
承载式大客车车身骨架几乎承受着客车的所有动、静态载荷,结构设计对于整车的性能起着举足轻重的作用。在确保车体强度、刚度的前提下,减轻车身骨架的质量,可以减少钢材用量,降低制造成本,提高汽车的动力性和燃油经济性。
客车车身骨架是由薄壁杆件构成的复杂的空间高次超静定结构,其受力情况比较复杂,结构分析的难度较大。在设计初期,仅靠经验和类比进行设计,缺乏建立在力学特性(强度、刚度)分析基础上的科学依据,往往使设计偏向于保守,材料得不到充分利用,汽车自身质量过大,成本过高。在车身结构强度出现问题时,采用“头痛医头,脚痛医脚”的方式,不断地对使用过程中出现强度不足的部位进行补强,结果导致质量越来越大。此外,由于骨架结构是高次超静定结构,有着牵一发而动全身的结构特点,在质量不断增加的同时,结构强度并不能达到期望值。客车骨架结构的科学合理的设计问题,结构的轻量化问题已经越来越受到生产厂家的重视,国内在该领域做过一些骨架结构强度分析的相关研究。
用有限元分析方法对承载式车身骨架的强度进行了理论分析,探讨了骨架各主要承载部位的受力特性,提出了针对矩形管薄壁截面梁几何参数设计的改进方案,并实现了原结构分析、改进方案的提出和论证、新样车的试制及改进前后客车的静态测试和试验场的道路强化试验的整个过程,验证了改进方案的可行性和可靠性。
客车车身上的一些非承载部件对骨架结构的变形和应力影响很小,而对问题的求解规模和准确性有着很大的影响,因此对模型进行如下简化。
(1)省略非承载件对于某些为方便使用和辅助承载而设置的构件,由于其对整车的变形和应力分布影响较小,可忽略。
(2)主从节点原则对于位置较近的节点采用适当合并或“主从节点”的方式处理,避免实际计算中可能会导致的方程病态。
(3)蒙皮处理忽略应力蒙皮的加强作用。
(4)曲杆简化为直杆把顶盖横梁、前风窗下横梁等曲杆简化成直杆。
研究的承载式客车骨架结构,基本上采用的是矩形管(或近似于矩形管的异形钢管),考虑到有限元模型的规模及骨架的实际受力情况,选用ANSYS提供的三维线性有限应变梁单元Beam188,该单元支持简单的截面定义方式,有利于减少建模过程的工作量。对于车载设备,选用质量单元Mass21来模拟车载集中质量装备(如:发动机、离合器等)。
结构的几何模型是建立结构有限元模型的基础。对于复杂的模型,目前普遍的做法有2种:(1)在CAD系统中建立几何模型,通过公用数据交换文件、数据接口程序将几何模型导入ANSYS中,利用其提供的几何修复和拓扑修复工具进行适当地修改后,进行网格划分建立有限元模型;(2)根据实际需要,自己编制接口程序。由于通过前者导入的模型在后续的修改过程中有很多限制,给模型的修改工作带来不便,采用第2种方法,即在Unigraphics中建立车身骨架的线框模型后,使用自行编制的接口程序生成命令流文件导入到ANSYS环境中。由于Unigraphics系统与ANSYS系统的容差不同,几何模型中存在着线与线之间有部分未连接及交叉线之间不存在关键点的情况,为此,需要对模型中的部分没有关键点的交叉线进行重叠,然后根据给定容差5mm,对所有直线的关键点进行合并操作,最后压缩直线和关键点的编号。
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