车身骨架强度分析

客车车身骨架疲劳强度分析

[周俊杰，严伊莉]

[郑州大学化工与能源学院，郑州450001]

[ 摘要] 运用有限元方法建立了某轻型客车车身骨架的有限元模型，在确定载荷的简化和施加方法后，进行了该车身骨架在满载弯曲工况下的有限元仿真，以此在ANSYS Workbench的

Fatigue（疲劳）模块对其进一步的疲劳分析，为该车车身骨架的优化设计和进一步研究

提供了理论依据。

[ 关键词] 车身骨架；有限元；疲劳分析

Fatigue strength analysis of bus body frame

[ZHOU Jun-jie, YAN Yi-li]

[School of Chemical and Energy, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001,China] [ Abstract ] Finite element modeling of the bus framework is established by using finite element methods. When the simplified load and load way exerting on the framework are

ensured，the finite element simulation of bus framework is executed under fully loaded

bending condition. And then further fatigue analysis with ANSYS Workbench Fatigue

finishes. These results provide theoretical basis for optimization and further study of the

bus framework.

[ Keyword ] Bus framework；Finite element analysis；Fatigue analysis

1前言

车身骨架是客车的主要承载结构，车身骨架的强度、刚度及疲劳性能都直接影响着客车的使用寿命、安全性、操作稳定性等基本性能。本文运用通用有限元分析软件对某

客车车身进行了准静态疲劳强度分析，为该车车身骨架的优化设计和进一步研究提供了理论依据。

2车身骨架几何模型的建立

在建立几何模型时主要进行了以下简化措施[2]：（1）略去车身骨架蒙皮及非承载件，如挡风窗玻璃、车门、座椅等。（2）不考虑发动机组、燃油箱、空调机组等，只简化为集中载荷添加到模型中对于位置。（3）对车顶及侧围部分的一些曲率较小的构件近似看作直梁来处理。（4）整个客车骨架结构存在大量的纵横梁交叉连接处，对于这些接头位置的焊接连接采用合并节点的形式进行模拟。建立好几何模型如下图1所示。

图1 客车车身骨架几何模型

3车身骨架有限元模型建立

3.1单元的选取

该客车车身骨架结构大都是通过薄壁杆件以及薄板冲压件焊接组装而成，同时为了后面ANSYS Workbench中疲劳分析的便利，建模时选取壳单元为模型单元类型。

3.2网格划分

通过计算网格尺寸为15，20，30，40时的车身骨架模型，分别得到不同网格数下最大应力、最大位移比较，最后确定的网格尺寸为30mm。该模型大部分结构采用四边形单元划分；对于几何形状较复杂的区域采用了三角形单元离散，以充分利用三角形单元的适应性强的优点。划分好的模型节点为51882个；单元为53996个。

3.3载荷的处理及边界条件

（1）载荷处理

模型客车车身骨架所承受的载荷包括自重、集中载荷和均布载荷，载荷可按如下方式处理：客车骨架的自重在ANSYS Workbench中定义材料属性时输入材料的密度，

在施加载荷时输入重力加速度，注意重力加速度方向应竖直向下；集中载荷一般是外部载荷作用的范围较小，近似等价为集中作用于一点的载荷。比如，发动机、燃油箱、机组空调等载荷，这些载荷都可以以集中载荷的形式添加在对应的质心位置。均布载荷一般是指外部载荷作用在结构上一定的面积或长度上，比如司机、乘客的载荷等。具体载荷质量及加载位置如表1所示。

表1 客车各零部件重量以及位置坐标

序号部件质量（kg）位置坐标

1 发动机320 -990,0,300

2 油箱及燃油系统120 1260,760,-250

3 空调及压缩机200 -

4 前钢板簧50 0,470,-180；

5 后钢板簧50 3300,470,-260；

6 备胎50 4600,0,-290

7 前桥320 0,0,-370

8 后桥400 3300,0,-440

9 离合器20 -660,0,160

10 变速箱96 -310,0,90

11 乘客人数2550 -

12 司机65 -

（2）边界条件

本文考虑的是准静态下的疲劳分析，故此处边界条件即满载弯曲工况下的约束：约束前、后轮与车桥相连的位置处，总体上约束6个方向的自由度。

4满载弯曲工况有限元分析

疲劳分析是基于结构的有限元分析结果，结合载荷变化历史和材料的疲劳参数，应用相应的疲劳累积损伤模型来预示结构的疲劳寿命。因此进行疲劳分析前首先需要一个有限元计算的结果。本文以满载弯曲工况为例，使用的模型约束及加载情况详细如前面所述，经计算，其结果云图，如图2~3所示。

图2 整车骨架变形云图图3 整车骨架应力云图

由以上云图可知，车身骨架大部分区域应力较低，但有部分骨架结构连接处出现了较大的应力，如底架前中部（发动机前置原因）以及车身右侧骨架前、后门处主要是右侧骨架两个开口结构的影响，局部最大应力（应力集中）分别达到198.1MPa及174.56MPa ；最大变形位置发生在车身底架前中部，为8.0721mm。

5车身骨架疲劳分析

5.1车身骨架准静态疲劳分析

疲劳寿命可定义为由于循环载荷导致裂纹产生及扩展，最后因裂纹导致构件最终被破坏。疲劳分析使用累积破坏法，根据应力或应变时间关系曲线图来估算疲劳寿命。

CAE疲劳分析是以结构有限元分析结果为基础的，通过结构FEA求构件的应力分布，判断构件的疲劳危险部位，并结合疲劳载荷谱和材料应力疲劳周期（S-N）曲线来进行疲劳分析。本论文客车车身骨架采用材料Q235，如图4所示，为Q235的S-N曲线。

图4 Q235钢S-N曲线

在有限元计算结果基础上加载了材料的S-N曲线，就可以对车身骨架进行疲劳分析。以材料的S-N曲线为参考，在进行总体寿命分析时将零部件内所有点的应力应变信息和材料的S-N数据结合，求得每一点的疲劳寿命，并对整车结构的疲劳情况进行评估。在ANSYS Workbench Fatigue模块中，输入疲劳分析的制定参数，分析后的结果，如图5~6所示。

图5 车身骨架循环次数图图6 疲劳分析结果局部图