应用ANSYS对客车车身结构分析及其轻量化设计

在尝试NJ6826TMF 型客车车身的数字化设计中，根据其几何、物理、材料特性，运用ANSYS对车身强度和刚度、固有频率振型和路谱进行了分析，并提出使该车身轻量化的设计方案。模型的简化原则是，略去功能件和非承载的工艺结构，对于大圆弧和过渡圆弧，以曲面分块和曲线分段的思想进行适当的以直代曲;模型反映对象的主要力学特性;强度、刚度、动态分析采用壳元，轻量化设计用梁元。这样，既能保留整车结构的主要特征，又能提高数值模拟的解算效率;所有计算结论由企业采纳或供其参考，为它实现客车的数字化设计与制造打下了基础。

　　1 前言

　　自20 世纪70 年代，国产客车占据国内客车市场。与先进客车工业相比的主要差距是，豪华车的制造主要是组装式。进一步提高客车工业采用数字化设计和制造整体水平和彻底摆脱客车设计的传统经验设计技术路线，是使我国开发出具有国际先进水平客车产品的重要途径之一。数字化设计技术摒弃传统设计的产品重复定义模式，建立从设计到制造的唯一的产品数字化定义模型;应用模拟、仿真、干涉检查、CAE 等数字分析技术，提高产品开发效率和可靠性，为基于网络的全球制造提供数字化产品模型和制造信息。

　　以某集团NJ6826TMF 型客车为对象和使用ANSYS 工具，本文进行静态的刚度强度分析和动态性能评价的模态分析和谱分析，壳元算法彻底克服梁元的弊病;以截面位置调整为轻量化基础，提出基于截面位置、截面参数、材料变化的优化方案。模态分析选取无车架自由模态、白车身约束模态、满载模态进行。以满载模态分析为基础;研究不同车速下的骨架对路面谱激励的加速度功率谱的响应。整个优化过程以车身刚度性能为约束。验算和实际应用表明，修改建议是合理的。

　　2 面向数字化设计的客车车身模型的建立

　　据统计，客车车身的质量约占整车自身质量的40%～60%。因此，车身是客车更新换代的关键。基于Pro/E 或UG 的NJ6826TMF 车身骨架数模是用ANSYS 建立基于壳元的强度、刚度、模态、功率谱分析和基于梁元的轻量化计算的基础;该数模坐标系(图1)保证了从设计到制造的产品信息的唯一性。

图1 NJ6826TMF 车身骨架数模整体坐标系

　　2.1 基于壳元和梁元的有限元模型

　　根据车身结构和载荷分布特点，采用ANSYS 的标准4-节点四边形壳元SHELL63，以自定义方式将模型划分成若干区域和各区域单元尺寸，总共为2838 个区域，单元数为102717，节点数为102313。图2 为基于壳元的整车车身的有限元模型。

图2 壳元模型

　　考虑到，影响车身骨架性能的主要因素是其刚度，结构优化设计只需从整体分析整车性能;其次，使用梁元进行结构优化的效率明显高于壳元的，再一点，应用ANSYS 建立整车骨架的参数化面模型是非常困难的。故，选用ANSYS 的3-节点梁元BEAM188 建立车身骨架结构优化模型(图3)，共4715 个单元和9165 个节点。

图3 梁元模型

　　2.2 承载特点和边界条件

　　2.2.1 载荷处理

　　NJ6826TMF 车身骨架所承受的载荷包括自重、集中载荷、均布载荷。骨架自重计算是通过定义模型的材料密度和重力加速度实现。乘客和座椅质量按集中载荷施加在座椅与地板连接处的节点上;发动机和变速箱等动力装置质量按连接方式施加在车架上。风载荷、玻璃、空调的质量按均布载荷分别施加在前风窗框架上、相应的窗框位置上、空调位于的顶盖横梁和纵梁上。

　　2.2.2 约束处理

　　NJ6826TMF 车身与车架铆接按刚性连接处理;忽略充气轮胎变形，按全约束处理。减振装置的处理是，静态分析时，为避免钢板弹簧和前扭杆弹簧的变形干扰，弹簧与车架联接处按全约束处理;约束模态分析时，考虑车架下的弹簧系统对车身振动的影响，加入弹簧单元。该车前悬架采用扭杆弹簧;后悬架采用钢板弹簧，起导向和减振作用。该弹性元件(图4)刚度K =294000N/m;ANSYS 有限元模型的连接点a、b、c、d 沿Y 轴方向约束为零，其他5 个自由度均给于约束;段ab 和cd 为弹簧元Combin14，bd 段采用梁单元Beam4。弹簧刚度系数由扭杆弹簧刚度系数和钢板弹簧的刚度系数换算得到。

图4 钢板弹簧模型

　　2.2.3 连接方式处理

　　骨架结构件的连接方式为铆接、螺栓连接、焊接。基于ANSYS 壳元，用以模拟铆钉、螺栓、焊点传递力和力矩效果的连接处理是采用共面方式进行。例如，图5(a)所示的8个小圆面为实现结构件刚性连接的共用面，其网格分别与两结构件的网格形成连接;图5(b)所示的缝焊连接的模拟是，将两结构件相连的部分粘接(glue)在一起。对于梁元的连接模拟，ANSYS 的处理是，将梁元的节点融合(merge)在一起，模拟其刚性连接。

图5 基于壳元的连接模型

　　2.3 最优化方法的选择

　　严重的能源消耗和地球环境污染，使汽车轻量化逐渐成为结构设计的重要指导原则。优化目的是，以骨架体积Volume 为目标函数，达到骨架质量降低，共4 种优化方案(图6);选取对车身性能影响较大的整车扭转刚度、车身一阶扭转模态频率、一阶弯曲模态频率为优化用的车身状态;优化设计变量(截面尺寸)是立柱长度(车门，侧窗，侧围)、侧围立柱宽、底骨架辅横梁长、底骨架辅横梁宽、顶盖横梁、车架前围斜支撑参数、底骨架主横梁厚度、侧围腰梁厚度等。这些变量对车身质量有重要影响，但对骨架刚度贡献不大。为提高优化效率和能够在全设计空间得到最优解，采用ANSYS零阶法;通过对目标函数添加罚函数将约束问题转换为非约束问题;该法能够有效地处理车身结构优化计算。ANSYS 提供分析—评估—修正的循环过程;即，分析初始设计，对分析结果按设计要求评估，修正设计;重复进行这一循环过程，直到满足为止。

图6 车身结构优化方案

　　3 分析计算举例

　　3.1 弯曲和弯扭联合工况的刚度计算

　　弯曲工况下，骨架的最大变形位于后排五人座的横梁中部，其值为5.92mm(图7)。弯扭工况下，左前轮悬空，变形最大部位产生在底架左前端，其值为5.778mm(图8)。

　　3.2 满载的模态分析

　　为用于谱分析，考虑汽车满载行驶时的运行工况，将乘员、座椅、行礼和发动机等附加质量按质量元mass21 分布;车身的前十阶模态计算举例如图9 所示。

图9 满载情况的车身约束模态振型举例

图10 后行李箱的变形对比

　　4 结束语

　　计算结果与客车实际情况基本吻合：结构薄弱的后部存在较多应力集中，在较好路况下可满足要求，长期在差路况下行驶易出现骨架的疲劳断裂;图10 所描述的是改进前后的结构变形分析例子。通过4 种轻量优化方案分析，它们的质量分别下降8.1%、7.5%、13.1%、67.9%;方案1 扭转刚度基本不变，中间方案的扭转刚度分别提高4.9%、0.3%，方案4 扭转刚度下降4.8%。方案1 和方案2 的质量变化相当，方案2 扭转刚度明显提高。铝合金的应用，方案3 轻量化明显，扭转刚度提高，一阶扭转频率降低明显(图11);方案4 的轻量化效果最佳，刚度水平下降最多。综合考虑，方案3 优化效果最好;但是，它的钢-铝混合式结构存在着不同材料的连接工艺的实现问题。对于小批量手工生产，胶铆连接方式较合适，强度高，连接可靠;方案3 的实施具有一定的可行性。

图11 方案3 的振型