三轴低地板客车骨架静动态分析

李楠 张代胜 谷同金

摘要：客车骨架的静动态分析的主要目的是获得整车的应力和变形状况，来检验车身结构的合理性，从而有针对性的对结构进行改进和优化。本文对一款三轴低地板客车的车身骨架从静态和模态方面进行有限元分析，找出客车在实际运行中可能存在的破坏问题，从而进行车身结构优化来彻底消除隐患。

关键词：有限元；车身骨架；应力；动态分析

中图分类号：U463.83+1 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2012）02-0039-03

Static and Dynamic Analysis of Three-axis Low Floor Bus Frame

LI Nan，ZHANG Dai-sheng，GU Tong-jin

（School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei230009，China）

Abstract: The main purpose of static and dynamic analysis of bus frame is to obtain the stress and deformation state of the vehicle and test the body structure is reasonable or not，and thus targeted to improve and optimize the structure. In this paper，a three-axis low floor large bus frame from the static and modal finite element analysis to identify the possible problems in the actual operation，and thus optimize the body structure to eliminate hidden dangers.

Key words: finite element method；bus frame；stress；dynamic analysis

低地板城市客车在国内外得到了快速发展，一方面使乘客上下车更加方便，另一方面也提高了客车的营运效率。但由于地板高度的限制，发动机、变速箱、前后桥的布置形式都有所变化。与采用传统纵梁相比，全承载式车身的结构形式也有所调整，尤其是三轴低地板客车的格栅底架，一方面承载力加大，另一方面格栅底架却相对削弱。为了研究三轴低地板客车的结构性能，本文采用有限元方法进行了建模与分析，分析结果为产品的优化设计和进一步研究提供了参考依据。

1 车身骨架建模

本文的研究是在三维实体建模软件UG中根据设计的要求建立客车骨架的模型，然后把建立好的实体模型以IGES格式导入到有限元分析软件ANSYS中，定义单元类型和材料属性，划分网格，定义载荷和边界条件，最后建立了车身骨架的有限元模型。

在建立有限元模型时，采取了以下简化处理措施：

（1）略去蒙皮和某些非承载构件，如面板、窗玻璃等；

（2）将空间曲梁简化为直梁。如：把侧围立柱等曲梁划分为若干个直梁单元；

（3）忽略某些对整车结构变形和应力分布影响较小的非承载构件，对相距很近而又不重合的交叉连接点用一个节点代替。材料的性能参数如表1所示。

目前，建立有限元模型可采用梁单元建模和壳单元建模的方法。梁单元建模的优点是结构简单，模型便于修改和计算，但精确度不高；而采用壳单元建模虽保证了较高的精度，但建模和计算的工作量大，耗时耗力。本文研究的低地板客车主要是由矩形钢管焊接而成，根据整车结构设计强度的现状，决定在进行有限元分析时，车身骨架采用空间梁单元BEAM188的建模方法，部分结构采用板单元SHELL63［1］。加载后的有限元模型如图1所示。

2 模型校核

2.1 质量校核

要计算多轴车辆的载荷分配，首先要确定车重及其质心。通常要找出各个零部件的质量和质心来计算整车的车重及其质心。可以得出∑P=22 500 kg为整车重，二、三轴的轴距设为L=1 600 mm，簧上质量P=6 865 kg，均布载荷密度q=1.14 kg/mm，弹簧弹性系数分别为k1=k3=140 kg/mm、k2=210 kg/mm。计算可得质心横坐标X=3.4 L=5 440 mm。

2.2 轴荷校核

汽车轴荷的计算主要运用静力平衡的方法，将汽车简化为简支梁进行计算，可将多轴车辆简化为弹簧上质量刚性系统来近似计算载荷的分配。计算结果如表2所示。

从表中可以看出计算结果与实验结果误差不大，模型基本合适。

3 车身骨架有限元静力学分析

静力学分析主要检验结构的强度和刚度，计算客车在行驶中所产生的各种力和力矩。客车的行驶工况虽然比较复杂，但各种实践表明静力学分析主要考虑的是弯曲工况和扭转工况，所以本文就以这两种工况进行分析［２］。

3.1 弯曲工况

弯曲工况的计算主要是指客车在满载情况下四轮着地时的结构强度和刚度的计算，模拟的是客车在良好路面上匀速直线行驶时的应力分布和变形情况，弯曲工况下车身变形图见图2。

3.2 扭转工况

扭转工况主要考虑的是客车在行驶时一个车轮悬空而另一个车轮抬高时车身的载荷情况。 这是最严重的扭转工况，此种扭转工况下的动载，在时间上变化得较缓慢，其扭转特性可近似地看作是静态的，扭转工况下车身变形图见图3。

3.3 结果分析

弯曲工况下，客车最大应力位于底架中部左侧，轮罩与车架附近的一扇形立柱连接区域，最大值为200.584 MPa，最大变形位于车架尾部，最大值为18.414 mm。

扭转工况下，卸去左前轮的约束，得出客车的最大应力位于车架的后段与尾段的连接处，最大应力值为217.077 MPa，最大变形位于前围，最大值为19.192 mm。

该车身骨架的材料采用16 Mn钢，其屈服强度为［σ］=345 MPa，考虑该车主要在城市运行，道路条件较好，且采用空气悬架形式，动态应力变化幅度较低，设计安全系数可以考虑的略低一些。在两种工况下，大部分车身骨架应力级别不高，局部大应力区出现在底架后段与尾段连接处，另外底架尾段变形也稍大。需要加强该处的连接，降低应力水平，提高尾部连接刚度。

4 车身骨架模态分析

4.1 模态分析基本理论

对于多自由度线弹性系统，其运动微分方程为：

式中：M、C和K分别为系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵； y（t）为系统的响应位移矢量；X（t）为系统受到的激励力矢量［3］。

如果结构阻力很小，对系统的模态参数影响不大，那么模态分析时可忽略式（1）中的阻尼力项。此时，求解其特征值可得系统的实模态，即模态振型所表示的各自由度的相对运动是同相或反相的。但是，如果结构阻尼较大，则不能忽略阻尼力的影响，求得的是系统的复模态。模态振型各自由度之间的相对运动存在相位差，其大小由模态阻尼比决定。

4.2 模态分析结果

客车在行驶过程中，激振源主要有路面、车轮不平衡、发动机、传动轴不平衡等，因此在研究车身骨架动态特性的目的在于优化结构来控制车架的模态分布，应尽量使其模态频率错开载荷的激振频率，以避免引起共振。

本文的研究是在客车无阻尼自由振动的状态下计算车身骨架的固有频率和振型，车身骨架的前六阶模态数值见表3。

计算结果表明，车身骨架固有频率较低，易于受路面与发动机激励的影响，要做好车身与悬架的匹配，优化发动机悬置的设计。

5 结论

本文采用ANSYS软件对某三轴低地板客车的车身骨架从静态和模态方面进行有限元分析，分析计算结果表明该车骨架的最大应力与许用值之间还有较大余量，应进一步优化其结构，合理地改进连接方式，经济地确定各梁截面的尺寸来满足强度和刚度的要求，以达到充分利用材料、降低车身质量的目的。同时，在中后轴底架纵横梁连接处要适当加强以减小尾部变形量。

参考文献：

［１］ 李红云，赵社戌，等.ANSYS10.0基础及工程应用［M］. 北京：机械工业出版社，2008：66-148.

［2］ 张功学，田杨.基于ANSYS的某客车车身骨架的有限元分析［J］.陕西科技大学学报，2008，（6）：150-153.

［3］ 刘惟信.汽车设计［M］. 北京：清华大学出版社，2001：8-30.

［4］ 黄俊杰，张代胜，王松，等.极限组合工况下客车车身骨架刚度和强度分析［J］.汽车科技，2010，（5）：47-50.