毕业论文：某客车车身结构强度与刚度分析

毕业论文：某客车车身结构强度与刚度分析
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摘要

客车车身结构强度越来越受到人们的关注，为此国际上先后颁布了多项有关客车结构的安全性法规，并严格按照法规要求对客车产品进行强制安全认证。本文针对国产某大型客车的车身结构，使用大型有限元分析程序Hyperworks进行强度分析。在此基础上，对客车骨架的结构进行计算分析，并与材料的强度进行比较，分析客车能否正常行驶，为进一步设计提供依据。
本论文主要包括以下几方面内容:
（1）建模。根据实体模型建立良好的有限元模型。
(2) 静态分析。按照要求，对某大型客车进行十种典型工况下的结构分析，校核了该车车身结构的强度。经过计算该客车能在这十种工况下正常行驶。
关键词:客车 车身结构 强度
修改意见：
1、 每种工况结果分析时，说明最大应力作用位置
2、其它见批注

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
……（新文秘网https://www.wm114.cn省略1698字，正式会员可完整阅读）……　
院汽车工程系校企合作中车身设计与优化项目的子课题。
客车侧翻是客车道路交通事故的头号杀手，我国已针对客车的上部结构强度制定相关法规，仿真分析是节省试验成本和缩短开发周期的最佳手段。本课题主要对某客车进行强度分析，并在此基础上优化该客车的车身结构。具体内容如下：
 利用HyperWorks软件建立某客车车身的有限元模型。
 应用Optistruet进行该客车的强度分析。

1.2 研究目的与意义

近年来，由于道路车辆的不断增加和交通及旅游业的飞速发展，我国成为交通事故发生频率最高的国家之一，交通事故中死伤人数不断上升。据统计，1995一1997年，平均每年死亡7万人以上，期间所发生的44起特大事故(一次死亡20人以上)中客车占40起[l’]。2001年死伤人数突破10万。2006年全国公安交通管理部门共受理道路交通事故案件37.878万起，事故共造成8.9455万人死亡，直接经济损失14.9亿元，期间所发生的38起特大事故(死亡人数10人以上)中客车事故占多数。
在对以往中国道路交通事故中不同事故形态死亡人数的比例分析中可以看出，翻车事故造成的伤亡比例占有相当大的比重，伤亡惨重、影响极大。同众多汽车工业发达国家相比，我国道路交通设施落后、车辆本身安全性差是导致道路交通事故频繁发生的主要原因。因此，加强公路客车的安全性，预防重大翻车事故中对乘员的伤害，是综合治理公路交通安全的重要措施之一。我国现在的客车生产企业由于没有足够的试验条件对整车进行分析，致使大客车的翻滚碰撞性能都不能达到一定的安全要求。
车身结构强度不仅是保证车身使用寿命和使用可靠性的基本条件，而且影响乘客的乘坐舒适性和安全性。如果车身强度不足，将使车身变形增大。发生翻车事故时，客车骨架作为主要承载件将承受来自地面等的大部分载荷，能否给司乘人员提供必要的逃生空间是一个很重要的因素。从大量事故资料来看，客车在发生事故后，很多乘员的伤亡都是因为车身骨架严重变形或者断裂，使乘员遭受“二次碰撞”造成的。
因此，对车身骨架部分的强度、刚度以及侧翻碰撞性能进行分析研究具有十分重要的意义。
由于我国的汽车工业存在自己的特殊性：一是引进国外设计，国产化生产：二是仿制或改装设计，自己独立开发设计的新产品很少。国内许多厂家在大客车的设计、制造和改进过程中仍主要依靠和沿用传统的手工设计方法和设计理念，从而造成产品存在缺陷或结构设计的不合理，目前国产客车普遍存在的问题是整车协调性较差：局部材料强度余量较大，无法预先判断，造成材料的浪费：在车辆实际使用过程中出现局部强度不足。所以，产品国产化或改装后，在使用过程中往往会出现强度、寿命、振动、噪声等方面的问题。这些问题影响了我国客车产品质量，造成了使用中的安全隐患。由于缺乏必要的理论分析，我国客车制造厂家对有问题的区域往往采取局部加强的方法，这不但需要进行多次全面的实车试验才能确定其有效性，而且会导致整车整备质量的不断增加：另外，对一些结构上的改进和优化，由于缺少一定的理论依据，往往得不到很好的实施因此开展客车车身结构强度的计算工作，在满足结构强度和刚度的前提下，合理地进行结构设计，以达到轻量化的目的、对车身结构设计具有重要意义。此外，为了加速企业的新产品开发，进一步提高产品的性能和科技含量，必须对现有的车型进行结构强度、刚度分析计算和动态特性分析研究工作，为新车型的研制开发提供借鉴和校核方法随着经济全球化进程的加快，汽车工业的竞争尽益加剧，汽车巨头们都在加紧新车型的设计开发，由于发动机、底盘设计制造技术基本成熟，新车型便主要体现在电子设备和车身造型的更新上。同时，为减少新车型的开发成本、缩短新车型的开发周期、提高新产品的市场竞争力，全球各大汽车公司普遍实施了“平台战略”，车身的开发便是该战略的主要组成部分。我国的客车工业同发达图家相比仍很落后，归根结底就是因为车身技术的落后。因此，随着有限元技术的成熟和高速计算规的出现，汽车结构中绝大部分部件甚至整车有限元静、动态分析和固有特性分析等都可应用这些通用程序或专用程序来分析计算，利用有限元法进行汽车结构的静、动态特性分析已经成为一种趋势。
经过对传统设计法等等不合理的分析，研究人员把有限元技术应用到了汽车领域新产品的开发，从此，有限元技术也成为了现代汽车产商应对汽车行业竞争日益激烈的重要手段之一。
本课题以某客车的虚拟车身骨架为研究对象，对其结构在10种不同工况下利用Hyperworks进行静态和动态有限元分析计算，定性地分析该车身结构的刚度，验证车身骨架设计。

1.3 客车车身结构设计现状和发展趋势

大客车车身大多是有薄壁构件焊接而成。从结构力学来看，大客车车身是由空间骨架、抗弯薄板、壳体和应力蒙皮等构件组成的空间高次超静定结构D1。由于结构需要，各杆件结构界面尺寸和厚度各异，而且杆件之间的连接方式也是各种各样的。因此，车身骨架的受力情况也比较复杂，结构分析的难度较大，用经典的力学不可能得到精确解。
现代车身结构设计方法有以下几个明显的特点：
(1)设计与分析平行。从一开始以满足一定性能要求为目标的机构选型、结构设计，到具体设计方案的比较及确定、设计方案的模拟试验，车身结构设计的各个阶段均有结构分析的参与。车身结构分析贯穿了整个设计过程，这样确定的车身结构设计方案，基本上就是定型方案，由此方案设计出的样车只需一定的验证使用即可定型，大大缩短了车身开发及研制的周期。
(2)结构优化的思想被应用在设计的各个阶段。轻量化要求和舒适性安全性要求的不断提高，使车身设计的难度越来越大。为了满足这些要求，必须在设计的开始阶段就引入优化设计的思想，并将其贯穿整个设计阶段。
(3)大量的虚拟试验代替实物试验。虚拟试验不仅可以在没有实物的条件下进行，而且实施迅速、信息量大。利用虚拟试验，一方面可以在多个设计方案中选择最优，减少设计的盲目性，另～方面可以及早发现设计中的问题，从而进一步减少设计成本，缩短设计周期。
我国大中型客车的生产开发经历了修造、仿制、改装、CKD组装、技术引进以及自主开发等阶段。但总体上来说，只有少数几个厂家具备较强的自主开发能力，大中型客车整体自主开发能力仍然较低，与国际先进水平还存在较大的差距。我国大中型客车的安全性、经济性、动力性、稳定性、排放以及噪声等指标仍有很大差距，如客车专用底盘的技术水平大部分只达到了国外上世纪80年代末水平17J，只有个别企业引进产品的技术水平接近国外先进水平。
随着计算机软硬件的发展，国内对客车车身进行的分析已经从过去仅限于强度和刚度的静态分析，开始向动态分析上转变。目前，国内利用各种有限元分析软件在对车身骨架进行结构分析方面已经取得了不少成果，但成果主要集中在静态分析上，动态分析较少，与国外的车身结构分析相比明显存在着许多不足。这些差距主要表现在：
(1)车身结构开发工作主要还是依赖经验和解剖进口结构进行参照性设计，多用来解决样车试验以后出现的设计问题，设计与分析未能真正做到并行。
(2)由于软硬件对计算模型规模的限制，模型的细化程度不够，因而结构的刚度、强度分析的结果还比较粗略。计算结果多用来进行结构的方案比较，离虚拟试验的要求还有相当大的差距。
(3)有限元分析主要应用在结构的强度和刚度分析方面，在碰撞、振动、噪声、外流方面的模拟计算才刚刚起步，对车身结构或部件的各项性能指标进行系统分析及优化的实例还未见到。
目前，车身骨架有限元分析模型建立的方法主要有两种：一是将车身骨架简化为由梁单元组成的框架结构，其优点是模型处理速度快，缺点是计算结果比较粗略，不能较细的反映出某些复杂结构处的真实情况；另外一种方法是将车身简化为壳单元，其优点是能相对真实的反映处连接部的情况，缺点是前处理时间工作量大，计算时间长。因此，对于如何合理的建立有效的模型还有待于进一步研究。


2 有限元法简介

2.1 有限元方法与优化理论

2.1.1 有限元法概述及其发展和现状
有限元法是随着计算机的出现而发展起来的一种新兴的数值计算方法，它能对工程实际中几何形状不规则、载荷和支承情况复杂的各种结构及零部件进行变形计算和应力分析，而车身、车架不论是形状，还是载荷都相当复杂，所以有限元法是计算车身、车架的一种有效而实用的工具。
有限元是一种工程很有用的方法，它的主题是把连续的结构分成很多个单
元，即利用单元分析的结果来得出结构的整体性能，此方法的力学基础是弹性
力学。随着计算机的出现和快速发，有限元法的应用越来越广。现在通常所说
的有限元方法都是在计算机中来实现的，特别在最近20年，计算机模拟技术的
日益成熟，使得有限元法也在不断变化，不断发展。
在21世纪的今天，我国在利用有限元方法上也涉及到很多领域，比如汽车工业、国防工业、机械工业和航空航天工业等。
就有限元 ……（未完，全文共26505字，当前仅显示4767字，请阅读下面提示信息。收藏《毕业论文：某客车车身结构强度与刚度分析》）