畢業(yè)論文：某客車車身結(jié)構(gòu)強度與剛度分析

畢業(yè)論文：某客車車身結(jié)構(gòu)強度與剛度分析
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摘要

客車車身結(jié)構(gòu)強度越來越受到人們的關(guān)注，為此國際上先后頒布了多項有關(guān)客車結(jié)構(gòu)的安全性法規(guī)，并嚴格按照法規(guī)要求對客車產(chǎn)品進行強制安全認證。本文針對國產(chǎn)某大型客車的車身結(jié)構(gòu)，使用大型有限元分析程序Hyperworks進行強度分析。在此基礎上，對客車骨架的結(jié)構(gòu)進行計算分析，并與材料的強度進行比較，分析客車能否正常行駛，為進一步設計提供依據(jù)。
本論文主要包括以下幾方面內(nèi)容:
（1）建模。根據(jù)實體模型建立良好的有限元模型。
(2) 靜態(tài)分析。按照要求，對某大型客車進行十種典型工況下的結(jié)構(gòu)分析，校核了該車車身結(jié)構(gòu)的強度。經(jīng)過計算該客車能在這十種工況下正常行駛。
關(guān)鍵詞:客車 車身結(jié)構(gòu) 強度
修改意見：
1、 每種工況結(jié)果分析時，說明最大應力作用位置
2、其它見批注

Abstract

The strength of the bus body structure for safety is paid more and more attention. Thus, the international community has promulgated a number of regulations concerning the safety for the bus structure.In strict accordance with the regulatory requirements for mandatory safety, certification of bus products is enforced. China will also refer to the bus body structure strength standards with international standards of ECER66 formulation and as a basis to carry out the certification of product safety. The newly developed passenger cars must meet safety standards.
This paper
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院汽車工程系校企合作中車身設計與優(yōu)化項目的子課題。
客車側(cè)翻是客車道路交通事故的頭號殺手，我國已針對客車的上部結(jié)構(gòu)強度制定相關(guān)法規(guī)，仿真分析是節(jié)省試驗成本和縮短開發(fā)周期的最佳手段。本課題主要對某客車進行強度分析，并在此基礎上優(yōu)化該客車的車身結(jié)構(gòu)。具體內(nèi)容如下：
 利用HyperWorks軟件建立某客車車身的有限元模型。
 應用Optistruet進行該客車的強度分析。

1.2 研究目的與意義

近年來，由于道路車輛的不斷增加和交通及旅游業(yè)的飛速發(fā)展，我國成為交通事故發(fā)生頻率最高的國家之一，交通事故中死傷人數(shù)不斷上升。據(jù)統(tǒng)計，1995一1997年，平均每年死亡7萬人以上，期間所發(fā)生的44起特大事故(一次死亡20人以上)中客車占40起[l’]。2001年死傷人數(shù)突破10萬。2006年全國公安交通管理部門共受理道路交通事故案件37.878萬起，事故共造成8.9455萬人死亡，直接經(jīng)濟損失14.9億元，期間所發(fā)生的38起特大事故(死亡人數(shù)10人以上)中客車事故占多數(shù)。
在對以往中國道路交通事故中不同事故形態(tài)死亡人數(shù)的比例分析中可以看出，翻車事故造成的傷亡比例占有相當大的比重，傷亡慘重、影響極大。同眾多汽車工業(yè)發(fā)達國家相比，我國道路交通設施落后、車輛本身安全性差是導致道路交通事故頻繁發(fā)生的主要原因。因此，加強公路客車的安全性，預防重大翻車事故中對乘員的傷害，是綜合治理公路交通安全的重要措施之一。我國現(xiàn)在的客車生產(chǎn)企業(yè)由于沒有足夠的試驗條件對整車進行分析，致使大客車的翻滾碰撞性能都不能達到一定的安全要求。
車身結(jié)構(gòu)強度不僅是保證車身使用壽命和使用可靠性的基本條件，而且影響乘客的乘坐舒適性和安全性。如果車身強度不足，將使車身變形增大。發(fā)生翻車事故時，客車骨架作為主要承載件將承受來自地面等的大部分載荷，能否給司乘人員提供必要的逃生空間是一個很重要的因素。從大量事故資料來看，客車在發(fā)生事故后，很多乘員的傷亡都是因為車身骨架嚴重變形或者斷裂，使乘員遭受“二次碰撞”造成的。
因此，對車身骨架部分的強度、剛度以及側(cè)翻碰撞性能進行分析研究具有十分重要的意義。
由于我國的汽車工業(yè)存在自己的特殊性：一是引進國外設計，國產(chǎn)化生產(chǎn)：二是仿制或改裝設計，自己獨立開發(fā)設計的新產(chǎn)品很少。國內(nèi)許多廠家在大客車的設計、制造和改進過程中仍主要依靠和沿用傳統(tǒng)的手工設計方法和設計理念，從而造成產(chǎn)品存在缺陷或結(jié)構(gòu)設計的不合理，目前國產(chǎn)客車普遍存在的問題是整車協(xié)調(diào)性較差：局部材料強度余量較大，無法預先判斷，造成材料的浪費：在車輛實際使用過程中出現(xiàn)局部強度不足。所以，產(chǎn)品國產(chǎn)化或改裝后，在使用過程中往往會出現(xiàn)強度、壽命、振動、噪聲等方面的問題。這些問題影響了我國客車產(chǎn)品質(zhì)量，造成了使用中的安全隱患。由于缺乏必要的理論分析，我國客車制造廠家對有問題的區(qū)域往往采取局部加強的方法，這不但需要進行多次全面的實車試驗才能確定其有效性，而且會導致整車整備質(zhì)量的不斷增加：另外，對一些結(jié)構(gòu)上的改進和優(yōu)化，由于缺少一定的理論依據(jù)，往往得不到很好的實施因此開展客車車身結(jié)構(gòu)強度的計算工作，在滿足結(jié)構(gòu)強度和剛度的前提下，合理地進行結(jié)構(gòu)設計，以達到輕量化的目的、對車身結(jié)構(gòu)設計具有重要意義。此外，為了加速企業(yè)的新產(chǎn)品開發(fā)，進一步提高產(chǎn)品的性能和科技含量，必須對現(xiàn)有的車型進行結(jié)構(gòu)強度、剛度分析計算和動態(tài)特性分析研究工作，為新車型的研制開發(fā)提供借鑒和校核方法隨著經(jīng)濟全球化進程的加快，汽車工業(yè)的競爭盡益加劇，汽車巨頭們都在加緊新車型的設計開發(fā)，由于發(fā)動機、底盤設計制造技術(shù)基本成熟，新車型便主要體現(xiàn)在電子設備和車身造型的更新上。同時，為減少新車型的開發(fā)成本、縮短新車型的開發(fā)周期、提高新產(chǎn)品的市場競爭力，全球各大汽車公司普遍實施了“平臺戰(zhàn)略”，車身的開發(fā)便是該戰(zhàn)略的主要組成部分。我國的客車工業(yè)同發(fā)達圖家相比仍很落后，歸根結(jié)底就是因為車身技術(shù)的落后。因此，隨著有限元技術(shù)的成熟和高速計算規(guī)的出現(xiàn)，汽車結(jié)構(gòu)中絕大部分部件甚至整車有限元靜、動態(tài)分析和固有特性分析等都可應用這些通用程序或?qū)Ｓ贸绦騺矸治鲇嬎�，利用有限元法進行汽車結(jié)構(gòu)的靜、動態(tài)特性分析已經(jīng)成為一種趨勢。
經(jīng)過對傳統(tǒng)設計法等等不合理的分析，研究人員把有限元技術(shù)應用到了汽車領域新產(chǎn)品的開發(fā)，從此，有限元技術(shù)也成為了現(xiàn)代汽車產(chǎn)商應對汽車行業(yè)競爭日益激烈的重要手段之一。
本課題以某客車的虛擬車身骨架為研究對象，對其結(jié)構(gòu)在10種不同工況下利用Hyperworks進行靜態(tài)和動態(tài)有限元分析計算，定性地分析該車身結(jié)構(gòu)的剛度，驗證車身骨架設計。

1.3 客車車身結(jié)構(gòu)設計現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

大客車車身大多是有薄壁構(gòu)件焊接而成。從結(jié)構(gòu)力學來看，大客車車身是由空間骨架、抗彎薄板、殼體和應力蒙皮等構(gòu)件組成的空間高次超靜定結(jié)構(gòu)D1。由于結(jié)構(gòu)需要，各桿件結(jié)構(gòu)界面尺寸和厚度各異，而且桿件之間的連接方式也是各種各樣的。因此，車身骨架的受力情況也比較復雜，結(jié)構(gòu)分析的難度較大，用經(jīng)典的力學不可能得到精確解。
現(xiàn)代車身結(jié)構(gòu)設計方法有以下幾個明顯的特點：
(1)設計與分析平行。從一開始以滿足一定性能要求為目標的機構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)設計，到具體設計方案的比較及確定、設計方案的模擬試驗，車身結(jié)構(gòu)設計的各個階段均有結(jié)構(gòu)分析的參與。車身結(jié)構(gòu)分析貫穿了整個設計過程，這樣確定的車身結(jié)構(gòu)設計方案，基本上就是定型方案，由此方案設計出的樣車只需一定的驗證使用即可定型，大大縮短了車身開發(fā)及研制的周期。
(2)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的思想被應用在設計的各個階段。輕量化要求和舒適性安全性要求的不斷提高，使車身設計的難度越來越大。為了滿足這些要求，必須在設計的開始階段就引入優(yōu)化設計的思想，并將其貫穿整個設計階段。
(3)大量的虛擬試驗代替實物試驗。虛擬試驗不僅可以在沒有實物的條件下進行，而且實施迅速、信息量大。利用虛擬試驗，一方面可以在多個設計方案中選擇最優(yōu)，減少設計的盲目性，另～方面可以及早發(fā)現(xiàn)設計中的問題，從而進一步減少設計成本，縮短設計周期。
我國大中型客車的生產(chǎn)開發(fā)經(jīng)歷了修造、仿制、改裝、CKD組裝、技術(shù)引進以及自主開發(fā)等階段。但總體上來說，只有少數(shù)幾個廠家具備較強的自主開發(fā)能力，大中型客車整體自主開發(fā)能力仍然較低，與國際先進水平還存在較大的差距。我國大中型客車的安全性、經(jīng)濟性、動力性、穩(wěn)定性、排放以及噪聲等指標仍有很大差距，如客車專用底盤的技術(shù)水平大部分只達到了國外上世紀80年代末水平17J，只有個別企業(yè)引進產(chǎn)品的技術(shù)水平接近國外先進水平。
隨著計算機軟硬件的發(fā)展，國內(nèi)對客車車身進行的分析已經(jīng)從過去僅限于強度和剛度的靜態(tài)分析，開始向動態(tài)分析上轉(zhuǎn)變。目前，國內(nèi)利用各種有限元分析軟件在對車身骨架進行結(jié)構(gòu)分析方面已經(jīng)取得了不少成果，但成果主要集中在靜態(tài)分析上，動態(tài)分析較少，與國外的車身結(jié)構(gòu)分析相比明顯存在著許多不足。這些差距主要表現(xiàn)在：
(1)車身結(jié)構(gòu)開發(fā)工作主要還是依賴經(jīng)驗和解剖進口結(jié)構(gòu)進行參照性設計，多用來解決樣車試驗以后出現(xiàn)的設計問題，設計與分析未能真正做到并行。
(2)由于軟硬件對計算模型規(guī)模的限制，模型的細化程度不夠，因而結(jié)構(gòu)的剛度、強度分析的結(jié)果還比較粗略。計算結(jié)果多用來進行結(jié)構(gòu)的方案比較，離虛擬試驗的要求還有相當大的差距。
(3)有限元分析主要應用在結(jié)構(gòu)的強度和剛度分析方面，在碰撞、振動、噪聲、外流方面的模擬計算才剛剛起步，對車身結(jié)構(gòu)或部件的各項性能指標進行系統(tǒng)分析及優(yōu)化的實例還未見到。
目前，車身骨架有限元分析模型建立的方法主要有兩種：一是將車身骨架簡化為由梁單元組成的框架結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點是模型處理速度快，缺點是計算結(jié)果比較粗略，不能較細的反映出某些復雜結(jié)構(gòu)處的真實情況；另外一種方法是將車身簡化為殼單元，其優(yōu)點是能相對真實的反映處連接部的情況，缺點是前處理時間工作量大，計算時間長。因此，對于如何合理的建立有效的模型還有待于進一步研究。


2 有限元法簡介

2.1 有限元方法與優(yōu)化理論

2.1.1 有限元法概述及其發(fā)展和現(xiàn)狀
有限元法是隨著計算機的出現(xiàn)而發(fā)展起來的一種新興的數(shù)值計算方法，它能對工程實際中幾何形狀不規(guī)則、載荷和支承情況復雜的各種結(jié)構(gòu)及零部件進行變形計算和應力分析，而車身、車架不論是形狀，還是載荷都相當復雜，所以有限元法是計算車身、車架的一種有效而實用的工具。
有限元是一種工程很有用的方法，它的主題是把連續(xù)的結(jié)構(gòu)分成很多個單
元，即利用單元分析的結(jié)果來得出結(jié)構(gòu)的整體性能，此方法的力學基礎是彈性
力學。隨著計算機的出現(xiàn)和快速發(fā)，有限元法的應用越來越廣�，F(xiàn)在通常所說
的有限元方法都是在計算機中來實現(xiàn)的，特別在最近20年，計算機模擬技術(shù)的
日益成熟，使得有限元法也在不斷變化，不斷發(fā)展。
在21世紀的今天，我國在利用有限元方法上也涉及到很多領域，比如汽車工業(yè)、國防工業(yè)、機械工業(yè)和航空航天工業(yè)等。
就有限元 ……（未完，全文共26505字，當前僅顯示4767字，請閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文：某客車車身結(jié)構(gòu)強度與剛度分析》）