基于Hypermesh的客车车身有限元分析沈兵，靳春宁，胡平大连理工大学汽车工程学院，大连（116024）E-mail：279987329@摘要：有限元方法和理论对现代车身设计具有重要的实际意义。
综合现有的建模方案，提出了用壳单元建立有限元模型的方法；针对三种工况，应用有限元软件Hypermesh对模型进行后处理，找出了应力、位移分布情况；对轻量化设计提供了可靠的依据。
关键词：客车车身；壳单元；有限元分析中图分类号TG404；TH114；TB1151. 引言当前国内对客车车身的有限元建模方法大致有三种，即采用梁单元、壳单元和体单元。
采用梁单元可使计算量大大降低，但由于简化太多，导致一些关键受力截面无法正确表达，使得可信度不高，很难起到指导作用。
采用体单元构建的客车骨架跟现实情况很接近，但建模时间太长，不宜采用。
而壳单元弥补了梁单元与体单元的不足，是比较理想的建模方法。
本文正是采用壳单元构建了客车车身模型，并按照实际使用条件进行车载负荷计算，对车体进行结构分析。
2.模型的建立目前UG具有强大的曲面造型功能，在航空和汽车行业应用非常广泛；而Hypermesh 是世界上领先的有限元前后处理软件，它与UG等许多软件都有良好的接口。
本文采用UG 对客车车身进行何造型设计，然后在Hypermesh中进行网格划分以及前后处理工作。
车架的实际工况复杂多变，建立有限元模型时对CAD模型的简化是十分必要的。
其原则是：最大限度地保留零件的主要力学特征；将小面合并成大面，并且相邻面应共用一条轮廓线，以保证各个面上划分出来的网格在边界处是共用节点，避免在边界处出现节点错开的现象。
具体的简化如下：（1）忽略非承载件。
有些部件（如保险杠、踏板支架等）是为了满足构造或使用上的要求而设置的，对于分析车身模态影响很小，这里将其忽略掉。
（2）忽略蒙皮、玻璃等附件。
（3）忽略圆角以及梁截面形状的简化。
考虑到圆角对网格计算的来说比较费时，将模型中的圆角忽略掉；本文中梁简化成矩形钢和槽型钢。
图1圆角的忽略（4）相邻节点的合并。
在进行网格划分时把小于一定距离的节点合并，以减小方程的阶数，改善刚度矩阵的状态和减少数字敏感的可能性。
图2 某客车车身骨架有限元模型3. 工况分析客车在实际行驶中，作用在车架上的载荷变化是很大的，其受力是也很复杂的，如弯曲、扭转、制动、转向、单边牵引等。
[1]从实践经验看，其中对车身强度影响最大的就是弯曲、扭转和制动三个工况。
其它工况对车身强度和使用寿命的影响程度相对较小。
对车架进行静力分析的目的是为了计算其在最大载荷作用下的变形与应力，以便进行强度和刚度的校核。
因此，应对车架可能承受的最大载荷进行分析，本文采用 3 种不同工况进行了计算分析。
3.1 弯曲工况客车在静止时，车架只承受弹簧以上部分的载荷，它是由车架、车身的自身重量、装在车架上各总成与附近的质量所受的重力组成，其总和称为车架的静载荷。
汽车在平坦道路上以较高车速行驶时，路面的反作用力使车架承受对称的垂直载荷，它使车架产生弯曲变形，其大小取决于作用在车架上各处的载荷。
弯曲变形是衡量客车车身承载度的一个重要评价方法，用弯曲刚度来表示。
所谓弯曲刚度是指车身在垂直下的纵向张力，其表示式为：[2]222()6W a x L a x EI ly−−=i i (1)其中，W ：集中载荷；L ：轴距；x ：支点到测点的距离；y ：挠度；a ：支点到加载点的距离。
车身应当有足够的弯曲刚度，以保证汽车在行驶时车身的整体变形最小和各部件的相对位置基本保持不变。
根据载荷（包括动力总成，乘客及其他）在客车上的实际分布位置，将其分别施加到有限元模型相应的节点上。
约束具体情况是：约束右前悬架支撑点的三个方向的移动自由度，约束左前悬架支撑点的X 、Z 方向的移动自由度，约束右后悬架支撑点的Y 、Z 方向的移动自由度，约束左后悬架支撑点的Z 方向移动自由度。
图3 弯曲工况约束条件3.2 扭转工况汽车在凸凹不平的路面的行驶时，汽车的4个车轮可能不在同一平面内，从而使车架连同车身一起倾斜，这种工况使车架承受斜对称载荷，它使车架产生扭转变形。
扭转刚度是反映车身抵抗扭转变形的主要参数，扭转刚度的计算方法如下：[3](2)T LK θ=Δi 其中，T ：作用在车身上的扭矩；L ：轴距；△θ：前后轴中心线对应处的相对扭转角。
本文分别考虑右后轮、右前轮被抬高时车身的扭转变形。
加载同弯曲工况，约束需要分别释放右后、右前悬架支撑点的约束。
3.3 制动工况假设汽车以80km/h 的速度行驶在普通沥青路面上（附着系数φ＝0.75），制动时前后车轮同时抱死。
由于本例车架模型并不包括车轮，所以需要对车架模型进行等效处理。
下图是车轮与板簧的受力示意图：图4 车轮与板簧受力示意图地面制动力是以制动力矩的形式施加在车轮上的，而车轮又由吊耳销传递给车身。
此时车轮对车身的作用力可由地面制动力与相应簧下质量惯性力之差（F ）表示；车轮对车身的作用力矩可以由F 对车轮的力矩与前后吊耳销的附加作用力（F △）构成的力矩之和表示。
[4]用公式表达为：(3)Xb dF F F =− (4)Xb F RF S Δ=i (5)Xb F R F h F S=+Δi i i 其中，F Xb ：地面制动力；F d ：制动时簧下质量惯性力；R ：车轮半径；S ：前后吊耳销间距；h ：吊耳销中心距车轮中心的垂直距离。
加载方式除了弯曲工况所需载荷之外，还要在吊耳销处施加F △和F ；约束的施加方法同弯曲工况。
４ 数据分析研究表明，客车底架承受了车身弯曲总应变能的四分之三以上，本文中的客车底架仍然是主要的抗弯部分。
因此，这里采用分析底架纵梁的弯曲变形来评价车身的弯曲工况。
为了具体描绘底架纵梁的变形，根据其具体的结构分布将纵梁分成六段，抽取相应节点，分别记录它们的挠度。
如表1所示：表1 弯曲工况客车底架左右纵梁的挠度第一段第二段节点编号挠度(mm) 节点编号挠度(mm)左纵梁165398 40.92 159296 27.45右纵梁163393 42.7 631770 27.5第三段第四段节点编号挠度(mm) 节点编号挠度(mm)左纵梁165592 7.531 320747 4.696右纵梁633017 7.97 608825 4.796第五段第六段节点编号挠度(mm) 节点编号挠度(mm)左纵梁673755 4.213 322039 11.84右纵梁612372 5.551 376026 13.02图5 弯曲工况底架位移云图弯曲、扭转、制动工况的相应部位的最大应力值如表2所示：表2 车身各部位在不同工况下的最大应力弯曲工况扭转（右前轮悬空）工况节点编号最大应力（MPa）节点编号最大应力（MPa）前围168964 5.825 310195 125.8 后围179302 6.631 244950 102.3 左侧围191772 29.96 132299 98.25 右侧围197736 28.91 39336 153.4 顶盖79149 14.68 203508 78.65 底架341976 42.7 42092 167.77 扭转（右后轮悬空）工况制动工况节点编号最大应力（MPa）节点编号最大应力（MPa）前围301912 99.22 133937 14.25 后围246342 117.36 178779 19.2 左侧围118761 88.02 193782 88.76 右侧围99406 147.3 236985 79.4 顶盖113527 67.68 106555 99.3 底架58679 142.51 298114 135.26通过计算可以看出各个部分都处于安全状态，该车局部应力应变较大，特别是后轮后地板横梁、地板梁与车架纵梁连接部位，以及后轮前后牛腿、地板梁与侧围连接处。
这主要是由于该车是后置驱动，后部载荷较大。
但都小于屈服极限，证明该车设计的是合理的。
５.结论（1）本文采用板壳单元建立客车车架的有限元模型，通过三种不同工况的分析，反映出了车架变形和应力分布状况，可以看出该车架的结构设计还是比较安全的。
（2）由于本文未考虑蒙皮的影响，并且加载状况较简单。
若要进一步得到更加准确的分析结果，还应增加蒙皮。
加载也应该进一步贴近情况。
参考文献[1] 余志生．汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2006.5.[2] 冯国胜，杨绍普．车辆现代设计方法[M].北京：机械工业出版社，2006.[3] Hailiang Wang, Xianlong Jin and Zhongqin Lin, FEA Static and Dynamic Analysis of the Body Structure of SK6120 Low Floor City Bus, SAE Paper 2002-01-0813.[4] 吴诰珪，吴湘燕．客车车有限元强度分析载荷条件的确定 [J]．机械工程学报，1997．Finite Element Analysis of Bus Body Based on theHypermeshShen Bing, Jin Chun Ning, Hu PingSchool of Automotive,Dalian University of Technology, Dalian, PRC, (116024)AbstractFinite Element Analysis is of great importance to modern automobile designing. We proposed the method of using shell to build FE model according to three existing ways. The static and breaking analysis were performed in Hypermesh, which provided the evidence for lightweight design. Keywords:bus body; shell; Finite Element Analysis作者简介：沈兵，男，1984年生，硕士研究生，主要研究方向是汽车CAE、UG二次开发。