适用于18座轻型客车的承载式车身的性能分析与优化(附件)【字数：12865】
摘 要车身作为整车的承载部件可以很好的抵消来自行驶过程中的各种冲击作用，提高车辆的使用寿命。在发生碰撞时车身可以极大的保护乘客的生命财产安全，提高被动安全性。因此对车身的设计尤为重要。设计中既要保证车身外观的同时还要保证结构具有足够的刚度和强度来抵抗冲击变形。通过三维几何建模和有限元分析，就可以方便的得到车身在各种工况和载荷条件下的受力情况。降低了车身设计阶段的成本，其得到的结果也相当精确。本文基于承载式车身的特点，对车身骨架进行了设计和三维几何建模。再对几何进行简化处理后。基于有限元分析方法选取了车辆行驶中的四种典型工况进行了分析计算。分析结果显示，车身结构的最大应力值为极限扭转工况中的153MPa，最大变形量为15.7mm，都没有超出材料的极限值。在对骨架进行12阶的自由模态分析中得出车身固有频率范围在12.25~24.08Hz之间，成功的避免了发动机怠速和悬架工作的振动频率。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 引言 1
1.2 研究背景 1
1.3 研究意义 1
1.4 国内外研究现状 2
1.4.1 国外研究现状 2
1.4.2 国内基本情况 2
1.5 课题研究的内容和方法 2
第二章 有限元法基本理论及软件介绍 4
2.1 有限元法 4
2.1.1 有限元法基本思想 4
2.1.2 有限元法基本方法 4
2.2 有限元单元介绍 5
2.3.1 UG软件简介 5
2.3.2 HyperWorks软件简介 6
第三章 车身结构有限元模型 8
3.1 建模准备 8
3.1.1 车身设计及材料性能 8
3.1.2 模型简化 10
3.2 有限元模型的生成 11
3.2.1 材料属性的指定 11
3.2.2 车身中面的抽取与处理 12
3.2.3 网格的划分和处理 14
3.2.4 网格质量检查 15
3.2.5 自由边检查 16
3.2.6 车载质量的处理 17
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.2.7 模型的生成 18
第四章 车身结构有限元分析 20
4.1 载荷工况分析 20
4.2弯曲工况的静力学分析 20
4.3扭转工况的静力学分析 21
4.4急转弯工况的静力学分析 22
4.5制动工况的静力学分析 24
4.6 模态分析 25
4.6.1 模态分析基本概念 25
4.6.2 车身骨架模态分析 25
4.6.3 结果描述及分析 26
结束语 28
致 谢 29
参考文献 30
第一章 绪 论
1.1 引言
有限元分析理论是求解工程技术问题中的一种重要计算方法。从上个世纪40年代至今，其发展已经趋于成熟[1]。随着结构优化理论的发展，拓扑优化作为更高层次的结构优化设计方法被认为是结构优化设计领域中更为困难、更具挑战性的课题[2]。
1970年美国首次将有限元理论应用于客车车身强度、刚度的分析中。经过分析后再对车身结构进行优化[3]。随着计算机性能的提高，有限元软件也随之发展完善，这标志着以分析验证为基础的车身结构设计革命的开始[4]。在西方发达国家中，有限元分析理论已经处于领先地位。如今我国各汽车制造商也开始逐步加大产品的研发力度并对人才的培养和新技术的开发等方面也有了很大的进步[56]。
1.2 研究背景
全承载式车身具有被动安全性高、质量轻、配置合理、安装方便等优点，这种全承载车身在国内外得到了广泛的应用[7]。客车车身的设计阶段就充分的利用了这种模拟仿真的方法。首先通过软件进行几何建模。再将模型导入到分析软件中，并根据设计和使用要求对车身进行分析，得到的分析结果可作为参考再次对结构进行优化。通过设计前后结构的分析对比就可以验证改进方案的可行性和可靠性，从而提高了客车车身骨架的整体强度和刚度，降低材料的消耗，缩短实验周期，同时提高发生事故时整车的被动安全性。
1.3 研究意义
通过有限元分析软件对车身骨架进行分析，能更方便、直接的观察到客车车身各点的受力情况，以便于设计出更高强度、更高性能的全承载车身。同时可以将所需材料和成本控制在理想的范围内。其研究意义如下：
（1）全承载车身在受力时会发生弯曲，传统的分析模型很难分析这一情况，而建立有限元分析模型则能很好的解决这一问题。
（2）对骨架进行分析后，通过输出的结果就可以很直观的把握车身骨架各部位在各种工况下的受力情况。这将对设计人员在对车身骨架材料的应用以及结构的合理性做出初步判断时有很大的帮助。
1.4 国内外研究现状
1.4.1 国外研究现状
1970年美国福特公司首次将有限元分析理论应用于客车车身强度、刚度的分析上。其得到的结果可以作为结构强度和刚度的判断依据，对后续结构的改进也提供了很大的参考作用[8]，为有限元理论应用于车身性能的分析中奠定了基础。在80年代后期，分析对象从静态扩展到动态，分析的方法也应用于市售车型的各个开发阶段[9]。在90年代时，各大汽车厂商，在产品的设计阶段形成了结构优化、轻量化、产品改型等各种优化方法。大大的降低了产品的设计周期和成本，对材料的使用也更加合理[10]。
如今经过四十多年的积累和发展，各厂商在车身的性能分析和优化过程中已完全应用有限元分析理论，其分析方法也从简化为梁单元向简化为壳单元方向发展，如今已经形成了梁与体混合模型的分析方法[11]。优化方案也从局部的结构优化向提高车身强度、刚度、抗疲劳磨损以及灵敏度的优化方向发展。在满足静、动态分析要求的同时再对车身进行轻量化优化[12]。
1.4.2 国内基本情况
国内的有限元分析理论起步较晚，在上个世纪80年代才真正应用于车身性能分析中[13]。到90年代时，大量的有限元软件进入我国并很快运用到产品的设计、分析、优化等各个方面。随着有限元方法的不断深入，在我国的车身设计中也开始大量的应用这种集优点于一身的分析方法。并在研究中取得了很大的成果。骨架有限元分析方法的优点是极大的缩短了计算时间，缺点是计算结果比较粗略[15]。
近年来我国在对车身的研究中一直处于上升阶段，但国外在对车身骨架的研究中由于有先进的技术以及成熟的方法和大量的经验为支撑，相比我国来说还是有很大的优势。而我国在研究方面却有大量的不足其中主要体现在：
（1）国内的研究局限性太大，对车身骨架仅仅做一些基本的性能分析。且国内大多数研究都是基于轻量化为目标，并没有对车身的整体结构有一个很好的把握。优化也仅仅是为了满足要求，问题并没有从根源上解决。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 引言 1
1.2 研究背景 1
1.3 研究意义 1
1.4 国内外研究现状 2
1.4.1 国外研究现状 2
1.4.2 国内基本情况 2
1.5 课题研究的内容和方法 2
第二章 有限元法基本理论及软件介绍 4
2.1 有限元法 4
2.1.1 有限元法基本思想 4
2.1.2 有限元法基本方法 4
2.2 有限元单元介绍 5
2.3.1 UG软件简介 5
2.3.2 HyperWorks软件简介 6
第三章 车身结构有限元模型 8
3.1 建模准备 8
3.1.1 车身设计及材料性能 8
3.1.2 模型简化 10
3.2 有限元模型的生成 11
3.2.1 材料属性的指定 11
3.2.2 车身中面的抽取与处理 12
3.2.3 网格的划分和处理 14
3.2.4 网格质量检查 15
3.2.5 自由边检查 16
3.2.6 车载质量的处理 17
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.2.7 模型的生成 18
第四章 车身结构有限元分析 20
4.1 载荷工况分析 20
4.2弯曲工况的静力学分析 20
4.3扭转工况的静力学分析 21
4.4急转弯工况的静力学分析 22
4.5制动工况的静力学分析 24
4.6 模态分析 25
4.6.1 模态分析基本概念 25
4.6.2 车身骨架模态分析 25
4.6.3 结果描述及分析 26
结束语 28
致 谢 29
参考文献 30
第一章 绪 论
1.1 引言
有限元分析理论是求解工程技术问题中的一种重要计算方法。从上个世纪40年代至今，其发展已经趋于成熟[1]。随着结构优化理论的发展，拓扑优化作为更高层次的结构优化设计方法被认为是结构优化设计领域中更为困难、更具挑战性的课题[2]。
1970年美国首次将有限元理论应用于客车车身强度、刚度的分析中。经过分析后再对车身结构进行优化[3]。随着计算机性能的提高，有限元软件也随之发展完善，这标志着以分析验证为基础的车身结构设计革命的开始[4]。在西方发达国家中，有限元分析理论已经处于领先地位。如今我国各汽车制造商也开始逐步加大产品的研发力度并对人才的培养和新技术的开发等方面也有了很大的进步[56]。
1.2 研究背景
全承载式车身具有被动安全性高、质量轻、配置合理、安装方便等优点，这种全承载车身在国内外得到了广泛的应用[7]。客车车身的设计阶段就充分的利用了这种模拟仿真的方法。首先通过软件进行几何建模。再将模型导入到分析软件中，并根据设计和使用要求对车身进行分析，得到的分析结果可作为参考再次对结构进行优化。通过设计前后结构的分析对比就可以验证改进方案的可行性和可靠性，从而提高了客车车身骨架的整体强度和刚度，降低材料的消耗，缩短实验周期，同时提高发生事故时整车的被动安全性。
1.3 研究意义
通过有限元分析软件对车身骨架进行分析，能更方便、直接的观察到客车车身各点的受力情况，以便于设计出更高强度、更高性能的全承载车身。同时可以将所需材料和成本控制在理想的范围内。其研究意义如下：
（1）全承载车身在受力时会发生弯曲，传统的分析模型很难分析这一情况，而建立有限元分析模型则能很好的解决这一问题。
（2）对骨架进行分析后，通过输出的结果就可以很直观的把握车身骨架各部位在各种工况下的受力情况。这将对设计人员在对车身骨架材料的应用以及结构的合理性做出初步判断时有很大的帮助。
1.4 国内外研究现状
1.4.1 国外研究现状
1970年美国福特公司首次将有限元分析理论应用于客车车身强度、刚度的分析上。其得到的结果可以作为结构强度和刚度的判断依据，对后续结构的改进也提供了很大的参考作用[8]，为有限元理论应用于车身性能的分析中奠定了基础。在80年代后期，分析对象从静态扩展到动态，分析的方法也应用于市售车型的各个开发阶段[9]。在90年代时，各大汽车厂商，在产品的设计阶段形成了结构优化、轻量化、产品改型等各种优化方法。大大的降低了产品的设计周期和成本，对材料的使用也更加合理[10]。
如今经过四十多年的积累和发展，各厂商在车身的性能分析和优化过程中已完全应用有限元分析理论，其分析方法也从简化为梁单元向简化为壳单元方向发展，如今已经形成了梁与体混合模型的分析方法[11]。优化方案也从局部的结构优化向提高车身强度、刚度、抗疲劳磨损以及灵敏度的优化方向发展。在满足静、动态分析要求的同时再对车身进行轻量化优化[12]。
1.4.2 国内基本情况
国内的有限元分析理论起步较晚，在上个世纪80年代才真正应用于车身性能分析中[13]。到90年代时，大量的有限元软件进入我国并很快运用到产品的设计、分析、优化等各个方面。随着有限元方法的不断深入，在我国的车身设计中也开始大量的应用这种集优点于一身的分析方法。并在研究中取得了很大的成果。骨架有限元分析方法的优点是极大的缩短了计算时间，缺点是计算结果比较粗略[15]。
近年来我国在对车身的研究中一直处于上升阶段，但国外在对车身骨架的研究中由于有先进的技术以及成熟的方法和大量的经验为支撑，相比我国来说还是有很大的优势。而我国在研究方面却有大量的不足其中主要体现在：
（1）国内的研究局限性太大，对车身骨架仅仅做一些基本的性能分析。且国内大多数研究都是基于轻量化为目标，并没有对车身的整体结构有一个很好的把握。优化也仅仅是为了满足要求，问题并没有从根源上解决。
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