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1、UG和ANSYS软件在结构分析及优化设计中的应用王东梅何清瑞吉林大学dm_wang@eyou.com［摘要］木文利用大型设计和分析软件UG和ANSYS建立了轻型客车车身的几何模型和冇限元模型，对客车车身侧围两种骨架结构方案进行了强度，刚度和模态分析少对比。最后以减轻车身自重为目标对车身结构进行了优化和灵敏度分析。为客车车身的改进设计提供了帮助。［关键词］客车车身结构强度刚度有限元分析结构优化轻量化1前言实例客车是国内某客车企业新开发的一种屮型客车。它采用了一汽客车底盘厂制造的专业客车底盘，开发了非承载骨架结构车身，整
2、车造型优美，乘坐舒适。为了使该型客车车身最大限度地满足强度刚度可靠性要求^,同时使车身的材料得到更充分的利用，即尽暈降低车体自重，采用有限元和优化设计理论和试验相结合的方法对车身结构的强度、刚度及整车的承载性能进行综合分析是非常有意义的。它可以提供设计人员有关的结构参数的影响因素，提高设计可信度，从而加速新产品定型。本文的有限元分析主要内容包括：1）实例客车及改型车身（去掉侧I詞腰梁部位的若干斜撐）两种车体结构承载能力（强度、刚度）的变化；2）实例客车与改型车身的振动频率的变化；3）以降低车重为目标对车身的结构参数的
3、优化和灵敏度分析，提出减重的目标和措施。2有限元模型及计算在建立车身有限元模型时,首先在UG软件上建立车身的儿何模型，并利用PATRAN中面向ANSYS软件的有限元前处理功能划分有限元网格，使用软件ANSYS的弹性4节点壳单元SHEI丄63、弹性3点梁单元BEAM4和弹簧元C0MBTN14对整个客车进行离散化，共用SIIELL63单元44930个，BEAM4单元44个，弹簧元4个。在所建的有限元模型中，反映了车身各构件的真实厚度。在分析时所用到的材料及其力学主要参数为，材料Q235;弹性模量（pa）2.06E11;密
4、度（kg/m3）7.85E3;泊松比0.3屈服极限（Mpa）295o由于弯曲工况是车辆经常处于的工况，而扭转工况下车身的应力水平较大，所以，在研究分析内容时，选择了满载弯曲工况（简称弯曲工况）和满载前左轮悬空工况（简称扭转工况），后者是车辆可能发生的一种极限工况。作用在车身上的弯曲载荷是车身的自重、车辆总成和乘客的重量，车身结构件的重量通过加垂直方向的、大小为9.8N/s2的加速度來模拟；乘员、座椅按其位置和重量将其等效力作用相应节点上，其中，乘员总重为34x65kg/人=2210kg,座椅为680kg,以下是其他各
5、总成的重量：发动机580kg,变速器100kg,油箱150kg,转向机100kg,水箱50kg,单个车轮60kg,离合器70kg,压缩机100kg,电瓶70kg,空调200kg,暖风机70kgo分析过程中将整个车辆作为一个简支梁來模拟，用梁单元和弹簧元來模拟钢板弹簧刚度（前163N/mm,后326.67N/mm）和轮胎的刚度。作为评价客车车身材料利用率的一个重要指标之一，客车车身骨架比重小，说明该车车身骨架的承载能力得到了充分的利用。客车车身的骨架比重一般为110-170kg/m3之间，平均值139kg/m3左右。实
6、例客车的骨架比重为153.8kg/m3,高于平均水平，说明该车的材料未得到充分的利用，所以通过进一步的优化设计可使该车的材料得到合理的利用。2.1弯曲工况2.1.1刚度分析_d5.■320图1弯Illi工况下左、右纵梁挠度Illi线.左纵梁■右纵梁0-10客车车身弯曲刚度是评价客车车身性能的乂一重要指标，通过对实例客车满载的弯曲工况分析，得到该车左右纵梁挠度曲线（如图1所示，图中测点编号反映车体模型底架纵粱从前到后的测点顺序）。可以看出：弯曲工况下纵梁挠度曲线变化比较均匀，表明该车弯曲刚度沿车身的纵向分布是均匀变化的
7、；前后桥中心（测点4、11）处曲线方向发生变化，点11至点16处挠度曲线的数值较大,因为该车车架的后部的发动机、变速器和水箱等集中载荷作用的结果，这是车身实际情况的反映;右纵梁的弯曲挠度比左纵梁略大，因为右侧开有车门，使右侧禺的弯曲刚度略小于左侧围。2.1.2强度分析弯曲工况中，客车车身侧围、顶盖、前后围的应力水平很低，大部分应力在lOMpa以下,底架的应力水平虽然局部较高，但绝大部分都在lOMpa以下。车身底架以上结构的高应力区主要发生下面儿个部位：左、右车窗立柱与上、下纵梁的连接部位，平均应力在20Mpa左右；左
8、、右侧围腰立柱与侧窗下框、腰梁的连接部位，平均应力在3OMpa左右。有关最大应力值分布情况可在后续的试验和计算比较中看到。2.2扭转工况2.2.1刚度分析客车车身扭转刚度是评价客车车身性能的另一个重耍指标。通过对实例客车满载的扭转工况分析，得到该车车身的扭转角曲线（图2）。可以看出：车身扭转角曲线变化比较均匀，表明该车扭转刚度分布均匀；前、后桥
