汽 车 车身设计第八章 汽车车身结构的有限元计算方法
概念车身结构的有限元分析
概念车身结构的有限元分析迟瑞丰;母德强;王金武【摘要】主要阐述了概念设计阶段某款轿车结构的有限元分析过程，建立该车的有限元模型，采用简化的梁截面进行模拟并计算了截面的力学参数，根据接头的力学特性，计算了5个主要的接头刚度，并利用弹簧单元和刚性单元模拟了接头。
计算该车的扭转刚度、弯曲刚度和模态，并与详细设计进行对比和分析，研究表明：仿真结果与详细设计结果基本接近，能够比较准确地预测整车的性能。
%The finite-element analysis process of a car body at concept design phase is discussed .We build the finite-element model of the car body ,calculate the Mechanical parameters with the simplified beam section and the stiffnessof five main joints according to the mechanical feature of the joints ,and simulate the joints with spring and rigid elements .The torsional and bending stiffness and modes of the car are calculated ,which are compared with the detailed design results ,and the it is showed that the simulation is reasonable and can be used to predict the performance of car body .【期刊名称】《长春工业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】5页(P366-370)【关键词】车身结构;概念设计;扭转刚度;弯曲刚度;模态【作者】迟瑞丰;母德强;王金武【作者单位】长春工业大学机电工程学院，吉林长春 130012;长春工业大学国际教育学院，吉林长春 130012;长春工业大学机电工程学院，吉林长春 130012【正文语种】中文【中图分类】U463.820 引言车身结构概念设计是车身设计过程中的一个重要环节［1］，在设计初期对车身结构进行快速预测，不仅可以整体把握车身结构的性能，而且可以避免在详细设计阶段可能出现的问题，为详细设计提供可行的设计方案。
汽车有限元法概述
汽车有限元法概述有限元法（Finite Element Method，FEM）是一种工程数值分析方法，广泛应用于汽车工程领域，用于模拟和预测汽车结构在受力下的行为和性能。
本文将对汽车有限元法进行概述。
有限元法的基本原理是将连续结构离散化为有限个子结构，每个子结构称为有限元。
每个有限元内的应力和变形可以用简单的方程表示。
通过求解这些方程，可以推导出整个结构的应力和变形情况。
汽车有限元法主要有以下几个步骤：1.建模：将汽车的零部件、结构和系统进行建模，将其分割成有限元。
这个过程需要根据实际情况选择适当的网格划分和元素类型。
常见的元素包括线元素、面元素和体元素。
建模的准确性和合理性对于后续的分析和计算结果具有重要影响。
2.边界条件：确定模型的边界条件，包括支撑条件和外部加载条件。
支撑条件包括固定支撑和弹性支撑。
外部加载条件包括重力、加速度、风压等。
准确描述和设置边界条件是模拟计算的关键步骤。
3.材料特性：为每种材料分配相应的材料特性参数。
常见的材料特性包括弹性模量、泊松比、材料密度等。
这些参数将决定材料在受力下的行为和响应。
4.模拟计算：利用有限元软件对建模后的汽车结构进行计算和模拟。
通过求解每个有限元的位移和应变，再结合材料特性进行力学分析，得到汽车结构在受力下的应力和变形情况。
5.结果评估：根据计算得到的应力和变形结果，对汽车结构的强度、刚度、耐久性等性能进行评估和分析。
如果发现问题或不合理现象，可以进行模型修正和参数优化，以提高结构的性能。
在汽车工程领域，有限元法主要应用于以下几个方面：1.结构强度分析：通过有限元法，可以对汽车结构的强度进行评估和分析。
例如，分析车身在碰撞时的变形情况，以及主要部件在受力下的应力情况。
2.动态响应分析：有限元法可以模拟汽车在动力加载下的振动和动态响应情况。
例如，模拟车辆在行驶过程中的悬挂系统振动，以及发动机振动对车身的影响。
3.疲劳寿命评估：通过有限元法，可以分析汽车结构在复杂工况下的疲劳寿命。
《车辆有限元》课件
02
车辆结构有限元分析
车辆结构有限元模型的建立
模型简化
01
在建立有限元模型时，需要对车辆结构进行适当的简化，忽略
对整体分析影响较小的细节。
网格划分
02
根据车辆结构的几何形状和受力特性，选择合适的网格类型和
大小进行划分。
边界条件和载荷施加
03
根据实际情况，对模型施加约束条件和外部载荷，以模拟车辆
的实际工作状态。
多物理场耦合
将车辆有限元与其他物理场（如 流体、电磁等）进行耦合，实现 更精确的多物理场分析。车辆有限元的未来趋势来自01跨学科应用
将车辆有限元与其他工程学科（ 如生物医学、航空航天等）进行 交叉融合，拓展应用领域。
云端计算
02
03
定制化设计
利用云计算技术，实现大规模有 限元计算的分布式处理和资源共 享，提高计算效率。
05
车辆有限元的未来发展
车辆有限元的最新技术
高效求解算法
随着计算能力的提升，更高效的 求解算法不断涌现，如多重网格 法、区域分解法等，能够更快速 地解决大规模有限元问题。
智能化分析工具
利用人工智能和机器学习技术， 开发出能够自动识别和分析有限 元模型中的关键参数和特征的智 能化工具，提高分析效率。
04
车辆性能有限元分析
车辆动力学性能有限元分析
总结词
通过建立车辆动力学模型，利用有限元方法对车辆在不同工况下的动态响应进行分析， 评估车辆的操控稳定性、行驶平顺性和安全性。
详细描述
车辆动力学性能有限元分析主要研究车辆在不同行驶条件下的动态响应，包括对操控稳 定性、行驶平顺性和安全性的评估。通过建立详细的有限元模型，可以模拟和分析车辆 在不同路面、不同行驶速度和不同载荷下的动态行为，为车辆设计和性能优化提供依据
汽车结构有限元分析汽车结构有限元分析实例
模态分析不考虑外力和阻尼，仅从质量和刚度 的平衡来求特征值和振动模态。与静态分析不 同，模态分析分为自由模态与约束模态。自由 模态可以不施加约束，此时有六阶刚体模态， 刚体模态对应零频率。
合理的车身模态分布对提高整车
单元选择的准则是基于对结构受力状态分析与 单元属性的理解。
汽车结构模型化
2》汽车结构模型化准则 （1）用准确的力学组件构造模型 杆、梁、板壳与实体是构造模型的主体，要根据结构
的受力状况，选择合适的力学组件，既要反映结构受 力特点，又不必片面追求高级组件，尤其是不要一切 都用三维实体建模。 （2）用适当的规模构造模型 计算网格密度、分析精度和分析时间之间的平衡。 （3）施加正确的载荷与边界条件 载荷准则； 标准载荷，标准载荷使得各分析计算结果具有可比性。 边界条件与支承条件 （4）避免结构约束不足形成机构
板、梁、实体混合单元的车架计算模型。 悬架系统采用等效方式建模 。
轻卡车架模型 与中卡车架模型
---know-what ---know-how---know-why---
以上实例说明，汽车结构有限元强度 分析问题，需要完成一系列的工作，并不 仅仅是建模本身一项。首先要了解汽车构 造，确定承受载荷，完成约束分析，通过 逐步细化建立有限元模型，进而分析结构 应力，预测应力分布趋势，同时要使改进 设计符合制造工艺要求，帮助确定最终设 计方案。
汽车结构设计准则与目标
结构分析可以划分成几个阶段，各阶段有不同的设计 目标。
◇概念设计阶段建立相应的设计目标； ◇详细设计阶段达到相应的设计目标； ◇样车制作阶段验证整车的性能并且分析设计中存在
问题； ◇产品制造阶段验证设计和改进产品。
汽车结构有限元分析
汽车结构的常规有限元分析本文介绍了与产品研发同步的5个有限元分析阶段，阐述了有限元模型建立过程中应注意的问题，简单介绍了汽车产品的4种常规分析方法，建立汽车设计标准的方法，以及3个强度分析范例。
范例1说明了有限元分析应注意的内容，范例2和3介绍了“应力幅值法”在解决汽车车轮轮辐开裂和汽车发动机汽缸体水套底板开裂问题的应用。
汽车是艺术和技术的结合。
一辆好车的主要特点是造型美观、有时代感、结构设计合理、轻量化、材料利用率高，车辆性能先进并且满足国家法规、标准和环保的要求，质量可靠、保养方便、低成本、用户满意、满足市场需求等。
在竞争日益激烈的汽车市场，汽车性价比已经成为市场竞争的焦点。
采用有限元的常规分析技术，用计算机辅助设计代替经验设计，预测结构性能、实现结构优化，提高产品研发水平、降低产品成本，加快新产品上市。
1. 与产品研发同步的5个有限元分析阶段在汽车产品研发流程中，一般有如下5个同步的有限元分析阶段：第0阶段：对样车进行试验和分析；第1阶段：概念设计阶段的分析；第2阶段：详细设计阶段的分析；第3阶段：确认设计阶段的分析；第4阶段：产品批量生产后改进设计的分析。
有限元分析在产品研发的不同阶段有不同的分析目的和分析内容。
有限元分析和试验分析是互相结合和验证的。
在详细设计阶段，有些汽车公司对白车身和成品车车身都进行有限元分析，有些汽车公司只对白车身进行有限元分析。
2. 有限元分析的关键环节――建立合理的有限元模型有限元模型的建立是有限元分析的关键环节。
通过力学分析，把实际工程问题简化为有限元分析的问题，提出建立有限元模型的具体意见和方法，确定载荷和位移边界条件，使得有限元分析有较好的模拟（仿真）效果。
前处理自动生成的网格可能存在问题。
建立有限元模型的好坏直接影响计算结果的误差和分析结论的正确性。
在结构的几何图形上，划分有限元网格是建立有限元模型的主要内容之一。
在用有限元分析的前处理自动生成网格时，特别是用常应变单元自动生成有限元网格时要非常注意，有可能存在问题，应引起注意，必要时加以改进。
长安大学汽车结构有限元分析
汽车结构有限元分析一：有限单元法的思想：从数学角度看，其基本设想是通过离散化的手段，将偏微分方程或者变分方程变换成代数方程求解。
从力学角度看，其基本思想是通过离散化的手段，将连续体划分成有限个小单元体，并使他们在有限个节点上相互连接。
在一定精度要求下，用有限个参数来描述每个单元的力学特性，整个连续体的力学特性可以认为是这些小单元体的力学特性综合，从而建立起连续体的力的平衡关系。
二：有限元方法的应用：整车及零部件的强度疲劳寿命分析；整车及零部件刚度分析；整车及零部件的模态分析；汽车NVH分析；整车碰撞安全性分析；设计优化分析；气动或者流场分析；热结构耦合分析。
三：汽车结构有限元分析的流程：1、将连续分割成有限大小的区域:，这些小区域即为有限单元，单元之间以节点相连。
2、选择节点的物理量，如位移、温度作为未知量，对每个单元假设一个简单的连续位移函数来近似模拟其唯一分布规律3、利用有限单元法的不同解法，如根据虚功原理建立每个单元的平衡方程，形成单元性质的矩阵方程。
4、将各个单元在组装成原来的整体区域，建立整个物体的平衡方程组，形成整体刚度矩阵。
5、引入边界条件，即约束处理，求解出节点上的未知数。
四：弹性小挠度薄板弯曲基本假设：1、变形前垂直于中面的法线在变形后仍是弹性曲面的法线。
2、板厚方向的位移沿板的厚度是不变的，与中面的ω一致。
五：总刚度矩阵的性质：1、对称性2、稀疏性3、带状分布4、奇异性证明∑X=0∑Y=0结构处于平衡【边界约束前具有1-4的性质约束后有1-3的性质】六：什么叫等参单元等参单元有何优点和特点等参数单元简称等参元就是对单元几何形状和单元内的参变量函数采用相同数目的节点参数和相同的形函数进行变换而设计出的一种新型单元。
优点1、形函数用局部坐标表示2、局部坐标与直角坐标变换通过几何参数表达3、坐标变换几何参数量与形函数节点参数数量相同4、各类等参数单元构造方法相同。
七：什么是模态分析模态分析是研究结构动力特性一种近代方法是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。
车辆有限元PPT课件
安徽农业大学
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汽车结构有限元分析及应用
2）详细设计阶段（车身）
•车 身 强 度 刚 度 及 灵 敏 度 分 析 •截 面 与 接 头 分 析 •开 闭 件 的 强 度 刚 度 分 析 •车 身 附 件 的 强 度 刚 度 分 析 •模 态 分 析 及 频 率 响 应 分 析 •N V H 分 析 •安 全 性 分 析 •耐 久 性 分 析
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结构分析有限元法的实现
网格尺寸大小
安徽农业大学
网格大小对计算精度和速度有重要影响 原则： 在保证计算精度的情况下，采用尺寸大的网格划分方法
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结构分析有限元法的实现
网格形状
网格形状的优劣对计算精度有重要影响
安徽农业大学
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结构分析有限元法的实现
2、节点位移约束
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绪论
（5）程序面向用户的开放性
安徽农业大学
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绪论
4、有限元分析的典型步骤
安徽农业大学
•连续体的离散化 •选择位移模型 •用变分原理推导单元刚度矩阵 •集合整个离散化连续体的代数方程 •求解位移矢量 •由节点位移计算出单元的应变和应力
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绪论
安徽农业大学
1、汽车结构设计准则与目标 2、汽车结构有限元建模 3、单元选用及网格划分 4、边界约束条件处理 5、受力分析与载荷处理 6、汽车结构有限元分析指南
安徽农业大学
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汽车结构有限元分析及应用
1、汽车结构设计准则与目标
安徽农业大学
（1）汽车结构设计涉及的内容 （2）汽车结构设计目标 （3）汽车结构设计准则
客车车身的有限元计算与分析
客车车身的有限元计算与分析作者：郑州宇通客车股份有限公司马勇罗伟秦小奎摘要] 汽车是一个复杂的结构，本文采用有限元法对半承载式客车车身进行强度计算。
通过对车身的受力状态的应力分析，计算出整个车身结构的载荷和应力分布，为进一步改进设计提供理论依据。
关键词：客车三段式底盘模型简化有限元分析网格划分载荷1 前言有限元法是近代随着高速电子计算机的勃兴而发展起来的一种有效的数值方法。
尤其近年来计算机和软件技术的发展，有限元法也得到很大的发展，其应用范围不断扩大，在机械产品的设计中也得到广泛的应用。
随着汽车工业的发展，有限元的计算及分析方法目前已成为汽车设计的一个重要的环节。
目前ANSYS 有限元分析软件是其中功能比较强大的一种有限元分析软件。
有限元分析在汽车上的应用十分广泛，从车身、车架计算到发动机的曲轴、及传动系统的计算。
随着客车行业的快速发展，对客车的设计已发生了根本的改变，越来越多的技术被运用到客车的设计上，有限元法已成为各客车厂家所关注的重点。
本文针对从实际的大客车车身有限元计算项目出发(该项目经过多次论证)，应用ANSYS 软件在SUN 工作站上对其进行结构强度分析。
通过分析，找出其车身的薄弱环节，改进设计，使结构更合理。
该车车身长为10m，宽为2.45m，高为3.5m，采用柴油发动机，发动机后置。
后轮驱动，采用半承载车身，载客量为45 人，主要用于长途客运。
2 车身计算的有限元模型有限元法是把连续的弹性体划分成有限多个彼此只在有限个点相连接的、有限大小的单元组合体来研究的。
就是说用一个离散结构来代替原结构作为真实结构的近似力学模型，即有限单元离散化，然后进行结构的整体分析，组集联系整个结构的节点位移和节点载荷的总刚度方程。
总刚度方程是包含有限个未知节点位移分量的线性代数方程组，利用单元分析得到的关系，就可求出各单元的应力。
车身的有限元法就是基于此原理而进行的计算设计。
对于半承载车身，它保留了底盘车架，将车身结构件与车架连接，使车身参与整车承载，从而可以对车架及结构断面进行减重，以达到材料的合理利用。
《汽车结构有限元》
《汽车结构有限元》一、在建立弹性力学平衡微分方程、几何方程、物理方程时分别应用了哪些基本假定？(1)物体是连续的(2)物体是完全弹性的(3)物体是均匀的(4)物体是各向同性的(5)物体的变形是微小的二、什么是平面应力问题？什么是平面应变问题？他们的应力分量某,y,某y是否相同的厚度为t的很薄的均匀木板。
只在边缘上受到平行于板面且不沿厚度变化的面力，同时，体力也平行于板面且不沿厚度变化。
以薄板的中面为某y面，以垂直于中面的任一直线为Z轴。
由于薄板两表面上没有垂直和平行于板面的外力，所以板面上各点均有：(z)t0，(z某)t0，(zy)t0zzz222另外由于平板很薄，外力又不沿厚度变化，可认为在整个薄板内各点均有：z0，z某某z0，zyyz0于是，在六个应力分量中，只需要研究剩下的平行于某OY平面的三个应力分量，某、y、某yy某，所以称为平面应力问题。
即10某某ED10yy(2-22)21某y1某y002一纵向(即Z向)很长，且沿横截面不变的物体，受有平行于横截面而且不沿长度变化的面力和体力。
由于物体的纵向很长(在力学上可近似地作为无限长考虑)，截面尺寸与外力又不沿长度变化；当以任一横截面为某y面，任一纵线为Z轴时，则所有一切应力分量、应变分量和位移分量都不沿Z方向变化，它们都只是某和y的函数。
此外，在这一情况下，由于对称(任一横截面都可以看作对称面)，所有各点都只会有某和y方向的位移而不会有Z方向的位移，即w=0因此，这种问题称为平面位移问题，但习惯上常称为平面应变问题101某某E(1)y10y(2-27)D(1)(12)1某y某y12002(1)E（若将E改换为2，将改换为，就得出下式）11三、有限单元法分析的基本思想(1)在力学模型上，将一个原来连续的物体，划分为数目有限的许多小块体（称为单元），这些单元之间仅在有限个节点上相连接，并在节点上引进等效力来代替实际作用于单元上的外力；(2)对于每一个单元，根据分块近似的思想，选择一种简单的函数来近似地表示单元内位移分布规律，并按一定的理论（如弹性理论中的能量原理，变分原理等），建立单元节点力和节点位移之间的关系。
汽车结构有限元分析--参考
一，概念机名词解释（考5个，共20分）1,有限元的基本概念答：有限元法（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。
它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。
这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。
由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。
2,有限元的数学及力学思想答：有限元法作为结构分析的一种计算方法，从数学的角度看，其基本思想是通过离散化的手段，将偏微分方程或者变分方程换成代数方程求解；从力学的角度看，其基本思想是通过离散化的手段，将连续体划分成有限个小单元体并使他们在有限个节点相互连接。
在一定精度要求下，用有限个参数来描述每个单元的特性，而整个连续的力学特性能够可以认为是这些小单元体力学特性的总和，从而建立起连续的力的平衡关系。
3,泛函数的概念答：1又称泛函，通常实（复）值函数概念的发展。
通常的函数在R或C（n是自然数）中的集合上定义。
泛函数常在函数空间甚至抽象空间中的集合上定义，对集合中每个元素取对应值（实数或复数）。
通俗地说，泛函数是以函数作为变元的函数。
泛函数概念的产生与变分学问题的研究发展有密切关系2在某个变化中，有变量J及其一类函数{ Ψ（x）}中的每一个函数，按照某种法则都有变J 的某个数值与之相对应，那么，称变量J为这类函数{ Ψ（x）}的泛函，记作J=J[Ψ（x）] 4,什么是小势能原理答：最小势能原理是指系统处于平衡状态时在给定外力作用下，在满足位移边界条件的所有各组位移中间，实际存在的一组位移应使总能量成为极值，对于稳定的平衡状态，这个极值就是极小值。
5,什么是静力等效原则答：静力等效原则是指用有限元求解时，将原载荷与位移置后的等效节点载荷，在弹性体产生任何虚位移的过程中，所做的虚功相等。
基于有限元分析的汽车车身结构优化设计研究
基于有限元分析的汽车车身结构优化设计研究近年来，汽车行业的快速发展带来了对汽车车身结构优化设计的更高要求。
借助有限元分析技术，汽车制造商可以通过精确的计算模型和可靠的仿真分析方法，对车身结构进行优化设计，以提高车辆的安全性、舒适性和性能。
本文将基于有限元分析方法来探讨汽车车身结构的优化设计。
首先，我们需要建立一个准确的有限元模型。
有限元分析是一种数值计算方法，将复杂的实体划分为有限个小单元，通过对这些单元进行数学建模和求解，得到整体结构的应力、变形等力学性能。
在建模过程中，我们需要考虑车身的各个零件和组装方式，并将其转化为几何网格模型。
然后，使用有限元软件对模型进行离散化处理，划分出适当的单元类型，并设置边界条件和加载条件。
接下来，进行有限元分析。
有限元分析是通过数值计算方法对模型进行力学性能的求解。
在此过程中，我们可以模拟车辆在各种道路条件下的受力情况，进而评估车身结构的刚度、强度和振动特性等性能。
通过有限元分析，我们可以深入了解车身结构中的应力和变形分布情况，找出可能的疲劳寿命问题，并对车身构件进行刚度和强度优化。
在优化设计中，我们可以通过以下几个方面来改善车身结构的性能：1. 材料选择：选择合适的材料对车身结构的强度和重量具有重要影响。
在有限元分析过程中，我们可以通过尝试不同的材料和材料参数，来评估车身结构的强度和刚度。
例如，使用高强度钢材可以提高车身的刚度和安全性。
2. 结构优化：通过有限元分析，可以对车身结构进行优化，以减少重量、提高刚度和降低振动。
优化设计可以通过增加或减少零件的数量、修改形状和布局等方式进行。
通过迭代，可以找到最佳的结构方案。
3. 疲劳寿命评估：车辆在使用过程中会受到不断的振动和载荷作用，这可能导致疲劳破坏。
通过有限元分析，可以对车身结构的疲劳寿命进行评估，找出可能的疲劳破坏点，并进行相应改进，以延长车身的使用寿命。
4. 碰撞仿真：在汽车设计中，碰撞安全性是一个重要考虑因素。
汽车结构有限元分析
有限元分析1.有限元法可以分为两类,即线弹性有限元法和非线性有限元法.其中线弹性有限元法是非线性有限元法的基础,二者不但在分析方法和研究步骤上有类似之处,而且后者常常要引用前者的某些结果.2.有限元的数学及力学思想答：有限元法作为结构分析的一种计算方法，从数学的角度看，其基本思想是通过离散化的手段，将偏微分方程或者变分方程换成代数方程求解；从力学的角度看，其基本思想是通过离散化的手段，将连续体划分成有限个小单元体并使他们在有限个节点相互连接。
在一定精度要求下，用有限个参数来描述每个单元的特性，而整个连续的力学特性能够可以认为是这些小单元体力学特性的总和，从而建立起连续的力的平衡关系。
3.有限元模型:有限元模型是真实系统理想化的数学抽象.由一些简单形状的单元组成,单元之间通过节点连接,并承受一定载荷.4.有限元法:是以力学理论为基础,随着力学\数学和计算机科学相结合而发展起来的一种数值计算方法.5.传统结构设计流程:设计----建模----测试---再设计.(1)作很大简化,计算精度差;(2)结构尺寸与重量偏大;(3)结构局部强度或刚度不足;(4)设计周期长,试制费用高6.现代产品设计:Design(CAD)----Virtual Test(CAE)---Build---T est---Redesign。
有限元法是CAE的核心部分7.汽车结构有限元分析的内容：（1）零部件及整车的疲劳分析，估计产品的寿命，分析部件损坏的原因；（2）结构件、零部件的强度、刚度和稳定性分析（3）结构件模态分析、瞬态分析、谐响应分析和响应谱分析；（4）车身内的声学设计，车身结构模态与车身内声模态耦合；（5）汽车碰撞历程仿真和乘员安全保护分析（被动安全性）；（6）结构件、零部件的优化设计（质量或体积为目标函数）；（7）车身空气动力学计算，解决高速行驶中的升力、阻力和湍流问题8.汽车结构有限元分析的流程：（1）制定方案；（2）建立结构模型；（3）划分有限元模型；（4）有限元模型检查；（5）加载和增加约束条件；（6）求解计算；（7）结果分析。
客车车身结构的有限元分析
客车车身结构的有限元分析田国富;赵庆斌【摘要】采用CATIA软件建立客车车身的三维实体模型,然后通过ANSYSWorkbench对客车车架进行静态分析,主要研究车架在水平弯曲、极限扭转、紧急转弯、紧急制动这4种具有代表性的行驶工况下的车架强度和刚度.从而以此来判断车架的整体结构是否满足设计要求,并且通过4种工况确定车架某个部位的缺陷,为车架改进和优化提供重要依据.【期刊名称】《机械工程师》【年(卷),期】2018(000)005【总页数】4页(P41-44)【关键词】车架结构模型;Workbench;静态分析;强度;刚度【作者】田国富;赵庆斌【作者单位】沈阳工业大学机械工程学院,沈阳110870;沈阳工业大学机械工程学院,沈阳110870【正文语种】中文【中图分类】TH114;TP391.70 引言客车车架作为大型汽车的主要骨架之一，在客车行驶过程中，车架在各种复杂的载荷作用下，其安全性、舒适性、使用寿命以及稳定性将作为汽车性能指标的重要判定参数，因此车架的强度和刚度在车架的整个设计过程中显得尤为重要，而通过有限元的方法对客车车架进行分析研究，求解出客车的静态分析结果，可以更加透彻地了解客车车架的应力和变形分布情况，从而对车架整体及某些薄弱部位进行优化，进而提高客车车架的安全性、可靠性。
1 客车车架的模型建立采用CATIA三维软件建立客车模型，并将模型导入到ANSYS Workbench18.1的静态分析模块中，建立车架的有限元分析模型。
1.1 客车车架的实体建模根据车架的CAD图样，利用CATIA软件建立车架的结构模型，整个结构主要采用矩形管、方管、板材和型钢等焊接而成的三维立体结构，车架三维模型如图1所示。
1.2 客车车架有限元模型图1 车架三维模型将建立好的车架模型转换为X.T格式后，导入ANSYS Workbench18.1的静态分析模块中完成车架的有限元模型建立。
整个车架的有限元模型采用实体单元，采用四面体和六面体网格进行网格划分，整体网格大小为30 mm网格划分后，单元总数553 652个，节点数量为491 916个,客车车架网格划分如图2所示。
有限元在大客车整车车身中的应用
有限元在大客车整车车身中的应用【摘要】有限元不明思议就是把一个整体分割为有限个单元，也就是把一个整体结构当做成由若干个通过结点相连的有限个单元构成的整体，而这一技术现在应用在大客车的车身设计方面，我们要知道有限元的一般过程，建立有限元的过程，同时我们也要知道有限元在车身上怎样建立模型。
【关键词】有限元的建立；车身有限元1、有限元一般过程1）建模阶段，建模阶段就是根据实体的结构和实际情况建立有限元的模型，这样就可以为下步的有限元计算提供所要的数据。
2）计算阶段，这一阶段的主要任务就是将上一步得到的数据进行计算，但是由于这一步运算量很大，所以这一步不能通过人为计算，所以我们需要辅助设备来计算，可以通过计算机来自动完成。
3）后处理阶段，这一步主要就是把计算阶段的结果进行必要的处理，并呈现出来，以便于对结构进行合理的判断和评估。
2、有限元模型的建立过程1）分析问题定义，在进行有限元分析之前，我们要对形状、尺寸进行分析，只有正确的掌握了具体的集合模型，才能进行有限元建立。
2）几何模型建立，集合模型就是对实际的结构进行抽象处理，通过抽象对机构进行简化和处理。
3）单元类型选择，在划分网络时要明确采用哪种单元的形状和单元阶次。
4）单元特征定义，在单元中要具备可以为内部特征计算所需的参数。
5）网络划分，它是在建立有限元模型时的中心工作。
6）模型检查和处理，这一步是建立有限元模型的最后一步。
3、简支梁结构有限元方法在大客车的整车车身当中有很多利用到简支梁，而通过对简支梁进行有限元处理，就可以理解有限元在大客车车身当中的应用。
如图所示两跨连续梁受结点力偶M1、M2、M3的作用。
①，②为单元编号，单元刚度为I1，I2，结点编号按1、2、3.......排序。
结点角位移为θ1、θ2、θ3。
矩阵法：用β表示单元符号，β=1，2可以写成：也可以写成，称为单元刚度方程。
把上边的位移方程用阵列表示为：简写成计算，单杆端力4、车身有限元模型车身结构的力学特征就是主要反映工程结构的力学特征，大客车车身是一个极其复杂的空间结构，在建立有限元的时候可以采取以下措施：1）为了减少有限元当中的单元个数，略去非承载构建；2）因为是分析大客车车架的强度，所以可以把它简化成简支梁；3）把在结构当中相邻节点进行合并；4）可以对梁截面形状进行适当的简化处理，这样可以有利于模型分析；由于要考虑轮胎和底架弹簧板的影响，把轮胎和板簧简化成一个有限元中的弹簧机构，也就是图3所示的模型，而底架可以独立的简化成模型，也就是图4所示。
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3)图8-15d所示为由弯矩Mw引起的正应力σw。
2. 开口截面薄壁杆件约束扭转时杆件上的内 力与应力状态
图8-15 开口截面薄壁杆件扭转时杆件上的内力与应力
3. 弯曲扭转双力矩和弯曲扭矩
3. 弯曲扭转双力矩和弯曲扭矩
图8-16 翼板中心的微小平面
(2)开口薄壁梁单元约束扭转刚度矩阵
图8-17 薄壁空间梁单元
(2)开口薄壁梁单元约束扭转刚度矩阵
(2)开口薄壁梁单元约束扭转刚度矩阵
图8-18 x
≠0、θ ′ =0
(2)开口薄壁梁单元约束扭转刚度矩阵
(2)开口薄壁梁单元约束扭转刚度矩阵
(2)开口薄壁梁单元约束扭转刚度矩阵
(2)开口薄壁梁单元约束扭转刚度矩阵
(2)开口薄壁梁单元约束扭转刚度矩阵
2.TIF
(3)开口薄壁梁翘曲约束扭转计算
图8-19 受扭开口薄壁构件
(3)开口薄壁梁翘曲约束扭转计算
图8-20 复杂截面的简化
(4)截面的几何特性参数计算
(4)截面的几何特性参数计算
第二节 车身结构分析和模型建立
图8-8 蒙皮与骨架的连接方式
第二节 车身结构分析和模型建立
图8-9 客车车身有限元计算模型
第二节 车身结构分析和模型建立
图8-10 边梁式车架的有限元计算模型
第三节 单元刚度矩阵的建立
一、平面刚架单元的单元刚度矩阵 二、空间刚架的单元刚度矩阵 三、开口薄壁空间梁单元约束扭转的刚度矩阵
(4)截面的几何特性参数计算
图8-21 折线的计算简图
(4)截面的几何特性参数计算
图8-22 计算简图
(5)汽车车架的单元刚度矩阵
图8-23 空间梁单元
(5)汽车车架的单元刚度矩阵
B.TIF
第四节 坐标变换
在用有限元方法解弹性结构的问题时，经常 出现单元的局部坐标系Oxyz和整体坐标系Ox y z不一致。为了使以单元为基础进行计算的 位移和力能统一到整个结构系统上去，必须 把用单元的局部坐标系Oxyz定义的位移和力 转换成用整个结构系统的整体坐标系Ox y z来 定义的位移和力，这就是坐标变换的任务。
(1)约束扭转微分方程 (2)开口薄壁梁单元约束扭转刚度矩阵 (3)开口薄壁梁翘曲约束扭转计算 (4)截面的几何特性参数计算 计算单元刚度矩阵时，经常使用的 截面几何特性参数有Jy、Jz(弯曲惯性矩)；J(或J′，极惯性矩)；F (截面面积)；Jw(扇性惯性矩)等。 (5)汽车车架的单元刚度矩阵 一般情况下可将车架视为同一平面 上杆系的组合体，并认为每一杆单元中截面几何参数不变。
一、平面刚架单元的单元刚度矩阵
图8-11 平面刚架单元
一、平面刚架单元的单元刚度矩阵
一、平面刚架单元的单元刚度矩阵
一、平面刚架单元的单元刚度矩阵
二、空间刚架的单元刚度矩阵
二、空间刚架的单元刚度矩阵
图8-12 梁单元
二、空间刚架的单元刚度矩阵
a.TIF
三、开口薄壁空间梁单元约束扭转的刚度矩 阵
第八章 汽车车身结构的有限元计算方法
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节
车身所受载荷 车身结构分析和模型建立 单元刚度矩阵的建立 坐标变换 结构的整体分析和整体刚度矩阵 内力与应力计算
第一节 车身所受载荷
一、静载荷 二、动载荷
一、静载荷
静载荷包括悬架上的空车载荷Gn和车身的有效 载荷Ge。Gn=mng，mn是指由悬架的弹性元件所 承受的那些部件，如车身、车架及固定在车身或 车架上的所有总成和设备的质量。Ge＝meg，对 于客车，me是指乘客及行李的质量；对于货车， 是指货物和乘员的质量。
1. 非圆截面薄壁杆件的扭转特点 2. 开口截面薄壁杆件约束扭转时杆件上的内力与应力状态 3. 弯曲扭转双力矩和弯曲扭矩
1. 非圆截面薄壁杆件的扭转特点
图8-13 薄壁杆件的约束扭转
1. 非圆截面薄壁杆件的扭转特点
图8-14 非圆截面杆件受扭状况
2. 开口截面薄壁杆件约束扭转时杆件上的内 力与应力状态
第四节 坐标变换
第四节 坐标变换
图8-24 线段ij的方向余弦
第四节 坐标变换
图8-25 局部坐标系与整体坐标系
第四节 坐标变换
图8-26 坐标间的相互转换
第四节 坐标变换
8-27.TIF
第四节 坐标变换
第四节 坐标变换
第四节 坐标变换
第四节 坐标变换
第四节 坐标变换
图8-28 x轴与z轴平行时的坐标变换
4. 侧向动载荷
5. 局部的集中载荷
在车身上还作用有由于各总成和部件工作时所产 生的附加载荷(如发动机、传动系的反转矩，转 向器及减振器传来的力等)以及由于集中载荷作 用线不通过杆件的弯曲中心(如悬架或车身附件 的载荷)而使结构产生的局部扭转。
6. 安全系数n
安全系数的选取应该使车身结构在上述组合载荷 作用下不产生永久变形或损坏。车身结构的许用 应力应以材料的屈服点σs为依据，一般取n=1.4~ 1.6。在靠近悬架装置点和发动机变速器安装点 等载荷集中区域，n=1.5~2.0。
图8-4 单个轮胎遇到高度为h的凸起
2. 斜对称垂直动载荷
表8-1 各类汽车所能克服的道路不平度的最大高度
2. 斜对称垂直动载荷
3. 纵向动载荷
3. 纵向动载荷
图8-5 由于汽车制动引起的载荷
3. 纵向动载荷
图8-6 车轮遇到障碍物时所受的力
3. 纵向动载荷
图8-7 汽车转弯时产生的侧向力
二、动载荷
1. 对称垂直动载荷 2. 斜对称垂直动载荷 3. 纵向动载荷 4. 侧向动载荷 5. 局部的集中载荷 6. 安全系数n
二、动载荷
二、动载荷
图8-1 作用在车身上的力和力矩
二、动载荷
1. 对称垂直动载荷
图8-2 对称垂直载荷
2. 斜对称垂直动载荷
图8-3 斜对称垂直动载荷2. ຫໍສະໝຸດ 对称垂直动载荷第四节 坐标变换
图8-29 平面变换情况
第四节 坐标变换
第四节 坐标变换
第五节 结构的整体分析和整体刚度矩阵
一、结构的整体平衡方程式 二、整体刚度矩阵在程序设计中的形成 三、整体刚度矩阵的特点 四、按边界条件修改整体平衡方程式 五、非节点载荷(或称中间载荷)的移置
一、结构的整体平衡方程式