基于有限元法的客车车身骨架结构静动态分析

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1、第一章绪论遍意识到车身的承载特性分析对结构分析的重要性，但更多的是停留在车身结构进行静力学分析，严重缺乏技术上更进一步地模拟车身碰撞分析、空气动力学分析和疲劳分析等方面的经验积累，总体研究相对落后。[23-26]当今国内研究与世界先进研究水平相比存在的差距主要表现在以下方面：（1）车身结构设计靠模仿进口车结构进行参照性设计，很难从根本上掌握结构的力学特性，出现问题后难以根据现有经验进行指导。（2）模型建立的不够细化，导致结构的静力学分析和动力学分析结果都比较粗略。计算结果对于真正开展实验而言可行性偏低。（

2、3）有限元分析的主要对象集中在结构的静力学分析方面，在振动、碰撞等方面的有限元仿真计算分析还处于起步阶段，对整车的各项性能指标的系统精确分析研究还远未广泛进行。§1.4本文的主要研究内容本文主要研究内容如下：（1）分析该客车的结构特点，在PROE软件建立车身骨架的三维几何模型，将车架的三维几何模型导入ANSYS软件中，在选定结构的材料，对其划分网格；根据客车骨架的连接形式，采用BEAM188单元和SHELL181单元进行模拟，建立客车骨架CAE模型。（2）车身结构静态分析：根据车身骨架强度和刚度指标，研究

3、客车车身在四种工况（垂直弯曲工况、紧急制动工况、紧急转弯工况、极限扭转工况）下的车身变形位移量和应力大小。（3）车身结构动态分析：分析客车骨架在无阻尼自由振动状态下1到20阶模态的固有频率和振型。（4）车身骨架的优化：在优化设计理论的指导下，提出侧围改进方案和骨架轻量化的改进措施，然后对改进后的车身做静动态分析，对比一下优化前后客车骨架的应力、位移、振型和固有频率的变化。3基于有限元法的客车车身骨架结构静动态分析收集资料车身骨架结构分析车身骨架CAD图纸分析建立车身骨架几何模型确定有限元模型方案优化方案建

4、立车身骨架有限元模型优化方案车身有限元模型结果分析CAE静态分析CAE动态分析结果分析库图1.1客车车身骨架有限元建模过程示意图§1.5本章小结本章从课题的研究背景、意义及国内外发展现状等方面说明了研究领域的工程实践意义和发展前景。随着有限元理论和计算机技术的不断发展，CAE技术将在现代汽车设计中发挥着越来越重要的作用。4第二章有限元法的基本理论和软件介绍第二章有限元法的基本理论和软件介绍§2.1有限元法基本思想和分析过程§2.1.1有限元法简介虽然有限元这个说法才刚被提出，不过这一概念早在古代就已经被尝

5、试了。例如古代数学家求解圆周长和圆周率的方法是用画1024边形代替圆来求解的。现代众多应用有限元法中最早出名的例子就是1956年turnerclough等人运用刚架位移法解决飞机结构分析问题。经过50多年的发展，有限元法的应用范围越来越广，从平面问题发展到空间问题，从静力问题发展到动力问题，从固体力学发展到流体力学等，在[27][28]做工程分析一般要与CAD软件和技术相结合。有限元法的基本思想是将一个连续体离散化为有限多个大小各异的微小单元体，这些单元与单元之间是通过节点相连接的。这些单元的形状通常是形

6、态各异的，使单元与单元联结时不会因为其形状条件的苛刻而不能产生联结，有限元法因此在求解出几何形状复杂的结构体时显得得心应手。求解时我们先对每一个单元假设为一个函数，这一函数一般用未知场函数插值函数和各个单元结点上的未知场函数数值来表示，然后对不同的区域单独分开求解未知函数。这样做就使得新的未知量就是各个结点上的未知场函数数值。为了得到全求解域的近似解，先得求出各个区域的未知函数，通过插值函数来计算出各单元场函数的近似值。得到这样一个近似值之后，在汇总各个单元场的解集求解出全求解域的近似解。如果增加单元数目

7、或缩小单元尺寸，解的[29][30]精度会越来越高，最后将不断收敛得到精确解。[31]有限元法的根本出发点是把要分析的物体划分为若干微小的单元体。例如要描述一个结构体在一定载荷下的位移和变形情况，如果用解析法求解一般要求知道几乎所有点的位移，这种求解方法较难实现。而有限元法的出现适时的为我们提供了一种求解的方法与技巧：先得到所选这一结构体中点的位移，在插值中点的位移得到其它[31]点的位移。有限元方法的求解过程并不难，但求解起来的工作量还是蛮大的，为了省时省力，一般都在计算机上进行的。§2.1.2有限元法

8、步骤有限元法的求解过程可分为6大步骤：第一步是先对结构体离散化，划分网格；第二步是施加各种载荷和约束；第三步是计算每个单元体的刚度矩阵；第四步是求解结构整体刚度矩阵，建立结构整体平衡方程；第五步是求解线性代数方程组，得出节5基于有限元法的客车车身骨架结构静动态分析点位移，由节点位移求各单元节点力；第六步是显示处理计算结果。其中，第一、二步为前处理过程，第三、四、五步是主要的求解过程，第六步为[32]后处理过程。（1）离散化这一