大客车车身结构强度及刚度分析
作者：斯彩霞杨绪红
近年来，随着城市公共交通的不断发展，在经济发达、城市化水平高的大型及特大型城市对大型城市公交客车提出了更高的要求。

对于国内的大客车而言，道路行驶条件较为严峻，通常为B级或C级路面。

客车在高低不平、崎岖起伏的道路上行驶时，整个车身骨架会产生成为车架强度主要问题的反复约束扭转应力。

因大客车车身是由空间骨架、抗弯薄板、壳体和应力蒙皮等构成的空间高次超静定结构。

各杆件结构形状各异，而且杆件之间的连接也是多种多样,骨架受力情况比较复杂，难以用经典的理论方法进行研究。

本文运用有限元方法和电测量技术对某白车身结构进行了研究，并对构件的形状、布置以及板材厚度等影响进行了分析，通过反复模拟计算，设计出满足车身刚度和强度等性能要求的轻量化结构。

1 模型的建立
1.1 车身骨架模型
（1）整体坐标系的建立，以通过前轴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Z轴的正方向；由右手定则确定Y轴。

（2）本文应用ANSYS程序及车身结构模型化方面成功的
经验，选取某半承载框架式结构的大客车为研究对象，该
车整个骨架由矩形钢管以及钢板冲压件通过焊接而成。

建立模型时取各构件之间的连接点、集中载荷的作用点作为有限元计算模型的节点。

根据模型的简化原则，样车车身骨架被划分为1281个长度不等，截面形状各异的单元和783个节点，见图1。

1.2 车身有限元计算时载荷的处理
（1）对于车身骨架的自重，在软件前处理程序中输入骨架
材料密度和重力加速度，程序便根据所输入的单元截面形状、实常数自动将单元载荷因子的信息计入总载荷，进行计算。

（2）对乘客和座椅质量分别在相应受力点上施力。

对于车
窗玻璃质量，考虑窗框质量，取系数k=1.2，以均布载荷的形式加到车身骨架腰梁的相应单元(构件)上。

对于底盘各总成质量，以静力等效的原则按实际位置以集中载荷施加。

（3）车架的两根纵梁均为开口薄壁结构，截面形心和弯曲
中心不相重合。

如图2所示，取弯心轴OL为X轴，按右手坐标系建立单元局部坐标系OXYZ，形心坐标系C，这时单元杆的轴线即为截面弯心的连线，而杆单元上的作用载荷P1、P2等在向节点处的简化时，有一个对纵梁产生扭转的附加
局部扭矩。

1.3 车身有限元计算时工况的选取
1.3.1 弯曲工况
整车处于水平满载状态，施加垂直方向上的载荷，模拟客车正常行驶情况。

1.3.2 弯扭工况
对于弯扭工况的选取有以下几种方案：
（1）选取一前轮上升200mm，并且一后轮下沉200mm；（2）选取两前轮或两后轮上升或下降240mm；
（3）选取一车轮下降240mm或完全悬空。

对于方案（1），由于实验条件所限，难以实现，方案（2）没有第一种和第三种恶劣。

所以在实验和模型计算过程中均采用方案（3），由于样车发动机后置，后轮悬空比前轮悬空工况恶劣得多，取左后轮悬空为弯扭工况。

2 计算结果及分析
2.1 强度分析
弯曲工况下车身骨架的应力水平较小，应力值大于50MPa 的单元数目为49个，仅占单元总数的3.66%。

最大应力为101.4MPa，其位于中门后第一级台阶横梁。

同时整车应力集中区域主要有：
（1）前门立柱上半部的附近区域；
（2）中门立柱上半部的附近区域；
（3）前后悬架与车架和底架相连处的附近区域。

整车平均应力水平由计算结果估计大约在18MPa左右。

在满载左轮悬空的弯扭联合工况下，车身骨架的应力水平比
弯曲工况下的应力水平要高得多。

但是应力值大于50MPa 的单元为116个，仅占单元总数的8.66%。

最大应力为122.49MPa，其位置位于中门门楣的上一根门楣梁。

整车平均应力水平由计算结果估计大约在30MPa左右。

应力集中区域主要有：
（1）中门立柱附近区域；
（2）车身左侧围上与中门相对的立柱、上边梁区域；
（3）车身左右侧围上的各窗立柱。

考虑到客车行驶过程中的动载荷、疲劳及材料缺陷引起的应力集中等问题，取安全系数为1.5，则对于骨架材料Q215A 钢而言，许用屈服应力[σ]= 143.3MPa。

可以看出，在弯扭工况下，即使是最大应力也未超过许用应力。

左后轮悬空是最恶劣的工况，但在汽车实际行驶过程中很难遇到。

2.2 刚度分析
剔除由于悬架的变形而造成刚体平移的因素，总体上车身骨架的变形量相对较小。

对于车身刚度而言，从整体结构考虑，门窗对角线变形大小尤为重要。

从整理的弯曲工况下车身骨架变形网格图和计算结果可以看出，弯曲工况下各门窗对角线位移均较小，其对角线的变形量最大绝对变形量为
4.65mm，位置在前门。

最大相对变形量为0.2%，其位置亦在前门。

从弯扭工况下车身骨架变形网格图和计算结果中可以看出
在弯扭工况下，各门窗对角线位移明显增加，其对角线最大绝对变形量为22.8mm，位于后围挡风玻璃窗。

最大相对
变形量为1.1%，其位置亦在后围挡风玻璃窗。

左侧围的
窗对角线变形量均明显大于右侧围相应的窗对角线变化量。

但总体而言，本模型车身骨架的刚度较好，对角线的变形程度尚不会影响门的开启及损坏风窗玻璃。

3 实验结果及分析
本次实验测试了车身满载弯曲工况、左后轮悬空扭转工况，以验证计算模型的可行性。

实验过程严格按照国家客车车身应力测试标准。

现对实验测得的结果分析如下。

3.1 刚度分析
弯曲工况下车身骨架各开口处对角线的相对变形量较小，其中右三窗的窗对角线长度的长度变化量最大，前乘客门和左六窗的对角线长度变化量次之。

弯扭工况下开口比较大的区域依次排列如下：前后风窗结构、车门结构、司机窗结构、左右侧围结构。

前后风窗开口大且只靠左右立柱加强，显然是薄弱之处。

3.2 强度分析
在弯曲工况下，应力较大的部位位于中门后柱及右四窗前后立柱上以及中门附近底架上。

最大应力值为-41.07MPa，位于右上边梁与右四窗前柱相连处下表面。

在扭转工况下，应力集中的地方主要在中门立柱、门楣，还有中门附近的窗柱与上边梁和腰梁的连接处，以及其左侧围相应的窗立柱的上下端，其总体应力水平有所偏大。

满载扭转工况，左后轮下沉情况，最大应力位于右上边梁与中门后立柱相连处下表面，为-118.9MPa。

应力值超过50MPa处有15处。

4 结束语
采用有限元分析结合试验研究分析车身结构，是一种行之有效的方法，它能提供足够准确的车身刚度特性以及整车结构应力分布的大致规律，为设计工作提供了有价值的结构整体分析数据。

从原模型计算结果和试验结果都可以看出：该车身骨架的高应力区共有3个部位：
（1）中门立柱附近区域；
（2）车身左侧围上与中门相对的立柱、上边梁区域；
（3）车身左右侧围上各窗立柱。

计算出的结果、趋势和试验所测的结果、趋势基本一致。

由计算结果知，该车在弯曲和弯扭工况下，骨架的变形和应力均较小，表明该车在静载下满足强度和刚度要求；在弯扭两种工况下，车身骨架的各单元的应力也未超过许用应力，表明该车车身结构能满足使用要求。

但与以往大客车车身骨架应力水平值相比较而言，该车的最大应力仍偏高，若考虑
超载等因素，会使车身骨架结构最大使用寿命缩短，出现结构的早期破坏。

该车车身骨架主要承载构件没有形成封闭抗剪环，是车身骨架结构的主要缺点之一。

由计算结果可以看出，在弯曲和弯扭两种工况下，应力主要集中在中门附近的左右侧围的窗立柱上。

但若将车窗立柱的截面沿X方向的尺寸加大, 其应力水平明显下降。

这表明中门附近两侧是整个车身骨架中比较薄弱的部位。

新车型加大了门立柱的尺寸,使中门附近的应力有所改善。

但是单纯用加强立柱的方法虽能使该区域的应力下降,却使别的地方的应力增大,产生负面影响。

而且，计算
结果表明，加大了立柱尺寸后，车型车门和车窗立柱上应力应变仍居高不下。

因此通过改进模型计算所得到的结果表明：根本解决方法是从整体考虑，重新构造剪力封闭环；仔细调整前后围与车身骨架其他各片之间的连接方式；增大上边梁、腰梁的尺寸；实现整体承载，增加车身骨架的刚度和强度。