西华大学-吉林大学-汽车学院-汽车专业-客车骨架有限元分析说明书.doc

西华大学毕业设计说明书摘要现代的汽车设计广泛采用CAE技术，目前CAE技术普遍使用的是有限元方法通过使用有限元方法，可以缩短开发周期，节省开发费用，使产品更有市场竞争力。本文采用ANSYS软件为分析平台，对CDK6593N客车进行了强度分析，并提出了值得注意的问题和改进意见。以下为本文的主要内容：1、简要介绍了目前我国客车发展的现状。2、介绍了CAE技术在客车车身分析中的应用。3、简要介绍了有限元分析方法在客车中的应用领域。4、介绍了有限元分析方法的概念和原理，以及有限元软件ANSYS的使用方法。5、详细地介绍了用ANSYS软件分析客车骨架强度的分析过程。6、分析了客车骨架在弯曲和扭转工况下的计算结果，并提出了CDK6593N客车的改进意见，并对比了改进前后的结果。关键词：客车；有限元分析；强度AbstractFinite element method, which is the important method in CAE, is widely used designing cars nowadays. At the same time, using the finite element method can make the product more advantage in the market competition by reducing the time-to-market and cost of product. According to the analysis of bus CDK6593N skeleton strength by using software ANSYS, this paper sets forth some noticeable problems and methods to improve them. The following is the main contents of this paper: 1. Briefly introduce the present situation on the development of buses in our country.2. Introduce the application of the CAE technology in the analysis of bus body.3. Briefly introduce the application domain of the finite element method.4. Introduce the concept and the principle of the finite element method, and how to use the software ANSYS.5. In detail introduce the analysis process on the bus skeleton by using the software ANSYS.6. This paper analyzes the strength result and sets forth some improvement on the CDK6593N bus made in Shudu Bus company and compare to the results of original model and the model which is improved.Key words: bus；finite element method；strength前言本次毕业设计的题目是客车骨架有限元分析，之所以选择这个题目，首先是因为通过这个毕业设计能够较快地对客车行业入门，其次是因为有限元分析作为较先进的CAE分析方法，我们应该掌握。本文研究的目的是对客车骨架进行建模，网格划分，确定边界条件和载荷，求解客车骨架应力与变形，显示分析结果，然后对该骨架的强度作出判断，然后修改骨架结构，然后重新分析，观察计算结果，重量是否减轻，强度是否增强。本文是以成都客车厂生产的CDK6593N客车为例，运用有限元分析技术对客车骨架的刚度、强度进行了研究和探讨，内容包括：介绍了中国客车行业的发展趋势，以及存在的问题，通过运用有限元分析方法，能够对解决安全问题有一定帮助；介绍了客车结构设计的新特点，即CAE方法越来越广泛地运用于客车结构设计中，形成了以计算分析为主，试验方法为辅的设计思路；介绍了有限元的概念、原理和分析的基本方法，详细说明了有限元分析方法在客车骨架分析中的步骤，并对本次设计中用到的梁单元和弹簧单元作了详细的介绍；以CDK6593N客车为例，对客车骨架分析载荷和约束进行了模拟，对车身在弯曲和扭转工况下的刚度和强度进行了有限元分析，校核了其能否满足安全需要，并对客车骨架结构作出了修改，使其重量减轻，强度增强。本文研究内容的意义：本文研究客车骨架有限元分析方法，对客车车身有限元分析积累了经验和数据，对今后从事有限元分析方面的工作有一定的帮助；本文通过修改骨架结构，达到优化的目的，对以后的相关工作有一定的指导意义；本文研究的客车优化设计思想，对客车行业车身的优化具有一定的参考和借鉴价值。目前，中国客车行业的竞争日益加剧，有限元分析方法越来越广泛地运用在客车设计中，在保障安全性的同时，可以为企业节省材料，增强市场竞争力，现在越来越多的工程技术人员掌握了此项技术，发展速度很快，但是，由于起步晚，我们和国际上先进的有限元分析技术还有一定的差距，相信随着市场竞争的加剧和人们安全意识的提高，我们国家的有限元分析技术也将进入世界前列。第一章 客车概述中国是一个客车大国，但还不是客车强国。究其原因，客车的安全性与世界先进水平的差距是一个重要方面。人们在购买轿车的时候会很在意它们有没有安全气囊，有没有ABS。但在乘坐客车的时候，却很少有人去问一问我所乘坐的客车有哪些安全装备？车身结构够不够安全？长期以来，客车的安全性一直没有引起足够的重视，这一方面需要全社会安全意识的提高，另一方面，客车制造企业和公路客运企业也有义不容辞的责任。由于承担着群体生命的安全，客车的安全性可以说比其他车型要求更高。随着汽车保有量的增长，道路交通事故已成为世界性的社会问题。全世界每年死于道路交通事故的人数超过50万人，受伤人数达到1000万人，而我国是世界上交通事故最严重的国家之一。据有关统计，2005年全国发生特大交通事故47起，其中客车事故29起，造成480人死亡。有关人士指出，现在我国群死群伤特大交通事故的原因之一，就是车辆总体构成不合理，整车安全技术性能较差。因此，对客车的总体结构合理设计，不仅关系到企业的赢利能力，更关系到人们的生命安全和社会的和谐。同时，作为一种运输工具，客车的优势正在受到挑战，只有高品质的客车产品才能增强客车运输的优势。在很多国家，有完善的航空、海运和铁路运输，如果客车不能达到高品质的要求，很难获得发展。公路客运突出的优点就是方便快捷，如果客车不能体现出公路运输的优点，将很难参与竞争，这就需要参与公路运输的客车必须具备高品质。高品质的客车必然要求客车的骨架能够胜任工作中的各种危险工况。近几年，国内客车企业对客车的主动安全性越来越重视。由于技术原因，许多客车在被动安全性上难以达标，造成客车在行驶中尤其是高速运行过程中频频发生重大事故，人员伤亡惨重。因此，加强客车的被动安全性，对客车骨架进行分析优化，已成为国内客车亟待解决的问题。客车是载送9个以上乘员，供公共服务用的汽车，按车辆总长度分类是：车辆总长度3.5米，微型；3.5米车辆总长度7米，轻型；7米车辆总长度10米，中型；10米车辆总长度12米，大型；铰接式客车与双层客车，特大型。在欧洲，尽管轿车制造和普及非常广泛，但作为公共交通主体的大中型客车制造业仍然表现出相当强的生命力，多年以来，欧洲客车，无论是从设计理念还是设计技术都表现出相当成熟的产业功底,使得欧洲客车制造业在市场动荡中仍然得以健康地生存和发展。 在中国，尤其是近年来中国高速公路的发展和用车水平的提高，中国现有生产技术能力已经开始不能满足这种日益增长的需求，这就是中国客车制造业发展的瓶颈，也是中国客车制造业发展的机遇，中国客车制造业将在此基础上与全球客车产业一道，实现产业整合。 目前，国内客车制造企业的技术力量比较薄弱，既缺技术，又缺资金，再有企业规模参差不齐，产业集中度低，资金和技术投入分散，在生产、市场研究与开发等方面难以形成规模经济的优势。我国客车生产的集中度不高，规模效益较差。要想在成熟的市场竞争中立于有利地位，就必须实施大集团战略。韩国大宇公司产品研究人员中，有10%的人员研究先进技术及车身造型,130多人从事车身和底盘设计。中国主要差距是人才量不足，产品研究开发人员少，虽然从总数量来看，具有一定优势，但由于他们分属于数以百计的厂家，造成各企业的科技人员的相对数量少，而大多数技术人员又是为生产服务的，主要是进行老产品的改造，很少搞超前研究和超前开发。目前企业短期行为比较严重，新产品研究与开发投入少，大多数企业无法形成经济规模，导致效益不好，无钱投入到技术改造，技术进步中，从而造成恶性循环。人才相对数量不足，即技术人员占职工比例较少，特别是高、精、尖专业技术人才缺乏，人才结构不合理。技术更新慢，工程技术人员缺乏知识更新机会，企业短期行为明显，不愿在应用研究方面投入人力和财力。由此，对比中国客车制造业的现状，我们必须主动地加强中国客车制造业的设计能力和制造水平，大胆借鉴国外客车制造业的先进经验，并同步培养能够满足这种要求的技术和经营人才。只有这样，才能实现中国客车制造业可持续发展。入世以来，国外客车没有对中国市场构成太大的冲击，尤其是欧、美国家的产品，海运费昂贵，一台大客车运费12000美元以上，再加上关税，实际价格比在欧、美国家本地销售高得多。而国产客车却有绝对的性价比优势，因为国内劳动力成本低，国内客车底盘和车身技术的日趋成熟，再加上中国人多而经济不是很发达，使得国产客车能够很快在中国发展，并走向世界。据了解，2006年，宇通客车总销量为2万辆，同比增长20%；出口2000辆，同比增长60%。2006年，金龙客车总销量为2.4万辆，较2005年增长30%；出口2500辆，同比增长200%。 宇通和金龙客车能够在客车行业做得很好，关键在于他们重视自主研发，“宇通客车每年耗资近2亿元用于研发。”宇通客车相关人士表示，“中国客车企业只有不断学习和创新，才能走过知识产权争端这个门槛。事实上，自主研发是每个客车企业“走出去”都避不开的路。一位业内人士表示，国内有些客车巨头在发展之初，虽然车辆贴上了自己的牌子，但是由于没有自主技术，处处受制于外方，导致赢利水平很低。是否能做到自主研发，自主研发的程度有多深，可以说决定了一个客车企业的盈利能力和市场地位。但不得不承认的是，像发动机、汽车底盘等核心技术，至今仍主要掌握在几个国际巨头的手里，国内企业在技术上的差距还比较明显，更多的国内客车企业则还只能在外观、内饰等技术的边缘徘徊。因此，对于我们即将走向汽车工业的学生，加强学习车身和底盘等技术，已是迫在眉睫。第二章 有限元法在客车结构设计的应用2.1 客车结构设计的特点现代客车工业对客车产品的开发水平要求愈来愈高，它要求整车及零部件具有足够的强度和刚度及良好的振动特性；同时要求缩短产品开发周期，降低费用，使开发的产品更具有竞争力。传统的客车设计走的大多是经验设计的路子,即产品设计以生产技术中的经验数据为依据,运用一些附有经验常数的计算公式为主要方法,这样的设计由于缺乏准确的设计数据和科学的计算方法,使产品的结构安全系数取的偏大,所设计的零件过于笨重。随着计算机技术的发展，CAD/CAE技术在提高产品质量和建立自主开发能力方面,对客车企业提供了极大的帮助。CAE 技术中一种新的结构数值模拟方法有限元分析正越来越广泛的应用于客车产品开发中。客车设计的直接目的就是安全、舒适、可靠、经济、环保和自重轻等，在这些研制工作中要解决的技术关键之一就是客车强度和刚度问题。客车结构的力学特性在很大程度上决定了整车的品质。在保证具有必要的强度和刚度标准条件下，既要保证其疲劳寿命，又要保证其装配和使用要求，同时最大限度地减轻客车结构设计的自重。随着现代客车向高速化和轻量化方向发展，振动和噪声控制日益成为客车设计的一项关键技术。NVH（noise, vibration and harshness）控制技术，亦在客车工业的科研中占据了重要位置。通过整车的动态特性分析以达到控制振动与噪声的目的。另外客车结构还需要满足安全性、经济性、乘坐舒适性等指标的要求。所有这一切都将使客车设计的内容更加丰富，也为有限元提供了更为广泛的分析领域。客车结构由多种材料组成，其部件形式各种各样，包括板、梁、轴、块等，通过铆接与焊接构成空间形状复杂的体系，不可能用传统的解析数学来描述。再有客车所承受的载荷也十分复杂，包括自重、货物、乘员、设备等各种载荷的作用，同时也受到各种路面激励和各种车速条件下惯性力的作用以及各连接构件的相互约束作用，不可能用经典力学的方法来计算。在客车结构分析中，有限元法由于其能解决结构形式和边界条件都任意的力学问题的独特优点而被广泛应用。各种客车结构都可应用有限元法进行静态分析、模态分析和动态分析。现代客车设计中，已从早期的静态分析为主转化为以模态分析和动态分析为主。因为实际客车强度更加依赖于客车振动和随机载荷响应。只有通过结构动态分析，才能进一步提高客车结构强度设计水平，客车结构动态分析技术已经进入实用化阶段。随着计算机技术的飞速发展，有限元分析已成为客车结构设计中的重要方法，这种方法与传统的客车设计分析方法相比较具有以下新特点：1) 设计与分析并行；2) 优化的思想在设计的各个阶段被引入；3) 大量的虚拟试验代替实物实验。2.2 有限元分析在客车结构设计中的应用范围有限元分析在客车结构设计中的应用主要体现在：1）客车设计中对所有结构件、主要零部件的强度、刚度和稳定性分析，车架和车身是客车中结构和受力都较复杂的部件，车架和车身有限元分析的目的在于提高其承载能力和抗变形能力、减轻其自身重量并节省材料。另外，就整个客车而言，当车架和车身重量减轻后，整车重量也随之降低，从而改善整车的动力性和经济性等性能；2）客车结构件或零部件的优化设计，如以客车质量或体积为目标函数的最优设计，还有对比分析中的参数化设计和形状优化；3）对客车结构件进行模态分析、瞬态分析、谐响应分析和响应谱分析，为结构的动态设计提供方便有效的工具；4）客车零部件及整车的疲劳分析，在概念或详细设计阶段估计产品的寿命或是分析部件损坏的原因；5）应用概率有限元，为客车零部件提供效率和可靠性设计依据；6）车身内的声学设计，将车身结构模态与车身内声模态耦合，评价乘员感受的噪声并进行控制；7）车身空气动力学计算，解决高速行驶中的升力、阻力和湍流等问题，为客车性能和造型设计服务；8）客车碰撞历程仿真和乘员安全保护分析，提高客车结构的被动安全性，如何提高车身的抗碰撞能力是客车被动安全性中需要解决的问题之一。利用有限元法进行客车碰撞过程的模拟计算，涉及到大变形等非线性问题，不同于一般的有限元分析。由于模拟计算可以节省昂贵的实车碰撞试验经费，且在设计阶段模拟分析是唯一的分析手段，国内、外客车公司普遍采用这一方法。现代客车对结构设计提出了越来越高的要求，分析已不满足于传统的弹性分析，展现出许多新的特点。在要求有限元精确建模及产品精细设计的前提下，产品开发要更多地考虑非线性效应；进行有限寿命设计，以求产品轻量化；进行整车非线性系统分析，即整车平顺性、操纵稳定性不能仅以刚体模型进行分析，还要考虑结构的变形效应，主要体现在以下几个方面：1）电子和电器产品比重不断加大，这就涉及到多物理场的仿真问题；2）需要进行更精确的非线性分析，如少片弹簧、橡胶轮胎、悬挂的大变形、零部件间的柔性连接等；3）客车零部件分析的一个难点就是分析载荷的不易确定问题，为避免零部件内力确定不清，边界条件的不确定性等情况，影响计算精度甚至结果不可用，可以从总成系统及整车分析入手，如悬架系统、白车身系统等；4）刚柔耦合动力学分析，从传统的刚体动力学分析到考虑结构弹性的应力响应，如悬架车轮系统等。在产品设计开发的各个阶段，有限元分析的引入对降低开发成本，缩短研制周期，实施优化设计等都非常关键且效果显著。在概念设计阶段，从最初的总布置即可介入，如概略确定车身、发动机等总成的拓扑和结构参数；在产品设计阶段，对结构及零件进行强度、刚度校核和优化设计；在样车试验阶段，进行专项分析，如部件疲劳分析、整车碰撞计算等，解决设计中存在的问题，将问题解决在产品投放市场前。达到缩短开发时间、节省研制费用、减少投资风险，使产品效益最大化的目标。随着计算机技术的飞速发展，计算规模、计算速度、计算机容量等已不再是主要矛盾，在客车结构有限元分析中，大多数问题可在微机上完成。通过建立零部件、结构或系统的有限元计算模型，或将CAD模型进行转换，对模型加载荷或其他性能条件，即可进行计算。应用中的主要难题是如何精确的建立计算模型；如何实现计算模型中的各种支撑、连接与实际结构相符；如何确定载荷，尤其是动态载荷、路面载荷等；如何施加载荷，以反映各种行驶状态等。有限元分析已成为客车设计中的重要环节，无论是在新车开发，还是在车型改造阶段，对产品中的强度、疲劳、振动、噪声等问题进行设计计算分析，可提高设计质量，缩短开发周期，节省开发费用，真正形成自主开发能力。第三章 有限元原理3.1 有限元法的概念所谓有限元法（Finite Element Method）就是关于连续体（连续结构）的一种离散化的数值计算方法，亦即在力学模型上近似的数值方法，它的基本思路是：假想地将连续体（连续结构）划分为有限个单元，这些单元都由具有一定自由度的节点相互连接而成。这样，原来的连续体（连续结构）就变成为由有限个单元装配而成的离散结构，原有连续体的无限个自由度的问题就变为离散结构的有限个自由度的问题。有限元法的主要优点是物理概念清晰，容易理解和掌握，适用性强，应用范围广泛，许多复杂的工况和边界条件都可灵活地加以考虑。有限元的基本思想是“分与合”，分是为了划分单元，进行单元分析，合则是为了集合单元，对整体结构进行综合分析。无论是什么样的结构，有限元分析的过程都是类似的。其基本步骤为：（1）研究分析结构的特点，包括结构形状与边界、载荷工况等；（2）将连续体划分成有限单元，形成计算模型，包括确定单元类型与边界条件、材料特性等；（3）以单元节点位移作为未知量，选择适当的位移函数来表示单元中的位移，再用位移函数求单元中的应变，根据材料的物理关系，把单元中的应力也用位移函数表示出来，最后将作用在单元上的载荷转化成作用在单元上的等效节点力，建立单元等效节点力和节点位移的关系，这就是单元特性分析；（4）利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，集合成整体的有限元方程，求解出节点位移。对不同的结构，要采用不同的单元，但各种单元的分析方法又是一致的。当前，国内外已研制了许多有限元分析专用和通用软件，著名的程序不下几十种。大型通用有限元分析软件多已商品化，这些软件解题规模大，建模和分析能力强，计算效率和可靠性高，能够适应广泛的工程领域需要。到90年代末，国外有限元软件纷纷进入国内市场，像NASTRAN、ANSYS、MARC、LS-DYNA3D、PAM-CRASH等，这些软件的分析功能强，解题规模大，计算效率高，能够解决汽车工程领域的绝大部分问题。3.2 汽车结构强度有限元分析的步骤有限元计算可以对汽车结构进行静动态分析，了解应力、位移和频率特性，对不足之处及时改进，从而提高产品质量。有限元的核心思想是结构离散，单元分析和整体组装和前后数据处理。从解决工程实际问题的角度看，结构强度分析的步骤可分为四部分：1）首先要研究结构的特点，提出对问题的合理简化，包括形状的简化、材料的简化、支撑的简化和载荷的简化等，提炼出与力学模型对应的几何模型，指制定分析方案。2）其次是数据的前处理，即建立有限元模型。目前一般通用程序都配有前处理软件，可通过建立零部件或结构的几何模型，由程序完成划分网格，根据问题的性质，添加材料物理性质数据、边界条件数据和载荷数据等。3）运行有限元程序计算。在此，对于非线性问题，要了解并出手干预计算过程。4）最后是计算结果的后处理，即整理并分析输出的计算结果，判断计算是否合理。写出有限元分析报告，拿出设计方案。在这里面，往往还会经历失败，需要进行试算，修改模型，修改设计方案等反复过程。总之，正确地建立有限元模型是关键。3.3 有限元分析数据前处理工作有限元分析的数据前处理工作可概括为下述几个方面：1）创建几何模型目前通用程序中一般提供两种获得模型的途径：一是利用程序自带的建模功能创建模型，既可以采用人机交互图形输入方式构建几何模型，也可以利用数据文件形式输入几何模型，在数据文件中用点、线、面和体的数据描述几何模型；二是通过程序的CAD接口导入/导出几何模型。导入的图形一般都要进行修正处理，几何模型不等于有限元模型。导入的图形虽然联系在一起，但是没有粘合在一起，如果就此进行网格划分，各个图形并没有通过单元节点连成一体，载荷也无法通过节点传递，表面上划分了网格，实际上并未达到有限元建模的条件。2）创建有限元模型与网格划分创建有限元模型有两种方法：一是直接创建节点，然后生成单元；二是创建或导入几何模型，将其离散化成网格模型。这里面还包括设置单元属性数据：单元类型、材料数据、单元类型编号、单元坐标系等。控制网格划分密度，执行网格划分操作和网格检查，修改网格模型。这里面也包括人工划分、手动划分和自动划分方式，但不能一味采用自动划分网格方式。网格划分方法应适应结构特点，根据计算和分析软件的要求生成各种类型单元，要注意通过多种途径检查网格质量和有限元模型。3）施加载荷和边界条件施加载荷及边界条件的方式有两种途径：一是在实体模型上施加，这仍然要转换到有限元模型上，要注意实体坐标系和有限元节点坐标系的一致性；二是在有限元模型上施加载荷，这就是有限元分析的最终载荷施加状态。广义载荷包括：自由度约束，集中力，面载荷，体载荷和惯性载荷等。目前，通用程序的前处理模块已发展成为类似于Auto CAD的交互式图形系统，结合各种实体的图形数据库，运用布尔运算等各种辅助手段可以生成复杂的几何图形及网格。对大型结构也可以分成几个独立部分建模，利用合并功能得到连续体几何模型。另外通用程序多带有CAD接口功能，可以实现几何图形的无缝传递。一种是通过标准IGES文件导入，该方法一般要经过CAD-IGES-通用程序的转换过程，但对于复杂大型结构信息容易出现信息丢失现象，无法实现百分之百的转换；另一种是针对CAD产品的专用图形文件接口，这类接口直接读取CAD图形文件，成功率高。常用的有：Pro/E专用接口，UG专用接口，Parasolid专用接口，CATIA专用接口等。但将产品模型直接导入到程序中，往往不能使用，一般要经过模型修复。虽然通用程序多带有几何模型修复工具，但模型修复的工作仍然是很大的。一种处理办法是在专用图形处理软件中，利用CAD系统中的交互图形软件的强大功能，按照构建有限元模型的思想来建立几何模型，这样的模型建立在产品模型的基础上，从已建立的产品模型中提取和转换划分有限元网格所需的几何模型数据，将有限元模型同产品造型联系起来，导入到程序中的图形修复工作量将大大减少。几何模型建立后，就是网格划分，网格划分就是用适当类型和数量的单元离散被分析的结构，即将几何模型人为地划分成若干规则或不规则形体，然后分别对每个形体划分网格，再将他们拼装成为完整的网格模型。通常采用迭代法、人机交互方式逐步优化。网格划分方法要适应结构特点，根据计算和分析软件的要求生成各种类型单元。网格的疏密分布要由用户控制，并可在局部区域加密。要能进行单元质量检查，并尽可能减少用户的数据输入。划分网格之前要对网格密度进行必要的控制。合理的单元网格密度是获得高精度结果的保证，能确保捕捉场量的分布和梯度变化，如应力/应变的分布和梯度变化，塑性区的位置、控制过程和最终塑性区域的大小等。在实际工程计算中，要根据分析目的和问题的性质来确定划分网格的密度控制，最后有限元分析结果的精度及计算所需时间和存储容量都与网格划分有直接关系。第四章 客车骨架有限元分析过程4.1 客车骨架有限元分析概述ANSYS是目前应用最为广泛的通用的有限元计算机程序之一，用户可以应用ANSYS进行静态、动态、热传导、流体流动和电磁学的分析。在过去的几十年里，ANSYS是最主要的FEA程序。当前的ANSYS版本的图形用户界面窗口、下拉菜单、对话框和工具条等的设计都十分友好，用户使用方便，而且算法和模块的完善和加强，使其解决各工程领域问题的功能更加强大。因此，本次毕业设计采用ANSYS软件，对成都客车厂生产CDK6593N客车的进行客车骨架有限元分析。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。客车骨架的有限元模型是进行车身结构分析的基础。建立客车骨架的有限元模型，就是根据所研究的问题的具体情况，选择合适的有限元单元，对客车骨架进行离散化，给这个模型赋予合适的材料属性，进行边界条件的模拟，进行模型的调试，最后提供一个具有可接受的精度的客车骨架的仿真模型的过程。客车车身一般是由骨架和壳体构成的组合结构。客车的车身主要采用承载式和半承载式，承载式结构由于车身的上下结构形成一个统一的整体，在承受载荷时，以强济弱，可使整个车身壳体达到稳定平衡状态，半承载式结构是车身骨架（立柱）的下端与底架纵梁两侧悬伸的横梁（俗称牛腿）刚性连接，使车身也分担载荷，无论采用哪种方式，客车的骨架是主要的承载件。至于蒙皮承载能力相对较小，主要起对骨架结构加强作用，如果考虑蒙皮作用，也只要考虑对客车骨架刚度有贡献的那部分，如车身中腰部分的预应力张拉蒙皮等。为了简化计算，可以忽略蒙皮的作用，认为全部车身载荷由骨架承受。4.2 单元的选择与介绍ANSYS 软件提供了较为完备的单元库，使用户能够模拟工程实际中千变万化的结构。下面对有限元模型中用到的单元类型加以说明。4.2.1 BEAM188三维线性有限应变梁单元客车骨架结构多由矩形钢管和异形钢管焊接而成，构件细长比一般都大于10，完全可以采用全梁单元模型。当然，对安装悬架的纵梁部分可以采用板单元模型，以反映该处的应力变化情况。客车车身分析以骨架为主，蒙皮是否计入分析应从实际结构和计算目的出发。由于时间紧，本次设计未考虑蒙皮的作用，客车骨架的结构全部采用梁单元模拟。梁单元用来建立三维结构的数学上理想化的一维有限元模型，与实体单元和壳单元相比，使用梁单元可以提高求解效率。ANSYS提供了多种梁单元库以适应不同的需要，其中Beam44为3-D 渐变非对称截面梁，Beam188和Beam189为3-D有限应变梁，ANSYS的梁单元在非线性分析方面具有下列独特的优势。 1. 三维真实描述梁单元在空间上是一维的线单元，单元特性和截面属性是相互独立的，通过指定截面编号，一维的梁单元就可以描述真实的三维空间结构，并且ANSYS可以以三维的形式显示分析结果。ANSYS提供了11种常用的截面形状，并允许用户定制截面形状，用户可以利用二维建模的方式创建新截面，并可以把定制的截面形状保存在截面形状库中。 2.变截面梁ANSYS允许定义任意截面形状，允许单元的每一端具有不同的不对称几何形状，并允许其端节点从梁的中心轴偏移。 3.梁单元的预应力ANSYS的梁单元可以考虑预应力产生的应力刚化效应。所谓应力刚化效应对于梁单元来说就是轴向应力引起的垂直轴向的刚度变化。 4.复合材料截面ANSYS可以定义任意几何形状由多个各向同性材料组成的横截面，可以用来模拟层状复合材料梁，长纤维增强复合材料梁和传感器等。 5.考虑剪切变形和翘曲的影响ANSYS的梁单元在平面假设的基础上可以考虑剪切变形的影响。ANSYS的梁单元还可以考虑非圆截面梁扭转时产生的翘曲影响，这时每个端节点有7个自由度，包括3个平动，3个转动和一个翘曲自由度。Beam188和Beam189单元不仅能模拟直梁的弯曲剪切响应，而且能模拟横向扭转屈曲行为(特征屈曲和非线性崩塌)。Beam188 单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构，该单元基于铁木辛哥梁结构理论，并考虑了剪切变形的影响，在本次设计中选择使用Beam188单元来模拟客车骨架的结构。图4.2-1是ANSYS 单元库中的BEAM188三维线性有限应变梁单元。图4.2-1 BEAM188三维线性有限应变梁单元Beam188 是三维线性（2 节点）或者二次梁单元。每个节点有六个或者七个自由度，自由度的个数取决于KEYOPT(1)的值。当KEYOPT(1)0（缺省）时，每个节点有六个自由度；节点坐标系的x、y、z 方向的平动和绕x、y、z 轴的转动。当KEYOPT(1)=1 时，每个节点有七个自由度，这时引入了第七个自由度（横截面的翘曲）。这个单元非常适合线性、大角度转动和/或非线性大应变问题。 当NLGEOM 打开的时候，Beam188 的应力刚化，在任何分析中都是缺省项。应力强化选项使本单元能分析弯曲、横向及扭转稳定问题（用弧长法）分析特征值屈曲和塌陷。 Beam188可以采用sectype、secdata、secoffset、secwrite 及secread 定义横截面。本单元支持弹性、蠕变及塑性模型（不考虑横截面子模型）。这种单元类型的截面可以是不同材料组成的组合截面，Beam188 从6.0 版本开始忽略任何实参数。Beam188单元的几何形状、节点位置、坐标体系如图4.2-1所示，Beam188由整体坐标系的节点I和J定义，节点K 是定义单元方向的所选方式，Beam188 可以在没有方向节点的情况下被定义。在这种情况下，单元的x 轴方向为I 节点指向J节点。对于两节点的情况，默认的y 轴方向按平行xy 平面自动计算。如果采用第三个节点（K）的话，将和I，J节点一起定义包含单元x 轴和z 轴的平面。如果该单元采用大变形分析，需要注意这个第三号节点仅在定义初始单元方向的时候有效。4.2.2 COMBIN14弹簧阻尼单元对客车钢板弹簧的模拟采用的是刚性梁单元和弹簧阻尼单元，图4.2-2 所示为ANSYS 单元库的COMBIN14弹簧阻尼单元。图4.2-2 COMBIN14弹簧阻尼单元该单元可以承受轴向拉压载荷或扭转载荷。当选用轴向拉压载荷选项时，每个节点有沿节点的x、y、z 轴平动三个自由度，不考虑弯曲和扭转载荷。当选用扭转载荷选项时，每个节点有绕节点的x、y、z 轴转动三个自由度，不考虑弯曲和轴向载荷。COMBIN14单元可以用来模拟前悬架的螺旋弹簧或扭杆弹簧，当前后悬架的钢板弹簧简化为刚性梁与螺旋弹簧的形式时，则可以用其模拟此处的螺旋弹簧。4.3 定义实常数客车骨架结构采用的梁单元不需要实常数，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是悬架弹簧的刚度和，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=3赫兹，汽车的悬挂质量=4500千克，经过计算，悬架弹簧的刚度K=1597255.2牛/米，在本设计中，悬架弹簧由8个弹簧构成，因此每个弹簧的刚度=199657牛/米。4.4 材料的定义本次设计采用的结构材料如下表，模拟钢板弹簧的刚性梁的弹性模量采用Pa,这样能够保证刚性梁处不发生变形。表1 材料及其力学参数材料弹性模量（Pa）密度（）泊松比屈服极限（Pa）Q23578500.32354.5 横截面的定义根据图纸，本次设计定义了15种截面来模拟，其中7种模拟矩形空心型钢，4种模拟角钢，4种模拟槽钢。4.6 建立有限元模型建立客车骨架的有限元模型是前处理阶段的主要工作，包括几何建模、网格划分等。根据图纸，先建立底架、右侧围骨架、前围骨架、后围骨架，左侧围骨架和顶盖骨架的几何模型，在此应注意保证线之间的粘接，然后定义各根钢管的方向点以定义单元的位置放置情况，指定每根梁的横截面，然后划分网格。节点的布置和单元的划分是相互联系的。通常集中载荷的作用点、分布载荷强度的突变点、分布载荷与自由边界的分解点、支承点等都应取作为节点，如果物体的厚度有突变或者物体由不同的材料构成时，在布置节点时就必须把厚度和材料不同的区域划在不同的单元中。 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。但是，如果要清晰的绘出弯矩图等，仍需要将网格划分的细些，否则内力图形将不连续。在本次设计中，指定单元的长度都是0.1米。建立的有限元模型总节点数为3608个，共使用Beam188单元1873个，Combin14单元8个。建立的几何模型和有限元模型分别如下图所示：图4.6-1 客车骨架几何模型图4.6-2 客车骨架有限元模型4.7 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水平较大，所以，在研究分析内容时，选择了满载弯曲工况（简称弯曲工况），满载左前轮和左后轮悬空工况（简称扭转工况）,后者是车辆可能发生的一种极限工况。综上，本次分析选择的两种工况如下：（1）满载纯弯曲工况（弯曲工况）；（2）满载左前轮悬空（扭转工况）；（3）满载左后轮悬空（扭转工况）。4.8 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一般将车身作为一个整体来考虑，非承载式与半承载式车身通过车架与板簧支座相连，所以车身的边界条件就体现为板簧支座的位移。边界约束的模拟是车身结构分析中的另一个重要环节，约束模拟的正确与否也是计算成败的关键。约束模拟必须遵循以下原则：1）要有足够的约束使结构消除刚体运动的可能，从而保证刚度矩阵非奇异，获得位移的确定解。2）不得有多余的约束。因为多余的约束会使结构产生实际不存在的附加约束力，从而增加部件的计算刚度，使计算结果失真。分析过程中将整个车辆作为一个简支梁来模拟，用刚性梁单元和弹簧单元来模拟钢板弹簧。车架前端刚性梁弹簧单元图4.8-1 客车骨架的边界条件约束位置本次设计，客车骨架的约束位置如图（3）所示，弹簧的上节点和车架连接，弹簧的下节点和车架连接，整车满载弯曲工况的约束方案是：表2 整车模型约束方案节点号UXUYUZROTXROTYROTZ 2YYY Y 5YYYYYY 8YY YY 11YYYY注：UX,UY,UZ分别表示X，Y，Z方向的移动自由度，ROTX，ROTY，ROTZ表示绕X，Y，Z方向的转动自由度。Y表示该自由度被约束。另外，悬架系统中的8个弹簧的每个节点各有UX，UY，UZ三个自由度，对每个弹簧的上下节