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西华大学 吉林大学 汽车学院 汽车专业 客车骨架有限元分析A


客车骨架有限元分析
姓名: 姓名:李 勇 学号: 学号:20030623 指导教师: 指导教师:巢凯年 交通与汽车工程学院车辆工程
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客车骨架有限元分析过程
(一)概述 概述
本次毕业设计采用ANSYS软件,对成都客车厂生产 CDK6593N客车的进行有限元分析。主要分析客车骨架的应 力和变形。经过分析,客车骨架的

应力小于许用应力,变形 较小。经过改进后,客车骨架的强度得到了增强,重量减轻, 达到了设计的目的。 本次设计采用国际单位制:米,千克,牛,帕等,采用 的坐标系为:X为汽车的长度方向,Y为宽度方向,Z为高度方 向。

(二)单元的选择
1)BEAM188—三维线性有限应变梁单元 2)COMBIN14—弹簧阻尼单元

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(三)定义实常数 定义实常数
采用的弹簧单元需要实常数弹簧刚度K 采用的弹簧单元需要实常数弹簧刚度K。 由《汽车理论》的知识我们知道, 汽车理论》的知识我们知道,
f0 = 1 2π K m2

其中, 是车身部分固有频率, 是悬架弹簧的刚度,m2 其中,f 0 是车身部分固有频率,K是悬架弹簧的刚度,m2 是汽车的悬挂质量,它由车身、车架及其上的总成所构成。 是汽车的悬挂质量,它由车身、车架及其上的总成所构成。 通过估算,车身部分固有频率f0=3赫兹, 通过估算,车身部分固有频率f0=3赫兹,汽车的悬挂 f0=3赫兹 质量m2=4500千克,经过计算,悬架弹簧的刚度K=1597255.2 m2=4500千克 质量m2=4500千克,经过计算,悬架弹簧的刚度K=1597255.2 悬架弹簧由8个弹簧构成, 牛/米,悬架弹簧由8个弹簧构成,因此每个弹簧的刚度 =199657牛 =199657牛/米。

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(四) 材料的定义 四
本 次 设 计 采 用 的 结 构 材 料 为 Q235 钢 , 它 的 密 度 是 7850 kg / m ,除刚性梁外的结构的弹性模量是 2.1× 1011 Pa, , 泊松比是0.3, 泊松比是 ,刚性梁的弹性模量采用2.1× 1016 Pa 。
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(五)横截面的定义
根据图纸,本次设计定义骨架杆件共用了15种截面 种截面, 根据图纸,本次设计定义骨架杆件共用了 种截面, 其中7种模拟矩形空心型钢 种模拟矩形空心型钢, 种模拟角钢 种模拟角钢, 种模拟槽钢 种模拟槽钢。 其中 种模拟矩形空心型钢, 4种模拟角钢, 4种模拟槽钢。

(六)建立有限元模型
根据客车骨架的图纸,先建立客车骨架的几何模型, 根据客车骨架的图纸,先建立客车骨架的几何模型, 然后定义各根钢管的方向点,指定每根梁的横截面, 然后定义各根钢管的方向点,指定每根梁的横截面,然后 划分网格。由于梁单元的内力、 划分网格。由于梁单元的内力、应力和变形的计算都是精 确的,所以单元划分可以大一些。在本次设计中, 确的,所以单元划分可以大一些。在本次设计中,指定单 元的长度都是0.1米 元的长度都是 米。
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建立的客车骨架有限元模型如图所示: 建立的客车骨架有限元模型如图所示:
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ELEMENTS ACEL JUN 14 2007 22:39:09

Z Y K0 K0 X K0 K0 K0 K0

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(七)分析工况的选择 七 分析工况的选择
由于弯曲工况是车辆经常处于的工况, 由于弯曲工况是车辆经常处于的工况, 而扭转工况下车身的应力较大,所以, 而扭转工况下车身的应力较大,所以,在 研究分析内容时,选择了满载弯曲工况, 研究分析内容时,选择了满载弯曲工况, 满载左前轮和左后轮悬空工况,后者是车辆 满载左前轮和左后轮悬空工况 后者是车辆 可能发生的一种极限工况。 可能发生的一种极限工况。

(八)施加约束 八 施加约束
客车车身骨架一般是由型钢焊接而成 的整体结构,所以在进行有限元分析时将 的整体结构, 车身作为一个整体来考虑, 车身作为一个整体来考虑,所以车身的边 界条件就体现为板簧支座的位移。 界条件就体现为板簧支座的位移。
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如图所示是客车骨架的边界条件约束位置,整车满载弯曲工况的 约束方案是:节点5自由度全部约束,节点2,8,11的自由度均约束 UY,UZ,ROTX,ROTZ,并对每个弹簧的上下节点进行UX,UY方向 耦合。 整车满载左前轮悬空的工况约束的自由度是:5,8,11节点约束 和弯曲工况约束的自由度相同,2节点不约束。 整车满载左后轮悬空的工况约束的自由度是:8,11节点约束和 弯曲工况约束的自由度相同,2节点全部自由度被约束,5节点的自由 度不约束。

Z Y X
车架前端

弹簧单元 刚性梁

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(九)施加载荷
作用在车身上的弯曲载荷是由车身的自重、车辆 总成和乘客的重量提供的,车身结构件的重量通过 加垂直方向的、大小为9.8 m / s 2 的加速度来模拟; 估计发动机和变速箱的质量为600千克,加满油后 的油箱的质量为150千克,二者作为集中载荷,施 加在相应的节点上; 其它载荷如转向机、离合器、电瓶、水箱、座椅、 乘客(19人)等质量总和估计为2000千克,均布 作用在底架上。
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客车骨架施加约束和载荷后,如下图所示: 客车骨架施加约束和载荷后,如下图所示:
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ELEMENTS U ROT F CP NFOR NMOM RFOR RMOM ACEL PRES-NORM 736 JUN 14 2007 22:42:48

K0 Z Y K0 X

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(十)求解的结果分析 十 求解的结果分析
后处理主要是将客车骨架有限元分析的结果以等值图的方式的显 示,并且进行刚度、强度等分析 。下图是弯曲工况下的竖直位移图:
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NODAL SOLUTION SUB =1 TIME=1 UZ (AVG) RSYS=0 DMX =.025075 SMN =-.024762 SMX =.797E-03 JUN 14 2007 22:47:35

MN Y Z X

K0 MX

10
-.024762 -.021922 -.019082 -.016242 -.013402 -.010562 -.007722 -.004882 -.002042 .797E-03

下图是在弯曲工况下的应力图:由结果我们可以看出,满载弯曲工况下, 下图是在弯曲工况下的应力图 : 由结果我们可以看出 , 满载弯曲工况下 , 客车骨架前围、侧围、后围和顶盖的大部分区域应力小于10MPa,应力比较大 客车骨架前围、侧围、后围和顶盖的大部分区域应力小于 应力比较大 的区域是发动机加载的横梁及周围的纵梁上,应力最大值是 左右。 的区域是发动机加载的横梁及周围的纵梁上,应力最大值是70MPa左右。 左右
1
NODAL SOLUTION SUB =1 TIME=1 SEQV (AVG) DMX =.025075 SMN =3144 SMX =.101E+09 JUN 14 2007 22:48:09

K0 Y Z X K0 MN K0 K0 MX

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3144 .113E+08 .225E+08 .338E+08 .450E+08 .563E+08 .675E+08 .788E+08 .900E+08 .101E+09

下图是左前轮悬空扭转工况下的竖直位移图:
1
NODAL SOLUTION SUB =1 TIME=1 UZ (AVG) RSYS=0 DMX =.193989 SMN =-.160756 SMX =.066432 JUN 14 2007 22:52:02

MX

Z Y X K0 MN K0 K0 K0

-.160756 -.135513

-.11027 -.085027

-.059784 -.03454

-.009297 .015946

.041189 .066432

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下图是左前轮悬空扭转工况下的应力图,客车骨架的很大部分应力小于 20MPa,在发动机加载的纵梁和横梁周围产生了较大的应力,约60MPa,在 右围的乘客门的竖直的梁上部分区域也产生了较大的应力,约50MPa,前围 的支撑挡风玻璃的横梁应力也有些大,但小于许用应力。
1
NODAL SOLUTION SUB =1 TIME=1 SEQV (AVG) DMX =.193989 SMN =3308 SMX =.240E+09 JUN 14 2007 22:52:51

K0 Z Y K0 MN K0 X MX K0 K0

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3308 .267E+08 .534E+08 .800E+08 .107E+09 .133E+09 .160E+09 .187E+09 .213E+09 .240E+09

下图是左后轮悬空扭转工况下的竖直位移图:

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下图是左后轮悬空扭转工况下的应力图,客车骨架的很大部分应力小于 25MPa,在发动机加载的纵梁和横梁周围产生了较大的应力,约100MPa,在 右围的乘客们的竖直的梁上部分区域也产生了较大的应力,约70MPa,前围 的支撑挡风玻璃的横梁应力也有些大,但小于许用应力。

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(十二)各工况分析总结 十二)
经过以上三种工况的分析,本车型在以上3种工况下 运行,强度是足够的。 应力比较大的区域是: 发动机加载的横梁和纵梁上 乘客门立柱的下半部分 前围风窗下矩管连接处

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第四章 客车骨架改进设计中的结构分析
(一)客车骨架改进方案 客车骨架改进方案
通过对上述弯曲,扭转工况的分析,我们可以看出客车骨架在三 种工况下,客车骨架的顶盖、后围的应力均低于25MPa,客车的底架 上出现应力不均的现象。因此,改进方案是:对客车骨架的顶盖的部 分矩管截面尺寸减小,去掉原来后围的两根立柱的角钢,对底架上的 横梁,在发动机加载处,多加两根横梁,同时去掉后半部两根对底架 应力不大的横梁,以试图增强客车骨架的强度,减少重量。

(二)客车骨架改进前后比较
通过在原有的模型的基础上修改模型 ,然后在改进后的模型上施 加约束和载荷,施加约束和载荷的方法和改进前的方法相同,然后用 ANSYS软件重新计算。由于三种工况下的位移和改进前相比,变化较 小,详见说明书,所以在此只对比三种工况下应力的变化情况:

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1)弯曲工况比较 弯曲工况比较
下图是客车骨架改进后弯曲工况下的应力图,我们可以看出,改进后, 下图是客车骨架改进后弯曲工况下的应力图 ,我们可以看出, 改进后 , 客车骨架的顶盖和后围的应力仍小于12MPa,原来应力比较的大的发动机加 客车骨架的顶盖和后围的应力仍小于 , 载点,应力集中的区域减少了许多,此处最大应力约50MPa。而在底架的后 载点,应力集中的区域减少了许多,此处最大应力约 。 半部去掉两根横梁,应力增大到20MPa,应力小于许用应力,满足安全要求。 半部去掉两根横梁,应力增大到 ,应力小于许用应力,满足安全要求。
1
NODAL SOLUTION SUB =1 TIME=1 SEQV (AVG) DMX =.023708 SMN =2797 SMX =.107E+09 JUN 14 2007 23:09:12

Z Y X
MX MN

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2797 .119E+08 .238E+08 .357E+08 .476E+08 .595E+08 .714E+08 .832E+08 .951E+08 .107E+09

2)左前轮悬空工况比较 左前轮悬空工况比较
我们可以看出,改进后,客车骨架的顶盖和后围的应力仍小于27MPa, 我们可以看出 ,改进后, 客车骨架的顶盖和后围的应力仍小于 , 原来应力比较的大的发动机加载点,应力集中的区域减少了许多, 原来应力比较的大的发动机加载点,应力集中的区域减少了许多,此处最大 应力约90MPa。而在底架的后半部去掉两根横梁,应力增大到 应力约 。而在底架的后半部去掉两根横梁,应力增大到60MPa,小于 , 许用应力,满足安全要求。 许用应力,满足安全要求。
1
NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =1 TIME=1 SEQV (AVG) DMX =.19745 SMN =3308 SMX =.241E+09 JUN 14 2007 23:12:18

K0 Z Y MN X MX K0 K0

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3308 .267E+08 .535E+08 .802E+08 .107E+09 .134E+09 .160E+09 .187E+09 .214E+09 .241E+09

3)左后轮悬空工况比较 左后轮悬空工况比较
我们可以看出,改进后,客车骨架的顶盖和后围的应力仍小于28MPa, 我们可以看出 ,改进后, 客车骨架的顶盖和后围的应力仍小于 , 原来应力比较的大的发动机加载点,应力集中的区域减少了许多, 原来应力比较的大的发动机加载点,应力集中的区域减少了许多,此处最大 应力约80MPa。而在底架的后半部去掉两根横梁,应力约为 MPa,应力小 应力约 。而在底架的后半部去掉两根横梁,应力约为20 , 于许用应力,满足安全要求。 于许用应力,满足安全要求。
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NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =1 TIME=1 SEQV (AVG) DMX =.176929 SMN =3308 SMX =.252E+09 JUN 14 2007 23:15:09

Z Y K0 MN X MX

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3308 .280E+08 .559E+08 .839E+08 .112E+09 .140E+09 .168E+09 .196E+09 .224E+09 .252E+09

结 论
经过改进后,客车骨架的重量由原来的501.2 千克减小为497.7千克,骨架的重量得到了减轻。并 且在比较薄弱的地方加上两根横梁,应力减少,达 到了本次设计的目的。

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致 谢
最后,我要感谢巢老师给予的耐心、细致的指 导;感谢大学四年来所有的老师,为我们打下汽车 专业知识的基础;感谢交通与汽车工程学院的研究 生—李永生,能够对我无私的帮助;同时也要感谢 在毕业设计中和我一起探讨、解决问题的同学。

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