畢業(yè)論文：某客車車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度分析

畢業(yè)論文：某客車車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度分析
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摘要

客車車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越來越受到人們的關(guān)注，為此國際上先后頒布了多項(xiàng)有關(guān)客車結(jié)構(gòu)的安全性法規(guī)，并嚴(yán)格按照法規(guī)要求對客車產(chǎn)品進(jìn)行強(qiáng)制安全認(rèn)證。本文針對國產(chǎn)某大型客車的車身結(jié)構(gòu)，使用大型有限元分析程序Hyperworks進(jìn)行強(qiáng)度分析。在此基礎(chǔ)上，對客車骨架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，并與材料的強(qiáng)度進(jìn)行比較，分析客車能否正常行駛，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
本論文主要包括以下幾方面內(nèi)容:
（1）建模。根據(jù)實(shí)體模型建立良好的有限元模型。
(2) 靜態(tài)分析。按照要求，對某大型客車進(jìn)行十種典型工況下的結(jié)構(gòu)分析，校核了該車車身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。經(jīng)過計(jì)算該客車能在這十種工況下正常行駛。
關(guān)鍵詞:客車 車身結(jié)構(gòu) 強(qiáng)度
修改意見：
1、 每種工況結(jié)果分析時(shí)，說明最大應(yīng)力作用位置
2、其它見批注

Abstract

The strength of the bus body structure for safety is paid more and more attention. Thus, the international community has promulgated a number of regulations concerning the safety for the bus structure.In strict accordance with the regulatory requirements for mandatory safety, certification of bus products is enforced. China will also refer to the bus body structure strength standards with international standards of ECER66 formulation and as a basis to carry out the certification of product safety. The newly developed passenger cars must meet safety standards.
This paper
……（新文秘網(wǎng)http://m.jey722.cn省略1698字，正式會員可完整閱讀）……　
院汽車工程系校企合作中車身設(shè)計(jì)與優(yōu)化項(xiàng)目的子課題。
客車側(cè)翻是客車道路交通事故的頭號殺手，我國已針對客車的上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度制定相關(guān)法規(guī)，仿真分析是節(jié)省試驗(yàn)成本和縮短開發(fā)周期的最佳手段。本課題主要對某客車進(jìn)行強(qiáng)度分析，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化該客車的車身結(jié)構(gòu)。具體內(nèi)容如下：
 利用HyperWorks軟件建立某客車車身的有限元模型。
 應(yīng)用Optistruet進(jìn)行該客車的強(qiáng)度分析。

1.2 研究目的與意義

近年來，由于道路車輛的不斷增加和交通及旅游業(yè)的飛速發(fā)展，我國成為交通事故發(fā)生頻率最高的國家之一，交通事故中死傷人數(shù)不斷上升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1995一1997年，平均每年死亡7萬人以上，期間所發(fā)生的44起特大事故(一次死亡20人以上)中客車占40起[l’]。2001年死傷人數(shù)突破10萬。2006年全國公安交通管理部門共受理道路交通事故案件37.878萬起，事故共造成8.9455萬人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失14.9億元，期間所發(fā)生的38起特大事故(死亡人數(shù)10人以上)中客車事故占多數(shù)。
在對以往中國道路交通事故中不同事故形態(tài)死亡人數(shù)的比例分析中可以看出，翻車事故造成的傷亡比例占有相當(dāng)大的比重，傷亡慘重、影響極大。同眾多汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，我國道路交通設(shè)施落后、車輛本身安全性差是導(dǎo)致道路交通事故頻繁發(fā)生的主要原因。因此，加強(qiáng)公路客車的安全性，預(yù)防重大翻車事故中對乘員的傷害，是綜合治理公路交通安全的重要措施之一。我國現(xiàn)在的客車生產(chǎn)企業(yè)由于沒有足夠的試驗(yàn)條件對整車進(jìn)行分析，致使大客車的翻滾碰撞性能都不能達(dá)到一定的安全要求。
車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不僅是保證車身使用壽命和使用可靠性的基本條件，而且影響乘客的乘坐舒適性和安全性。如果車身強(qiáng)度不足，將使車身變形增大。發(fā)生翻車事故時(shí)，客車骨架作為主要承載件將承受來自地面等的大部分載荷，能否給司乘人員提供必要的逃生空間是一個(gè)很重要的因素。從大量事故資料來看，客車在發(fā)生事故后，很多乘員的傷亡都是因?yàn)檐嚿砉羌車?yán)重變形或者斷裂，使乘員遭受“二次碰撞”造成的。
因此，對車身骨架部分的強(qiáng)度、剛度以及側(cè)翻碰撞性能進(jìn)行分析研究具有十分重要的意義。
由于我國的汽車工業(yè)存在自己的特殊性：一是引進(jìn)國外設(shè)計(jì)，國產(chǎn)化生產(chǎn)：二是仿制或改裝設(shè)計(jì)，自己獨(dú)立開發(fā)設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品很少。國內(nèi)許多廠家在大客車的設(shè)計(jì)、制造和改進(jìn)過程中仍主要依靠和沿用傳統(tǒng)的手工設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)理念，從而造成產(chǎn)品存在缺陷或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理，目前國產(chǎn)客車普遍存在的問題是整車協(xié)調(diào)性較差：局部材料強(qiáng)度余量較大，無法預(yù)先判斷，造成材料的浪費(fèi)：在車輛實(shí)際使用過程中出現(xiàn)局部強(qiáng)度不足。所以，產(chǎn)品國產(chǎn)化或改裝后，在使用過程中往往會出現(xiàn)強(qiáng)度、壽命、振動、噪聲等方面的問題。這些問題影響了我國客車產(chǎn)品質(zhì)量，造成了使用中的安全隱患。由于缺乏必要的理論分析，我國客車制造廠家對有問題的區(qū)域往往采取局部加強(qiáng)的方法，這不但需要進(jìn)行多次全面的實(shí)車試驗(yàn)才能確定其有效性，而且會導(dǎo)致整車整備質(zhì)量的不斷增加：另外，對一些結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)和優(yōu)化，由于缺少一定的理論依據(jù)，往往得不到很好的實(shí)施因此開展客車車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算工作，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的前提下，合理地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以達(dá)到輕量化的目的、對車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義。此外，為了加速企業(yè)的新產(chǎn)品開發(fā)，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的性能和科技含量，必須對現(xiàn)有的車型進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度分析計(jì)算和動態(tài)特性分析研究工作，為新車型的研制開發(fā)提供借鑒和校核方法隨著經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程的加快，汽車工業(yè)的競爭盡益加劇，汽車巨頭們都在加緊新車型的設(shè)計(jì)開發(fā)，由于發(fā)動機(jī)、底盤設(shè)計(jì)制造技術(shù)基本成熟，新車型便主要體現(xiàn)在電子設(shè)備和車身造型的更新上。同時(shí)，為減少新車型的開發(fā)成本、縮短新車型的開發(fā)周期、提高新產(chǎn)品的市場競爭力，全球各大汽車公司普遍實(shí)施了“平臺戰(zhàn)略”，車身的開發(fā)便是該戰(zhàn)略的主要組成部分。我國的客車工業(yè)同發(fā)達(dá)圖家相比仍很落后，歸根結(jié)底就是因?yàn)檐嚿砑夹g(shù)的落后。因此，隨著有限元技術(shù)的成熟和高速計(jì)算規(guī)的出現(xiàn)，汽車結(jié)構(gòu)中絕大部分部件甚至整車有限元靜、動態(tài)分析和固有特性分析等都可應(yīng)用這些通用程序或?qū)Ｓ贸绦騺矸治鲇?jì)算，利用有限元法進(jìn)行汽車結(jié)構(gòu)的靜、動態(tài)特性分析已經(jīng)成為一種趨勢。
經(jīng)過對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法等等不合理的分析，研究人員把有限元技術(shù)應(yīng)用到了汽車領(lǐng)域新產(chǎn)品的開發(fā)，從此，有限元技術(shù)也成為了現(xiàn)代汽車產(chǎn)商應(yīng)對汽車行業(yè)競爭日益激烈的重要手段之一。
本課題以某客車的虛擬車身骨架為研究對象，對其結(jié)構(gòu)在10種不同工況下利用Hyperworks進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)有限元分析計(jì)算，定性地分析該車身結(jié)構(gòu)的剛度，驗(yàn)證車身骨架設(shè)計(jì)。

1.3 客車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

大客車車身大多是有薄壁構(gòu)件焊接而成。從結(jié)構(gòu)力學(xué)來看，大客車車身是由空間骨架、抗彎薄板、殼體和應(yīng)力蒙皮等構(gòu)件組成的空間高次超靜定結(jié)構(gòu)D1。由于結(jié)構(gòu)需要，各桿件結(jié)構(gòu)界面尺寸和厚度各異，而且桿件之間的連接方式也是各種各樣的。因此，車身骨架的受力情況也比較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)分析的難度較大，用經(jīng)典的力學(xué)不可能得到精確解。
現(xiàn)代車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法有以下幾個(gè)明顯的特點(diǎn)：
(1)設(shè)計(jì)與分析平行。從一開始以滿足一定性能要求為目標(biāo)的機(jī)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，到具體設(shè)計(jì)方案的比較及確定、設(shè)計(jì)方案的模擬試驗(yàn)，車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各個(gè)階段均有結(jié)構(gòu)分析的參與。車身結(jié)構(gòu)分析貫穿了整個(gè)設(shè)計(jì)過程，這樣確定的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，基本上就是定型方案，由此方案設(shè)計(jì)出的樣車只需一定的驗(yàn)證使用即可定型，大大縮短了車身開發(fā)及研制的周期。
(2)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的思想被應(yīng)用在設(shè)計(jì)的各個(gè)階段。輕量化要求和舒適性安全性要求的不斷提高，使車身設(shè)計(jì)的難度越來越大。為了滿足這些要求，必須在設(shè)計(jì)的開始階段就引入優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想，并將其貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)階段。
(3)大量的虛擬試驗(yàn)代替實(shí)物試驗(yàn)。虛擬試驗(yàn)不僅可以在沒有實(shí)物的條件下進(jìn)行，而且實(shí)施迅速、信息量大。利用虛擬試驗(yàn)，一方面可以在多個(gè)設(shè)計(jì)方案中選擇最優(yōu)，減少設(shè)計(jì)的盲目性，另～方面可以及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問題，從而進(jìn)一步減少設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)周期。
我國大中型客車的生產(chǎn)開發(fā)經(jīng)歷了修造、仿制、改裝、CKD組裝、技術(shù)引進(jìn)以及自主開發(fā)等階段。但總體上來說，只有少數(shù)幾個(gè)廠家具備較強(qiáng)的自主開發(fā)能力，大中型客車整體自主開發(fā)能力仍然較低，與國際先進(jìn)水平還存在較大的差距。我國大中型客車的安全性、經(jīng)濟(jì)性、動力性、穩(wěn)定性、排放以及噪聲等指標(biāo)仍有很大差距，如客車專用底盤的技術(shù)水平大部分只達(dá)到了國外上世紀(jì)80年代末水平17J，只有個(gè)別企業(yè)引進(jìn)產(chǎn)品的技術(shù)水平接近國外先進(jìn)水平。
隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展，國內(nèi)對客車車身進(jìn)行的分析已經(jīng)從過去僅限于強(qiáng)度和剛度的靜態(tài)分析，開始向動態(tài)分析上轉(zhuǎn)變。目前，國內(nèi)利用各種有限元分析軟件在對車身骨架進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析方面已經(jīng)取得了不少成果，但成果主要集中在靜態(tài)分析上，動態(tài)分析較少，與國外的車身結(jié)構(gòu)分析相比明顯存在著許多不足。這些差距主要表現(xiàn)在：
(1)車身結(jié)構(gòu)開發(fā)工作主要還是依賴經(jīng)驗(yàn)和解剖進(jìn)口結(jié)構(gòu)進(jìn)行參照性設(shè)計(jì)，多用來解決樣車試驗(yàn)以后出現(xiàn)的設(shè)計(jì)問題，設(shè)計(jì)與分析未能真正做到并行。
(2)由于軟硬件對計(jì)算模型規(guī)模的限制，模型的細(xì)化程度不夠，因而結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度分析的結(jié)果還比較粗略。計(jì)算結(jié)果多用來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的方案比較，離虛擬試驗(yàn)的要求還有相當(dāng)大的差距。
(3)有限元分析主要應(yīng)用在結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度分析方面，在碰撞、振動、噪聲、外流方面的模擬計(jì)算才剛剛起步，對車身結(jié)構(gòu)或部件的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)分析及優(yōu)化的實(shí)例還未見到。
目前，車身骨架有限元分析模型建立的方法主要有兩種：一是將車身骨架簡化為由梁單元組成的框架結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是模型處理速度快，缺點(diǎn)是計(jì)算結(jié)果比較粗略，不能較細(xì)的反映出某些復(fù)雜結(jié)構(gòu)處的真實(shí)情況；另外一種方法是將車身簡化為殼單元，其優(yōu)點(diǎn)是能相對真實(shí)的反映處連接部的情況，缺點(diǎn)是前處理時(shí)間工作量大，計(jì)算時(shí)間長。因此，對于如何合理的建立有效的模型還有待于進(jìn)一步研究。


2 有限元法簡介

2.1 有限元方法與優(yōu)化理論

2.1.1 有限元法概述及其發(fā)展和現(xiàn)狀
有限元法是隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)而發(fā)展起來的一種新興的數(shù)值計(jì)算方法，它能對工程實(shí)際中幾何形狀不規(guī)則、載荷和支承情況復(fù)雜的各種結(jié)構(gòu)及零部件進(jìn)行變形計(jì)算和應(yīng)力分析，而車身、車架不論是形狀，還是載荷都相當(dāng)復(fù)雜，所以有限元法是計(jì)算車身、車架的一種有效而實(shí)用的工具。
有限元是一種工程很有用的方法，它的主題是把連續(xù)的結(jié)構(gòu)分成很多個(gè)單
元，即利用單元分析的結(jié)果來得出結(jié)構(gòu)的整體性能，此方法的力學(xué)基礎(chǔ)是彈性
力學(xué)。隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和快速發(fā)，有限元法的應(yīng)用越來越廣�，F(xiàn)在通常所說
的有限元方法都是在計(jì)算機(jī)中來實(shí)現(xiàn)的，特別在最近20年，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的
日益成熟，使得有限元法也在不斷變化，不斷發(fā)展。
在21世紀(jì)的今天，我國在利用有限元方法上也涉及到很多領(lǐng)域，比如汽車工業(yè)、國防工業(yè)、機(jī)械工業(yè)和航空航天工業(yè)等。
就有限元 ……（未完，全文共26505字，當(dāng)前僅顯示4767字，請閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文：某客車車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度分析》）