客车车身结构模态分析

张亚飞



客车车身结构模态分析

张亚飞

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

应用有限元法分析半承载客车车身在各种工况下的强度情况，为客车车身结构设计提供参考。通过分析比较，说明改进方案的有效性和合理性。

客车；有限元分析

引言

车身是客车结构中的关键零部件，由于客车运行具有载荷变化范围大，工况变化多，起步、加速、转弯、减速、制动变化频繁，对车身的强度和刚度均是巨大的考验。车身骨架是一种超静定结构，其受力具有复杂性，采用简化的力学模型进行力学计算和强度校核，很难实现合理设计。

本文通过hypermesh软件对一款6米客车(代号JH6)车身骨架模态进行有限元分析，通过结果对设计和改进提供了理论支持。

1 有限元模型建立

1.1 几何模型的建立

利用大型通用三维CAD软件UG，建立各零件的立体模型，然后将零件组装成车身总成。通过UG输出接口，将三维模型转化为Parasolid格式，再输入到ANSYS分析软件中，经过处理后，形成车身骨架的有限元模型。

考虑车身骨架所受载荷较小，在有限元分析中用壳单位模拟，对整车模型做一些必要的简化，提高建模和运算效率：

（1）忽略覆盖件、非承载件的影响；

（2）忽略应力蒙皮的加强作用；

（3）简化截面形状；

1.2 悬架的模拟

该车悬架系统采用变截面钢板弹簧结构，悬架系统选用刚性梁-柔性梁相结合的方式进行模拟。对于刚性梁，为使其受力时垂直位移小于水平柔性梁的垂直位移，取轴向刚度为6.0×106N/mm。

1.3 加载处理

JH6客车是一款城市客车，整车满载质量设计为6.5T，其中簧载质量约为5.5T。在计算过程中，载荷分配按理想状态分布计算。该模型计算载荷处理如下：发动机、变速箱、油箱、水箱等按集中质量点方式加载，利用梁单元连接到车架上，各部件质心的位置通过换算获得；乘客、座椅及地板质量按客车座位布置图等效分配到地板上，并通过车架“牛腿”方式加载到车架上。

整个车身骨架被划分为节点833672个和薄壳单元44567个、集中质量单元52个、三节点三角形单元6959个、梁单元1073个。车身有限元模型如图1所示。

图1 车架有限元模型

2 不同工况的计算分析

JH6车型车身骨架材料为16Mn矩形管、510L钢板、Q235钢板，其屈服极限分别为345MPa、355MPa、235MPa。本文应用有限元分析软件ANSYS，对弹性范围内的弯曲和弯扭结合工况下的应力和应变进行计算，同时结合骨架的模态分析，说明车身骨架在设计中存在的问题，给出改进的方案。

2.1 满载静压弯曲工况

车辆使用工况虽然很复杂，但直接关系到结构强度的主要是满载弯曲与扭转两种工况。满载弯曲工况主要用来验证抗弯强度。弯曲工况模拟客车满员在平直良好路面上匀速行驶的情况，此时客车骨架主要承受弯曲载荷,产生弯曲变形。对满载弯曲工况进行计算，最大应力在底盘右侧后桥处应力最大，达到273.64MPa，如图2所示。

图2 满载弯曲工况-应力云图

2.2 弯扭结合工况

图3 满载扭转工况-应力云图位移云图

用于模拟车辆行驶在崎岖不平的道路上，非对称支承时产生扭转的极限状况，分析其变形和应力状态。一般采用前轮悬空满载状态来模拟极限弯扭工况。由图3可知，此工况下应力最大值为396.31MPa，最大位移达到8.128mm，位于左前悬牛腿处；前轮悬空工况是最恶劣工况，汽车实际行驶中很难遇到。

2.3 制动工况

用于模拟车辆紧急制动时，由于惯性力的作用，车身前后轴核重新分配，车身后部的应力减小，车身中部的应力增大，该工况最大位移达到5.933mm，最大应力达到316.24 MPa。

2.4 转向工况

用于模拟车辆在转弯过程中，承受因惯性力引起的离心载荷作用，需在正常行驶（水平弯曲）工况的基础上增加0.4g的惯性加速度均布在相应位置，该状态最大位移位于车身顶部，达到7.224mm，最大应力位于后桥处右侧连接处，达到304.65MPa。

3 模态分析

3.1 模态振型分析结果

表1 模态振型分析结果

频率（Hz）----最大位移（mm）----最大应力（MPa）

3.2 模态分析结果说明

（1）模态1为一阶整体弯曲，振动频率为6.397Hz，位移变化微小，为0.042mm。

（2）模态6为一阶整体扭转，振动频率为10.07Hz，位移变化微小，为0.028mm。

（3）模态13为整体扭转加弯曲，振动频率为13.11Hz，位移变化微小，为0.041mm。

从模态分析的变形结果可以得出，该车的整体刚度较高，整体振动的变形较小。但同时也发现在一些座椅预埋板、顶内饰预埋板等局部结构刚度偏小，振动变形较大。

4 结论

（1）在底盘前端左右两个外伸梁连接处，底盘位于后桥上方的区域应力值偏大，应力超过170MPa以上，即材料强度的安全系数在2.0以下。虽在良好路面运行时的应力都在材料应力极限以内， 但该区域容易出现材料疲劳失效。所以以上区域需要引起关注，值得进行改进以提高车身安全系数。

（2）该车整体刚度较高，前30阶模态的振型变形普遍微小，地板局部区域，座椅预埋板，顶类预埋板处刚度较小，需要引起关注并建议改进。

（3）仿真结果是基于三维几何模型的模拟计算，因实际生产的车辆和三维模型会有所差异，建议结合试验对车身结构强度进行验证。

[1] 陈家瑞,汽车构造[M].北京:机械工业出版社,2001.

[2] 张铁山,胡建立,唐云.轻型汽车车架动态有限元分析[J].南京理工大学学报.2001.

[3] 贺李平.ANSYSY14.5与Hypermesh12.0联合仿真有限元分析.北京:机械工业出版社,2014.

Modal Analysis of Bus Body Structure

Zhang Yafei

( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Finite element method is used to analyze the strength of semi-loaded bus body under various working conditions, which provides a reference for the design of bus body structure. Through analysis and comparison, the effectiveness and rationality of the improved scheme are explained.

Passenger car;finite element analysis

A

1671-7988(2018)18-74-03

U463.8

A

1671-7988(2018)18-74-03

CLC NO.: U463.8

张亚飞，就职于江淮汽车轻型商用车研究院客车底盘研发部，主要从事客车总布置设计工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.026