为88.5 MPa，安全系数为2.2，满足强度设计要求。由图10可知，车身最大变形仍发生在顶盖安装空调设备回风口处，最大变形量为1.97 mm。

图9 急速转弯工况下各点Mises应力云图

图10 急速转弯工况下各点位移云图

3 结论

文中根据该车在运行过程中可能出现的水平弯曲、紧急制动和急速转弯工况，计算分析了3种工况下车身结构有限元模型相应工况下的应力与驾驶室位移变形情况。结果表明，该车车身结构承受应力不大，最大位置变形较小，符合特种汽车在实际运行中的情况，且安全系数较高，车身结构满足强度和刚度设计要求，对非承载式重型驾驶室结构的设计具有一定的参考价值。