中型客车强度分析及试验研究①

任永连， 周 鋐

(1.同济大学汽车学院，上海 200092;2.同济大学新能源汽车工程中心，上海 200092)

0 引言

现在国内汽车行业对于汽车轻量化问题越来越看重，在满足强度的条件下使车身车架的重量减低，可使整车重量变小，从而使企业生产成本及用户油耗降低，所以足够的车身和车架强度就是该过程中必须保证的.非承载式汽车性能一个重要评价指标也是车身车架的强度，且整车的疲劳寿命、刚度和NVH等性能都受到车身和车架强度的影响.

建立了某中型客车车身车架的结构强度分析的有限元模型(FEM)，利用该模型对车身车架的强度进行了理论分析.包括有限元模型的离散简化原则、模型中各个部件及连接方式所采用的单元类型、所施加的边界条件和载荷条件，最终找出车身车架模型的易断裂位置.然后根据相关试验规范进行试验场道路强化试验，重点测试薄弱位置应力状况，并根据相关数据结果来验证模型的准确度，并为该车的轻量化提供了相应的数据依据.

1 理论仿真分析

1.1 FEM 的建立

一个车辆部件系统不管多么复杂，在给定的载荷作用下，从对结构的强度贡献大小的角度看，一定有主要承载构件与次要承载构件.本文旨在分析车身车架整体的强度，一些局部的小结构，诸如小孔，凸肩等可以予以忽略.首先将在CATIA中建立的三维实体模型导入Hypermesh中.在模型中，橡胶弹垫用CBUSH单元来模拟，用CWELD模拟焊接单元，螺帽垫片及螺母采用RBE2刚性单元建模，螺栓杆采用梁单元模型[2].最终的FEM中，节点个数有744753个，单元个数有703126个.

图1 车底约束条件

1.2 加载方式及原因

该中型客车承受的载荷很多很复杂.在各种工况中，车身承受来自乘客、各种装置和车身自重的重量，并将其传到车轴上.车架不仅要承担安装在其上的各种载荷，而且还要承受在行驶中由于坏路不平造成的各种载荷.车辆在凸凹的坏路上行驶时，在汽车单轮升起降下，或者成对角线方向的前后轮同时升起降下等情况下，车身车架受扭转.这种扭转使得车身车架承受的应力很大.相关文献资料及研究成果也表明:整车处于弯扭状态是汽车的最恶劣的状态.

相关试验表明，静载实测的高应力点基本上是动载实测的高应力点.因而在进行仿真计算时，可以对模型加载静态扭转来模拟汽车动态扭转的状态.

图2 加载方式

图3 车底各横梁及传动轴支撑

图4 后门框右上、右下角及发动机舱

静态扭转边界载荷条件:边界约束条件是约束后轴正上方所对应的两纵梁上节点的Y，Z两方向上的平动自由度;载荷方式是在前轴处施加沿X方向的扭转角度为20°的扭矩.有限元模型边界约束条件及加载方式如图1和图2所示.

1.3 结果分析

仿真结果中应力较大的位置有车头发动机舱的拐角和边缘处、仪表盘横梁中间的两处位置、后门框的四角、月牙板、前后座椅横梁与车架纵梁交界处、右外侧防火墙位置等.选取部分位置的应力云图如图3，图4和图5所示.

图5 月牙板

2 试车场试验

2.1 测量原理、步骤及应变片布置准则

任何物体在受到外力作用时均要发生变形，根据力学理论，其最大应力应变一般都发生在物体的表面，因此，测定物体表面的应变就有实际意义.一般是将应变片是用点焊或者是粘贴方式，使其贴在试件上.当试件受力变形时，贴在试件上的应变片的敏感栅也获得与试件一样的变形量，从而使敏感栅的电阻随之发生变化，敏感栅的电阻变化与试件的变形之间有一定的规律，因此用受力后应变片电阻的变化来反映试件的受力[4].

要保证应变片的粘贴质量，否则会使最终测量的结果精度降低:

(1)必须保证被测位置表面的清洁、平整、光滑、无油污、无锈迹，所以要用砂纸对测量部位进行磨平处理，并用酒精对该部位及周围部位进行去污处理.(2)在粘贴位置中心划纵横中心线，纵线方向应与应变方向一致，保证应变片粘贴的准确性.(3)保证粘贴位置的牢固，选用502胶水在测量位置贴上应变片及接线片.(4)牢固地焊接应变片导线.(5)保证应变片引线与被测件的绝缘性.(6)用703胶对应变片进行密封，防止外界环境的变化对应变片的影响.

按照以下几点来选择粘贴位置[5]:(1)有限元分析结果中应力较大的点.(2)根据该车型实际使用损坏情况、相似车型结构的使用情况和实践中证明可能存在的应力集中点.(3)该车型上所关心的特殊点.(4)实施布片时工艺上可行的点.

图6 桥路原理

2.2 应变组桥基础

桥路的基本函数

本次试验中，为补偿温度变化对试验数据的影响，故均采用半桥电路.

将各个位置的应变片(花)按照半桥电路连接好，信号调试完善后将试验车托运至安徽定远汽车试验场进行试验场道路工作载荷采集.三个驾驶员按照试验规范分别进行道路谱采集以获得多个样本数据.由于在本次试验中，三位驾驶员均按照规范跑车，实验数据差别不大，具有代表性.

通过对采集数据的分析及相关经验，该款车型易发生断裂的危险点如下:

发动机舱下部的拐角和边缘处的两处位置、仪表盘横梁中间的两处位置、月牙板的位置、后桥横梁的位置、前后座椅横梁与车架纵梁交界处的应变值较大，这些位置是易断裂的危险位置.

3 仿真与试验对比

对比有限元仿真结果和试验结果发现，两者结果中易发生断裂的位置结果并不完全一致.比如在仿真时，后门框的四个角与右外侧防火墙位置是结构危险点，但试验结果则显示它们并非是危险点.试验结果显示后桥横梁位置是结构危险点，但仿真结果显示它们并非是危险点.这是因为:

(1)由于有限元模型的简化.仿真模型并不是完整的整车模型，该车型的有限元模型是由白车身与车架装配而成的模型，而试验是在整车状态下进行的.(2)仿真的约束加载方式与试验的约束加载方式不完全一致.(3)应变片的实际粘贴位置与有限元分析结果中的危险单元、危险节点的位置存在差异.

但该有限元模型是比较符合实际情况的，大部分易断裂的危险点在仿真中都给出了正确的结果，试验结果与有限元结果整体结果一致，说明所建立的该款车型的FEM的是较正确的.该有限元模型可以作为该车型各种工况分析的基础，从而进行各种力学特性的分析研究.

4 总结

本文利用有限元分析技术的基本理论和方法，采用hypermesh分析软件，建立了某中型客车的包含车身车架有限元模型，按照该车的实际使用要求，利用建立的有限元模型进行了扭转的静力学分析，得到了相应结果.根据客车试验技术标准进行了整车状态下的试车场道路试验，得到车身车架实际的应力分布及实际使用中车身车架上强度薄弱的环节，也证明了所建模型的准确性.最终利用仿真及试验数据可以为该款车的后续一系列改进提供依据.

[1]赵黎.NHQ6470型SUV非承载式车身车架刚度强度的研究[D].河北:燕山大学车辆与能源学院，2007.

[2]于开平，周传月，谭惠丰，等.Hypermesh从入门到精通[M].北京:科学出版社，2005.

[3]郭迎春.黄海牌某型客车车身强度有限元分析[C].2005年全国计算机辅助工程(CAE)技术与应用高级研讨会论文集.北京:中国机械工程学会，中国自动化学会，2005.

[4]周鋐.汽车试验学[M].上海:同济大学出版社，2010:190－195.

[5]邝坤阳.承载式车身强度试验分析研究[J].农业装备与车辆工程，2011，(5).