某客车的整车骨架分析 | 技术文章

一、有限元模型的建立与简化

    建立骨架的有限元模型，既要如实的反映客车车身实际结构的重要力学特性，又要尽量采用较少的单元和简单的单元形态，以保证较高的计算精度，节约计算时间。在建立车身结构的有限元模型时，根据车身的结构及其承载特点，作一些必要的简化：将车架简化为空间框架结构，忽略车身蒙皮对车身总体结构的强度和刚度的影响，忽略某些对整体结构变形和应力影响较小的非承载元件，避免短小的边线和无效的面。具体客车模型如下图1：

                                             图1 客车三维骨架模型

二、整车静力分析

    静力分析是在作用点恒定，加载速度缓慢或者为零，加载量值缓慢变化或保持恒定情况下，计算结构的应力、应变、位移的过程，静力分析在设计工程中必不可少，它将提供结构在静力条件下的性能。

    在SolidWorks Simulationz有限元分析中，共有四种网格类型：实体网格、壳单元、横梁单元和混合网格。客车骨架是由型材焊接组成的，但是它的厚度并不是非常的小，为了计算的准确性，在这里使用实体网格。

    在结构分析中最重要的就是消除物体的钢线移动，一般的物体都有三个移动和三个转动。大梁也是一样的，通过悬架系统与车桥相连，为了使边界条件更符合实际工况，要考虑支撑弹簧钢板的吊耳，在这个模型中，就可以直接转化成轮子对吊耳的作用。因为支架的分析是静强度的分析，所以，吊耳是要固定的，吊耳的位置是在前后车轮的位置，添加约束的位置就是前后车轮相应地方，把它的位置分割出来，添加固定约束；在这里，只是比较理想化，前提是不关心吊耳附近的应力，因为，添加固定关系是会有一些应力集中现象的，而实际当中是通过弹簧解除的！

在客车中，骨架是主要的承受体，就其载荷性质而言，车身所受到的主要载荷为弯曲、扭转、侧向载荷和纵向载荷等几种。除客车骨架自身的质量外还有外加质量。外加质量包括车身蒙皮、玻璃、动力总成、备用轮胎、电瓶、散热器、压缩机、油箱、驾驶员和乘客的座椅、乘客、行李质量、底盘个总成及发动机质量等。

2.1工况一：客车四个轮子都在地上

    由于四个轮子都在地面上，所以吊耳全部固定，得到的结果如下图2和图3所示：

图2 满载时von-mises应力分布云图

在四轮着地满载时，客车骨架的大部分是低应力状态，表明此种车型的设计满载值是合理的，整体情况良好。

2.2工况二：客车三个轮子都在地上，前轮一个悬空

客车一个前轮悬空，其他三个在地面上，约束条件为一个轮子两旁的吊耳不加约束，其他所有吊耳固定，分析结果如图4和图5所示：

图3满载时位移分布云图

图4满载悬空应力分布云图

图5满载悬空位移分布云图

 三、细节分析

在整车结构比较合理的情况下，可以开始细节部分的分析，比如客车经常哪些地方比较容易损坏，关心哪些地方等等，可以展开或者专门的摘出来分析；

四、动力分析

客车在行驶过程中往往会遇到路面不平，有凸起也有凹陷，如果客车遇到这种情况它的应力和变形是很难预料的，在这里就可以借助动力分析，比如客车在行驶过程中遇到一个凸起，或者发动机在行驶过程中的振动影响底盘的应力等，下面就这两种情况做分析。

4.1工况一：路面不平的无规则振动分析

客车在行驶过程中遇到一个凸起，简化为尖峰波，进而简化为下面图6的频率曲线基准激发；

在计算无规则振动分析之前，首先要了解底盘的模态，也就是振动频率，看在哪个频率内会发生共振等。具体的底盘模态分析做了20阶，前4阶模态如下图7所示：

图6 基准激发

图7 底盘前4阶模态

在无规则振动选项里面，定制如下图8，主要关注前8阶模态：

图8

基于这20阶模态，分析出载荷随时间变化的无规则振动结果如下图9、图10所示：

图9 无规则振动应力分布

图10 无规则振动位移分布

4.2工况二：底盘的谐响应分析

底盘在发动机的振动下，也可能引起振动，所以，首先做发动机和底盘的模态分析，在这里做它们的前25阶模态，下面列出它们的前4阶模态，如下图11所示：

图11 前4阶模态

    把它们的频率曲线作为激发的力，得出的谐响应图如下图12所示：

图12 谐响应曲线