汽车工业论

　　自21世纪以来，我国客车经历了四十多年的发展，经过了“以货车改造客车”和“以货车底盘改装客车”的初级阶段后，现在已经成为汽车产业中的一个独立的工业及产品体系。伴随着汽车工业的不断发展，汽车设计技术正在不断地更新，从最初的经验设计发展到以科学实验和技术分析为基础的设计阶段。伴随着计算机技术的不断进步，慢慢形成了新的计算机辅助设计与工程分析技术(CAD/CAE)，它们与有限元法相结合应用在汽车设计方面，已成为今后汽车工业发展的必然趋势。有限元法起源于上世纪四十年代初期，因当时的条件有限，没有引起重视。随着计算机技术的发展，有限元这门特别依赖数值技术的学科也得到了快速发展，目前已经广泛应用于包括汽车工业在内的各个工程领域。XANSYS公司开发的大型通用有限元分析软件——ANSYS，由于其功能强大而被广泛采用，在以往用于车架、车体以至整车结构分析的实例屡见不鲜。

　　客车底盘车架将各总成零部件结合为一体，是汽车各个系统的承载基体，承受着车内外的各种载荷。底盘车架静态和动态性能的好坏不但影响到乘员的舒适性、整车的振动特性，还直接影响到汽车的行驶安全性(车架的损坏往往会引起重大事故)。车架所承受的载荷可以分为静载荷和动载荷两类。静载荷是车辆在静止时所承受的载荷，主要是静弯曲应力，它是由安装在底盘车架上的发动机、离合器、变速器等总成以及其他零部件的重量、乘客及其行李重量、底盘车架自重等引起的。动载荷指的是客车在行驶的过程中底盘车架承受的载荷，主要包括：动弯曲应力（通常该应力是静弯曲压力的三至四倍）和扭转力（当车辆在崎岖路面上行驶时，如果左右车轮不在同一平面内，车架就会受扭转力）。

　　本文的研究对象是某电动客车底盘车架，根据给定的客车相关参数，利用CATIA软件建立底盘车架的三维实体模型，然后应用有限元分析软件ANSYS对底盘车架进行静态分析。利用计算机在计算速度方面的优势，可以快速的模拟底盘车架在不同工况下的响应。最后，通过分析工作的总结，客观地了解底盘车架结构，得出相应的结论，在客车车身结构中有着重要的指导意义，具有一定的参考价值。

　　汽车工业伴随着国民经济发展和交通运输体系的全面建立得到了飞速发展。在客车制造行业中，车身、车架、转向系统、悬架、覆盖件、车轮等各零件总成和乘客室结构，有限元法广泛应用于静态分析，客车的设计水平通过有限元法被极大地提高，同时有限元法也成为了设计和分析的强大的工具之一。如今，客车底盘车架设计，主要用传统方法来简化计算和有限元分析。但是存在的两个突出问题主要是框架的设计模式：第一，为了简化计算精度而无法保证强度和刚度要求，引起框架的设计不是很安全，安全要求的前提下会导致过多的框架结构设计，增加设计成本；第二，传统方法容易导致底盘车架设计和计算的不同步，很难达到提高员工的技术目标的质量和设计。为了提高设计水平架构，来确保在市场竞争中，客车设计分析必须是有限元技术在战略上的高度。

　　二十世纪七十年代，NASTRAN结构分析程序被引进到X宇航局汽车行业，标志着基于对客车设计的革命验证了分析的开始。但现在因为有限元分析的精度高，因此已经被广泛使用，尤其是在结构刚度、强度分析和结构优化分析的线性范围内的机械材料应力－应变结构分析。

　　底盘车架作为整个客车的核心总成，主要承载着发动机、变速器、蓄电池、乘员、货物等的重量，整车能否正常运行以及驾驶员和乘客的安危主要取决于底盘车架设计的可靠性，因此底盘车架的设计不但要有足够的弯曲刚度来抵抗客车行驶中底盘车架的变形，而且还要有一定的强度来防止底盘车架在使用过程中发生疲劳损坏。同时还需考虑节约材料和提高客车的动力性，在满足强度和刚度要求下应该尽可能减小底盘车架质量，这也有利于增加客车的经济效益。显然，单凭设计人员经验，很难满足车架设计的诸多要求，而有限单元法在节点配置、网格划分、边界条件施加等方面灵活自如，能够模拟任意复杂的几何结构形状，处理不同的连接关系，更有一些国外开发的通用有限元程序可供使用。因此，为适应现代客车底盘车架设计要求，运用有限元技术作为指导就显得尤为必要。本论文正是基于这样的背景，对某小企业初步设计的某客车的底盘车架运用有限元法展开研究，探讨其力学特性。

　　现代大多数客车的底盘车架，它支承连接客车的各零部件，并且承受来自车内外的各种载荷。底盘车架是整个客车的基础，客车上的大多数部件和总成都是由底盘车架来固定其位置的。底盘车架的结构形式首先应该满足客车总布置的要求。当客车处于复杂的行驶过程时，固定在底盘车架上部件和各总成之间不应该发生干涉；当客车处于崎岖不平的道路上行驶时，底盘车架在各种载荷作用下有可能发生扭转变形以及在纵向平面内的弯曲变形，当一边车轮遇到障碍时，还可能使得整个底盘车架变形。因此，底盘车架还应该具有一定的强度和刚度，同时其质量应尽可能的小，底盘车架应布置地离地面近些等。所以，如何判断底盘车架结构的合理性及静动态特性的优劣，是一项十分重要的工作。

　　客车底盘车架的结构复杂，精确解不可能用传统力学来解释。尤其是在设计的初期，因为无法获得实测数据，所以只能依靠经验和类比设计，因此缺乏一定的力学分析基础的科学依据。客车底盘车架的设计与制造是研发新车型最重要的环节。因为受许多条件的限制，如今我国基本上还用传统的手工设计方法和连接式的设计与制造过程。在客车结构的设计中，设计者的主要任务是确定零部件的强度和刚度，因为客车是复杂的空间结构，底盘车架又是客车中结构和受力情况都十分复杂的部件，而且不少厂家都是凭经验或类比进行设计，通常导致结构强度不足或强度过剩。强度不足会发生早期失效，甚至酿成事故；强度过剩，又带来结构的粗笨和材料的浪费。所以，一个合理的设计应该是不正常的恶劣运行条件下只会偶尔出现故障，在正常条件下则不会发生严重失效。

　　国内外关于底盘车架的研究实现了全方位的综合发展。底盘车架的设计是一项严谨的工作，不但需要设计人员不断探索底盘车架在整车设计工作过程中的具体状况，寻求更加符合实际工作状况的设计方法，而且需要工程技术部门不断积累设计经验，形成自己准确的设计程序。底盘车架的设计工作经常围绕几个方面开展底盘车架的静、动态设计计算车架性能的实验来验证车架及整车的成本预算底盘车架对整车性能预测与实验仿真。随着计算机技术的发展，有限元分析在车架结构设计中得到了广泛应用，采用有限元法对底盘车架进行静态强度分析，设计出满足强度和刚度的车架。

　　因此，本课题的目的主要有：进行客车底盘车架结构有限元分析，规范分析步骤，使分析简单易行，为有限元技术在底盘车架上的应用做好基础工作；通过运用有限元方法对客车车身进行解析计算，为有关技术人员提供参考；对客车车身进行结构静力、动力学特性分析，为车身的设计分析提供一定的理论支持。意义主要有：使用有限元法对将要设计的客车车身进行设计分析将提升车架的研发、设计、分析和制造的效率和车架的性能；有限元法能有效地解决以往的车身设计办法很难全面考虑设计分析的车架复杂工况下的各种难题；在电能储存遇到瓶颈的今天，降低车架重量，减少电能和燃油的消耗，为客车提高经济效益；为客车进一步的设计提供更灵活的思路；验证客车底盘车架的结构可靠性与客车行驶时的安全系数；用有限元法进行分析设计，可以缩短开发周期，提高精度。

　　有限元法是在计算机出现时发展的一种新兴的数值计算方法，其对实际工程中的几何形状不规则、载荷支撑情况复杂的许多结构及零部件进行变形计算和应力分析，而车身、底盘车架不论形状，还是载荷都十分复杂，因此有限元法是计算车身、底盘车架的一种实用的工具。

　　多年来，有限元法的应用范围已经从杆、梁类结构分析扩大到了对弹性力学平面问题、空间问题以及板壳问题的分析，由静态问题的分析扩展到动态问题的分析。可见，有限元法己经获得了前所未有的发展，因为有限元法有着十分重要的优越性，使得有限元法在汽车、飞机、船舶和拖拉机等设计中都得到了广泛的应用。

　　客车底盘车架设计从此有了先进的设计手段。通过有限元法的计算，找到了设计中存在的问题，为以后的底盘车架设计提供了重要的理论依据。底盘车架结构和载荷的复杂性，有限元分析软件与优化设计相结合，将会获得良好的效果，这也是我们今后底盘车架设计的方向。

　　由于计算机技术的出现和快速发展，底盘车架是一个复杂结构，有限元分析计算于其已广为应用。早期的底盘车架强度计算是将车架简化为梁，只做车架弯曲状态下的强度校核。伴随有限元的发展和推广，国内汽车行业将有限元法应用于汽车底盘车架的静、动态计算，但是采用梁单元模拟车架，建立底盘车架强度分析的有限元模型，对一些低合金钢板冲压成型等型材制作的车架，这种方法存在一些不足之处。

　　近些年来，国际上的汽车结构设计趋向于采用等强度、等刚度以及等寿命的设计原则，并且能准确预测车身零部件的寿命，精确而有效的预测零部件的动态应力历程。汽车结构在实际工况下承载复杂的随机激励载荷，车架局部开裂情况时有发生。

　　早在40年代，有限单元的基本思想——离散化概念就已提出来了，但因为当时的条件，计算机刚刚问世，性能要求达不到，离散化没引起重视。直到50年代，英国航空教授Argyris等人运用网格思想顺利地进行了结构分析。同时，X教授R.W.Clough运用三角形对飞机结构进行了计算，并且于1960年首次提出了“有限单元法”这名称；60年代中后期，国外一些数学家开始介入对有限元的研究，使得有限元有了数学基础。1965年，O.C.Zienkienkiewics和Y.K.Ceun通过研究声称，有限元适用于所有能按变分形式进行计算的场问题，使有限元获得了一个更为广泛的解释，有限元法的运用也推广到更广阔的范围；X学者M.M.凯墨本、J.A沃尔夫也曾从理论和实验上对汽车车架进行了强度和刚度的分析，但并没有进行优化设计；1995年，德国保时捷公司的X分公司完成了ULSAB（钢车身轻量化设计）项目，使轿车车身的总质量由271kg降至205kg；吉林工业大学的黄金陵曾在对影响车架结构强度和刚度的因素进行了理论分析的基础上，运用惩罚函数法找到了汽车底盘车架的梁截面参数的最优值，但是影响汽车底盘车架结构强度和刚度的因素太多，而且底盘车架结构和载荷都复杂，很难形成较好的数学模型，所以该文作者并未对车架进行全面分析，也就影响结果的可靠性；1998年清华大学的陆秋海等人已通过证明动应力过大是造成车架开裂的主要原因，因此应力随车速提高而增大；2001年，南京理工大学的张铁山、胡建立等应用大型软件Ideals对N.J1030轻型车车架进行有限元建模，并对车架进行了动态分析，同时进行了车架的疲劳试验，并对实验结果和计算结果进行了比较，得到了车架应力、变形规律和动力特性；2005年，上海理工大学的褚超美、邱述刚、陈传颖通过对常见开口截面车架在典型工况时扭转应力的分析，推导出扭转应力计算公式，进而得出了开口截面车架的一些应力分布规律，提出改善车架扭转应力分布的具体措施，对汽车车架设计方案的拟定和车架应力分析具有指导意义；2006年，哈尔滨工业大学的张进国、陈晓辉等利用ANSYS软件对汽车车架结构进行了有限元分析，对车架载荷作用下的应力和应变进行了计算；2006年，沈阳理工大学应用技术学院的李湘宁、余传文等采用ANSYS建立了汽车车架的参数化有限元，给出了生成分析文件、定义优化变量以及设置和优化的具体步骤，通过仿真技术，对纵梁截面尺寸进行了优化设计，使车架总体积降低了9％；2007年，南京农业大学的王晖云、吕宝占等利用Pro/E软件进行边梁式车架零件的CAD建模。应用ANSYS有限元分析软件对车架进行模态分析，计算出了车架自由状态下的固有频率及振型特性对整车性能的影响。在ANSYS中用耦合来模拟车架纵、横梁以及连接板之间的铆接；2007年，广州本田汽车有限公司的杜海珍、荣见华采用有限元分析和结构拓扑优化设计相结合的方法，建立数学模型，并在此基础上，基于弯曲板的应力灵敏度分析和性能指标，建立了应力约束下车架的拓扑优化准则。

　　目前，国内外对客车结构研究主要是在对客车和轿车车身的强度和刚度方面。一般主要目标是重量最轻、通过计算弯曲和扭转两种典型进行静强度和静刚度的优化。

　　本论文研究对象是某一大型客车底盘车架，表1.1给出了该客车的主要参数。运用CATIA软件建立底盘车架模型，用有限元软件ANSYS对车架的各种工况进行整体分析，得到它的应力分布，根据各部分的受力状态进行分析研究，指出车架结构的合理性与不足之处，为设计生产提供依据。

　　主要从以下方面入手：

　　1.以GB13094－2007为主，熟悉相关的国家法规条例；

　　2.查阅相关资料，熟悉客车底盘车架中的各种结构布置，熟悉各种底盘车架布置的运用条件和场合，熟悉底盘车架的加工工艺；

　　3.查阅国内外客车发展和研究的相关资料，归纳总结国内外车架有限元技术的研究现状；

　　4.研究有限元法基本理论，以及静态力学分析、模态分析的理论基础；

　　5.利用CATIA软件建立底盘车架三维实体模型，用ANSYS软件建立有限元模型；

　　6.对底盘车架结构进行有限元分析；

　　7.几种工况下对车架进行静态分析，根据实际车架受力情况对底盘车架进行加载；

　　8.根据以上分析，得出相应的结果，并对客车底盘车架结构提出改进意见，以利于今后产品的进一步开发和完善。

　　本章从本课题的选题背景、研究目的和意义及国内外研究现状等方面说明了研究领域的工程实践意义和发展前景。并且简要介绍了本文的研究内容。随着有限元理论和有限元方法发展，加之不断完善的有限元软件，现代CAE技术在现代客车设计中的日新月异，正发挥着不可替代的作用。

　　汽车发展至今，大多数都以底盘车架作为整车基础，底盘车架是支撑大多数汽车的主要部件。汽车都是通过车架来固定其大部分部件和总成（如引擎、传动、气泵、水箱、车桥、驾驶舱、转向、车箱和相关控制机构）的位置的。车身的主要功能是支承在机器结构的各部分的连接，车身同时也要承受于各种物体的内部和外部的力。首先应以汽车总布置的要求来设计客车车架的结构行驶。客车在相对平坦的道路上行驶时，要保证车身上各总成和零件之间位置相对不变且不发生干涉。而当汽车在条件较差的路面上行驶时，底盘车架在各种内外载荷作用下易产生扭转形变和弯曲变形。这些工况下车身上的各部件之间的相互位置会发生变动，都影响各零部件的正常工作。所以足够的强度和适当的刚度对车架来说必不可少，还要求车架的质量尽可能小以追求汽车的轻量化。再者，为了提高汽车的行驶稳定性，减低整车的质心位置，必须使车架的位置相对较低，这点对轿车和客车来说比较重要。

　　近年来，车架和非承载式车身（图2.1）的结构形式出现了各式各样复杂多变的形式，尤其是轿车车架的变化更是多种多样。目前，按车架纵梁，横梁的结构特征，客车底盘车架的结构样式主要有三种：直通大梁式（图2.2）、三段式（图2.3）和全桁架式（图2.4），分别与车身构成非承载式、半承载式和全承载式结构。根据其不同的工艺特点和用途，车架与车身一般采用弹性或刚性连接。现在国内外大都采用刚性连接，以便使车架与车身共同承载，受力趋于合理化，进而提高车辆的可靠性和安全性。

　　(一)直通大梁式底盘车架

　　此结构是传统的结构型式，采用矩型或槽形截面纵梁，有些车型还有加强副纵梁。根据不同的需求，纵梁的设计可前后贯通，也可以前、中和后搭接成不同高度或不同宽度的结构，有些车型受到后桥和地板高度要求的限制而在该处设计成结构复杂的“Ω”型。横梁结构通常用“I”型或双槽背对形成的“I”型，偶尔也采用“O”型。根据布置和总成的安装要求，同一底盘车架可以同时采用多种型式的组合和不同的横梁翼面，底盘车架总成可以设计成前后等宽或不等宽结构。

　　直通大梁式底盘车架结构简单、工艺性能好，但是存在质量大、布置困难、受力不均和损坏后难修复等缺点，适用于城市公交和普通短途客运的车辆。

　　(二)三段式底盘车架

　　该结构前、后段为槽形大梁，中段为桁架结构。根据不同的车型和承载情况，用不同规格异型钢管焊接成箱形框架结构，通过焊接（或焊接和铆接）同前后大梁连接在一起。对钢板弹簧悬架，中间桁架一般不超过悬架安装区域；但是对于空气弹簧悬架，为了增加行李箱容积，某些底盘的中间桁架超过悬架安装区，只有发动机区域和操纵区域用较短的槽形大梁。

　　此结构在国内外被普遍用于旅游车、长途高速大客车，国内的豪华大客车基本都采用这种结构型式。该结构容易设计制造，增大了行李箱的容积，但前后纵梁与桁架的连接—复杂，工艺性要求高。

　　(三)全桁架式底盘车架

　　此结构是现代大客车用车架的发展趋势，是由底架和骨架共同组成的承载结构，都是用异型钢管焊接而成。用有限元法设计，可以使其受力分布均匀合理、结构安全可靠。该型式车架已被部分豪华旅游客车采用，其优点为：

　　①质量轻，能够合理承受所有的载荷；

　　②尺寸结构灵活，方便布置各总成和零部件，并能够最大限度地增大行李箱的容积；

　　③局部损坏后维修方便，可灵活替换损坏区；

　　④能满足对底盘车架的特殊要求，但是零件多，技术工艺要求严格，生产成本高，而且焊缝多，降低了允许应力。

　　3.1.1有限元基本思想

　　有限元法基本思想是把一个实际的结构弹性连续体划分为有限大小的，研究有限数目的单元组合体。这些单元只在节点处连接，单元之间的载荷也只在节点传递。这种过程称为有限元的离散化，或者叫单元划分。有限数目的单元简称单元。

　　利用离散而成的有限元集合体替代原来的弹性连续体，建立近似的力学模型，对此模型进行数值计算，通过分别对这些单元进行分析，建立其位移与内力之间的关系，以变分原理为工具，把微分方程化为代数方程，再把单元组装成结构，形成整体结构的刚度方程：

　　KU=Q

　　式中：K——结构的整体刚度矩阵；

　　U——节点位移列阵；

　　Q——节点载荷列阵元。

　　离散后的单元节点的设置、性质和数目应该根据问题的性质、描述变形形态的需要和计算精度而定。通常情况下，单元划分越细，则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但是计算量也越大，所以有限元法中分析的结构已经不是原有的物体或结构物，而是同样材料的由众多单元以一定方式连结成的离散物体。这样做的结果造成用有限元分析计算所获得的结果只能够是近似的。如果划分单元数目多而合理，则所得到的结果就与实际情况相符合。

　　在分析的过程中首先从单元分析入手，确定单元内的位移、应力、应变模式，并且确定单元节点力与单元节点位移的关系，建立单元刚度矩阵。根据离散化结构的连接方式，组集各个单元刚度矩阵，得到反映整体结构位移与载荷关系的总体刚度方程。再求解该刚度方程得出各个单元的位移，然后利用单元分析得到的关系可求出单元应力及应变。由此可见，有限元分析的主要内容是：单元离散化、单元分析、整体分析。

　　客车行业在发展的过程中出现了很多的技术问题，由于其具有一些复杂形状的非线性特性或结构，造成难解决的现象。其解决途径有两种：一是引入化简的传统方法假定代数方程和边界条件来解决问题，但是许多简化可能会导致更大的偏差，其可能是完全错误的解决方案；二是利用现代代数学、力学的基本理论，通过现代科学和现代计算机技术产品的现代方法获得的数值分析技术，来解决项目要求的数值求解技术。

　　如今，在工程领域有很多常用的数值解析方法，例如：边界元法、离散单元法、有限元法和有限差分法。其中，有限单元法应用最广泛。20世纪五十年代，出现了大型计算工具，使得有限元方法在计算数学、力学和工程科学领域正快速成为计算的最为有效的方法。经历50多年的发展，不但使各种有限元法非常不同，其理论基础也是很完美。尽管汽车机械构造十分复杂，然而，在结构静力学能用有限元法完整地对车身、车架同时进行分析，同时也对结构动力学的分析。目前在各大汽车公司内，有限元法已成为汽车设计计算的重要工具之一。

　　在客车研发的过程中，计算机辅助工程分析（CAE）是最重要的手段，其是实现客车从设计概念到产品验证的十分有效的工具。现代计算机技术和有限元理论的不断发展，给客车的结构分析提供了有力的工具。计算机计算速度的提高，极大缩短了计算分析周期，加上有限元软件功能的完善又促进了有限元分析在客车领域的发展。

　　客车现代有限元分析法包含的内容比较多，包括客车基本结构的静动态特性分析、振动分析以及噪声等。客车车身、底盘车架是复杂的承载结构系统，如果用经典力学方法计算其强度和刚度，或进行动态分析，需要作很多假设和简化，计算过程复杂且精度不高。而在计算复杂构件时，需初步给出结构的几何尺寸，并且按照已知的结构载荷工况来分析计算根据计算出的应力、应变修改几何尺寸后再进行分析，如此反复，才有机会选取最佳方案。而且方案的有效性还须通过实车试验来检验，周期长，需要的费用多，这就使得有限元法成为计算底盘车架的一种有效而实用的工具。

　　对客车底盘结构分析的有限元基本思路是化整为零和积零为整，把复杂的结构看成由有限单元所组成的连续弹性体。有限元计算的第一步是结构的模型化，即将实际工程问题离散化为有限元计算模型。而模型化的关键就是选择适当的单元来模拟结构，单元的选择包括单元精度选择和单元类型选择两个方面的内容。

　　根据工程实践，应该按照分析目标，例如强度分析、刚度分析等的不同，选取适当的计算模型，先整体后局部、先粗后细的分析方法在客车底盘车架结构特性分析中，如果只看重求解结构某方面的特性，可采用较简单的模型。

　　用有限元法分析静态强度和结构刚度是现代客车底盘车架设计的必要手段。用现代有限元结构分析技术，使客车底盘车架的结构分析不用再只凭经验进行，并且可获得设计的参变量与结构响应如输出的应力和位移之间的某种关系，还可利用软件提供的可视化技术，实时观察计算分析的结果，利用这些信息就可对结构进行优化。

　　最初的有限元软件仅仅拥有少数单元，功能有限、界面简单、分析结果粗略而且不直观，前后处理复杂，无法满足客车强度设计的实际需要。通过多年的发展，现代有限元软件已经今非昔比。其拥有大量满足建立不同力学模型需要的线性与非线性单元，提供了静力和动力分析模态分析、随机振动分析、瞬态动力分析、大变形非线性分析、屈曲分析等功能，极大地改进了人机界面，同时计算结果也能以直观彩色渲染图形表示，使得人们一目了然。而且前处理、分析计算和后处理三者达到了一体化。这一切都使有限元法在客车设计领域迈入了实用阶段，成为设计人员全面评价客车底盘车架结构强度和改进设计不可缺少的强有力的工具。

　　3.4.1 ANSYS Workbench软件介绍

　　ANSYS Workbench是用于计算机辅助工程的有限元分析软件，该软件是一个功能强大灵活的设计分析及优化软件包，其可以在许多计算机及操作系统上运行，其文件可在其所有的产品系列和工作平台上兼容，在PC机上生成的模型同样可运行于巨型机上。

　　下面从几方面对ANSYS Workbench进行详细介绍：

　　（1）界面——ANSYS Workbench软件功能强大、涉及范围广、图形用户界面（GUI）友好、程序构架易学易用；

　　（2）图形——完全交互式图形已经成为ANSYS Workbench程序中不可分割的组成部分，其对于校验前处理数据和在后处理中检查求解结果都是十分重要的；

　　（3）处理器——ANSYS Workbench分为：一个前处理器、一个求解器、两个后处理器以及几个辅助处理器（如设计优化器等）。ANSYS前处理器用于生成有限元模型，指定随后求解中所需的选择项；ANSYS求解器用于施加载荷及边界条件，然后完成求解算；ANSYS后处理器用于获取并且检查求解结果，从而对模型做出评价，从而进行其它感兴趣的计算；

　　（4）数据库——ANSYS软件使用统一的集中式数据库来存贮所有模型数据及求解结果。模型数据（包括实体模型和有限元模型、材料等）通过前处理器写入数据库；载荷和求解结果通过求解器写入数据库；后处理结果通过后处理器写入数据库。数据一通过某一处理器写入数据库中，即可被其它处理器使用。

　　（5）文件格式——文件可以用于将数据从软件的某一部分传输到另一部分、存贮及输出。ANSYS Workbench文件包括数据库文件、计算结果文件、图形文件等等。软件生成的文件或者是ASCII格式或者是二进制格式。在缺省设置下，ANSYS Workbench软件生成外部格式（IEEE标准）的二进制文件，该格式允许在不同硬件系统中移置，如当某一用户在某一计算机系统中生成模型几何数据后，该数据可方便地传输给另一系统中的另一个ANSYS Workbench用户。

　　ANSYS Workbench软件的分析过程包括：前处理、求解及后处理。

　　1)前处理：前处理用来定义求解所需的数据。用户可以选择坐标系统、单元类型、定义实常数和材料特性、建立实体模型并且对其进行网格划分、控制节点和单元等。

　　2)求解：用户在求解阶段已经通过求解器获得分析结果。在这个阶段用户可定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，进而开始有限元的求解。

　　3)后处理：ANSYS Workbench的后处理过程在前处理和求解过程后，其可通过用户界面获得求解过程的计算结果进行计算，这些结果包括位移、应力、应变等，输出的形式有图形显示和数据列表两种。

　　把计算结果读入到数据库后，可通过图形显示或数据列表来观察和查询模型在某一特定时刻的计算结果，进而对模型结果进行分析。

　　计算结果以图形方式显示是一种非常有效的表示方法，更加直观形象。从图形上，用户可以迅速地了解到所观察的结果数据在整个模型的分布变化。输出的图形包括：变形图、等值线图、矢量图、反力图、路径同、粒子流轨迹图和带电粒子轨迹图、混凝土断裂等。

　　ANSYS Workbench软件的基本功能包括：结构静力学分析、结构力学分析和结构非线性分析等。

　　（1）结构静力学分析：用于求解外载荷引起的位移、应力和力，便于求解惯性及阻尼对结构响应影响不大的问题。静力分析包括线性分析和非线性分析。非线性静力分析通常通过逐渐施加载荷完成，以便获得精确的解。

　　（2）结构动力学分析：用于求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。该载荷包括交变力、冲击力、随机力及其他瞬态力。

　　（3）结构非线性分析：结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS Workbench可以求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性3种。

　　本章主要介绍了有限元理论的发展、思想理论基础和基本理论，了解了有限元在客车结构分析中的应用，并详细介绍了大型有限元分析软件ANSYS Workbench发展与各项功能，为后面的课题研究作理论和软件基础。

　　4.1.1 CATIA软件介绍

　　CATIA是法国达索公司开发的高端CAD/CAE/CAM一体化软件，在世界CAD/CAE/CAM领域处于领先地位。CATIA的内容涵盖了产品从概念设计、工业设计、三维建模、分析计算、动态模拟与仿真、工程图的生成到生产加工成产品的全过程，其中还包括了大量的电缆和管道布线、各种模具设计和分析、人机交换等实用模块。CATIA提供了强大的设计能力：从产品的概念设计到最终产品的形成，以其精确可靠的解决方案提供了完整的2D、3D、参数化混合建模及数据管理手段；从单个零件的设计到最终电子样机的建立。同时，作为一个完全集成化的软件系统，CATIA将机械设计、工程分析及仿真、数控加工和CATweb网络应用解决方案有机地结合在一起，为用户提供严密的无纸工作环境，尤其是CATIA中针对汽车、摩托车业的专用模块，使得CATIA拥有了最宽广的专业覆盖面，从而达到缩短设计生产周期、提高产品质量及降低费用的目的。

　　4.1.2底盘车架的CATIA三维实体建模

　　客车底盘车架结构的设计不仅要考虑到整车的承载能力、各个零部件的强度要求，而且需协调底盘各系统的安装以及与车体骨架的连接，还要使底盘各装置的安装在符合相关标准的情况下具有良好的装配工艺性。所以在开发过程中需要对应各方面的协调进行频繁的调整。而CATIA具有在整个产品周期内的、方便的、修改能力，尤其是后期修改性，无论是实体建模，还是曲面造型。由于CATIA提供了智能化的树结构，用户可方便、快捷地对产品进行重复修改，即使是在设计的最后阶段需要做重大的修改，或者是对原有方案的更新换代，对于CATIA来说，都是非常容易的事。所以本课题的客车底盘车架的几何模型选用CATIA软件来建立。

　　本文分析时所采用载重为4.5t的大型客车，车架构造为典型的桁架式大型客车车架构造，各桁架结构通过焊接连接而成，车架最大截面尺寸为：5×5×5mm（宽×高×厚）。

　　4.2.1有限元建模的几个基本问题

　　有限元分析的最终目标是要还原一个实际工程系统的数学行为特征，因此，在对具体问题进行有限元分析的时候，首先得建立针对该问题的有限元模型。建立准确而且可靠的结构有限元计算模型，是一项非常重要的工作，其直接关系到计算结果是否正确。但实际工程问题往往十分复杂，结构形状、支撑边界、载荷等存在各种可能的情况，想原样照搬是不现实的，所以就要求在建立计算模型过程中，必须进行一定的简化，否则，这种结构的有限元运算会变得十分困难。这种简化结果，使计算模型只能够近似地反映工程实际问题。通常来说，这种计算模型的误差要比有限元法本身的计算误差大。由此可见，结构有限元法分析结果准确性取决于计算模型的准确性。

　　为了使得有限元分析达到预期效果，对建立的计算模型有几个基本要求：

　　第一，计算模型必须有充足的准确性。所形成的计算模型要能够基本上准确反映结构的实际情况。不但要考虑形状与构成的一致性，而且要考虑到支承情况及边界条件的一致性，还要考虑到载荷与实际情况相一致。

　　第二，计算模型要有良好的经济性。复杂的计算模型通常来说有较高的准确性，但相应地会增加前处理、数据准备工作和上机计算时间，从而使得计算费用极大地增加。尤其是当需要对大型结构进行有限元分析计算时，在建立模型的时候，必须要考虑模型的经济性问题。

　　当前，计算机技术的快速发展，工作站、微机性能的提高，计算时间和费用已经不成问题，这使建立计算模型时，要更加重视计算模型的准确性，只是适当兼顾它的经济性。

　　ANSYS Workbench软件提供了以下几种生成模型的方法：

　　第一：直接用ANSYS Workbench创建实体模型，即通常所说的实体建模；

　　第二：直接先确定各个节点的位置，以及各单元的形状、尺寸，再定义实体模型；

　　第三：在计算机辅助设计（CAD）系统中创建好相应模型，然后导入到ANSYS Workbench环境中，只需要做适当的修改就可转化为有限元模型。

　　在以上方法中，实体建模的方法相对更加常用，其适用于庞大而复杂的模型，特别是三维实体模型。虽然提供的实体造型功能不及某些专业CAD系统方便，但是也可建立复杂的模型。此外，实体建模还容易对几何模型进行修改，易于改变单元属性。

　　4.2.2底盘车架有限元模型建立的原则

　　当创建一个底盘车架有限元模型时，本文主要从以下几个方面的问题考虑：

　　(一)建立底盘车架有限元模型时应该尽力从几何特性和力学特性同时接近原车架的实际构造；

　　(二)网络划分时，要使任意两个相邻单元有公共的节点，网格的形状尽可能规则，对一些特殊位置的网格容许其退化为三角形类型；

　　(三)对一些螺纹孔或无关紧要的铆钉孔和圆角，进行及时忽略；

　　(四)使得结果达到一定的精度，并且根据应力集中的特征载荷车体结构的分布可导致在应力位置的急剧增加时，网格建模来优化网格的位置，即把这些容易出想问题的地方进行网格调整和细化。

　　4.2.3底盘车架有限元建模

　　有限元模型是由简单单元组成，单元之间通过节点进行连接，并承受一定的载荷。结构有限元模型化涉及的主要工作有：模型的简化、几何模型的建立、单元的选择、模型离散等。构建有限元模型的关键是选择合适的单元来模拟机体结构，对机体结构上具有力学特性的点或局部部位都可根据需要采用相应的单元来模拟。构成计算模型的各个单元的力学特性应近似于真实结构在这个区域的力学特性。

　　(一)整体坐标系的建立：一般应与设计图纸上规定的保持一致，可方便建模。本文采取的坐标系与原图纸略有不同：以通过前轴总成中心线的垂直平面与客车纵向对称面的交线与车架上平面的交点为坐标原点；以客车前进的反方向为X轴的正方向；以从原点垂直向上的直线为Y轴的正方向；由右手定则确定Z轴。

　　(二)单位制和材料参数：在本车架建模时采用t-mm-s单位制。材料属性包括弹性模量、泊松比及密度等。该底盘车架采用各向同性材料16Mn制造而成，其材料性能参数如表4-1所示。

　　材料屈服极限（MPa）弹性模量（GPa）密度（kg/mm3）泊松比

　　16Mn 355 207 7850 0.3

　　(三)单元类型的选择及网格划分：由于该客车底盘车架纵梁、横梁以及连接板均为薄壁件，因此在网格划分时采用SHELL板壳。该壳单元能够承受多种力的作用，并且该单元节点有沿X、Y、Z轴的平动，以及绕X、Y轴转动等5个自由度。常用的网格划分方法有：通过指定单元边长来控制网格划分过程、通过面上划分单元的数目来控制网格划分。考虑到底盘车架的大小以及计算机CPU计算的时间，在保证其计算精度准确的前提下，故将网格划分得稍大一些。如图4.1所示为考虑空气弹簧的客车底盘车架有限模型，划分网格厚的底盘车架有限元节点Nodes总数592569个，单元Elements总数203377个。

　　4.3.1底盘车架受力模拟

　　底盘车架按作用形式可分为静载荷和动载荷。

　　(一)静载荷

　　客车静止时，底盘车架只承受空气弹簧以上部分的载荷，它是由车架和车身的自身质量、车架上的各总成与附属件质量以及有效载荷（乘客及其行李的总质量）组成，其总和称之为静载荷。对于该客车底盘车架静载荷分布按照部件的安装位置和其重量的大小进行处理：

　　a)车身的重量和载荷按集中载荷在其支架上进行平均分配；

　　b)发动机的重量按其支承位置进行分配，并且按照集中载荷处理；

　　c)油箱、方向机和蓄电池等按集中载荷进行加载；

　　d)车架重量简化为均布载荷，对每个节点施加自身重量。

　　(二)动载荷

　　行驶中的客车主要承受动载荷作用，动载荷又可分为对称的动载荷和非对称的动载荷。当客车在平坦的道路上高速行驶时，产生对称的动载荷，其大小不但取决于作用在底盘车架上的静载荷及其在车架上的分布，而且取决于静载荷作用处的垂直加速度，受到此载荷作用，底盘车架会发生弯曲变形。当客车在崎岖不平的路面上行驶时，前后几个车轮可能不在同一平面，因而产生非对称动载荷，其大小取决于道路不平程度，以及车身、底盘车架和悬架的刚度，受此载荷作用，底盘车架会发生扭转变形。底盘车架除承受纯弯曲、纯扭转外，还受弯曲和扭转的复合变形。动载荷和静载荷对底盘车架的作用不相同，在以后的分析中，会简化不同的形式，但作用力的分布与静载荷相同。

　　4.3.2约束条件模拟

　　在建立有限元分析模型时，还必须考虑到载荷和约束的影响。底盘车架通过悬架系统、车桥和车轮支承在路面上。轮胎的刚度比悬架的刚度大得多，为此，将前后悬架用弹簧单元简化模拟，赋予刚度，一端联接在车架上，另一端固定约束。前悬架以及后悬架的前弹簧单元定义为一维，只在Y轴方向有变形运动，而后悬架的后弹簧单元定义为二维，因为空气弹簧后端允许有纵向的位移，可在XY平面做变形运动。

　　本章以有限元的基本理论为基础，利用ANSYS Workbench软件对客车底盘车架进行了有限元建模。在建模过程中，对车架进行了一定的简化，用四节点壳单元对底盘车架进行离散，采用自适应法对车架进行网格划分，边界条件和作用载荷与车架的实际工况相同，为下一步的分析做好准备。

　　与客车底盘结构强度有直接关系的主要是弯曲工况和满载扭转工况。许多文章在对客车车架做静态强度和刚度分析时往往只考虑这两种工况，但客车底盘车架实际工作时的其受力工况是很复杂的，如弯曲、扭转、制动、转向、单边牵引等等。主要是在高速道路、一般道路、弯道上行驶的弯曲、扭转、紧急制动等三种典型工况。本文主要对满载弯曲工况、满载扭转工况和满载制动工况进行了底盘车架结构的静态强度和刚度分析，获得了底盘车架的应力分布和刚度水平。

　　本文中所讨论的底盘车架结构都是由薄钢板组装而成，板厚度在5~7mm之间，远小于其平面尺寸。其受力方式可以认为是薄板弯曲问题。

　　弹性力学中，对薄板弯曲情况作如下假设：

　　（1）薄板法线没有伸缩；

　　（2）薄板法线在薄板弯扭后，保持为薄板弹性曲面的法线；

　　（3）薄板中面内的各点，没有平行与中面的位移；

　　（4）挤压应力引起的形变可以忽略不计。

　　取薄板的中面为XY面，Z轴垂直于中面，如图5.1所示。

　　薄板受到载荷时，可以将每个载荷分解为两份载荷，一个作用在薄板中面内，另一个垂直于中面。这样就得到两组载荷：一组载荷作用在中面内，可认为是沿薄板厚度均匀分布的；另一组载荷垂直于中面，可以按薄板弯曲问题求解出主要应力分量，将两组应力分量迭加，可以得到组合应力分量。

　　以薄板的中面为XY平面，垂直于中面的轴为Z轴。在平面应力问题中只有平行于XY的三个应力分量，，=，这三个分量沿厚度h不变，它们只是x和y的函数，与坐标z无关。其余分量为零。平面应力的胡可定律表示为：

　　薄板弯曲变形后，中面由平面变成曲面，称为弹性曲面。中面内各点在垂直于中面的方向的位移称为挠度。当远小于厚度h时，可认为中面无线应变也无角应变，此时称为薄板弯曲的小挠度问题。薄板弯曲的应力应变与变形间的关系可表示为：

　　5.3.1满载弯曲工况下车架的应力计算与分析

　　满载弯曲工况计算主要是对客车满载状态下，四轮着地时的结构强度和刚度进行校核，主要模拟客车在良好路面下匀速直线行驶时的应力分布和变形情况。研究满载情况下底盘车架的抗弯强度。底盘车架质量和载荷乘以动载系数(本文动载系数取1.5)，方向竖直向下，以模拟客车在平坦路面上以较高速度行驶时产生的对称垂直动载荷。

　　利用ANSYS Workbench软件对车架施加静力载荷（包括驾驶室、发动机总称、水箱及货物的质量），计算时约束左前轮处的UZ、UX、UY，约束右前轮处的UZ、UX，约束左后轮处的UZ、UY，约束右后轮处的UZ；释放其他自由度（纵向：X，横向：Y，垂向：Z）。文中的分析以前后空气弹簧各自前后装配位置中心处作为施加约束的支撑。本有限元模型中的坐标系原点位置为软件默认的位置。

　　如图5.1，5.2所示，由于发动机后置，客车整车设计上也重心偏后。计算表明最大位移发生在底盘车架中部的横梁上，最大位移为5.1194mm。此处位移产生的原因是中部大量乘客及其行李导致下沉，这和实际是相符的。由于发动机后置，且后桥上的空气悬架刚度较大，质量加载后倾，在中前部处应力最大，最大应力达到266.5MPa。底盘车架的整体情况依然能满足性能要求，此处的结构需要进一步进行优化。

　　5.3.2满载扭曲工况下车架的应力计算与分析

　　满载扭转工况计算主要考虑一个车轮悬空而另一车轮抬高时施加在车桥上的扭矩作用，这是最严重的扭转工况。实践表明：底盘车架遭受最剧烈的扭转工况，通常都是发生在客车低速通过崎岖不平路面的时候。该扭转工况下的动载，时间上变化得很缓慢，所以惯性载荷很小，底盘车架的扭转特性可近似地看作是静态的。因此，利用静扭转试验可以反映出底盘车架的实际强度。

　　本文在计算时，左前轮处施加0.2m的位移并约束UZ，右前轮约束UZ、UY，左后轮约束UZ、UX，右后轮约束UZ、UX、UY；释放其它自由度。

　　在满载扭转工况下底盘车架上最大变形为5.1091mm，出现在车架中部上横梁上，最大应力出现在车架中前部下方，为266.71MPa，这是因为车架中部上方为大量乘客乘坐位置，重量大。在这种比较复杂的工况下，底盘车架的整体情况依然能满足其性能要求。

　　5.3.3满载制动工况下车架的应力计算

　　满载制动工况计算主要考虑当客车以最大制动加速度10m/s制动时，地面制动力对底盘车架的影响。由于某型客车前后桥均采用空气悬架，空气弹簧仅能承受垂向力，而纵向力和横向力须通过拉杆传递到底盘车架上，此时，推力杆及推力杆座将承受较大的拉压载荷，必须具有足够的强度。

　　满载制动工况下的约束条件为：左前轮装配位置处约束节点的平动自由度UX、UY、UZ；右前轮装配处约束UX、UY、UZ；左后轮装配位置处约束UZ、UX；右后轮装配处约束UZ、UX；释放节点其它各自由度。

　　如图5.5、5.6所示，由于制动产生惯性力作用，在位移变化的情况下，紧急制动会产生车架的前倾，最大位移为5.1133mm，产生于底盘车架行李架中上部。由于该客车前后桥均采用空气悬架，空气弹簧仅能承受垂向力，而纵向和横向力须通过拉杆传递到车架上，最大应力在空气悬架附近处，最大应力为267.66MPa，并且在制动工况下。说明，紧急制动工况下，行李架各桁架强度要求较高，设计上应加强考虑此种工况下的强度校核。

　　5.3.4分析结果总结

　　该客车车架主要采用16Mn材料，其屈服强度为355MPa，对最危险的紧急制动工况，最大应力没有超过这个值，由此可见车身结构满足强度要求。除个别应力集中点外，其他各点的安全系数在5.0以上，存在进一步优化的空间。

　　本章对有限元分析的步骤进行了简要的介绍，然后根据客车底盘车架实际运行中的极限工况，对车架进行了满载弯曲工况、满载扭转工况、满载制动工况下的变形和受力情况进行了分析，得出了具有一定实际参考价值的分析结果。在以上各种工况里，满载弯曲下的变形量最大。本章的计算为客车底盘车架的优化设计和车架结构的改进提供了依据。

　　本文对某客车底盘车架进行了静态有限元分析，并对结果做了讨论分析。结果表明，本文所建立的有限元模型合理，基本反映了车架实际情况，为该客车底盘车架的改进设计提供了理论依据。文中比较合适地使用了CATIA V5R21与ANSYS Workbench17.0两种软件对某型号的客车底盘车架进行了几种极限工况的分析。

　　本文主要做了下列工作并得出以下结论：

　　（1）在得到实际的结构尺寸后，使用CATIA V5R21和ANSYS Workbench17.0逐步建立了该型客车底盘车架的三维实体模型和有限元模型，并对该模型进行了详细的求解。

　　（2）文中在有限元模型的基础上，模拟满载弯曲、满载扭转和满载制动三种极限工况下的约束条件，对各个工况进行了一一详细的分析。就底盘车架总体受力而言，除少数位置的应力比较大以外，大部分结构体上的受力相对于材料的屈服极限来说比较小。对于应力较大的一些部位可以考虑加厚钢板或者进行其他处理，保证底盘车架整体的安全性能。在三种典型工况中，可以看出满载弯曲工况下车架的形变量是最大的，易导致车架疲劳破坏，所以在平时的使用中尽量避免该情况的出现，不要在路面状况太差的道路上长时间行驶。

　　由于对底盘车架的有限元分析及设计涉及的内容很多，范围较广，受经验、知识面及能力的限制，本文还存在一些不足之处，需要进一步加以完善。

　　（1）在模型简化过程中，对纵梁上所有孔对车架产生的影响都没有考虑，单元的连接直接用刚单元进行连接，没有考虑到螺栓及铆钉的柔度，所有这些简化对分析的结果存在一定的影响。

　　（2）建模过程中对空气弹簧的简化，采用六个独立的弹簧单元来模拟空气弹簧，约束弹簧单元下端，采用线性静力求解，而没有考虑到每片空气弹簧在变形过程中的非线性情况。

　　在以上分析的基础上，对车架进行优化设计，满足设计的经济性。