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客车车身骨架有限元分析与轻量化改进设计

作　者: 李辉
导　师: 曹文钢
学　校: 合肥工业大学
专　业: 机械制造
关键词: 客车车身半承载有限元模型强度刚度轻量化
分类号: U463.822
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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引　用: 14次
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内容摘要

客车车身是客车的重要结构,本文运用有限元法和电测实验相结合的方法研究了某型客车车身的结构性能,并在此基础上进行了轻量化改进。利用有限元分析软件ANSYS,通过合理的简化,建立了某客车有限公司研制开发的半承载式大客车整车骨架的有限元模型。根据该车的设计使用情况对车身有限元模型采用了五种计算工况:匀速直线行驶的水平弯曲工况、一轮悬空的极限扭转工况、紧急制动工况、紧急转弯工况和倾翻工况。通过对这五种工况强度和刚度的分析,得到整车骨架的应力分布和刚度状况,从而寻找出骨架中存在强度和刚度富裕的构件,为该车的轻量化改进提供数据支持。同时,为掌握该车的动态性能,使用了模态分析技术对车身结构进行了分析,计算得到车身骨架的前十阶固有频率,并对低阶固有模态振型进行了分析。在此基础上,对中门结构进行改进,提高了中门的刚度,减小了中门的变形。此外,直接对一些强度,刚度影响较小且富量较大的构件进行了轻量化改进。在确保整车强度和刚度满足使用要求和国家相关标准的前提下,使车身质量成功减轻211kg。在研究结构相对复杂的底架时,对三段式底架的前段和后段,采用实体单元建模,对于其他骨架结构则采用传统的梁单元,建立了实体单元和梁单元耦合的车身骨架有限元模型,此种建模方法在汽车骨架的有限元分析方法中的应用目前很少。本文的建模思路对于如何合理建立客车车身的有限元模型并进行分析具有重要的意义。

全文目录

第一章绪论  14-20
  1.1 引言  14-15
  1.2 研究背景和研究意义  15-16
  1.3 大客车车身结构设计现状及发展趋势  16-17
  1.4 国内外客车轻量化研究现状  17-18
  1.5 课题来源与研究内容  18-20
第二章车身结构分析有限元法及其软件  20-28
  2.1 有限元法概述  20
  2.2 有限元软件的结构及分析流程  20-22
  2.3 有限元法具体步骤  22-24
    2.3.1 结构的离散化  22
    2.3.2 选择单元的位移模式  22-23
    2.3.3 单元的力学特性分析  23
    2.3.4 建立整体结构的刚度方程  23
    2.3.5 求解修改后的整体结构刚度方程  23
    2.3.6 由单元的节点位移列阵计算单元应力  23-24
  2.4 有限元软件介绍  24-26
    2.4.1 有限元软件概述  24-25
    2.4.2 ANSYS软件简介  25-26
  2.5 有限元分析在客车车身骨架分析中的应用  26-28
    2.5.1 有限元分析的应用  26-27
    2.5.2 有限元软件的应用  27-28
第三章客车车身结构有限元模型的建立  28-42
  3.1 建模准备  28-29
    3.1.1 坐标系的选择及单位的统一  28-29
    3.1.2 整车参数  29
  3.2 单元的选择  29-36
    3.2.1 BEAM18单元特性  29-32
    3.2.2 SOLID45单元特性  32-36
  3.3 模型的简化  36-37
  3.4 有限元模型的生成  37-42
    3.4.1 几何模型的生成  37-38
    3.4.2 材料属性和梁横界面属性的指定  38-40
    3.4.3 实体单元和梁单元之间的祸合  40
    3.4.4 车身质量及载荷的处理  40
    3.4.5 模型的生成  40-42
第四章车身结构有限元分析  42-70
  4.1 计算工况的确定  42-45
    4.1.1 工况的选择  42
    4.1.2 载荷的确定  42-45
      4.1.2.1 载荷的分类  43
      4.1.2.2 车身主要承载情况  43-44
      4.1.2.3 各工况的载荷描述  44-45
  4.2 车身骨架的技术指标  45-49
    4.2.1 车身骨架强度指标  45-46
      4.2.1.1 车身的静强度  45
      4.2.1.2 车身的疲劳强度  45-46
    4.2.2 车身骨架刚度指标  46-49
      4.2.2.1 弯曲刚度  46
      4.2.2.2 开口变形  46-47
      4.2.2.3 扭转刚度  47-48
      4.2.2.4 客车车身的承载度  48-49
  4.3 水平弯曲工况  49-53
    4.3.1 载荷与约束处理  49
    4.3.2 计算结果及其评价  49-53
      4.3.2.1 强度分析  49-51
      4.3.2.2 刚度分析  51-53
  4.4 极限扭转工况  53-56
    4.4.1 载荷与边界条件  53
    4.4.2 计算结果及其评价  53-56
      4.4.2.1 强度分析  53-55
      4.4.2.2 刚度分析  55-56
  4.5 紧急制动工况  56-59
    4.5.1 载荷与边界条件  56-57
    4.5.2 计算结果及其评价  57-59
      4.5.2.1 强度分析  57-58
      4.5.2.2 刚度分析  58-59
  4.6 紧急转弯工况  59-62
    4.6.1 载荷与边界条件  59-60
    4.6.2 计算结果及其评价  60-62
      4.6.2.1 强度分析  60-61
      4.6.2.2 刚度分析  61-62
  4.7 倾翻工况  62-64
    4.7.1 载荷与边界条件  62
    4.7.2 计算结果及其评价  62-64
      4.7.2.1 强度分析  62-63
      4.7.2.2 刚度分析  63-64
  4.8 车身骨架的模态分析  64-70
    4.8.1 理论基础  65-67
    4.8.2 模态评价原则  67
    4.8.3 车身骨架模态结果及分析评价  67-70
第五章车身骨架强度刚度试验及分析  70-77
  5.1 试验设备与测点布置  70-72
  5.2 试验加载方式  72
  5.3 试验结果及数据处理  72-73
    5.3.1 静态实测应变数据的处理  72
    5.3.2 应变值与应力值之间的转换  72-73
  5.4 测试结果  73-75
  5.5 结果分析  75-77
第六章车身结构的改进和轻量化设计  77-84
  6.1 车身骨架的轻量化  77-78
  6.2 中门结构的改进  78-80
    6.2.1 中门的改进方案  78-79
    6.2.2 三种改进方案的评价  79-80
  6.3 改进结果评价  80-83
    6.3.1 稳定性评价  80-81
    6.3.2 强度评价  81-82
    6.3.3 刚度评价  82
    6.3.4 动态性能评价  82-83
  小结  83-84
第七章结论与展望  84-87
  7.1 所做的工作  84-85
  7.2 总结  85
  7.3 工作展望  85-87
参考文献  87-90
攻读硕士学位期间发表论文  90

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