某高级重症监护型救护车车身骨架的有限元分析

呼其图，王家军，王 宇，陈国钧，宋振兴

某高级重症监护型救护车车身骨架的有限元分析

呼其图，王家军，王 宇，陈国钧，宋振兴

目的：验证高级重症监护型救护车车身骨架的设计强度，发现设计不足，为后续设计的改进和优化提供理论依据。方法：建立车身的三维模型，利用有限元分析软件对车辆进行弯曲、扭转、转弯和制动等工况的分析。结果：高级重症监护型救护车车身骨架的平均应力小于材料的屈服强度，最小安全系数1.43，具有较高的安全性。结论：高级重症监护型救护车车身骨架设计能够满足救护车的设计使用需求。

有限元分析；强度；车身骨架

0 引言

随着计算机性能的提高和有限元理论的日趋成熟，有限元分析[1]（finite element analysis，FEA）已经成为汽车设计阶段最常用的分析手段之一。车身骨架是车辆的重要承载结构，它承受着来自道路及车辆自身的各种载荷，主要包括纵向弯曲、扭转，横向弯曲以及它们的组合[2]，因此，必须有足够的强度保证车辆的可靠性、安全性和使用寿命。

本文以某高级重症监护型救护车（移动ICU）车身骨架为研究对象，建立有限元分析模型，通过对其进行强度分析得到车身骨架的结构应力分布情况，进而判断在工作载荷作用下是否安全、可靠，为该型救护车车身骨架的设计优化提供重要依据。

1 有限元模型的建立

该高级重症监护型救护车立足于满足我国灾难救援、突发事件现场急救的需求，为重症伤员在现场和运送途中实施救治措施提供装备支持。车辆的总体外形尺寸为7 050 mm（长）×2 260mm（宽）×3 090 mm（高），车身通过中间隔墙分成驾驶室和医疗舱2个部分。驾驶室采用长头布置形式，医疗舱由前围、后围、左围、右围、顶围和底骨架等组成，由矩形断面、槽型断面的薄壁结构焊接而成，舱内配备有各种急救用的医疗设备和远程诊断通信设施。车辆底盘采用整体弯纵梁、发动机前置的结构。悬架部分采用导向板簧加空气悬架减振，并加以纵向、横向的减振系统，大大提高车辆的平顺性和舒适性。

首先利用三维软件对车身进行了三维实体参数化建模，并将模型转换成IGES格式的文件导入到有限元分析软件中进行几何清理[3-4]、网格划分、边界条件设定、加载、计算以及后处理。

目前，有限元建模的方法主要有2种：一种采用梁单元建模，结构模型简单；另一种采用壳单元建模，结构精确，但建模的工作量大、耗时。结合实际情况，为保证计算精度和计算规模的协调，本文采用壳单元建模方法，但对几何模型进行了适当简化。对于工艺圆孔、倒角、圆角等细微的几何特征，由于其对车身结构力学性能基本没有影响，因此，删除这些特征，以利于网格划分，简化建模（如图1、2所示）。

图1 简化前车架横梁

图2 简化后车架横梁

车身骨架主要由细长的矩形钢管组焊而成，车架部分主要由若干横截面积尺寸较大的槽钢及加强板等焊接而成。由于壁厚相对于其横截面积来说较小，在复杂载荷下因发生翘曲而产生平面应力，因此，用壳单元模拟可以保证较高的精度，也更接近结构的真实情况。悬架部分采用梁单元和弹簧阻尼单元来模拟。车身骨架材料为Q235，车架纵梁、横梁的材料为16MnL，悬架的材料为弹簧钢，具体材料参数见表1[5]。

表1 材料参数

离散后的有限元网格模型通过焊点连接起来。车身骨架的焊接采用刚性单元模拟（如图3所示），底盘装配部件采用螺栓连接模拟（如图4所示）。焊接的顺序可以先是小总成内部连接，如顶骨架总成、侧围骨架总成等，然后再进行小总成之间的连接，最终建立车身的有限元模型（如图5所示）。该模型基本网格单元大小为15～20 mm，共有159 914个节点（node）、154 148个单元（element），其中连接单元（rigid）8 015个。

图3 通过刚性单元（RBE2）连接的单元网格

图4 模拟螺栓连接的单元网格

2 有限元分析

2.1 车身质量和载荷的处理

以车身骨架（带车架）为研究对象，整车的载荷全部由车身骨架和车架来承担。载荷主要包括以下几个部分：车身骨架和车架的自身质量，座椅和乘客的质量，发动机、变速箱等主要底盘附件载荷，医疗设备的载荷。底盘附件载荷见表2，医疗设备的载荷见表3。

图5 某高级重症监护型救护车车身的有限元分析模型

表2 主要底盘附件载荷kg

表3 医疗设备质量kg

对于底盘各总成质量，如发动机、变速箱、备胎等都以静力等效原则，根据其在底盘的实际位置分布载荷施加到模型上。此外，车辆额定载客量为8人，按66 kg/人添加乘客的质量。

2.2 工况分析

《汽车产品定型可靠性行驶试验规程》规定：试验样车必须以一定车速、在各种道路上行驶一定里程，主要是在高速公路、一般道路、弯道上行驶的弯曲、扭转、紧急制动和紧急转弯等4种典型工况[6]。

2.2.1 弯曲工况

该工况模拟的是车辆在高速公路等良好路况下匀速直线行驶，主要承受弯曲载荷的工况。它是行驶在高速公路上的车辆的主要运行情况。计算时约束前、后轮与车桥相连的位置处6个方向的自由度[7]，只受自身的重力和附件载荷。弯曲工况下的最大应力为193.7 MPa，其位置在车架的后吊耳处（如图6所示）。车身骨架的平均应力低于25 MPa。

2.2.2 扭转工况

扭转工况有2种情况：一种是指汽车满载匀速行驶在有凸台的路面上，一个前轮上凸台，其余3个车轮处于同一水平路面；另一种是指汽车满载匀速行驶在有陷坑的路面上，一个前轮掉进陷坑里，其余3个车轮处于同一水平面内。计算时，约束处于同一水平面的3个车轮的竖直位移，给另一个前轮加上一个竖直向上（或向下）的位移量，来模拟扭转工况，扭转工况下统计结果见表4，最大应力值如图7所示。

图6 弯曲工况应力

表4 扭转工况分析结果

图7 左前、右后轮同时上抬80 mm工况应力

2.2.3 紧急转弯工况

车辆紧急转弯时，惯性力将使车辆受到侧向力的作用。本工况模拟车辆在行驶过程中紧急左转弯时的载荷情况。紧急转弯工况，车辆除承受自身的重力以外，还考虑以最大横向加速度0.3 g转弯时惯性力对车辆的影响。最大应力为426.4 MPa，出现在车架第1横梁与纵梁连接处（如图8所示）。车身骨架平均应力值为47.38 MPa。

2.2.4 紧急制动工况

车辆在行驶的过程中，车身除了承受乘客、医疗设备和自身的重力作用外，还要受到纵向制动惯性力的作用。制动时，车辆的最大减速度为j=0.7 gm/s2[8]，最大应力为347.7 MPa，其位置在车架的后吊耳处（如图9所示）。车身骨架平均应力值为38.63 MPa。

图8 紧急转弯工况应力

图9 紧急制动工况应力

3 计算结果及分析

该重症监护型医疗车车身骨架采用的主要是Q235普通碳素钢，其屈服强度为235 MPa；车架采用的主要是16MnL，其屈服强度为280～350 MPa；悬架导向板簧采用的是弹簧钢，其屈服强度为800MPa。

从以上4种工况的分析计算结果来看，所产生的最大应力出现在紧急转弯工况，车架第1横梁与纵梁连接处，符合实际情况。最大应力值为426.4MPa，小于材料的屈服强度800 MPa，最小安全系数为1.43[9]。车身骨架的平均应力普遍较低（≤50 MPa），远小于其屈服强度235 MPa。由此不难看出，车身骨架还有很大的优化空间。

同时，在模拟分析的过程中忽略了车身蒙皮、车窗玻璃等对车身总体结构的加强作用，这使得计算结果偏于安全。若考虑蒙皮的影响，车身骨架的应力还可继续下降，更加安全[10]。

综上所述，该重症监护型救护车具有足够的强度，能够满足设计要求。

4 结语

本文以某高级重症监护型救护车为例，建立了

（▶▶▶▶）（◀◀◀◀）车身骨架的有限元模型，并对其进行了弯曲、扭转、制动和转弯等几种工况的静力分析和强度校核。该模型具有足够的精度预测车身的强度，并能大致反映车身骨架应力的分布情况，可以满足使用要求，同时也为今后该产品的设计优化改进提供理论依据。

[1]朱伯芳.有限单元法原理与应用[M].3版.北京：水利水电出版社，2009.

[2]张洪欣.汽车设计[M].北京：机械工业出版社，1995.

[3]张胜兰，郑冬黎，郝琪，等.基于HyperWorks的结构优化设计技术[M].北京：机械工业出版社，2008.

[4]李楚琳，张胜兰，冯樱，等.HyperWorks分析应用实例[M].北京：机械工业出版社，2008.

[5]徐自立.工程材料及应用[M].武汉：华中科技大学出版社，2007.

[6]GB/T 13043—1991 汽车定型试验规程[S].

[7]冯国胜.客车车身结构的有限元分析[J].机械工程学报，1999，35（1）：91-94.

[8]余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2000.

[9]刘鸿文.材料力学[M].4版.北京：高等教育出版社，2004.

[10]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.

（收稿：2014-02-28 修回：2014-08-06）

Finite element analysis for body frame of some advanced ICU ambulance

HU Qi-tu1,WANG Jia-jun1,WANG Yu1,CHEN Guo-jun1,SONG Zhen-xing2
(1.Dongfeng Special Vehicle(Shiyan)Bus Co.,Ltd.,Shiyan 442013,Hubei Province,China; 2.Institute of Medical Equipment,Academy of Military Medical Sciences,Tianjin 300161,China)

ObjectiveTo validate the designed strength of the body frame of some advanced ICU ambulance to provide references for following improvement.Methods3D model of the ambulance was established,and finite element analysis software was used to analyze the conditions of bending,twisting,turning,braking and etc.ResultsThe mean stress of the body frame was less than the yield strength of the material,with the minimum safety factor of 1.43.ConclusionThe body frame of the advanced ICU ambulance can meet the desired requirements. [Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（11）：9-11，97]

finite element analysis;strength;body frame

R318；U469.6+7；O242.21

A

1003-8868（2014）11-0009-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.11.009

国家科技支撑计划项目（2012BAI20B01）

呼其图（1963—），男，高级工程师，主要从事特种车辆设计、制造方面的研究工作。

442013湖北十堰，东风特汽（十堰）客车有限公司（呼其图，王家军，王 宇，陈国钧）；300161天津，军事医学科学院卫生装备研究所（宋振兴）

陈国钧，E-mail：caj6865@163.com；宋振兴，E-mail：song9705@163. com