客车有限元模型的建立流程

有限元模型。常用的梁单元主要有以下几类:

(l)普通梁单元，如BAEM3，BEAM4;其中BEAM3是一个轴向拉压和弯曲的二维弹性梁单元，而BAEM4是一个轴向拉压、扭转和弯曲的三维弹性梁单元，具有应力刚化和大变形功能。

(2)截面渐变梁单元，如BAEM44，EBMA54;其中BAEM44是具有拉伸、扭转和弯曲功能的单轴三维渐变不对称梁单元，EBMA54是具有拉伸、扭转和弯曲功能的单轴二维渐变不对称梁单元。

(3)塑性梁单元，如BEMA23，BEMA24;其中BAEM23是具有拉压和弯曲性能的单轴二维塑性梁单元，EBMA24是任意截面(开口或封闭)的单轴三维薄壁梁单元，具有拉压、弯曲和扭转功能。

(4)考虑剪切变形的梁单元，如BEMA188，BEAM189;该二单元都是ANSYS从5.5版本开始起增加的新的梁单元，它们将梁的横截面纳入模型的属性中，丰富和方便了对梁单元的定义，而且具有强大的绘制梁单元截面立体图的功能。BEMA188是三维线性有限应变梁单元，而BAEM189是三维二次有限应变梁单元，它们都适合于分析细长梁或中等粗短梁结构。

网格划分与检查：

车身骨架主要时由矩形截面钢焊接而成，板件厚度为1.5mm。在采用板壳单元进行有限元划分时，首先要提取矩形截面杆实体模型的中面。

中面是在划分网格时用平面有限元单元来表示某一给定部分的几何层，通常适用于金属冲压而成的薄片、带肋板的塑料模件和其他一些带板件的结构。

网格划分是建立有限元模型的一个重要环节，网格的质量和规模对计算精度和效率有直接影响。

1．单元尺寸的确定

在划分网格之前，首先要选择合适的单元尺寸大小。对于车身模型的单元类型而言，主要是考虑壳单元的尺寸大小，因为它直接决定了有限元单元数目的多少，从而对模型的复杂程度，计算的精度有着较大的影响。理论上讲，单元尺寸越小，网格越密，则计算精度也越高，但所占用的计算机资源越多，计算时间也越长。而且随着网格密度达到某一规模之后，再增加网格密度，精度提高变得越来越不明显。所以在能满足计算精度要求的情况下，单元尺寸尽量取大一些。另外针对不同的分析类型，要选择不同的单元尺寸大小。比如模态分析和应力分析对于单元尺寸的要求就不一样。应力分析时因为细节会造成应力集中，所以对这些部位的网格要适当细化；而模态分析要求单元均匀一些，相对于应力分析单元尺寸可以适

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当取大一些。对于究竟取多大的单元尺寸才能满足特性分析的精度要求，并没有统一的标准。在实际的网格划分过程中，可以先根据经验选取某一单元尺寸，然后进行试算，之后再适当减小单元尺寸，再进行试算。如果两次试算的结果误差不大，则前一次的单元尺寸就基本上满足精度要求。对于应力分析，首先应该选取较大的网格建立粗略的有限元模型，然后进行粗算。这样可以确定应力比较集中的地方，可以有针对性地对局部网格进行细化。

2．网格检查

网格质量是指网格几何形状的合理性。网格质量的好坏将影响计算精度。质量太差的网格甚至会造成计算的中止。网格质量可用细长比、锥度比、内角、翘曲量、拉伸值、边节点位置偏差等指标来衡量。

a.细长比（Aspect Ratio）：单元最大边长与最小边长的比值，一般应力分析的时候要保持在3:1以内；分析变形时最好保持在10:1以内。

b.翘曲量（Warpage）：表示单元相对于平面的偏移程度。对于四边形单元，翘曲量最好在10度以下，若单元的翘曲量太大，可将其剖分为两个三角形单元。

c.雅可比（Jacobian Ratio）：单元内各个积分点Jacobian矩阵值中的最小值与最大值之比。对于不合格的网格，可以采用网格优化工具进行优化，或者用更小的网格尺寸进行局部细化，直到整体模型的网格质量达到计算要求。

网格检查的另外一个内容是检查节点是否连续，即网格是否具有位移协调性。位移协调是指单元上的力和力矩能够通过节点传递到相邻单元。为了保证位移协调，一个单元的节点必须同时也是相邻单元的节点，而不是内点或边界点。

模型简化：有限元模型建立的原则和应注意的问题：

客车车身不仅是一个极其复杂的空间薄壁杆系结构，还包括大量的蒙皮。由于一些非承载件和非主要的承载元件对骨架结构的变形和应力分布影响很小，而对问题的求解规模和准确性有着很大的影响。因此没有必要并且也不可能完全按照车身的实际结构来构建其有限元模型，而是要根据各个分析的侧重点有针对性的对模型进行一些简化。

建立车身骨架的有限元模型时, 即要如实地反映客车车身实际结构的重要力学特性, 又要尽量采用较少的单元和简单的单元形态, 以保证较高的计算精度及缩小解题规模。有限元分析计算结果的可信度高低，直接受分析模型、载荷处理、约束条件等和实际工程结构力学特性符合程度的影响, 若有失误则会造成很大误差,严重时将使计算分析失败。在建模时对模型进行了适当的简化，这样不仅可以缩短建模时间，而且可以突出主要问题。模型简化的程度主要取决于分析类型，即分析目的。如果只是要建立用于粗算的模型，则可以去掉次要的构件，同时忽略零件的局部细节。如果是要建立用于分析整车固有频率、刚度、强度以及局部应力水平的详细模型，则简化时要相对慎重，对所分析性能指标有贡献的结构要尽量保留。因此，模型简化的基本原则是要保证不影响计算精度的前提下，对所研究的性能指标影响的结构进行适当简化。

建立车身模型的关键是选择合适的单元来模拟车身结构，并弄清楚车身的整体载荷情况，以确定模型施加的边界条件。当然，计算模型不可能等同于实际模型，需要对模型进行近似简化。构成模型的主要结构，可用具有相似力学特性的单元来模拟真实结构的力学特性。本报告主要针对客车骨架结构进行优化，为此对于发动机，变速箱，座椅及木地板等客车构件，则简化成质量或载荷。建立有限元模型时我们采取了以下措施：（根据客车骨架是由矩形管焊接而成的空间杆系结构的特点，我们运用空间壳单元和梁单元两种方式进行了试算。）本课题研究的是车身骨架的静、动态特性，因此建模时根据实际需要对车身骨架采取

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了以下的简化措施:

(1)省略非承载件。对于哪些为了满足某种功能需要，不是为了承载而设置的构件(例如:扶手，制动踏板支架，仪表盘支座，风窗玻璃的鼻梁等)，由于其对整车的变形和应力分布影响较小，可忽略不计。

(2)构件表面光顺化。构件表面上的孔、台肩、凹部和翻边等若实际状况许可予以圆整光滑处理。

(3)省略工艺孔。车架前后段的实体模型上有很多安装孔和工艺孔。这些孔的存在对模型的应力和变形影响小，而且还增加了建模难度，因此，在建模是不予考虑。

(4)忽略蒙皮。蒙皮对骨架起到加强的作用，但影响不大。从简化模型和偏安全的角度考虑，在模型中忽略蒙皮。蒙皮处理原则：对于与骨架连接刚度较大的金属蒙皮，以空间壳单元来模拟；而对于其它对骨架刚度加强作用甚微的蒙皮结构，则不考虑蒙皮的作用。

(5)主从节点原则。出于对结构模型病态问题的考虑，为了避免模型病态的问题，对于位置较近的构件结合点则采用适当合并或“主从节点”的方式处理，避免实际计算中可能会导致的方程病态。有些邻接构件在空间交接的轴线不重合, 于是出现了两个离得很近的节点, 在力学特性上它们的变形很接近, 把它们简化成一对主从节点。结构的有些区域在某方向上刚度很大,例如车身立柱与底横梁连接处, 车架纵梁上钢板弹簧支座附近等, 各节点的位移相近, 利用相关位移来处理。这样就避免了可能出现的总刚度阵的病态, 同时也可以提高结构分析的效率。问题：（什么是主从节点原则）？

(6)曲杆简化为直杆。对于顶盖横梁、前风窗下横梁等曲杆，由于不是主要承载件，将其简化成若干直杆。

(7)双(三)梁的简化。对于两同向焊接的梁，因其焊接处强度近似于材料内部强度，因此将其简化为一根梁。经计算验证，该简化处理与在两根梁中间引入刚性梁的简化处理相比，前者引起的误差远小于后者。

(8)简化截面形状。由于客车上构件的设计不仅仅是考虑简单的受力，而且还要顾及其他部件的安装与使用要求，因此截面形状可能不很规范，但在离散化时要作适当的形状简化。

(9)载荷分配。载荷的分配直接影响计算结果。应对发动机、变速箱、油箱、地板、乘客、座椅及行李等质量作合理的分配，使之作用在适当的位置。

(10)取约束、载荷作用点处，和焊接、铆接点处为单元的节点。模型中的载荷、约束的精确程度对整车结构的位移，应力和模态影响很大。

模型简化的内容包括：

1．对于所研究指标影响很小的次要构件，可以去掉；

2．对于顶盖的横梁、前围的横梁等弯曲杆件，可以简化为若干直梁； 3．对于连接部位的很小的圆弧过渡，可以简化为直角过渡；

4．对于加强筋结构，基于分析目的的不同，可以采用不同的简化方法。要研究整车刚度、强度等性能时，可以忽略加强筋；但如果要研究局部变形及应力分布时，则不能忽略加强筋；用于模态分析，求解固有频率和振型时，也不能忽略加强筋。

5．对于翻边结构，也要视其结构功能来定。对于对构件局部刚度有加强作用的翻边，如果单元数目允许，最好不要忽略。而对于纯粹是工艺上的需求，几乎不影响结构的刚度和强度的翻边结构，可以完全忽略。

6．对于孔结构，则可视其尺寸来考虑。如果其尺寸相对于其所在部件非常小，则可忽略；如果某个孔的尺寸相对于其所在部件很大，则会对局部结构的刚度和强度有影响，在要注意局部应力集中的情况下要保留。

车身质量及载荷的处理：

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本文以车身骨架为研究对象，认为整车模型的载荷全部由骨架来承担。载荷主要包括以下几个部分:

(1)车身骨架自身重量。根据软件自身功能，在ANSYS中输入钢板材料的密度，软件便自动计算出骨架的面积、体积、重量。

(2)对于座椅、乘客的重量。此客车载客量额定为45人，外加一名司机，不计超载。根据实际情况，乘客的重量通过座椅的支撑点传递给地板。因此，对于车架来说，所受载荷用均布载荷来模拟，较为准确，而且可以避免因加点载荷而导致的应力集中。乘客的载荷为750N/人，按照实际布置位置正确施加到车架上。

(3)对于底盘各总成的重量如发动机、油箱、蓄电池、离合器及离合器壳、缓速器、散热器及附件、电瓶及架、排气管及消声器、压缩机、加热器、油箱(含燃油)、卫生间、备胎等等都以静力等效原则，在其底盘的实际位置上以均布载荷施加到模型上。

(4)在车身顶部有一空调主机，重量为2367N，根据实际所占面积施加到顶梁相应位置。在底盘中部，有一个很大的行李舱，在此按每人60kg的行李加上载荷(按45名乘客计)。本模型所有载荷均以均布载荷的形式加到有限元模型中相应的梁单元中。

建模时的悬架系统模拟

在强度计算中车身模型通过前后悬架支撑在地面上。因此模型建立的一个重要内容是车身支承系统的模拟。支承模拟的正确与否是计算成败的关键，支承模拟的好坏极大的影响计算结果的准确性。

建立支承模型的原则是:

1.足够的约束，使结构消除刚体运动的可能，才能获得位移的确定解。 2.不得有多余约束，因为多余约束会使结构产生实际不存在的附加约束力 车身或车架是通过悬架系统、车桥和车轮支承在地面上的。为了使计算更加符合使用工况，可将悬架元件与车身或车架组合起来进行计算分析。车架通过悬架系统与车桥相连，不同的悬架系统对车架以及车身骨架的强度和刚度的影响也不同。本课题所研究的车型是采用前后双钢板弹簧的悬架系统。根据以往的参考文献，一般将钢板弹簧的悬架系统看为两个竖放的弹簧和两根刚度很大的平衡杠杆支承在铰支点上。故在有限元建模过程中把悬架等效为两个弹簧连接单元与两个刚度很大的梁单元。

ANSYS中的弹簧连接单元自由度可以用位移或扭矩来描述。可以是只有X、Y、Z三方向的平动自由度，也可以只有沿自身轴线的扭转自由度，但有一个原则就是只能沿自己的轴线移动。这与钢板弹簧实际的作用相符合:除了起到减振的作用外，还起到导向的作用，即在其他方向上的刚度远比垂直方向的大。在建模时为了避免悬架塌陷和侧倾，还应设置连接单元节点藕合。在本模型中，对连接单元节点对10和12、6和8、15和13藕合了X、Y平动自由度和RZ旋转自由度。

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