长途汽车车身强度优化的模态分析

摘要

长途客车是长途客运的重要工具，其车身强度对于整辆客车的安全性能尤为关键。本文主要研究了中国国内的客车骨架研发状况,并针对半承载式客车骨架的结构特征,针对客车车身骨架打造的几何模型的同时再构建有限元模型，前者是在SOLIDWORKS软件的基础上建立，后者是利用ANSYS有限元软件完成建模工作。本论文以客车骨架为对象，展开模态分析，并获得前九阶的振形图和固有频率值,重点对车身的频率和振幅较大的薄弱位置进行分析。由于原车型的频率符合要求，但头部和顶部的振幅较大，可能对乘客的乘坐舒适性以及安全产生影响。于是对原车辆进行了上边梁和前部的强化,再对经过强化后的原客车模型进行了模态分析。基于模态分析结论,针对车体固有频率和振形图展开研究。结果显示,强化后的车体骨架不仅固有频率符合要求且振幅有一定的降低，这对乘客的乘坐舒适性和车身本身的安全性都有一定程度的改善。

关键词：客车骨架，有限元，模态分析

1绪论

1.1本文研究背景及意义

客车的使用变得越来越广泛，随之而来的还有各种交通事故的频发。提高客车技术是非常必要的。客车车身骨架起着主要的支承功能,它不但要承受着客车自身的载重,还承担着各种机械工作负荷,发动机的动负荷,各部分缓冲压力等功能。车体骨架的设计,不仅和旅客的舒适与安全直接相关,还与能耗有关。对于客车来说，车身骨架的改进是重要部分。

客车在成长过程中，为了让车身能够大面积适用，让各个汽车底盘能够使用同一个车架，因此选择非承载式车身架构，对于该架构来说不能只发挥承载作用，与此同时其品质也会上涨，面临着诸多问题。要想达到客车轻量化的目标并让客车与车身匹配程度得到上涨，车身架构需要一定的载荷，也就是说车架横梁在加宽的同时和周边骨架利用刚性紧密相连，这也就是半承载式车身[1]。而对于全承载式车身来说，其底盘车架缺乏独立性，运用封闭骨架来承受荷载，封闭骨架不仅强度高还骨架小，有着诸多优势。如今，全承载式车身缺乏成熟的技术，因此市面上半承载式车身的运用范围更加广泛[2，3]。车身骨架结构十分繁琐，并且受力更加多样化，依靠之前的力学研究方法难以获得理论成果，当前所使用的研究方法是以静动态研究为主，并运用有限元模型和其他研究方法。

1.2国内外客车车身强度优化研究现状

1.2.1 国外客车车身强度优化研究现状

国外学者早在六十年代初就已经采用有限元法,对汽车车架和客车车身骨架的强度与刚性问题开展过有关研究。一九八六年,Garro,Vullo V等人用板单元构建车体模型,通过板单位模拟焊点结构,并分析了车体的结合处变形。一九九七年,HongJ.Y等人用梁单元构建车辆骨架模型,对多梁连接利用壳单位模型所取得的信息,把连接等价为一条短梁,使车辆的骨架结构模型得更加精准容易[4]。国外早期使用如NASTRAN.SAP等较大型的工具编程并开发复杂的程序,自由度可达到数百乃至上万。构造通常采用梁单元,车体设计使用梁单元或板梁单元组成,后来又引入子结构法,再后来进一步发展采用板壳单元或混合单位计算法。这也说明国外历经了长期蓬勃发展后,在运用计算机辅助技术研究和设计中对客车辆构造进行研究的方法方面已经逐渐成熟完备,在运用车架车身构造研究与设计中对有限单位的应用也逐渐发展向前扩展[5]。

到八十年代,外国客车企业使用较为成熟的有限元法进行车辆的设计和研究已形成一个相对完善的工程研究方法,随后开始使用电脑仿真分析来进行车辆的零件结构和整机的研究[6]。这种技术在汽车制造中最先使用,后来普及到其他汽车的设计和制造中。有限元方法对客车的工程设计来说可以很高效的达到车身设计的需要。目前外国的客车设计早已很好地将有限元工程设计方式与分析法融入到车身设计的研究中了，并在研究投入的降低,设计制造周期的缩减,质量的改善等上起到了重要的意义[7]。今天,国外企业在客车零件制造方面,如机加工、冲压等机械加工,也开始将有限元法运用到产品的加工工艺分析方法上,将原材料分析方法和零件机加工分析方法相结合,用有限元分析等方式来改善工艺方式和手段,从而使客车的加工工业达到了较高的技术水平。

八十年代开始,欧美日企业将新的研发科技、开发软件、工艺材料等注入到了汽车与客车的产品设计和制造上,特别是在轻量化研发上[8]。利用电子计算机完成构件的静动含碰撞分析,可以正确地了解整机和零件内部各种结构的应力、变形、振动和抗冲击等能力,从而做出构件整体和端面结构的优良设计,以便实现既降低质量又符合使用条件的目的。在大型客车制造业发达国家和地方己是至关重要的设计手段。

目前,欧美等车辆制造业国家在车辆有限元疲劳分析技术通过几年的不懈努力,己经构建完成相应的方法与流程,在项目的开发流程中起到了日益关键的地位。

1.2.2国内客车车身强度优化研究现状

目前,我国研究人员在分析汽车骨架的过程中依靠一系列有限元模型软件展开研究工作并得到相应的研究成果，然而和西方国家开展的结构研究体系对比来说面临着诸多不足[9]。这些不足重点表现在研究车身过程中主要是运用实际经验来展开参照性分析，基本上的目的是为了解决样车实验面临的问题和缺陷。因为软件和硬件于电脑模型大小的限制，设计与分析不能完全同步，建模的精细度不足,结构的刚性研究的结论还相当粗糙。计算结果多用于进行结构的分析对比,距虚拟实验的条件尚有比较远的距离。车体骨架设计方面的研究大多聚焦于车身,而并未顾及到悬挂和轮毂对车体的影响,甚至对其结构进行了很大范围的缩减,因此严重影响研究的准确性以及研究结论的真实性。所以,客车车身的强度优化仍有很大的进步空间。

1.3 本文主要内容及实施步骤

依据实际情况,大部分客车的车身骨架是一个由异形或矩形钢管焊接在一起而形成的空间刚架结构,其空间关系较为复杂，且截面形式多种多样。本文实施的具体内容如下：

了解中外客车车身骨架所用材料、布局，为模态提供根据。

创建几何模型。明确长途客车的结构、尺寸。

创建有限元模型。明确需要的单元类别等等。

对客车骨架采用模态分析，求出车身骨架的固有频率和振形图。

校核车身所对应的固有频率，研究车身存在很大振幅且比较单薄的位置，然后在进一步加固单薄位置，对加固以后的车架模型展开模态分析。

按照上述分析的结论，来探讨半承载式骨架目前的安全舒适属性。

2 软件介绍

本论文研究过程中运用了SolidWorks软件以及ANSYS软件。发挥SolidWorks软件的效果进行建模工作，再利用ANSYS软件对模型展开模态分析。

目前市场上有诸多建模软件以及模型分析软件，例如在建模方面就有UG、CAD等。而在车身框架方面依靠SolidWorks软件完成建模的原因在于入门门槛较低，建模不需要太大难度。也是因为这个因素导致该软件获得了诸多研究人员的认同。

市面上MSC、ANSYS等分析软件使用范围较广。本论文在研究过程中依靠ANSYS软件展开三维模型分析，ANSYS软件有着诸多功能属性，操作十分简单，目前有大量工程师都运用ANSYS软件进行分析。

2.1SolidWorks软件介绍

法国达索位于X，该公司研发出来SolidWorks软件，该软件的功能是进行设计软件和分析软件[10]。

该软件属于该行业第一个在Windows系统基础上所打造的3D CAD软件。SolidWorks软件的特征表现在三个方面：首先，有着诸多功能；其次，操作简便；最后，技术水平比较先进。由于该软件的CAD有着较高的技术水平，满足全球市场发展的需要，让SolidWorks软件迅速成为市场上的佼佼者。SolidWorks软件能够满足平时设计的诸多方案需要，减少设计环节的失误，以此来确保模型设计的品质。SolidWorks软件还配有诸多插件，不同插件的实用性都较。不同工程师在使用环节都能够快捷操作，降低操作的时间成本。SolidWorks软件的三个优势由上述内容可见，并且这些优势在实践过程中得到诸多行业的认同。工程师在工作过程中的时间成本下降，产品也逐渐流入市场，得到诸多相关人员的认同。

2.2ANSYS软件介绍

ANSYS企业开展的分析软件，可以和诸多建模软件做到无缝连接，实现资料相互转化，ANSYS的功能较多，操作简便，属于当今设计工作适用范围较广的软件。在FEA比赛中ANSYS软件多年蝉联冠军。我国很多高校在开展有限元分析过程中都运用ANSYS软件，并将其当成在校生的主要修学专业。

ANSYS分析的前期准备工作主要是构建模型以及划分网格[12]。在开展模拟分析的过程中表现出高超的分析水平以及灵活性，一般来说会将处理结果通过曲线、彩图等方法展示。

3SolidWorks建立客车骨架有限元模型

3.1车身骨架的结构特点分析

对于车身骨架来说，其构成囊括了底盘、围骨架、顶盖骨架等部分，不同骨架所使用的型钢并不相同。本论文研究的客车骨架以槽钢焊接为主，槽钢十分常见，和非承载式车架对比来说其强度和刚度稍小。车辆行驶时，半承载车身为了减少车架重力的影响，也会承受部分载荷。

3.2车身骨架的参数

该客车的技术参数如下表1：

表格1 客车主要技术参数

3.3模型的简化

客车车身结构基本上都属于薄板冲压件所构成，导致不同部件有着过渡圆角，还会出现为了部件连接所出现的孔洞或者凸台。尽管这些属于细节问题，但是也会带来诸多影响，也就是很难精准建模从而出现大量的计算量，对计算精度造成影响，然而这部分细节不会影响力学特点，因此在几何建模过程中能够不将其纳入考虑范围。根据实际要求不断简化改进建模结构，主要改进有：

第一点，去掉了一些不会给整体结构造成影响的仪表盘、前保险杠、踏板支架、扶手等等非承载性部件。这些不见不会给股价造成较大的震动影响，因此可以直接省略。

第二点，对构件表面做光滑处理。让构件表层的台肩、凹凸、孔等地方变得光滑，这个步骤不会给整体结构造成太大影响，但是会让网格划分变得极为困难，所以也可以直接忽略。

第三点，对截面形状做简化操作。在安装一些构件的时候，必须结合实际情况，考虑受力以及安装条件，对截面形状进行简化，因为这些构件截面不是极为标准的，而且为了能够便利的节目，也需要进行此步骤。需要注意一点，在简化过程中，不能让截面形状出现太大的差异，要确保建模能够符合实际需求。

第四点，对蒙皮进行处理，蒙皮会给结构刚度产生强化作用，这个作用并不大，但是为了轻松分析，就需要处理蒙皮[13]。

第五点，对位置相近的一些构件连接点做合并处理，这是为了杜绝发生方程错误状况。

第六点，为了轻松的计算曲杆，可让曲杆转变成直杆，然后展开研究。

3.4建立模型

SolidWorks在运用时十分方便，对第一次使用该软件的人来说学习起来比较容易。所以本文运用SolidWorks来绘制模型。先确定好基准面，在基准面上画出草图、标出尺寸，经过拉伸等特征画出左侧围。再经过镜像特征，镜像出右侧围。之后前围、后围以及顶围都可经过阵列特征来实现画图的加速。

如图1所示，为论文所需的车身框架三视图。图2为车身框架上下二等角轴侧图。

图1 车身框架三视图

图2车身框架上下二等角轴侧图

4 模态分析

4.1 引言

客车骨架含有众多振动系统，这些系统具有较高的自由度，而且具有弹性，所以会出现由低到高阶的固有频率变化，倘若在设计最初阶段，对客车骨架的静态强度、高度进行考虑，但不考虑该客车骨架的原有模态，由此制造的客车会出现局部极为不协调的大问题，此时客车在道路上行驶的时候，会因为路面不平而车身振动。如果有一段路面发出了和客车相近频率的激振，客车会与路面产生共振，由此客车结构会遭受较大应力，带来的后果就是客车变形，需要增加维护费，还有可能会让客车提前报废。另外共振的时候会产生极为刺耳的噪音，也会给乘客带来巨大影响。我国经济正在快速发展，我国人民也在追求越来越高的生活品质，人们会要求客车不断提高其舒适度和安全性，在设计客车的最初阶段就应该关注客车振动问题。

4.2 详述模态分析

模态分析是指对机械构件的具体振动特点进行分析，通常会参考三种最基础的参数进行分析，分别是模态振型、固定频率以及阻尼比，而且构建的每阶，有其对应的基础参数[14]。模态分析就是借助运算、实验分析来明确上述参数。其中，使用实验分析的相应方式来获取参数就是实验分析，计算分析是借助有限元计算来获得参数。模态分析主要是通过设计问题以及测量结构存在的动态故障来完成分析，机械构件一旦被模态分析后，就能准确的预判这些构件在激励振动中出产生的响应量。

我在分析，有一个名称叫做振动特点分析是事实上就是通过组建无阻尼作用、运载具备较高自由度的运动方程，并基于此得出模态矢量。对每阶的频率、振型进行分析，就能知晓骨架刚度对应的分布情况和频响特点。借助模态分析研究机械结构时，不能违背以下原则。

如果骨架的振动频率在低阶下，一阶扭转频率、弯曲频率必须大于共振频率，小于振动频率，如此就能杜绝共振情况出现，而且为了预防有局部突变的情况发生，需要让客车骨架振型图保持圆滑。因为客车估价的震动频率不应和发动机的振动频率保持在同一范围内。

4.3客车车身自由模态分析

自有末态分析是为了分析客车股价的实际刚度层级，最后得到的结论可以用来验证以及调整客车骨架对应的有限元模型。还能让动态分析有一个品质较好的有限元模型。通常而言，设计者在研发新车以后，会分析自由模态，同市场上比较成熟的客车骨架模型做自由模态对比研究，以此来验证新车结构科不科学。

自由模态研究是把客车骨架模型至于无载荷无限制的情况下进行分析，此时不再考虑发动机、变速箱等等能够造成和车身刚度、惯性的耦合作用，也不考虑车上的乘客重量，行李重量以及空调重量。

4.3.1导入模型

主要导入方式有两种，第一种在Workbench DM中进行建模，另外是在SolidWorks中画出建模，之后在ANSYS中导入模型。由于前者的操作界面较为复杂，故本文选择后者。将模型导入之前需要将文件的格式改成*.x_t，否则无法导入ANSYS中。

导入文件的方法，如图3所示

图3 导入方法

4.3.2划分网格

根据相关资料可知划分网格需要花掉有限元所有处理时间的一半。有限元分析中极为关键的一个环节就是分割网格。单元网格有多少、有什么样的质量、有多大的尺寸都将给计算结果以及计算精准度产生直接影响，划分网格需要极大的成本，还需要花费很多时间，同时也需要经验丰富的人来划分一些极为重要复杂的部件中的网格。随着软硬件的不断进步与成熟，运算结果的精确程度已不被仿真软件的好坏所决定。

为了在确保分析结论准确的条件下尽可能的提高分析速度。先在网格一栏插入方法，选中整个客车框架模型进行应用，随后挑选四面体，在划分模型时借助自动划分来完成网格划分，最后会得到14021个单元，共有39143个划分节点，最后会得到图四中的网格。

图4 有限元模型图

4.3.3进行自由模态分析

因为高阶的振动频率对结构的影响较小，所以本文只对客车骨架进行前九阶的模态分析。在分析设置中将最大模态阶数由默认的6阶调至9阶，然后在求解模块插入九次变形总计，并修改相对应的阶数，最后按下求解键。经计算后便可得到各阶的固有频率以及振形图。振型图及固有频率如下：

　　表2车身骨架前九阶固有频率、位移最值

4.3.4自由模态结果分析

第一阶至第九阶对应的频率值在3.2283至4.4097范围内逐渐升高。客车在驾驶中车客车骨架，因为轮胎路面的记忆让其原来的频率值会小于低于三赫兹，但是发动机通常情况下怠速转速在600~800转/每分钟，振动频率通常是在30~40赫兹之间，所以客车骨架在设计时应该主动避开此频率段，这样做是为了杜绝出现共振现象。该篇文章的骨架前九阶频率都不再此频率阶段，所以客车骨架保持低阶频率是较为科学的。

观察图5到图新中展现的每阶振型图可知，第九阶为车架顺着z轴呈弯曲振动模式，车架头部振幅最大。第八阶客车骨架顶部、头部有着较大的振幅。第七阶为客车骨架围绕着X轴进行扭转振动，此时，车架尾部振幅是比较小的，头部以及顶部较大。

5优化模型后模态分析

5.1优化模型

根据对客车骨架的六至九阶进行模态分析后得到的振型图可知，客车骨架顶部有很大的变形，所以需要加厚车的头部和上边梁。由20mm增为40mm,再进行模态分析。修改

后模型如图8所示：

图8优化后车身框架图

5.2进行模态分析

将优化后的车身框架模型导入软件，以同样的方法划分网格得到单元总数14534个, 共划分节点数为39739个。之后进行模态分析，得到各阶的固有频率以及振形图。振型图如图9、10、11所示：

频率及位移如表3：

表3 优化后车身骨架前九阶固有频率、位移最值

5.3优化结果分析

从研究结论中可得知,在加厚车身上边梁后的震动频率较原的固有频率略有提高,也还处于大于3Hz和小于30Hz的频率之中。前三阶段模态振型曲线与扭转的振型特点并没有显著的改变,但在每一阶段车身振动振幅逐渐降低,特别是第九阶的振幅明显降低。随着振幅的减小,对旅客的乘坐舒适度也有相应的提升。加厚车体上边梁骨架,由于改动的区域面积并不大,虽然可能会加大车体的整体重量,从经济效益上考虑,也会增加一些成本。但是长途客车的乘坐舒适性是相对重要的因素,所以这次对于车身的优化还是有一定意义的。

6结论与展望

6.1结论

目前,中国国内的部分汽车行业设计组织以及部分较大的车辆制造公司,已把有限元分析技术运用在了车辆产品设计与研发过程的不同阶段中,从车辆产品设计的概念设计阶段到最终产品设计的概念形成阶段,都贯穿了有限元分析。本文基于有限元等理论知识，选择长途客车作为研究理想，借助SOLIDWORKS软件组建了客车骨架的实体模型，并在SOLIDWORKS中导入了模型，经过数据处理，得到啊客车骨架对应的有限元建模，并基于此对客车展开了自由模态分析，这也为客车的整体设计打下了坚固的理论基础，所以本文得到了如下的工作成果：

首先基于客车骨架的实际尺寸，借助SOLIDWORKS软件组建了客车骨架的几何模型，借助计算简化了几何模型；

其次，在ANSYS软件中导入了借助软件组件的客车骨架几何模型，经过必要合理处理后，组建了客车骨架对应的有限元模型。

最后。对客车骨架展开模态分析，获取了客车骨架一至九阶模态振型图、频率值，并基于此可知一到六阶的频率值是很小的，而第七阶、第八阶、第九阶的对应的频率值在3.2283至4.4097范围内逐渐升高，这也不是发动机正常运转时都频率范围，由此可知客车振动频率保持在低阶才是比较科学的。

6.2展望

因此把有限元分析应用于客车的研制的不同过程中不仅能够减少客车的研制投入,而且由于能够减少研究时限,使得有限元方法在客车设计流程中获得了普遍的运用,如对客车结构进行静态分析、动态特性研究、碰撞分析等等[15]。本文中只对客车身骨架构造提供了模态分析和优化,这也只是有限元分析中的极小部分。在对普通客车车身骨架结构实行精密的有限元分析中牵涉的技术方面也比较广泛,但同时由于有限元分析中对的计算机系统软硬件要求也相对较高,且要求的计算时限也较长,受到上述要求的制约使得本文中尚有许多缺点需改进:

首先，在对客车骨架组建有限元模型时，因为受到一些条件的影响，简化了模型，由此最终获得的有限元模型是比较简单的，会给计算精准度造成影响；

其次，客车骨架往往是由矩形钢材钢管由螺栓连接或者焊接而成的，本文在组建有限元模型时并没有考虑焊接材料、螺栓连接情况对计算会造成何种影响，因此这些被忽略的因素也会给计算结果造成影响。

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长途汽车车身强度优化的模态分析

价格 ¥9.90 发布时间 2022年11月28日

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