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对某微型客车车身结构的有限元分析

2016/3/21    来源:互联网    作者:廖金深  沈光烈  林圣存      
关键字:结构  刚度  强度  有限元分析  
为验证某微型客车车身结构设计的可行性,使用Hyperwroks软件对其车身结构进行静态仿真,经过对结构强度及刚度数据的分析,这2项数据均满足设计要求,认为车身结构设计合理。

    0 引言

    大部分的客车骨架都是由异型管焊接而成,这类客车空间结构复杂,外形较单一,焊接量较大,质量也大。文中的微型客车是壳式车身结构,由薄板冲压件焊接而成,空间结构相对简单,缺点是结构不易于修改,因此通过分析结构强度及刚度来判断车身结构是否合理对于整架车的设计至关重要。

    1 有限元模型的简化和处理

    研究车身结构设计的合理性,分析的主要受力元件是车身骨架,因此为了精确地进行分析要对模型进行简化处理。

    ①由图1的CAD模型可知,由于一些非承载件和蒙皮在分析中起的作用很小,略去车身蒙皮和一些非承载件,如车门、车窗玻璃、座椅,内饰等,同时也不需要考虑发动机、空调等模型,但是保留司机、乘客、发动机、座椅以及发动机的重力,在施加他们的重力时以集中载荷的形式加载于相应的位置。

    ②为了精确地分析,车身结构采用板壳单元进行建模,除了贯通结构处,其他需要连接处采用点焊形式模拟。不考虑焊接处材料特性的变化,认为焊接处的材料属性与母材的材料属性相同。

    ③本客车的悬架系统是钢板弹簧结构,采用前4后4共8个6自由度的弹簧单元对悬架系统进行模拟。

微型客车CAD模型图

图1 微型客车CAD模型图

    2 施加载荷和边界条件

    2.1 施加集中载荷

    集中载荷是指集中在一个点上的载荷,保留司机、乘客、发动机、座椅的重力作用,根据本车的结构及各载荷的作用范围较小的实际情况,采用集中力的形式施加在各作用位置上。载荷设计为每位乘客及所携带物质量共为80kg,乘客座椅质量为48kg,司机处的载荷(司机、座椅及其他)为2000N,发动机质量为400kg,这些载荷通过RBE3加载方式施加到相应位置,如图2所示。

施加载荷和约束的模型图

图2 施加载荷和约束的模型图

    2.2 施加约束创建工况

    通过分析微型客车结构的刚度及强度对其结构的合理性进行讨论,而影响车身结构强度和刚度的主要工况是静态弯曲工况和扭转工况。

    在有限元模型中对RBE2接地端处施加不同约束(约束位置模型如图2所示)来创建水平弯曲工况和扭转工况,为了保证车身结构有足够的强度、刚度,取极限扭转工况进行分析。

    ①弯曲工况约束的创建:水平弯曲工况指的是,汽车在平直的水平路面条件下,受载时车身结构的变形情况:因此,创建约束时,只要约束RBE2接地端的6个自由度即可。

    ②极限扭转工况的创建:由于每种类型车的结构,如轮距、轴距、重心、高度等不一样;因此,在创建极限扭转工况时轮胎的抬升高度要求会有所不同。为了保证约束所给出的强迫位移的数值尽可能恰当,当一轮胎抬升后且其他轮胎都接触着地面,即在有限元模型中体现为其他3个弹簧单元处不出现拉力且压力尽可能小,参照这一原则,来确定轮胎的抬升高度。

    经过多组数据的测试,当左前轮抬升140mm时,右前轮处的支反力为16.331N,可知在抬升140mm时,右前轮处的弹簧单元压为最小,因此只要在有限元模型左前轮处的RBE2接地端施加向上140mm的强迫位移即可。

    3 强度分析

    3.1 弯曲工况的强度分析

    弯曲工况下车身骨架大致的应力分布如图3所示,薄板采用的材料是B510L,其性能参数为:屈服极限355MPa,疲劳极限255MPa。根据日本自动车计算规范。弯曲工况以材料的疲劳极限来判断,并且要考虑动载系数1.5和安全系数1.3;因此,车身结构应力σ要满足σxl.5x1.3<255MPa.即σ<130MPa.由图3可知最大应力为91.3MPa,弯曲工况下的车身结构强度符合要求。

弯曲工况应力概况图

图3 弯曲工况应力概况图

责任编辑:张瑾
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