客车车身结构的有限元分析

0 引言

客车车架作为大型汽车的主要骨架之一，在客车行驶过程中，车架在各种复杂的载荷作用下，其安全性、舒适性、使用寿命以及稳定性将作为汽车性能指标的重要判定参数，因此车架的强度和刚度在车架的整个设计过程中显得尤为重要，而通过有限元的方法对客车车架进行分析研究，求解出客车的静态分析结果，可以更加透彻地了解客车车架的应力和变形分布情况，从而对车架整体及某些薄弱部位进行优化，进而提高客车车架的安全性、可靠性。

1 客车车架的模型建立

采用CATIA三维软件建立客车模型，并将模型导入到ANSYS Workbench18.1的静态分析模块中，建立车架的有限元分析模型。

1.1 客车车架的实体建模

根据车架的CAD图样，利用CATIA软件建立车架的结构模型，整个结构主要采用矩形管、方管、板材和型钢等焊接而成的三维立体结构，车架三维模型如图1所示。

⑩爱新觉罗·弘历:《题文园狮子林十六景有序甲午》，参见张橙华《狮子林》，古吴轩出版社1998年版，第151页。

1.2 客车车架有限元模型

  

图1 车架三维模型

将建立好的车架模型转换为X.T格式后，导入ANSYS Workbench18.1的静态分析模块中完成车架的有限元模型建立。整个车架的有限元模型采用实体单元，采用四面体和六面体网格进行网格划分，整体网格大小为30 mm网格划分后，单元总数553 652个，节点数量为491 916个,客车车架网格划分如图2所示。

从图7中可以看出，客车车架底框焊接处出现了最大应力，其最大应力值为247.6 MPa，而整个客车车架采用的材料为Q345，其屈服强度345 MPa，其安全系数为S=1.4，因此客车车架在极其恶劣的环境下，其强度也基本满足了设计的要求；从图8中可以看出最大位移变形为8.8 mm，发生在车架左前方支撑杆处，但是最大变形量同样小于设计允许的变形量，因此车身的最大变形量满足设计的要求。

  

图2 客车车架网格划分

2 客车车架四种工况下的静态分析

2.1 客车车架材料的确定

2.4.1 在紧急制动状况下，客车车架边界条件的施加

 

表1 Q345材质参数

  

密度/（kg·m-3）弹性模量/GPa泊松比屈服强度极限/MPa 7850 206 0.28 345

2.2 在水平弯曲状况下，客车车架材料的静态分析

引理 1.3[12] 设{Xni, i≥1, n≥1}是被随机变量X随机控制的随机变量序列, 则对任意的α>0和b>0, 有下面式子成立:

2.2.1 在水平弯曲状况下，客车车架边界条件的施加

客车在正常行驶过程中，可能会遇到突发事件，这时需要客车紧急刹车制动，在这一过程中，客车主要以0.7g的制动加速度进行刹车制动，此时客车整体的应力和变形分布情况。

 

表2 客车所受载荷分类和大小

  

加载类别 数值/kg客车车架自重 2021乘客与座椅 3950行李箱与空调 1214油箱 330发动机 802后桥 755

与此同时，在Workbench中采用固定约束的方式，约束客车车架底面与车轮连接处的部位，简化模拟客车受到的固定支撑作用。客车车架边界条件施加如图3所示。

  

图3 在水平弯曲状况下，客车车架边界条件施加

2.2.2 在水平弯曲状况下，客车车架应力和变形分布情况

从应力图（图4）中可以看出，客车车架底框焊接处出现了最大应力，其最大应力值为209.8 MPa，而整个客车车架采用的材料为Q345，其屈服强度为345 MPa，其安全系数为S=1.6，因此客车车架的强度满足了设计的要求；从位移图（图5）中可以看出，最大位移变形为2.6 mm，发生在车架底框中心部分，小于车身设计要求的变形量，因此车身的最大变形量满足设计的要求，综上所述，客车在平稳运动过程中，客车车架的强度和刚度都满足设计要求。

2.3 在极限扭转状况下，客车车架的静态分析

  

图4 水平弯曲状况下客车车架应力云图

  

图5 水平弯曲状况下客车车架变形云图

客车在行驶不平稳的情况下，4个车轮容易出现离开地面的现象，这样致使4个车轮高低不同，造成整个客车受力不均匀，在此恶劣的工况下，对客车进行静态分析是非常有必要的。

2.3.1 在极限扭转状况下，客车车架边界条件的施加

根据RSSI-Pb关系模型，使帧内编码RS码的编码率能够根据链路的接收信号强度RSSI的变化而动态变化，从而减少帧内编码冗余，增加吞吐率.

紧急转弯是为了模拟客车在转弯时，出现的一种特殊工况，在这种情况下，车身出现倾斜现象，因此通过静态分析确认车架是否满足设计要求。

在极限扭转情况下与在水平弯曲状况下，客车所受的载荷情况相同，约束的方式不同，在极限扭转的情况下，假设左前轮存悬空状态，约束右前轮的X、Y、Z方向的位移，并且将约束后轮的竖直方向的自由度，使其能够在水平方向自由，客车车架边界条件施加如图6所示。

  

图6 极限扭转状况下客车车架边界条件的施加图

2.3.2 在极限扭转状况下，客车车架应力和变形分布情况

  

图7 极限扭转状况下客车车架应力云图

  

图8 极限扭转状况下客车车架变形云图

概而言之，口语产出数据不能单方面地说明冠词的习得情况，书面测试是不可或缺的；研究结果不可单凭成绩判定，个体差异性分析不容忽视。语料库法虽然方便，但语料库是前人经过特定的方法在特定的测试中得出的数据，研究者对于语料库的控制十分有限，因此所需数据的收集也是有限的。再者，由于语料库法缺乏互动性，即利用语料库得出的结论是基于数据的机械的结论，研究者对受试当时的心理情况等无从得知，所以得出的结论有待进一步验证。

2.4 在紧急制动状况下，客车车架的静态分析

为了模拟客车平稳运动过程中车架的应力和变形情况，逐一对客车的顶部横梁施加来自于空调和乘客行李的重量对客车车架造成的载荷，并且在客车的其他相应部位分别施加油箱、后桥和发动机对客车车架的重力载荷，进一步在整个客车车架底框上表面施加乘客和相应座椅的重力载荷，在Workbench中施加一个重力加速度9.8 m/s2模拟客车车架自身的重力。

客车车架在平稳的行驶过程中，客车车架主要承受车架自身重量、油箱、发动机、空调、乘客的重量，因此在进行水平弯曲状况下的静态分析时，主要分析客车车架在平稳状态下的强度和刚度情况。客车所受载荷分类和大小如表2所示。

车架材料全部采用Q345材质，具体参数如表1所示。

客车整体的受力状况与水平弯曲工况下的受力状况大体相同，紧急制动时，主要增加了一个与客车运动方向相反的水平制动加速度。在进行约束时，限制客车两前轮处的X、Y、Z方向的位移为0，限制客车两后轮X、Z方向位移为0，不限制Y方向的自由度。客车车架边界条件施加如图9所示。

  

图9 紧急制动状况下客车车架边界条件施加

2.4.2 在紧急制动状况下，客车车架应力和变形分布情况

[19] 吴应辉、何洪霞：《东南亚各国政策对汉语传播影响的历时国别比较研究》，《语言文字应用》2016年第4期，第90页。

从应力云图（图10）中可以看出，客车车架底框焊接处出现了最大应力，其最大应力值为216 MPa，，其安全系数为S=1.5,客车车架强度满足了设计的要求；从位移图（图11）中可以看出最大位移变形为2.7 mm，发生在车架底框中心处，车身的最大变形量满足设计的要求。

2.5 在紧急转弯状况下，客车车架的静态分析

  

图10 紧急制动状况下客车车架应力云图

  

图11 紧急制动状况下客车车架位移云图

其次是建立机构，完善风险评估制度。可以建立相关风险管理机构，在校长领导下开展工作，由相关职能处室负责人和具备专业风险管理知识的人才以及一定经验的教师为主要成员，对学校重大事件进行风险评估。下设风险评估小组，对管理中的重大问题列出的风险清单，分析不同环节的关键控制点，制定相应控制措施或应对策略；为完善风险评估制度，风险评估小组还可以针对不同业务，给出风险评定标准，对涉及的风险点、风险等级进行评定，用以判断风险程度的大小。

2.5.1 在紧急转弯状况下，客车车架边界条件的施加

水库自动化监测系统充分整合软、硬件设备资源，可对水库实现全天候远程自动监测，可完整记录各水库数据的动态变化过程。可显示水库测点的最新水位、当前降雨量、累计降雨量、现场照片等，实时展现水位、降雨量动态曲线。可定时更新监测数据和现场照片；可手动问询各测点的水位、降雨量数据，可远程拍摄水库现场照片。当水库水位高于汛限水位或低于死水位时，系统通过弹出提示框、发出报警音、向相关责任人发送报警短息等多种形式提示报警信息，并自动拍摄现场照片传送给监测中心。责任人可根据相关信息作出决策。

客车在紧急转弯时，车架受力状况与水平弯曲工况下的受力状况大体相同，并且额外受到横向方向的横向加速度，大小为0.4 g,因紧急转弯为右转弯，因此约束左前轮X、Y、Z方向上的位移为0，同时约束右前轮X、Y方向的位移为0，Y方向自由，约束两后轮X方向位移为0，Y、Z方向自由。客车车架边界条件施加如图12所示。

  

图12 紧急转弯状况下客车车架边界条件施加

2.5.2 在紧急转弯状况下，客车车架应力和变形分布情况

从应力云图（图13）中可以看出，客车车架底框焊接处出现了最大应力，其最大应力值为158 MPa，其安全系数为S=2.2,客车车架强度满足了设计的要求；从位移图（图14）中可以看出最大位移变形为4.99 mm，发生在车架后框顶部，车身的最大变形量满足设计的要求。

1）要从实际施工需求出发，明确预应力张拉的方式和方向。一般来说，双侧张拉方式得到了广泛的应用，如图1所示。如果施工条件不允许，可以采取单侧张拉的方式。但是，对于单侧预应力张拉，要在预应力构件的两侧，分别进行单侧张拉。此外，要结合实际情况，对先张法或后张法进行灵活运用，进而不断提高预应力张拉的施工质量。

  

图13 紧急转弯状况下客车车架应力云图

  

图14 紧急转弯状况下客车车架位移云图

2.6 4种状况下，客车车架的静态分析对比

通过上述的4种不同工况的客车车架分析，得到了客车的4种不同工况下的最大应力及相应的安全系数和最大位移，如表3所示。

通过以上4种工况对比分析，4种工况下，最大应力都发生在客车车架底框焊接处，其余部位应力相对较小，整个车身车架满足了设计要求的强度。在4种工况中，极限扭转工况是安全系数最低的，容易出现安全隐患的工况，其最大应力为246.7 MPa，安全系数为1.4，同时又是刚度位移最大的工况，大小为8.8 mm，但是满足车架刚度设计要求。

 

表3 4种不同工况，最大强度刚度情况

  

工况 水平弯曲 极限扭转 紧急制动 紧急转弯最大应力/MPa 209.8 247.6 216 158最大位移/mm 2.6 8.8 2.7 4.99安全系数 1.6 1.4 1.5 2.2

3 客车车架的静态分析总结

客车车架采用静态分析的方法对4种工况进行了模拟，针对不同的边界条件进行了合理的定义，得到了4种工况下客车的应力位移分布情况，验证了客车车架设计的正确性，同时确认了车架薄弱部位，为后续优化分析提供了依据，也同时通过4种工况的对比分析，了解到哪种工况需要进行更加深层次的考虑和研究。

[参考文献]

[1] 黄天泽.大客车车身底架抗弯刚度的探讨[J].吉林工业大学学报,1981(3)：72-79.

[2] 纪清泽,郑祚馨,齐马战,等.应用SAP5程序对汽车车架有限元分析初探[J].河北工业大学学报,1984(4)：80-96.

[3] 谷安涛,元成浩.大客车车身结构强度的研究—用有限元法分析车身结构强度及车身构件刚度(下)[J].汽车技术,1983(9)：20-29.

[4] 韦志林,黄昶春,林圣存,等.壳式客车车身结构设计与有限元分析[J].机械设计,2015(3)：29-32.

[5] 吴磊.承载式客车结构分析及能量法的应用[D].柳州：广西科技大学,2014.

[6] 刘鸿文.材料力学I[M].5版.北京：高等教育出版社,2011.

[7] 栗广生.轻型客车车身骨架结构有限元分析及改进设计[D].柳州：广西工学院,2011.

[8] 冯国胜.汽车车架强度分析及优化[D].天津：河北工业大学,1993.

[9] 郦国瑾,吴岩,揭雪林.ZJ-662B客车骨架静强度及振动计算和随机振动试验[J].汽车工程,1985(4)：34-43.

[10] 陈家瑞.汽车构造：下册[M].北京：机械工业出版社,2009：374-394.

[11] 黄天泽,黄金陵.汽车车身结构与设计[M].北京：机械工业出版社,2007：160-190.

[12]姚成,朱铭.全承载式客车车身结构设计[J].客车技术与研究,2008,30(2)：13-16.

[13]颜祥.关于客车结构法规与GB13094修订的思考[J].客车技术与研究,2003,25(5)：42-44.

[14]吴利军,王海花,冯国胜.HB6790型客车车身及车架的有限元分析[J].石家庄铁道学院学报,2002,15(4)：11-14.

[15]尚晓江,邱峰,赵海峰.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M].北京：中国水利水电出版社,2008：243-260.