西華大學(xué)吉林大學(xué)汽車學(xué)院汽車專業(yè)客車骨架有限元分析A.ppt

1、1,客車骨架有限元分析,姓名：李 勇 學(xué)號：20030623 指導(dǎo)教師：巢凱年 交通與汽車工程學(xué)院車輛工程,2,客車骨架有限元分析過程,（一）概述 本次畢業(yè)設(shè)計采用ANSYS軟件，對成都客車廠生產(chǎn)CDK6593N客車的進(jìn)行有限元分析。主要分析客車骨架的應(yīng)力和變形。經(jīng)過分析，客車骨架的應(yīng)力小于許用應(yīng)力，變形較小。經(jīng)過改進(jìn)后，客車骨架的強(qiáng)度得到了增強(qiáng)，重量減輕，達(dá)到了設(shè)計的目的。 本次設(shè)計采用國際單位制：米，千克，牛，帕等，采用的坐標(biāo)系為：X為汽車的長度方向,Y為寬度方向,Z為高度方向。 （二）單元的選擇 1）BEAM188三維線性有限應(yīng)變梁單元 2）COMBIN14彈簧阻尼單元,3,（三）定義實

2、常數(shù) 采用的彈簧單元需要實常數(shù)彈簧剛度K。 由汽車?yán)碚摰闹R我們知道， 其中， 是車身部分固有頻率，K是懸架彈簧的剛度,m2 是汽車的懸掛質(zhì)量，它由車身、車架及其上的總成所構(gòu)成。 通過估算，車身部分固有頻率f0=3赫茲，汽車的懸掛質(zhì)量m2=4500千克，經(jīng)過計算，懸架彈簧的剛度K=1597255.2牛/米，懸架彈簧由8個彈簧構(gòu)成，因此每個彈簧的剛度=199657牛/米。,4,(四) 材料的定義 本次設(shè)計采用的結(jié)構(gòu)材料為Q235鋼，它的密度是7850 ，除剛性梁外的結(jié)構(gòu)的彈性模量是 Pa，泊松比是0.3，剛性梁的彈性模量采用 Pa 。 （五）橫截面的定義 根據(jù)圖紙，本次設(shè)計定義骨架桿件共用了15

3、種截面，其中7種模擬矩形空心型鋼，4種模擬角鋼，4種模擬槽鋼。 （六）建立有限元模型 根據(jù)客車骨架的圖紙，先建立客車骨架的幾何模型，然后定義各根鋼管的方向點，指定每根梁的橫截面，然后劃分網(wǎng)格。由于梁單元的內(nèi)力、應(yīng)力和變形的計算都是精確的，所以單元劃分可以大一些。在本次設(shè)計中，指定單元的長度都是0.1米。,5,建立的客車骨架有限元模型如圖所示：,6,(七)分析工況的選擇 由于彎曲工況是車輛經(jīng)常處于的工況，而扭轉(zhuǎn)工況下車身的應(yīng)力較大，所以，在研究分析內(nèi)容時，選擇了滿載彎曲工況，滿載左前輪和左后輪懸空工況,后者是車輛可能發(fā)生的一種極限工況。 (八)施加約束 客車車身骨架一般是由型鋼焊接而成的整體結(jié)構(gòu)

4、，所以在進(jìn)行有限元分析時將車身作為一個整體來考慮，所以車身的邊界條件就體現(xiàn)為板簧支座的位移。,7,如圖所示是客車骨架的邊界條件約束位置，整車滿載彎曲工況的約束方案是：節(jié)點5自由度全部約束，節(jié)點2，8，11的自由度均約束UY，UZ，ROTX，ROTZ,并對每個彈簧的上下節(jié)點進(jìn)行UX，UY方向耦合。 整車滿載左前輪懸空的工況約束的自由度是：5，8，11節(jié)點約束和彎曲工況約束的自由度相同，2節(jié)點不約束。 整車滿載左后輪懸空的工況約束的自由度是：8，11節(jié)點約束和彎曲工況約束的自由度相同，2節(jié)點全部自由度被約束，5節(jié)點的自由度不約束。,X,Y,Z,8,（九）施加載荷 作用在車身上的彎曲載荷是由車身的自

5、重、車輛總成和乘客的重量提供的,車身結(jié)構(gòu)件的重量通過加垂直方向的、大小為9.8 的加速度來模擬； 估計發(fā)動機(jī)和變速箱的質(zhì)量為600千克，加滿油后的油箱的質(zhì)量為150千克，二者作為集中載荷，施加在相應(yīng)的節(jié)點上； 其它載荷如轉(zhuǎn)向機(jī)、離合器、電瓶、水箱、座椅、乘客（19人）等質(zhì)量總和估計為2000千克，均布作用在底架上。,9,客車骨架施加約束和載荷后，如下圖所示：,10,(十)求解的結(jié)果分析 后處理主要是將客車骨架有限元分析的結(jié)果以等值圖的方式的顯示，并且進(jìn)行剛度、強(qiáng)度等分析 。下圖是彎曲工況下的豎直位移圖：,11,下圖是在彎曲工況下的應(yīng)力圖：由結(jié)果我們可以看出，滿載彎曲工況下，客車骨架前圍、側(cè)圍、

6、后圍和頂蓋的大部分區(qū)域應(yīng)力小于10MPa,應(yīng)力比較大的區(qū)域是發(fā)動機(jī)加載的橫梁及周圍的縱梁上，應(yīng)力最大值是70MPa左右。,12,下圖是左前輪懸空扭轉(zhuǎn)工況下的豎直位移圖：,13,下圖是左前輪懸空扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力圖，客車骨架的很大部分應(yīng)力小于20MPa，在發(fā)動機(jī)加載的縱梁和橫梁周圍產(chǎn)生了較大的應(yīng)力，約60MPa，在右圍的乘客門的豎直的梁上部分區(qū)域也產(chǎn)生了較大的應(yīng)力，約50MPa，前圍的支撐擋風(fēng)玻璃的橫梁應(yīng)力也有些大，但小于許用應(yīng)力。,14,下圖是左后輪懸空扭轉(zhuǎn)工況下的豎直位移圖：,15,下圖是左后輪懸空扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力圖，客車骨架的很大部分應(yīng)力小于25MPa，在發(fā)動機(jī)加載的縱梁和橫梁周圍產(chǎn)生了較大

7、的應(yīng)力，約100MPa，在右圍的乘客們的豎直的梁上部分區(qū)域也產(chǎn)生了較大的應(yīng)力，約70MPa，前圍的支撐擋風(fēng)玻璃的橫梁應(yīng)力也有些大，但小于許用應(yīng)力。,16,（十二）各工況分析總結(jié) 經(jīng)過以上三種工況的分析，本車型在以上3種工況下運行，強(qiáng)度是足夠的。 應(yīng)力比較大的區(qū)域是： 發(fā)動機(jī)加載的橫梁和縱梁上 乘客門立柱的下半部分 前圍風(fēng)窗下矩管連接處,17,第四章 客車骨架改進(jìn)設(shè)計中的結(jié)構(gòu)分析 （一）客車骨架改進(jìn)方案 通過對上述彎曲，扭轉(zhuǎn)工況的分析，我們可以看出客車骨架在三種工況下，客車骨架的頂蓋、后圍的應(yīng)力均低于25MPa，客車的底架上出現(xiàn)應(yīng)力不均的現(xiàn)象。因此，改進(jìn)方案是：對客車骨架的頂蓋的部分矩管截面尺寸

8、減小，去掉原來后圍的兩根立柱的角鋼，對底架上的橫梁，在發(fā)動機(jī)加載處，多加兩根橫梁，同時去掉后半部兩根對底架應(yīng)力不大的橫梁，以試圖增強(qiáng)客車骨架的強(qiáng)度，減少重量。 （二）客車骨架改進(jìn)前后比較 通過在原有的模型的基礎(chǔ)上修改模型 ，然后在改進(jìn)后的模型上施加約束和載荷，施加約束和載荷的方法和改進(jìn)前的方法相同，然后用ANSYS軟件重新計算。由于三種工況下的位移和改進(jìn)前相比，變化較小，詳見說明書，所以在此只對比三種工況下應(yīng)力的變化情況：,18,1）彎曲工況比較 下圖是客車骨架改進(jìn)后彎曲工況下的應(yīng)力圖，我們可以看出，改進(jìn)后，客車骨架的頂蓋和后圍的應(yīng)力仍小于12MPa，原來應(yīng)力比較的大的發(fā)動機(jī)加載點，應(yīng)力集中的

9、區(qū)域減少了許多，此處最大應(yīng)力約50MPa。而在底架的后半部去掉兩根橫梁，應(yīng)力增大到20MPa，應(yīng)力小于許用應(yīng)力，滿足安全要求。,19,2）左前輪懸空工況比較 我們可以看出，改進(jìn)后，客車骨架的頂蓋和后圍的應(yīng)力仍小于27MPa，原來應(yīng)力比較的大的發(fā)動機(jī)加載點，應(yīng)力集中的區(qū)域減少了許多，此處最大應(yīng)力約90MPa。而在底架的后半部去掉兩根橫梁，應(yīng)力增大到60MPa，小于許用應(yīng)力，滿足安全要求。,20,3）左后輪懸空工況比較 我們可以看出，改進(jìn)后，客車骨架的頂蓋和后圍的應(yīng)力仍小于28MPa，原來應(yīng)力比較的大的發(fā)動機(jī)加載點，應(yīng)力集中的區(qū)域減少了許多，此處最大應(yīng)力約80MPa。而在底架的后半部去掉兩根橫梁，應(yīng)力約為20 MPa，應(yīng)力小于許用應(yīng)力，滿足安全要求。,21,結(jié) 論,經(jīng)過改進(jìn)后，客車骨架的重量由原來的501.2千克減小為497.7千克，骨架的重量得到了減輕。并且