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[摘 要] 建立了轻型客车刚度的有限元模型，并进行了实验验证。用有限元法对轻型客车车身小牛腿长度对车体结构的影响进行了分析，为改进设计提供了有价值的理论依据, 分析结果可作为车身骨架结构优化的参考。
[关键词] 轻型客车 车身 有限元 刚度
车身是客车的承载主体,更是其关键总成。随着城市公共交通的不断发展,人们对车身结构的性能要求越来越高[1]。以往的国产客车车身结构分析偏重强度指标，以结构强度实验结果作为关键指标进行生产定型，而国外汽车企业将则客车车身刚度也作为生产定型的关键指标之一。当满足刚度准则的要求来满足结构时，则可同时满足强度准则。但由于客车车身结构复杂,用经典力学方法很难得到问题的精确解。本文采用有限元方法,利用ANSYS有限元分析软件对某轻型客车车身进行刚度分析,从而缩短设计试验周期,节省大量试验和生产费用,它是提高产品可靠性既经济又适用的方法之一。
1、轻型客车车身刚度的有限元分析模型
1.1有限元模型
建立车身骨架的有限元模型时既要如实反映客车车身实际结构的重要力学特性,又要尽量采用较少的单元和简单的单元形态,以保证较高的计算精度及缩小解题规模。有限元分析计算结果的可信度高低直接受分析模型、载荷处理、约束条件和实际工程结构力学特性符合程度的影响,若有失误则会造成很大误差,严重时将使计算分析失败[2]。该型客车为三段式底架车身结构,其空间结构复杂,在建立力学模型时,需要对其作适当的简化处理。用板单元模拟车架与牛腿，用空间薄壁梁单元模拟车身骨架单元。横梁上两单元结点与车架或牛腿上板单元结点对应，二者视为刚性连接。在轻型客车刚度有限元分析模型中，不可忽略车身蒙皮，用膜单元模拟车身蒙皮，膜单元上的结点与对应的车身骨架上的梁单元结点归一简化。整个轻型客车车身刚度的有限元分析模型包括2155个结点和2341个单元，如图1所示。
图1 轻型客车车身刚度的有限元分析模型、边界条件与载荷分布
1.2边界条件
车身与车架是通过悬架系统、车桥和车轮支撑在地面上。为了准确的模拟实际使用工况，将悬架元件与车身及车架组合起来考虑。某一悬架处的简化方法如图2所示。
将钢板弹簧等效为一个水平布置的矩形截面梁，并以主从结点关系模拟梁的两端点与对应车架吊耳处结点之间的关系。等效水平梁的宽度B取为钢板弹簧的实际宽度，其高度H可以按照式（1）选取。
注：x、y、z均为板簧支撑点在整体坐标系中的自由度。
1.3分析载荷
轻型客车车身结构的载荷包括：
（1）车身自重。
（2）安装在车架及车身上的底盘总成及非模型化车身部件的重力，如动力总成、备胎、蓄电池、油箱、车门窗玻璃与密封条、地板等。
（3）乘员、座椅、行李及行李架的重力。
轻型客车车身弯曲载荷分布如图1所示。选取右后轮悬空作为该车扭转刚度分析工况是因为该车后部载荷较大，一个后轮悬空可实现较严重的车身扭转。
1.4有限元模型的试验验征
为验证该车车身结构刚度有限元分析模型的正确性，在整车装备条件下对该车进行弯曲刚度试验。该车车身实测挠度曲线和模型计算挠度曲线分别如图3中的实线、虚线所示。
由图3可见，该车车身弯曲刚度计算挠度曲线与试验挠度曲线基本一致(包括车架尾部的反翘现象)。对比可知该车车身实测最大挠度和计算最大挠度都发生在距前轴约2m处，最大挠度值均为1.8mm；计算分析与试验分析所得最大挠度误差在15％以下。客车车身刚度有限元分析模型是正确的。
2、制动载荷的等效
货车车架及半承载式大客车车身结构的车架常常发生悬架连接处的车架开裂现象，这与
车辆使用中的制动工况有很大关系，有必要分析车架或车身结构在制动载荷条件下的强度指标[3]。
对于钢板弹簧悬架的半承载式客车结构，由车架、牛腿和底横梁焊接而成的单架改制总成是车体完整骨架的底部基础，车身骨架通过底横梁及牛腿与底部基础连接，车架是其主要承载结构。车架通过钢板弹簧与前、后车桥相连，每一车轿的两端装有车轮。一个车轮及其上的钢板弹簧悬架等的结构示意图如图4所示。
3、轻型客车小牛腿长度对车体结构的影响分析
在轻型客车车体结构设计中，为了节省材料和降低重量，车架改制总成常采用小牛腿结构。为合理匹配车架与车身之间的连接强度和刚度，研究小牛腿对车体结构强度和结构刚度的影响就十分必要[4]。模型仍采用图1所示的客车有限元模型。
以小牛腿根部与车架纵梁相交处的节点的应力等为衡量指标，分别考虑弯曲和扭转两种工况，小牛腿的长度对各个小牛腿根部弯曲应力和扭转工况应力平均值的影响分别如图5、图6所示。
由图5可知。随着小牛腿长度的增加，各小牛腿根部弯曲工况应力的平均值下降，但开始下降速度缓慢。当小牛腿的长度超过200mm时．弯曲工况应力的平均值下降幅度明显加快。由图6可知，当小牛腿的长度由200mm增加到300mm时，各小牛腿根部扭转工况应力的平均值急剧下降，但当长度超过300mm时，扭转工况应力的平均值不再下降，反而增加。
小牛腿的长度对各个小牛腿根部弯曲工况应力和扭转工况应力最大值的影响分别如
图7和图8所示。由图7可知，随着小牛腿长度的增加，各小牛腿根部弯曲I况应力的最大值下降；当小牛腿长度超过200mm时，弯曲应力最大值下降幅度加快；当小牛腿的长度超过300mm时，弯曲工况应力最大值下降幅度又明显变慢。由图8可知，随着小牛腿长度的增加，各小牛腿根部扭转工况应力的最大值呈先增加、后急剧下降的趋势。当小牛腿的长度小于250mm时，扭转应力的最大值增加，但增加的幅度不大；当小牛腿的长度超过250mm时。扭转应力的最大值急剧下降。
分别用车架竖直方向的最大挠度和车架轴间相对扭角来评价车体结构的弯曲刚度和扭转刚度，小牛腿的长度对车体结构弯曲刚度和扭转刚度的影响如图9和图10所示。由因9和图10可知，随着小牛腿长度的增加，车架竖直方向的最大挠度和车架轴问相对扭角下降，但变化不大。表明车体结构弯曲刚度增大，但增大不明显；当小牛腿的长度超过300mm时，车架竖直方向的最大挠度和车架轴问相对扭角下降幅度增大，车体结构弯曲刚度和扭转刚度增大幅度相应增大。
4、结论
通过对轻型客车小牛腿长度对车体结构的分析可知：
（1）当小牛腿的长度超过200mm时，各小牛腿根部弯曲工况应力的平均值下降，扭转工况应力的最大值增加；当小牛腿的长度超过300mm时，各小牛腿根部扭转工况应力的平均值和弯曲工况应力的最大值增加，扭转工况应力的最大值急剧下降；当小牛腿的长度在200—300mm时，各小牛腿根部扭转工况应力的平均值和弯曲工况应力的最大值急剧下降。
(2)随着小牛腿长度的增加，轻型客车车体结构弯曲刚度增大，但增大幅度不大；当小牛腿的长度超过300mm时，轻型客车车体结构弯曲刚度和扭转刚度增大幅度增大。
(3)国产某轻型客车的小牛腿根部应力值较低，增加小牛腿的强度还有较大潜力，应改进该车小牛腿设计。■
参 考 文 献
[1]黎西亚,李成刚,胡于进. 车架有限元分析技术发展综述[J].专用汽车，2001(1)：13～15.
[2]王海亮,金先龙.低地板城市客车车身结构有限元分析[J].汽车工程,2002,24(2)：141～148
[3] 王勖成.有限单元法[M].北京:清华大学出版社,2003.
[4] 谷叶水.客车车身骨架结构有限元分析与研究[D].合肥:合肥工业大学,2005:33～45
[关键词] 轻型客车 车身 有限元 刚度
车身是客车的承载主体,更是其关键总成。随着城市公共交通的不断发展,人们对车身结构的性能要求越来越高[1]。以往的国产客车车身结构分析偏重强度指标，以结构强度实验结果作为关键指标进行生产定型，而国外汽车企业将则客车车身刚度也作为生产定型的关键指标之一。当满足刚度准则的要求来满足结构时，则可同时满足强度准则。但由于客车车身结构复杂,用经典力学方法很难得到问题的精确解。本文采用有限元方法,利用ANSYS有限元分析软件对某轻型客车车身进行刚度分析,从而缩短设计试验周期,节省大量试验和生产费用,它是提高产品可靠性既经济又适用的方法之一。
1、轻型客车车身刚度的有限元分析模型
1.1有限元模型
建立车身骨架的有限元模型时既要如实反映客车车身实际结构的重要力学特性,又要尽量采用较少的单元和简单的单元形态,以保证较高的计算精度及缩小解题规模。有限元分析计算结果的可信度高低直接受分析模型、载荷处理、约束条件和实际工程结构力学特性符合程度的影响,若有失误则会造成很大误差,严重时将使计算分析失败[2]。该型客车为三段式底架车身结构,其空间结构复杂,在建立力学模型时,需要对其作适当的简化处理。用板单元模拟车架与牛腿，用空间薄壁梁单元模拟车身骨架单元。横梁上两单元结点与车架或牛腿上板单元结点对应，二者视为刚性连接。在轻型客车刚度有限元分析模型中，不可忽略车身蒙皮，用膜单元模拟车身蒙皮，膜单元上的结点与对应的车身骨架上的梁单元结点归一简化。整个轻型客车车身刚度的有限元分析模型包括2155个结点和2341个单元，如图1所示。
图1 轻型客车车身刚度的有限元分析模型、边界条件与载荷分布
1.2边界条件
车身与车架是通过悬架系统、车桥和车轮支撑在地面上。为了准确的模拟实际使用工况，将悬架元件与车身及车架组合起来考虑。某一悬架处的简化方法如图2所示。
将钢板弹簧等效为一个水平布置的矩形截面梁，并以主从结点关系模拟梁的两端点与对应车架吊耳处结点之间的关系。等效水平梁的宽度B取为钢板弹簧的实际宽度，其高度H可以按照式（1）选取。
注：x、y、z均为板簧支撑点在整体坐标系中的自由度。
1.3分析载荷
轻型客车车身结构的载荷包括：
（1）车身自重。
（2）安装在车架及车身上的底盘总成及非模型化车身部件的重力，如动力总成、备胎、蓄电池、油箱、车门窗玻璃与密封条、地板等。
（3）乘员、座椅、行李及行李架的重力。
轻型客车车身弯曲载荷分布如图1所示。选取右后轮悬空作为该车扭转刚度分析工况是因为该车后部载荷较大，一个后轮悬空可实现较严重的车身扭转。
1.4有限元模型的试验验征
为验证该车车身结构刚度有限元分析模型的正确性，在整车装备条件下对该车进行弯曲刚度试验。该车车身实测挠度曲线和模型计算挠度曲线分别如图3中的实线、虚线所示。
由图3可见，该车车身弯曲刚度计算挠度曲线与试验挠度曲线基本一致(包括车架尾部的反翘现象)。对比可知该车车身实测最大挠度和计算最大挠度都发生在距前轴约2m处，最大挠度值均为1.8mm；计算分析与试验分析所得最大挠度误差在15％以下。客车车身刚度有限元分析模型是正确的。
2、制动载荷的等效
货车车架及半承载式大客车车身结构的车架常常发生悬架连接处的车架开裂现象，这与
车辆使用中的制动工况有很大关系，有必要分析车架或车身结构在制动载荷条件下的强度指标[3]。
对于钢板弹簧悬架的半承载式客车结构，由车架、牛腿和底横梁焊接而成的单架改制总成是车体完整骨架的底部基础，车身骨架通过底横梁及牛腿与底部基础连接，车架是其主要承载结构。车架通过钢板弹簧与前、后车桥相连，每一车轿的两端装有车轮。一个车轮及其上的钢板弹簧悬架等的结构示意图如图4所示。
3、轻型客车小牛腿长度对车体结构的影响分析
在轻型客车车体结构设计中，为了节省材料和降低重量，车架改制总成常采用小牛腿结构。为合理匹配车架与车身之间的连接强度和刚度，研究小牛腿对车体结构强度和结构刚度的影响就十分必要[4]。模型仍采用图1所示的客车有限元模型。
以小牛腿根部与车架纵梁相交处的节点的应力等为衡量指标，分别考虑弯曲和扭转两种工况，小牛腿的长度对各个小牛腿根部弯曲应力和扭转工况应力平均值的影响分别如图5、图6所示。
由图5可知。随着小牛腿长度的增加，各小牛腿根部弯曲工况应力的平均值下降，但开始下降速度缓慢。当小牛腿的长度超过200mm时．弯曲工况应力的平均值下降幅度明显加快。由图6可知，当小牛腿的长度由200mm增加到300mm时，各小牛腿根部扭转工况应力的平均值急剧下降，但当长度超过300mm时，扭转工况应力的平均值不再下降，反而增加。
小牛腿的长度对各个小牛腿根部弯曲工况应力和扭转工况应力最大值的影响分别如
图7和图8所示。由图7可知，随着小牛腿长度的增加，各小牛腿根部弯曲I况应力的最大值下降；当小牛腿长度超过200mm时，弯曲应力最大值下降幅度加快；当小牛腿的长度超过300mm时，弯曲工况应力最大值下降幅度又明显变慢。由图8可知，随着小牛腿长度的增加，各小牛腿根部扭转工况应力的最大值呈先增加、后急剧下降的趋势。当小牛腿的长度小于250mm时，扭转应力的最大值增加，但增加的幅度不大；当小牛腿的长度超过250mm时。扭转应力的最大值急剧下降。
分别用车架竖直方向的最大挠度和车架轴间相对扭角来评价车体结构的弯曲刚度和扭转刚度，小牛腿的长度对车体结构弯曲刚度和扭转刚度的影响如图9和图10所示。由因9和图10可知，随着小牛腿长度的增加，车架竖直方向的最大挠度和车架轴问相对扭角下降，但变化不大。表明车体结构弯曲刚度增大，但增大不明显；当小牛腿的长度超过300mm时，车架竖直方向的最大挠度和车架轴问相对扭角下降幅度增大，车体结构弯曲刚度和扭转刚度增大幅度相应增大。
4、结论
通过对轻型客车小牛腿长度对车体结构的分析可知：
（1）当小牛腿的长度超过200mm时，各小牛腿根部弯曲工况应力的平均值下降，扭转工况应力的最大值增加；当小牛腿的长度超过300mm时，各小牛腿根部扭转工况应力的平均值和弯曲工况应力的最大值增加，扭转工况应力的最大值急剧下降；当小牛腿的长度在200—300mm时，各小牛腿根部扭转工况应力的平均值和弯曲工况应力的最大值急剧下降。
(2)随着小牛腿长度的增加，轻型客车车体结构弯曲刚度增大，但增大幅度不大；当小牛腿的长度超过300mm时，轻型客车车体结构弯曲刚度和扭转刚度增大幅度增大。
(3)国产某轻型客车的小牛腿根部应力值较低，增加小牛腿的强度还有较大潜力，应改进该车小牛腿设计。■
参 考 文 献
[1]黎西亚,李成刚,胡于进. 车架有限元分析技术发展综述[J].专用汽车，2001(1)：13～15.
[2]王海亮,金先龙.低地板城市客车车身结构有限元分析[J].汽车工程,2002,24(2)：141～148
[3] 王勖成.有限单元法[M].北京:清华大学出版社,2003.
[4] 谷叶水.客车车身骨架结构有限元分析与研究[D].合肥:合肥工业大学,2005:33～45