-2-
Altair 2010 HyperWorks 技术大会论文集
2.2 弯扭组合工况结果及分析
额定载荷及满载载荷各考虑六种情况。经分析发现工况相同的情况下出现应力集中的位 置是一样的。图 4 为额定载荷下部分工况应力图。具体应力最大值及对应位置见表 1。
左前轮轮心抬高 150mm
右前轮轮心抬高 150mm
Altair 2010 HyperWorks 技术大会论文集
基于 HyperWorks 的客车车身骨架的强度 分析与结构改进
郑冬黎 张兵 刘建平 张胜兰 湖北汽车工业学院 湖北十堰 442002
摘要：本文以 HyperWorks 软件为分析平台，对某 6 米长半承载式客车车身骨架进行多种
工况下的强度计算，由应力结果分析汇总可知，各工况下出现应力集中的部位大体一致，主 要出现在车身骨架顶盖横梁与侧围焊接处以及左右侧围后部连接乘客座椅断开梁处。对局部 部位进行加强及改进梁连接方式，改进后的强度大为改善。
弯曲工况
左后轮抬高 150mm 工况
图 5 弯曲、弯扭工况最大应力图
-4-
Altair 2010 HyperWorks 技术大会论文集
改进前
图 6 改进前后模型图
改进后
弯曲工况
左后轮抬高 150mm 工况
图 7 改进后接头处应力图
针对危险工况（左后轮抬高 150mm）的应力情况继续进行分析，此时最大应力产生在 左侧围骨架后排座下横梁与侧围横撑梁接头处，σmax=241MPa，如图 8 所示。
5 参考文献
[1] 张胜兰，郑冬黎，郝琪，李楚琳编.基于 HyperWorks 的结构优化设计技术（M）.北京： 机械工业出版社，2008
[2] HperWorks Help Documents , Altair Engineering [3]林松.客车车身改型设计有限元法的研究及应用[D].吉林：吉林大学，2002 [4]韩松涛.客车车身有限元计算中支承系统模拟的研究[J].天津汽车，2000（3） [5]刘鸿文.材料力学（第四版）[M].高等教育出版社，2004
客车车身骨架有限元模型如图 1 所示。共计 189576 个节点，188009 个单元。
-1-
Altair 2010 HyperWorks 技术大会论文集
图 1 带车架的车身骨架有限元模型
2 强度计算结果及分析
应用 HyperWorks 软件对车身骨架在弯曲、弯扭、刹车、转向、弯道制动等 5 种工况下 分别对额定载荷和满载载荷进行了强度分析。
关键词：HyperWorks，车身骨架，薄壁梁杆件，强度分析，结构改进
运用 HyperWorks 软件对某客车车身骨架进行了有限元建模，对 5 种实际模拟工况进行 了强度分析，旨在根据分析结果对其骨架结构进行改进设计以改善其应力。并为轻量化设计 提供参考依据。
1 车身骨架有限元模型的建立
所研究某半承载式客车的车身骨架由矩形薄壁梁杆件焊接而成，材料为Q235钢，车架 采用16MnL钢，MPa；该车最大载重质量 6500kg，整备质量3900kg；整车附件包括发动机、变速器、空调和油箱等；悬架为钢板弹 簧。通过分析，车身结构可以分解为顶、侧、前后、底和车架几个部分，在HyperMesh中 对各部分独立建模，然后再组合成车身整体的有限元模型。建模时的一些细节处理如下：
(4)载荷：分别 以额定和满载工况对车身骨架进行有限元分析，载荷主要包括车身自重、 人椅重量、顶部和后货舱货重；车身自重包括车身骨架、车架、顶板、地板、后座板及后货 舱板。用质量点模拟人椅重量，并将其施加在人椅重心处，用 RBE3 约束单元将其与车身 骨架连接，考虑满载时，过道上超载人的重量按均布载荷施加在过道上；顶部和后货舱货物 重量以均布载荷形式施加在相应位置，模拟载荷步中顶部和后货舱货重的超载系数均为 1.5， 其余按 1.0 设置。
表 2 改进前后最大应力表
左前轮抬高 右前轮抬高 左后轮抬高 右后轮抬高 左前轮右后轮 右前轮左后轮
弯曲工况
150mm
150mm
150mm 150mm 抬高 100mm 抬高 100mm
改进前 198MPa 202MPa 183MPa 218MPa 214MPa 213MPa
197MPa
改进后 138MPa 157MPa 141MPa 151MPa 156MPa 138MPa
其余刹车、转向、弯道制动工况的强度分析结果不在这里赘述，由计算应力结果分析汇 总可知，五种工况下出现应力集中的部位大体一致，主要出现在车身骨架顶盖横梁与侧围焊 接处以及左右侧围后部连接乘客座椅断开梁处。因此需对骨架结构进行优化改进。
3 改进设计
由上面各工况应力分析可知，除了个别高应力区域，车身骨架的整体应力较低。由此确 定了改进设计的思路：对应力集中区域进行结构优化，对整体可考虑减少材料实现轻量化设 计。
左后轮抬高 150mm
右后轮轮心抬高 150mm
图 4 额定载荷下部分弯扭工况应力结果
-3-
Altair 2010 HyperWorks 技术大会论文集
表 1 弯扭组合各工况最大应力及对应位置
工况
左前轮抬高 150mm 右前轮抬高 150mm 左后轮抬高 150mm 右后轮抬高 150mm 左前轮和右后轮同时抬高 100mm 右前轮和左后轮同时抬高 100mm
-5-
30×40×1.75mm
Altair 2010 HyperWorks 技术大会论文集 40×50×2.0mm
30mm×30mm×1.75mm
图 9 侧围横纵梁改进对比图
30mm×50mm×1.5mm
为增大接头处抗扭能力，在 T 型接头处加一厚 3mm 的加强板，如图 10 所示。
图 10 添加加强板后模型图 经分析计算，添加加强板后的应力图如图 11 所示。
由计算结果分析可知，额定工况的六种情况绝大部分构件的应力在 30MPa 以下。总体 来说，车身骨架的应力较低，只有个别应力集中的区域接近或超过材料 Q235 的屈服强度， 高应力区域主要出现在：顶盖横梁与侧围焊接处；左右侧围后部连接乘客座椅断开梁处。与 弯曲工况相比，弯扭工况六种情况的应力相差不多。除去上述高应力区域，车身骨架的强度 富有较大余量。
最大应力值 额定载荷 满载载荷 202MPa 249MPa 183MPa 230MPa 218MPa 266MPa 214MPa 248MPa 213MPa 247MPa 197MPa 197MPa
位置描述
顶盖第三根横梁与侧围右侧梁焊接处 顶盖第三根横梁与侧围右侧梁焊接处 顶盖第三根横梁与侧围右侧梁焊接处 顶盖第二根横梁与侧围左侧梁焊接处 顶盖第二根横梁与侧围左侧梁焊接处 顶盖第三根横梁与侧围右侧梁焊接处
(1)网格和焊接单元：采用 2D 壳单元进行网格划分，单元类型为四边形，单元大小为 15×15mm；车身骨架焊接处主要用重节点连接和 Rigid 单元连接两种方式来模拟[1][2]。
(2)车身附件的处理：发动机、变速器及油箱质量以质量点的形式模拟，并用 RBE3 约 束单元将质量点与车身骨架连接。
(3)悬架的处理：该客车为弹簧钢板式半承载悬架，采用刚性梁单元与弹簧单元组合的 形式来模拟钢板弹簧的力学特性[3][4]，其中刚性单元起导向作用，弹簧单元起缓冲作用。该 客车前钢板弹簧刚度为 125N/m，后钢板弹簧刚度为 195N/mm，弹簧单元在 1D-spring 中 建立，刚度值在属性中定义。
147MPa
-6-
Altair 2010 HyperWorks 技术大会论文集
4 总结
1）建立车身骨架有限元模型后，分析过程考虑弯曲工况、弯扭组合工况、刹车工况、 转向工况和弯道制动工况，以更准确地计算分析客车实际行驶的应力状况，分析得知扭转工 况是各种工况中最恶劣的工况。
2）通过多种工况的分析可知，出现应力集中的位置基本相同，均在车身顶盖横梁与侧 围焊接处和左右侧围后部断开梁处，除了几处高应力区域，车身骨架的整体应力较低 （<30MPa）。
3）对应力集中的几个部位进行结构改进或加加强板。车身骨架最大应力由 218MPa 减 少到改进后的 151MPa，其余应力均低于许用应力，应力集中不再突出；由于整体应力较低， 通过减小矩形薄壁梁厚度，车身骨架自重由 445.3kg 降为改进后的 400.53kg，自重降低了 约 10%，使该车的材料利用率得到提高，取得了良好的经济效益。
-7-
图 11 添加加强板后应力图
此时最大应力 σ max = 134Mpa ，低于材料许用应力。
另外，基于矩形薄壁梁杆件力学特性，对改进后的车身骨架部分梁进行了壁厚的减薄与 分析，通过提高单位质量刚度值 SME 实现车身骨架轻量化。分别从顶部骨架、侧围骨架、 底部骨架三方面进行减薄改进，总重量减少 44.77kg（约 10%），经有限元计算，强度和刚 度也得以保证。表 2 为改进前后最大应力比较，各工况下最大应力均低于材料许用应力。
2.1 弯曲工况计算结果及分析（图 2 图 3）
图 2 额定载荷弯曲工况计算结果
图 3 满载载荷弯曲工况计算结果
由计算结果可知，车身骨架最大应力值为额定工况 198MPa，满载 245MPa，超出 Q235
许用应力 [σ ] = 157 MPa，最大应力点均位于顶盖第三根横梁与右侧围焊接处，该位置出现
了明显的应力集中，这主要是由于接头位置采用直角过渡，连接处结构设计不合理造成的， 可以通过加加强板或增强接头处梁的板厚来减少该位置的应力水平。另外，左右侧围后部乘 客座椅断开梁处应力也较大，可通过改进该处的结构来减少该位置的应力水平。而其他位置 应力绝大部分都在 22MPa 以下。总体来说，弯曲工况下车身骨架的整体强度具有较大的余 量。
241MPa
图 8 接头处应力图 由于模拟弯扭工况，要找到应力较大的原因，经分析得知，此处应力集中主要由扭矩而 非弯矩造成，根据薄壁梁切应力公式[5]，增大截面尺寸和壁厚可降低切应力。将侧围横撑梁 尺寸由 30×40×1.75mm 改为 40×50×2.0mm.；将后座底部横梁尺寸由 30×30×1.75mm 改为 30×50×1.5mm，改进前后模型图如图 9 所示。