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某型大客车的有限元分析.
某型大客车的有限元分析
巴 勇
长 春 一 汽 集 团 电 子 计 算 处
摘要:本文利用MSC/PATRAN和MSC/NASTRAN对某型客车进行了有限元强度和刚度的 分析,了解其应力的分布情况,为整车的强度分配和轻量化提供理论依据,同时也证明了采用MSC/PATRAN和MSC/NASTRAN软件在客车强度分析方面的实用性。
关键词: 客车 有限元分析 强度 骨架
前言
随着我国道路交通建设的发展,使中、长途客车的生产也得到了很好的发展。但我国客车的车身的设计大都采用类比的方法,对有问题的区域往往采取局部加强的方法,致使车重不断增加,对一些结构上的改进和优化由于缺少一定的理论依据而往往得不到很好的实施。本文采用有限元理论,利用MSC/PATRAN和MSC/NASTRAN对我集团生产的某型车架尾部有设计修改的客车进行强度和刚度的分析计算,计算出修改后的车身结构件的应力分布情况,为客车的结构设计提供了理论依据。
客车的主要的技术参数
整车长x宽x高(mm):8660X2315X2050
轴距(mm):4700
乘员数:37
整备质量(kg):12000
前轴负荷(kg):4000
后桥负荷(kg):8000
有限元模型的处理
大客车的车身是半承载式结构,由骨架和蒙皮两部分组成,虽然蒙皮对整车刚度和强度都有一定的影响,但基本上不承受剪切力属于非预应力件,对结构强度的影响可不考虑,故在进行应力计算时仅考虑骨架部分。车身骨架总成包括车架骨架、底架骨架、左、右侧围骨架、顶盖骨架及前、后围骨架,各骨架采用各种型钢焊接而成。客车车身为复杂的空间杆系结构,所以在建立车身有限元模型时采用了空间的梁单元来模拟车身骨架结构,同时为真实反映实际运行中载荷和约束的位置及其影响,保留了底盘车架并对底盘车架采用了壳单元来进行模拟,将车身结构构件刚性地与车架连接,使车身参与整车承载,与车身连接的钢板弹簧及车轮轴简化为两个ROD元和一个刚度较大梁的结构。由于整车车身结构比较复杂,所以对车身模型进行了一定的简化:对那些对结构的变形和内力影响很小,且与整车骨架的连接关系较弱的一些非承载件进行了较大的简化和忽略;对车身四周、顶盖横梁、前风窗下梁等曲杆简化为若干直梁单元;对位置关系较近和联系较强的点根据实际结构中的焊接和铆接的关系采取适当的合并或符合实际情况的主从节点联接方式;另根据设计方面的要求,还对车架尾部结构进行了修改。图1为车身结构的计算模型,图2为修改后的车架尾部结构。
图1 车身结构的计算模型 图2 车架尾部结构
载荷和工况
汽车在实际使用时的载荷和工况非常复杂,但就其性质而言,车身的主要载荷可分为弯曲、扭转、侧向载荷和纵向载荷,这几种载荷情况也直接关系到车身的结构强度,所以本次计算考虑以上载荷及其组合共分四种工况来进行计算。
4.1垂直工况
按公式R=K0×FZ来设计弯曲载荷R,其中:
K0为动载系数,本文选取K0=2.5。
FZ为弯曲载荷,包括乘员、货物、自重、设备重量,其中重力加速度g取9.8m/s2,乘员取65kg/人,左、右、后行李箱以及内外行李架按实际最大可能载荷,其它设备按实际重量。
4.2制动工况
按公式R=FX+K1×FZ来设计制动载荷R,其中:
FX为纵向载荷,加速度取0.7g。
K1为动载系数,本文选取K1=1.5。
FZ为弯曲载荷,情况同4.1。
4.3转弯工况
按公式R=FY+K1×FZ来设计转弯载荷R,其中:
FY为侧向载荷,加速度取0.4g。
K1为动载系数,本文选取K1=1.5。
FZ为弯曲载荷,情况同4.1。
4.4扭转工况
扭转载荷产生于路面不平对车身的造成的不对称支撑,为了进行横向对比,用静态最大可能的扭距,本文采用右后轮抬高80mm,其它载荷与垂直工况相同。
主要计算结果和分析
计算模型经MSC/NASTRAN计算后得到变形、应力等计算结果,由MSC/PATRAN可得到图形化的后处理结果,本文选取部分代表性的结果进行说明。
5.1车身刚度分析
图3、4、5分别为车身在弯曲、制动、转弯工况下的车身变形图。弯曲工况下车身的最大位移在顶盖骨架后部即外行李架中部的相关骨架处,其值为21.4mm,底架的最大位移在后排的抬高座椅的后横梁处,位移值为16.1mm,底盘车架尾端的最大位移为17.1mm。
制动工况下的上述3个部位的位移值分别为12.8mm,8.16mm,9.39mm。整个车身在制动
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