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≥月ｆｌ ｆ＼年（月ｉ．ｉ－－Ｂ
车身是客车结构的主要承载部件要承受静载荷和各种动载荷的作用，因而对车架 的强度鉯及动态特性的要求都非常高。车架的动态特性设计不好对客车的乘坐舒适 性、操纵稳定性、安全性以及各零部件的可靠性都有不良影響。而车架的强度特别是动 强度若不满足要求会使车架结构受到破坏。因此对车身车架进行动态响应分析不仅可 以评价车身车架自身的性能而且还可以作为整车行驶平顺性等性能的评价指标，其结 果还可以为车身车架的结构设计提供理论依据 本文利用有限元计算与分析的方法在三维软件ＣＡＴＩＡ建立三维几何模型的基础上 对某客车厂的某车型客车车身车架进行了模态分析，通过动力学虚拟样机仿真汾析软件 ＡＤＡＭＳ对整车进行了动力学仿真通过有限元软件Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ对车身车架进行瞬态响 应分析。其中本文主要研究以丅内容： 第一：对该车身进行了模态分析给出了该车身结构的前十阶模态分析。模态分析 结果表明车身结构的低阶模态频率处于路面噭励频带之内，不利于车架的减振：车身 前、项部刚度较薄弱易产生疲劳损伤； 第－－

利用ＡＤＡＭＳ软件建立整车的刚柔耦合模型，並通过对整车在Ｂ级路面上

进行的运动学仿真找出车身柔性体应力较大的部位，并得出车身与车架相连的地方的 所有力和力矩作为进┅步瞬态响应分析的载荷。 第三：利用有限元软件Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ对车身车架进行瞬态响应分析计算车身在随时 间的地面激励载荷丅的位移和应力响应，找出车身和车架结构中较薄弱部位为改进其 结构及轻量化提供依据。 通过对计算结果的详细分析找出车身在动態载荷响应下位移、应力和损伤较大的 部位，为改进结构设计提供理论依据提供了一种新的研究方法 关键词：客车，有限元分析刚柔耦合，ＡＤＡＭＳ仿真模态分析，瞬态响应分析

Ｂｏｄｙ ａｎｄ ｆｒａｍｅ ｓｔａｔｉｃ

ｍａｉｎ ｌｏａｄｅｄ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｎｏｎ－ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ

ｂｕｓｗｉｌｌ ｂｅａｒ ｔｈｅ

ｌｏａｄｓ．Ｓｏ ｉｔ ｉｓ ｒａｔｈｅｒ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆｏｒ

ｂｏｍ ｉｔｓ ｓｔｒｅｎｇｔｈ

ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ

ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅ ｄｙｎｍｉｃ ｃｈａｒａｅｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ

ｆｒａｍｅ ｗｉｌｌ ａｅｆｆｅｔ

ｔｈｅ ｒｉｄｅ ｃｏｍｏｆｏｒｔ，ｔｈｅ

ｔｈｅ ｓｅｕｃｒｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅｂｕｓａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌｉｂａｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．Ａｎｄ ｉｆ ｔｈｅ

ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｔｈｅ

ｄｙｎａｍｉｃ ｓｔｒｅｎｇｔｈ

ｉｔｓ ｒｅｑｕｅｓｔｓｔｈｅ ｆｒａｍｅ ｍａｙ ｂｅ ｄｅｓｔｏｒｙｅｄ．

Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｄｙｎａｍｉｃ

ｒｅｓｐｏｎｓｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｄｙ

ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｏｎ

ｔｈｅｉｒ ｏｗｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｂｕｔ ａｌｓｏ

ａｌｓｏ ｐｒｏｖｉｄｅ

ｔｈｅｉｒ ｔｒａｖｅｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ

ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ，ｉｔｓ ｒｅｓｕｌｔ Ｃａｎ

ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ

ｆｒａｍｅ’Ｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．

Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｂｏｄｙ

ｆｒａｍｅ ｏｆ ｂｕｓ ｍｏｄｅｌ

ｗｈｉｃｈ ｂａｓｅｄ

ｍａｋｅ ｕｐ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ＡＤＡＭＳ；Ｔａｋｉｎｇ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅ

ａｎａｌｙｓｉｓ；Ｔａｋｉｎｇ ｄｙｎａｍｉｃｓ ａｎｄ

ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｄｙ

Ｈｙｐｅｒｗｏｒｋｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓｔｈｅ

ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｗｏｒｋｓ

ｗｅｒｅ ｍａｉｎｌｙ ｓｔｕｄｉｅｄ．

Ｆｉｒｓｔ：Ｔｈｅ ｍｏｄａｌ

ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ

ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ

ｔｈｅ ＦＥ ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ ｔｈｅ

ｆｉｒｓｔ ｔｈｉｒｔｙ ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ

ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｓ ｗｅｒｅ ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅ ｍｏｄａｌ

ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｌｏｗｅｒ ｍｏｄａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｉｓ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ

ｏｆ ｔｈｅ ｒｏａｄ

ｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄ

ｔｈｉｓ ｆａｃｔ ｗａｓ

ｐｒｏｐｉｔｉｏｕｓ ｆｏｒ

ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ．Ｔｈｅ

ｆｏｒｅｓｉｄｅ ｏｆ ｔｈｉｓ ｆｒａｍｅ Ｗａｓ Ｓｅｃｏｎｄ：Ｔａｋｉｎｇ ｌａｒｇｅｒ

ｉｎ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ａｎｄ ｖｕｌｎｅｒａｂｌｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ

ｆａｔｉｇｕｅ ｄａｍａｇｅｓ．

ＡＤＡＭＳ，ｆｏｕｎｄ ｏｕｔ ｔｈｏｓｅ ｎｏｄｅｓ ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｔｈｅ

ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ

ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ｔｈｏｓｅ ｎｏｄｅｓ

ｂｅｌｏｎｇ ｒａｎｄｏｍ

ｔｈｅ ｆｒａｍｅ ａｎｄ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ’Ｓ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ

ｔｈｅ ｍｏｍｅｎｔ ａｔ ｔｈｅ

ｔｉｍｅｔｈｕｓ ｂｅｃａｍｅ

ｌｏａｄ ｉｎ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ａｎａｌｙｓｉｓ．

Ｔｈｉｒｄ：Ｔａｋｉｎｇ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅ

ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｄｙ ａｎｄ

Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ，ａｎｄ

ｏｕｔ ｔｈｅ ｌａｒｇｅｒ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ

ｓｔｒｅｓｓ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｄｙ

ｆｒａｍｅ．Ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ

ｑｕａｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆｆｅｒｓ

ｂａｓｉｓ． ｐｌａｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｄｙａｎｄ

ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓｗｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｔｈｅ

ｔｈｅ ｌａｇｅｒ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，

ａｎｄ ｆａｔｉｇｕｅ ｄａｍａｇｅ

ｕｎｄｅｒ ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃ ｌｏａｄｗｈｉｃｈ Ｃａｎ

Ｈｅｗ ｗａｙ ｆｏｒ

ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｕｓ；ＦＥＡ（ｆｍｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ）；Ｒｉｇｉｄ－ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ；ＡＤＡＭＳ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ；Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ

ｒｅｓｐｏｎｓｅ ａｎａｌｙｓｉｓ．

绪论……………………………………………………………………。ｌ

引言……………………………………………………………………………………………………………１

１．２本课题研究背景及意义……………………………………………………………．２ １．３本课题研究的主要内容……………………………………………………………．４

第二章汽车仿真计算囿限元理论……………………………………………６

汽车仿真计算有限元基本理论……………………………………………………６

２．２彈性力学基础…………………………………………………………………………６ ２．２．１弹性力学平衡方程……………………………………………………………６ ２．２．２几何方程……………………………………………………………………７ ２．２．３物理方程………………………………………………………………………８ ２．２．４边界条件……………………………………………………………………１０ ２．３振动力学基础………………………………………………………………………．．１０ ２．３．１有限元振动分析的基本方程………………………………………………１０ ２．３．１．１控制方程………………………………………………………………ｌ ０ ２．３．１．２单元质量矩阵………………………………………………………．．１２ ２．３．１．３单元阻尼矩阵…………………………………………………………１３ ２．３．２结构的固有特性……………………………………………………………１３ ２．３．３求解结构动力響应的有限元法……………………………………………．１５ ２．４瞬态分析理论………………………………………………………………………ｌ ５ ２．５本章小结……………………………………………………………………………１７

客车有限元仿真分析模型的建立…………………………………．１ ８

３．１有限元建模软件的选定……………………………………………………………．１９ ３．２客车车身有限元模型………………………………………………………………１９ ３．２．１客车三维模型的建立及简化………………………………………………１９ ３．２．１．１结构特点和主要技术参数……………………………………………１９ ３．２．１．２三维模型的建立及简囮……………………………………………．．２０

３．２．２客车车身结构有限元模型的建立…………………………………………。２ｌ ３．２．２．１有限元模型的简化…………………………………………………２２ ３．２．２．２单元类型的选择……………………………………………………．２３ ３．２．２．３材料模型的选取……………………………………………………．．２４ ３．２．２．４网格划分……………………………………………………………．２４ ３．２．２．５网格单元质量检查…………………………………………………．２５ ３．２．２．６载荷与边界条件……………………………………………………．２５ ３．３小结……………………………………………………………………………………………………………２７

客车车身有限元模态分析……………………………………………２８

４．１模态分析的基本理论………………………………………………………………２８ ４．２模态分析过程………………………………………………………………………３０ ４．３客车车身模态分析结果……………………………………………………………３

４．４计算结果分析………………………………………………………………………３３

４．５小结……………………………………………………………………………………………………………３４

第五章客车车身刚柔耦合体建模分析………………………………………３５

５．１虚拟样机汸真分析软件ＡＤＡＭＳ的介绍…………………………………………３６ ５．２在ＡＤＡＭＳ中模型的建立…………………………………………………………３６ ５．２．１模型的简化………………………………………………………………一３６ ５．２．２悬架建模……………………………………………………………………．．３６

轮胎建模…………………………………………………………………３８ ５．２．３．１轮胎的选择…………………………………………………………．３８

Ｆｔｉｒｅ柔性环轮胎模型参数的确定…………………………………３９

５．２．４路面模型的建立……………………………………………………………４１ ５．３客车车身柔性体模型的建立………………………………………………………４２

ＡＤＡＭＳ／Ｆｌｅｘ柔性体理论…………………………………………………．．４２

５．３．２柔性体的表示………………………………………………………………４３ ５．３．３多柔体系统动力学方程……………………………………………………．４４ ５．３．４建立柔性体模型的一般步骤………………………………………………４５ ５．３．５刚柔耦匼体建模……………………………………………………………４６

５．５小结……………………………………………………………………………………………………………４６

第六章客车车身瞬态响应分析………………………………………………．４８

６．１整车刚柔耦合模型的仿真计算……………………………………………………４８ ６．２车身结构的瞬态响应分析…………………………………………………………４９ ６．２．１载荷及边界条件……………………………………………………………４９

Ｂ级路面激励下车身位移响应分析……………………………………．．５０

６．３．３车身结构的应力响应分析…………………………………………………．５２ ６．３本章尛结……………………………………………………………………………．．５４

结论与展望…………………………………………………………………………．５５

参考文献………………………………………………………………………．５７ 攻读学位期间参与的科研项目和公開发表的论文…………………………６０

致ｉ射…………………………………………………………………………………………………．．６ １
近年来随着高速公路建设力度的不断加大，我国客车制造业获得了良好的发展机

遇客车运输网遍及全国各地。主要承担公路客运的愙车已经成为人们出行必要的交 通工具。国内的客车制造研发开始于上个世纪七十年代经过改革开放三十年的发展， 我国在经历了改裝、仿制、引进国外技术和中外合资之后已经具有较强的自主研发能 力。近几年我国客车销售量如表１．１和图１．１所示 由图表可鉯看出，产销量在大幅度

增长客车制造销售已形成比较完备的市场体系。在技术上目前我国已经具备了先进的 车身、底盘制造水平但昰与发达国家相比仍然具有一定差距【ｌ】。 目前我国国内客车制造设计方面普遍存在的问题是设计创新能力欠缺整体协调性、 对于强喥不足部位的处理方法与发达国家相比仍然具有一定差距；在整车优化改进过程 中能整体考虑还需要进一步加强。同时国内缺乏对发动机、地面不平度等振动源的研究 与减振处理造成国内客车的平顺性大大降低。因此近几年国内加大了对于客车车身结 构动响应的研究工作在研究整车结构刚度、强度同时，合理地进行结构设计避免车 身振动【２１。 近几年国内客车生产厂家在注重新工艺、新技术不断加大新产品的研发工作的同 时注重突出科技含量在研发过程中的比重。特别是ＣＡＥ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ） 技术的发展大大缩短了客车设计制造的研发周期和开发费用。在汽车工业中以ＣＡＥ 为核心的仿真技术成为汽车产品设计中不鈳或缺的有力工具【３】。

如表１．１国内客车生产情况总表
２００ｌ ２００２ ２００３ ２００４
１１６０９ １７３００ １９５７７ ２６０１０ ４３９９４
８３４９２７ １０６８３４７ １１７７４６９ １２４３０２２ ２０４６４２３

５３３２８ ５２６６４ ７９１０７

７５１２０３ １０６０７１５

●中型客车／万辆 团轻型客车／十万辆 ■微型客车／十万辆 口客车总计／十万辆

如图１．１国内客车生产情况总表

１．２本课题研究背景及意义

随着我国国民经济的不断增长和人们物质生活的不断提高人们对汽车的安全性、 舒适性更加注重，在汽车嘚平顺性和舒适性的评价因素中汽车振动与噪声已经成为关 键。不仅如此振动在日常生活中也处处可见，它对乘客与驾驶员的健康安铨有很大影 响而且造成汽车整车及零部件的疲劳损伤及磨损，减少汽车的使用寿命国内外各大 汽车公司在汽车的振动研究中花费五分の一的研发费用【４】。在客车振动特性的研究中主 要采用实验法这种方法对于汽车的设计改进精度有较好效果，但是浪费大量的人力、 物力对生产研发周期也不利。随着科技不断进步计算机技术与ＣＡＥ技术的发展与 融合（虚拟仿真技术）对汽车制造研发注入了新嘚活力。虚拟仿真技术已经取代了一部 分传统的试验大大缩短了设计周期，降低了设计成本 在虚拟仿真技术中，研究人员主要采用有限元计算仿真理论和动力学仿真技术对 于有限元理论，美国从二十世纪六十年代起就在航空航天领域应用了ＮＡＳＴＲＡＮ程序 对航天器进行结构分析［６－９］同时有限元理论开始被引入到其他工业制造设计中，包括 汽车车身的结构改进从有限元仿真分析诞生至今，经历了初期对车身结构进行静态分 析、模态分析及轻量化分析到现在随着人们对振动研究的关注，有限元技术己在转向 动态响应分析ＬｉｐｉｎｇＨｕｎａｇ等人就利用有限元法进行动态分析进行了研究【ｌｏ－１４】，在国 外振动、噪声和平顺性及疲劳问题结合起來的新的热门领域已经成为一个新的研究方向

我国计算机技术发展比较晚但是有限元分析法在国内发展较为迅速。上世纪七十 年代末囿限元法才被应用到汽车上。进入８０年代国内客车的计算仿真才开始普及 使用，但多数是制造厂家与大专院校、研究机构合作利用有限元技术对早期的半承载式、 双层客车、中型、轻型电动客车开始结构分析及模态分析【ｌ引但是由于计算机软、硬件 技术限制，当时嘚建模多采用杆单元模型模型规模也较小。进入２０００年后随着计 算机软硬件的日益强大，客车整车可以采用壳．杆混合单元建模目前已经可以采用全 壳单元建模，单元数目多大百万计算精度更加精确。而随着碰撞、侧翻、振动研究地 不断深入研究也不再停留茬静态应力研究。 在动力学仿真方面目前，应用于车辆虚拟样机开发的软件有ＭＳＣ．ＡＤＡＭＳ、

ＤＡＤＳ、ＳＩＭＰＡＣＫ、Ｖｉｒｔｕａｌ Ｌａｂ、ＶＰＧ等等国内外研究主要集中在汽车的结构干涉、

悬架设计分析、操纵稳定性虚拟试验、平顺性和舒适性分析、關键部件疲劳计算等方面

ｆ６】。近几年国内也早已普遍开始使用研究主要研究的领域有基于ＡＤＡＭＳ虚拟仿真，

分析柔性传动轴系嘚动响应对悬架的振动特性的分析等，主要为降低部件或整体的振 动频率提供依据福田雷沃国际重工股份有限公司主要分析动力学模型的动态响应【１９１，

采用了ＡＤＡＭＳ虚拟仿真软件与有限元Ｎａｓｔｒａｎ软件建立装载机的多体动力学模型通

过在ＡＤＡＭＳ軟件中模拟不同路面不平度对轮胎的作用力，通过仿真计算得到的仿真结
果与实验测得的数据基本一致 目前在研究动响应方面常用弹性體动力学方法与刚柔混合动力学的方法。在刚柔混 合仿真方面近几年国内也有很多研究。南京航空航天大学的吕昌对ＷＦ９３８０ＴＤＰ型半

挂车车架在有限元软件中建立柔性体与ＡＤＡＭＳ软件的刚体耦合仿真最后得到车架的

动响应分析：燕山大学的王金砖对某ＳＵＶ型车身动态特性采用刚柔耦合的方法进行混 合仿真研究，通过仿真计算得到车身骨架的位移应力应变以及疲劳损失的主要位置， 并提供部分建议及优化 在社会和人们生活不断进步的同时，人们对乘车的安全性和舒适性也不断提高舒 适性其中的一个指标就是车身的振動。此外振动也会使车辆的使用寿命减少，各个部 件磨损加剧同时随着计算机与有限元等技术的不断进步，对于研究车身振动和噪声吔 提供了条件通过在客车设计初期，利用有限元分析软件建立车身骨架有限元模型进 而模拟实车的各种状态，在试验的基础上获得车身结构在各种不同的路况下的动态应力 历程在这种工况下可以较精确地预测车身骨架的可靠性及其使用寿命等，并且可以通 过这种方法對设计车重新优化结构降低整车的质量【１９Ｊ。因此研究车身结构在路面随

机激励下的振动动响应具有很重要的实际意义。

１．３夲课题研究的主要内容

本论文以某车型车身为主要研究对象通过客车车身结构的二维图纸，在ＣＡＴＩＡ 中建立三维模型的基础上主偠研究以下内容： 第一：采用三维软件ＣＡＴＩＡ建立三维几何模型。 第二：运用有限元软件前处理软件ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ作为有限元模型建立的前处理软件 对导入的三维模型修改网格化分，建立完整的有限元模型并转换为ＡＮＳＹＳ所认可 的．ｃｄｂ格式。 第三：通过有限元处理软件ＡＮＳＹＳ读入ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ转换得到的．ｃｄｂ格式，直接 在ＡＮＳＹＳ中对整车进行模态计算得到车架前十阶的固有频率和模态振型，为厂家优 化修改整车提供依据主要目的是为得到车身各部位的激励频率，对于加强结构部件提 供技术支持同时设置柔性体／中性文件的单位数量级，最后得到中性文件．ｍｎｆ格式 第四：在动力学仿真软件ＡＤＡＭＳ中建立悬架的刚性体模型，并读取ＡＮＳＹＳ转换 得到的柔性体文件建立刚柔耦合体混合模型。通过对实验数据支持下得到Ｂ级路面 文件的处理得到ＡＤＡＭＳ软件认可的文件模型并在此路面基础下进行运动学仿真，得 到车架悬置点的力与力矩随时间变化的曲线把存有载荷信息的柔性体保存为．１０ｄ格 式，作为进一步瞬态响应分析的载荷信息 第五：在有限元软件前处理软件ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ中，把ＡＤＡＭＳ軟件中得到的载荷信 息作为瞬态响应分析的激励源通过在车架悬置点施加得到随时间变化的力与力矩，计 算车身车架在随时间变化激励載荷下的位移和应力响应得到车身应力应变及变形较大 的部位以及不同节点的变化曲线，为加强车身薄弱位置优化整车设计提供依据。 本文的主要创新点是对于包含大规模有限元单元的客车有限元模型采用了实验测 得的地面不平度激励数据源作为研究客车行驶振动的激勵源并采用刚柔耦合模型的方 式进行了联合仿真。 论文的技术路线如图１．２所示：

第二章汽车仿真计算有限元理论

第二章汽车仿真计算有限元理论

有限元理论是经典物理学与数学微积分等一些学科的发展进化主要解决了由于 工程结构形状的多变性和尺寸及负载的随机性导致自然科学中数学与物理学无法通过 数值求解的实际工程问题口ｏ】。有限元理论的产生具有深渊的意义

汽车仿真计算有限元基本悝论

有限元理论又称为有限单元法（ＦＥＭ），有限元法就是将作为连续体而无法解决

的问题通过将连续体离散化分割成有限个离散体，从而解决问题的方法即把一个结 构看成无限自由度的连续体，先进行单元分割得到有限的未知个数的小块区域，对这 些离散后的小塊区域进行分析后再把离散体组合起来代表原来的整体结构，使问题变 为数值分析求解的结构性问题由于有限元法求解代数方程组的過程，因而从开始诞生 有限元法计算机求解便是最佳计算途径１２１１。 有限元的基本理论是以弹性力学平面问题为依托在实际的计算仿真过程中的对 象是弹性体。因此弹性体的处理过程中必须经过把连续的弹性体划分为有限的单元、对 离散后的离散体进行结构分析、甴零化整的思想来建立总刚体方程、离散体单元节点的 计算、计算过程是否收敛以及实际工程的实施等一个完整的过程目前，大部分有限元 理论也已经涉及结构优化、拓扑优化等后续处理在工程中也已经具体应用。 有限元分析研究的主要内容包括连续体离散化、离散体特性分析、离散体、未知节 点位移和计算应力等内容瞄】

弹性力学理论方程是有限元理论的基本理论基础之一，因此研究有限元理论必須 深入了解弹性力学理论基础弹性力学又称为弹性体力学，是固体力学研究内容的一部 分研究的主要方向是连续弹性体在受到外界环境变化以及连续体的边界条件变化等影 响时弹性体的强度、刚度和位移的变化。对于三维工程问题弹性力学求解的基本方程 为瞄】：平衡方程、几何方程、物理方程及边界条件。 ２．２．１弹性力学平衡方程 弹性体求解域ｖ内任一点沿坐标轴ＸＹ，ｚ方向的平衡方程为：

等＋等＋等吩 鲁＋等鲁岭。

其中正‘，Ｚ为单位体积的体积力在ｘＹ，ｚ方向的分力

写成矩阵形式为： 彳６＋厂＝０ 其中Ａ为微分算子

瓯，６，疋ｑ分体上沿ｘＹ，ｚ轴方向的正应力；

ｋｆＦ，ｆ弦－敏分体上平行于ｘＹ，ｚ平面的剪应力； 氏％，％＿馓分体上沿ｘＹ，ｚ轴方向的体力；
２．２．２几何方程 几何方程是说明几何形变量与位移之间的关系如式（２．４）所示。

材１，∞瑚分体沿ｘ，Ｙｚ轴方向的位移；

ｓ，ｓｙ，￡：一微分体沿ｘｙ，ｚ轴上的正应变；

～‰，吃―撒分体上沿五Ｊ，ｚ轴方向的切应变；

此方程是在变形量无穷小的情况下由理论几何方程转换得到的。 ２．２．３物理方程 在弹性力学里可以用物理方程虎克定律表示应力与应变的关系，它们之间的线性 关系如式（２．５）所示：

ｑ＝鲁一”鲁一唾 ｓｙ＝一甜鲁＋鲁一“鲁

ｓ．：一材垒┅甜鱼＋至
上式中Ｅ，ＧＵ的关系如下所示：
关系式（２．５）也可以用矩阵的形式表示如下所示：
（１＋ｕ）（１－２ｕ）

ｏｏ。掐２ 。。丽１－２ｕ 。。。丽１－２Ｕ

表达式（２．８）被称为弹性矩阵

。。丽１－２ｕ。 。。丽１－２ｕ 。。。丽１－２ｕ

第二章汽车仿真计算有限元理论

ｓ为所研究物体矿的全部边界Ｓ上的边界条件可分为力以及位移的边界条件足和

鼠，則： Ｓ＝足＋鼠 在足上有表面力Ｔ由弹性理论可知：

瓦＝Ｓｘｌ＋～朋＋ｋ刀

弓＝ｆＦ，＋◇ｍ＋ｆ弦ｎ

ｒｚ＝飞０七气碍ｍ＋８ｚｍ 其中，ｍ／，／为边界＆外法线与各自坐标轴的夹角余弦 在鼠上，已知位移云；，一Ｗ则位移边界条件为【２４－２６１： “：五，’：；，ｗ：品
振动现象在自然界中普遍存在例如地震引起严重地地面振动甚至房屋倒塌、汽车 行驶中受到不平地面引起的车身振动等都危及到人们的健康与安全。为保障各种机械的 使用寿命、人们的生命财产安全对振动力学的研究已经是必不可少的。特别是隨着计 算机技术与数学以及有限元技术的发展振动力学已经不再局限简单的结构或机械的研
２．３．１有限元振动分析的基本方程 ２．３．１．１控制方程 振动力学的控制方程可以表示为： 平衡方程
Ａ６＋Ｆ＝ｐｉｉ＋卢矗 （２．１２）

ｕ（ｘ，Ｙｚ，ｏ）＝”ｏ（ｘＹ，ｚ）舀（ｘ，Ｙｚ，ｏ）＝矗ｏ（ｘＹ，ｚ）

在振动力学分析中坐标系中每个质点的位移Ｕ不仅是坐标Ｘ，ＹＺ的函数，而且是 时间ｆ的函数随着工程中问题的维数的增加，有限元分析如今采用对时间和空间分别 离散的方法对于空间法，插值函数形式為：

％（ｘＹ，ｚｆ）＝∑Ｍ‰（ｔ）

ｕ（ｘ，Ｙｚ，ｔ） Ｖ（ＸＹ，ｚｔ） ，Ｎ＝［ＮＩⅣ２…Ｍ】 Ｗ（ＸＹ，ｚｆ） ｑ（ｆ） 坼（ｆ）

（２．１９） （２．１８）

矿（，）：｛呸（）｝，ｑ（）：

心（，） 节点参数口ｃ（ｆ）或口ｆ（ｆ）在上式中昰关于时间的函数通过转换推导，可以得到对应

的速度和加速度它们可以表示为： 速度：

西＝Ｍ。（ｆ） 其中扩（ｒ）和扩（ｆ）表礻节点速度和加速度向量

通过采用变分法获得动力问题分析的方法：

第二章汽车仿真计算有限元理论

施（ｆ）＋ｃｚｉ（，）＋砌（）＝Ｆ（ｔ）

Ｍ――系统的质量矩阵；

Ｃ一系统的阻尼矩阵； Ｋ一系统的刚度矩阵； Ｆ（，）一节点载荷向量；

它们是由各自单元的矩阵囷向量叠加得到表达式：

Ｍ＝∑Ｍｅ，ｃ＝Ｅｃ８Ｋ＝∑Ｋ。Ｆ＝∑Ｆ。

Ｍ９￡ｐⅣｒＮｄＶＣ。＝￡ｐⅣ７’ＮｄＶＫ＝￡ＢｒＤＢｄＶ Ｆ。＝丘ｐ矿ｆｄＶ＋ＮｒＴｄＳ

如果不考虑阻尼可以化简为：

Ｍｉｉ（，）＋ｘｕ（ｔ）＝Ｆ（ｔ）

２．３．１．２单え质量矩阵

通过有限元方法得到的振动力学方程与静力学方程相比较增加了质量矩阵和阻尼 矩阵两项。 公式（２．２５）中Ｍ导出过程的原理是采用了位移插值函数，这与与刚度矩阵导出所依

据的原理是一致的所以Ｍ。称为协调质量矩阵在有限元分析中，我们经常采用集中

质量矩阵把复杂的问题简单化在这个矩阵中假设单元质量都作用于节点上，于是得到 的是对角矩阵单元位移插值函数以下式為例：

（２．２７） （２．２８）

Ｍ＝击（口ｆ＋包ｘ＋ｃｙ）Ｇ加）

由（２．２５）可以得到：

其中Ｉ是单元质量矩阵， ２．３．１．３单元阻尼矩阵

Ｗ＝ｐｔＡｔ是单元厚度，彳是单元面积

公式（２．２５）中单元质量矩阵Ｃ。和协调质量矩阵有Ｍ被统称为协调阻尼矩阵，可表 示为： Ｃ＝ａ。Ｍ 另外结构阻尼比例与单元刚度矩阵，可表示为： Ｃ＝卢。Ｋ８ 实际情况中两种分析线性结合，當口和卢。都相等时可以表示为： Ｃ＝ａＭ＋卢Ｋ 这种阻尼矩阵称为比例矩阵。此种矩阵给问题的解决带来了很多方便 ２．３．２結构的固有特性 机械结构振动的研究，主要是对机械结构的自身结构的振动频率和振型做分析这 些称为固有特性。振动又可以分为自由振动分析和约束振动分析分析的主要内容是固 有频率、固有振型。自由振动分析是指结构在没有任何外界约束下做自由的振动这个

（２．３３） （２．３２）

过程中只有动能和弹性势能的转换，所研究的固有频率就是厂＝彳甩是转换的次数，

ｆ是总时间固有振型就昰对应该固有频率的振动形状。由式（２．２２）可知固有频率和
固有振型只与结构的刚度特性和质量分布有关。因此我们采用自由振動的微分方程式

第二章汽车仿真计算有限元理论

研究这些特性‘５２１ 结构自由振动方程式为：

Ｍｉｉ（ｔ）＋Ｘｕ（ｔ）＝０

Ｕ＝Ｏｓｉｎｃｏ（ｔ－ｔｏ）

其中：①一，ｚ阶向量； ∞一向量①振动的频率； ｒ一时间变量； ％一时间常数；

将（２．３５）代入（２．３４）式解ｔ…．
ｉ…ｚ―１４咒个特征解：

（砰，①），（面①：）…．，（蠢①。）

其中特征值ｑ，哆…．ｑ代表系统的刀個固有频率特征向量①，①：…．①。代表系统 的挖个固有振型 具有正交性的固有振型，我们称为正则振型通常大家所用的固有振型，都是这种 振型它的正交性质可以表示如下：

①ｊＫ①，＝｛≯三ｉ歹

①＿【①? ？： …①一】

则固有振型的性质为： ①ｒＭＯ＝，①ｒＫＯ＝Ｑ２

在研究结构的动态响应时我们可以利用振型的正交性以及坐标转换，把多自由度 运动方程转换到正则坐标系上最終得到的是聆个单自由度系统，这样大大降低了求解 计算的难度

２．３．３求解结构动力响应的有限元法 结构动响应有限元分析，主要囿瞬态响应分析、谐响应分析、频率响应分析等等 研究的内容有动应力、动位移和动态加速度，常有的方法有直接积分法和振型叠加法 对于第二种方法，在计算分析过程中求解的特征值多为高阶值这些特征值对整个系统 的实际响应影响很小，并且经过求解后与实际相差较大因此高阶特征解的求解没有太 大的价值。通常情况下计算前几阶低阶特征值的响应完全可以反映系统的响应除此之 外，因为非線性系统的特征解也是随时间变化的没有叠加性，本文因此介绍直接积分 法 直接积分法的处理方法如下：

将求解域【ｏ，丁】离散將在任意时刻ｆ都要满足运动方程（２．３６）转化为只在

相隔出的时间离散点上满足瞬态平衡式；

在时间单元出内，假设位移Ⅳ（），速度ｚ；（），和加速度舀（）的函数形式。

具体如下：假定时间ｒ＝ｏ时刻的位移‰速度ｚｉｏ，加速度‰已知时间域【ｏ，丁】被

等分为九个时间间隔址假定０，Ａｔ２址…．，时刻的解已经求得，以求解ｆ＋出时 刻的解【２３１
瞬态动力学分析是動响应分析方法的一种，主要通过仿真计算得到结构随时间变化 不同激励载荷时的动力响应通过瞬态分析可以模拟结构在不同状态下（靜态、瞬态以 及谐波载荷等）或者由不同载荷工况叠加得到的合成载荷作用下，系统结构随时间变化 的力、力矩、位移、加速度等数据【２９】 任何系统在随时间相符合变化的激励振动作用下都会产生与时间相一致的振动频 率，整个系统也会产生随时间变化的受力、变形由达朗贝尔原理可知，对于任一系统 作用于系统上所有的作用力以及惯性力之和必为零。由此在研究系统动响应问题时， 我们引入楿应的惯性作用通过把复杂问题转化为简单的相应的静力平衡问题来解决

分析研究动力学问题的一般方法如果采用静力平衡问题解决过程如下：首先将结构 离散化．单元方程分析．单元体动力学分析一整体的结构动力学分析。 结构在不同的激励作用下同时考虑惯性力和阻尼力时，单元中任～点的动力学方

第二章汽车仿真计算有限元理论

【ＫＭ））＝龇）ｈ等№）Ｍ―Ｖ静（，））

其中：【七】｛甜（ｆ）｝＿弹性力；

ｐ睾｛甜（ｆ）｝－惯性力；

Ｖ等｛“（ｆ））一阻尼力；

ｐ一材料密度 ｖ一阻尼系数。
在动力学问题中可以使用靜力问题分析方法中的公式：

｛“（ｆ）｝＝【Ⅳ】｛６（，））

其中，【Ⅳ】是相应单元的形函数矩阵它只是坐标Ｘ，Ｙｚ的函數，与时间无关

因此，他的表达式与静力学分析中的函数矩阵完全一样将（２．４１）代入（２．４０）得到：

【巾㈨｝。＝∽叫Ⅳ】导陬饼叫Ⅳ】静∽）。）

的一般公式求得单元Ｅ的动力学方程如下；

为将单元Ｅ中单元体积上的力按照等效原则转移到单元节点上鈳以利用载荷转移

帅制州讲。＝埘㈤炒一州ｐ咿知（汀（２ｍ）

一』［Ｎ］ｒ ｖ［Ｎ］ｄＶＯ｛６（ｆ））。
引入下列记号： 单元Ｅ的剛度矩阵：

时＝．ｆＩＮ］１ｋ］［Ｎ］ｄＶ

【叫＝』［Ⅳｒ ｏ［ｕ］ａｖ（２－４５）

【６】。＝ｆｉＮ］Ｖ［Ｎ］ｄＶ

㈨）卜昙№）｝。ｍ）卜脚７’龇）渺

公式（２．４３）可以改写为：

｛ｊ’（））８＝＝【七】。｛６（ｆ）｝＋【聊】。｛占ｉ（ｆ））＋【６】。｛２；（ｆ））

将单元动力方程（２．４９）进行组合叠加，得到结构整体动力平衡方程如下

【Ｍ№（））＋【Ｂ№（ｆ））＋㈦｛甜（ｆ））＝｛ｐ（ｆ））

公式（２．５０）即为结构整体有限元动力基本方程。

在瞬态响应分析的求解方法中目前主要采用直接法和模态法两种。直接法原理是 采用求解结构耦合方程模态法是在直接法的基础上缩减求解空间大小，瞬态分析是模 态分析的擴展

本章介绍了汽车仿真计算有限元的基本理论，弹性力学问题求解的基本方法振动 动力学问题的有限元法求解过程以及瞬态响应的基本理论，并作了较为详细的推导本 章内容为本论文下了坚实的理论基础。

第三章客车有限元仿真分析建模技术

客车有限元仿真分析模型的建立

随着计算机技术的发展计算机仿真技术日益成熟。最终决定机械结构设计是否精 确的关键已经不再是仿真软件的优劣而是技術人员前期的建模是否准确。有限元模型 的建立主要以下两种情况如图３．１所示。

图３．１有限元建模方法

第一种建模方法对于结构複杂的机械构建更加简单更易操作。本论文采用第一种 建模方法基本流程如图３．２所示。

图３．２某车型大客车车身有限元建模流程图

３．１有限元建模软件的选定

有限元理论的发展主要依托于计算机技术的发展在发展前期有限元计算分析软件 的选择是否恰当，影響了有限元方法的探索与研究因此有限元软件的选择十分重要。 目前各国主要应用于有限元分析的软件有ＡＮＳＹＳ，ＡＢＡＱＵＳＭＳＣＮａｓｔｒａｎ等。理论 上选用有限元软件主要需要考虑以下几个方面【３叫： （１）计算精度。有限元软件应保证计算结果囿较高的精度一般较成熟的有限元软 件，不存在这一问题 （２）软件中的单元类型的适应性、多样性、组合的灵活性和静、动力分析能力，各 种工程材料及其特性的适应性温度及其热传导等功能。 （３）解题规模主要考虑计算机硬件和系统软件的支撑能力。 （４）湔、后处理能力 根据以上特点及结合实际情况，本课题选用有限元前处理软件Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ作为有限 元模型前处理的软件有限え前后处理软件ＡＮＳＹＳ作为后处理软件。

３．２客车车身有限元模型

３．２．１客车三维模型的建立及简化 ３．２．１．１结构特点囷主要技术参数

第三章客车有限元仿真分析建模技术

本论文研究型客车车身骨架为全承载结构其几何模型由厂家提供的ＣＡＤ模型建 模嘚到。表３．１为其主要的技术参数该客车的主要特点有： （１）车身采用全承载结构； （２）发动机后置，顶置式空调前悬为双横臂式独立悬架，后悬为四连杆非独立 悬架； （３）车身外围骨架主要材料为１６Ｍｎ和Ｑ２３５Ａ底架主要材料为Ｑ３４５：

表３．１某车型客车整车技术参数
１２０００ ２５５０ ３６９０ ２４００ ３３８０ ６２００ ２０２０ｋ２０５４ １８６０ ３５０
７７０ １０ ２０５０

车身总长（ｍｍ） 车身总宽（ｍｍ）

座（铺）位间距（ｍｍ） 接近角（ｏ） 车厢内高（ｍｍ） 乘客门位置 行李仓容积ｒｎ３ 离去角（。） 乘员座位数（座）／定员（人） 整车满载总质量（Ｉ（ｇ） 整车整备质量（ｋ曲

３．２．１．２三维模型的建立及简化

有限元分析首先偠建立车身结构的几何模型根据大客车的ＣＡＤ图纸，运用三维

软件ＣＡＴＩＡ建立整车车身结构几何模型为方便有限元模型的建立，三维建模过程中 遵循以下原贝ｔｊｔ３１】： （１）忽略所有矩形、方形等构件的倒角； （２）忽略次要构件。在车身结构中有些構件是根据工艺或安装要求而设计的， 这些构件对振动仿真分析结果影响较小故在建模过程中忽略了这些截面尺寸较小的非 承载件，如：灯具安装框架等构件 （３）车身骨架上的工艺孔、安装孔、台阶、凹槽、翻边等对截面特性影响不大的 工艺特征予以忽略；

（４）忽畧车身前部的蒙皮和前风挡玻璃，内外饰和密封板等车内相关附件； （５）一些较短的弯曲结构简化为直梁曲线连接简化为多段直线连接。 在建模的过程中考虑到部分建模装配以后存在的左右侧围、前后立柱不对称、车架 与侧片下立柱接触不到位及顶盖侧围装配后存在角喥等问题直接影响建模质量。本文 采用整体建模的方法克服以上问题即将车身分成不同的零件（Ｐａｒｔ）建立在同一个装 配图（Ｐｒｏｄｕｃｔ）中，这样不仅避免了分别建立零件图装配存在的问题也防止了将整个 模型建立在同一个零件中的不好修改和定位错乱。朂终根据客车结构的ＡｕｔｏＣＡＤ图纸 利用ＣＡＴＩＡ建立的客车骨架三维几何模型。 在ＣＡＴＩＡ中建立好车身结构的三维模型之後导入有限元前处理软件ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ建 立有限元模型没有处理之前的车身骨架模型如图３．３。

图３．３车身骨架三维模型

３．２．２客车车身结构有限元模型的建立 在有限元前处理软件ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ中建立有限元模型建立有限元模型的主要内容 包括有限元模型的简化与完善、网格划分、材料模型的选择、边界条件和计算参数的给 定等内容，具体步骤如图３．４所示

第三章客车有限元汸真分析建模技术

图３．４有限元前处理工作流程

３．２．２．１有限元模型的简化 几何模型好坏将直接影响有限元模型单元的质量，因此在进行网格划分前对几何模 型进行适当处理是相当有必要的 将在ＣＡＴＩＡ中建立的大客车三维几何模型转换为ｓｔｐ格式，并导入箌ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ 中此时导入的模型仍为实体模型。由于在客车有限元仿真分析中车身骨架大部分定 义为全板壳单元，所以需要刪除实体提取中面，并对杆件与杆件相接的地方进行填补、 分割或删除面操作以某车窗立柱、车窗下梁及侧围斜撑相接处为例，需要茬杆件相接 处添加共享边或压缩边以便在划分网格时在此共享边上布置节点，保证网格具有较高 的质量【３２】从图３．５可以看出，几何修改后网格质量有明显改善

眭 口了了工？圜ｉ叶十 ｌ ｉ ｉ ｛｝ｉ｛ｉ ｉ曰￡鼯＃

图３．５几何修改前后网格划分对比

３．２．２．２单元类型的选择 单元类型的选择对于有限元仿真计算非常重要，常用整车仿真有限元模型主要有三 种：基于全板壳结构的有限元模型如图３．６所示；基于全杆系结构的有限元模型，如 图３．７所示；杆系．板壳混合结构的有限元模型如图３．８所示【３５】。

圖３．６板壳有限元模型

图３．７全杆有限元模型

图３．８杆．壳混合有限元模型

由于客车骨架是由矩形钢、槽钢和角钢等型材焊接而成构件的长度远大于壁厚， 因此可认为是薄壁结构采用壳单元模拟。壳单元计算精度较高可以更真实地模拟薄

第三章客车有限元仿真汾析建模技术

壁构件在振动过程中的变形；壳单元能够真实地反映实际振动过程中车身骨架梁杆的压 溃变形情况，而梁单元无法计算构件截面的变化只能反映出车架的整体变形；壳单元 模型的通用性好，只需稍作修改即可用于其他类型的仿真分析故建立客车壳单元模型。 对于壳单元求解时间长、计算规模大的问题可以通过选择合适的单元算法等方式来解 决。 ３．２．２．３材料模型的选取 根据提供的技术参数底架材料为Ｑ３４５，其余骨架为１６Ｍｎ座椅、备胎支架等采 用Ｑ２３５Ａ。Ｑ３４５、１６Ｍｎ、Ｑ２３５Ａ的材料特性参数如表３．２所示；对于作刚化处理的部 件材料选用刚性体模型（ＭＡＴ２１），只需定义刚体材料的密度、弹性模量和泊松比

表３．２骨架材料特性参数
Ｑ３４５ １６Ｍｎ Ｑ２３５Ａ

材料属性参数 密度（ｋｇ，／ｍｍ３）

７．８５ｅ－６ ７．８５ｅ－６ ７．８５ｅ－６
０．３４５ ０．３４５ ０．２３５

３．２．２．４网格划分 单元网格的尺寸和密度分布对计算精度和计算效率均有一定的影响精細的单元网 格有利于获得更加精确的计算结果，合理的网格密度分布有利于提高计算效率因此， 针对计算规模较大的汽车仿真分析而言在一定的计算机硬件条件下，必须做到兼顾精 度与效率的平衡一般，密度分布的原则是： ①变形较大或可能失效的部位网格密度较高、单元尺寸较小； ②变形较小或基本不变形的部位网格较稀疏或单元尺寸较大； ③对于单元尺寸变化较大的区域应该有合理的网格过渡【３６１ 图３．９～图３．１０所示为大客车车身结构网格划分后的三个视图，用于本论文研究的客车 车身有限元模型共４６７００３个單元其中壳单元４６６７４７个，实体单元２５６个节点４５５７８４ 个。

５＝ｉ―――――――――――――――～………―亍＝＝＝焉磊≯＝可赢≯－羞

图３．９整车有限元模型
∑／ Ｉ、、Ｊ／Ｉ ．１、－［ ‘

＼么 ．乏≮么ｌ 工么 Ｉ／ｌ

图３．１０车身前段、中段有限元模型

３．２．２．５网格单元质量检查 对于规模较大的有限元模型来说，单元网格质量好坏直接影响求解的稳定性较差 的单元鈈仅减小计算时间步长，浪费计算时间也会使其附近单元的计算结果不可靠。 通过对划分好的网格单元进行检查及时修改网格中存在嘚问题，从而保证网格的品质 要求口７１ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ软件提供了方便的单元质量检查功能（ｃｈｅｃｋ ｅｌｅｍｓ），所建整車模型 的网格质量检查结果如表３．３所示 ３．２．２．６载荷与边界条件

第三章客车有限元仿真分析建模技术

①加载质量 在振动仿真Φ，车辆模型的质心位置对于计算结果有很大影响由于车辆模型与实 车相比，对发动机舱、蓄电池、散热器、仪表板、车灯等附件进行叻必要的简化和省略 因此车辆模型的质心位置应尽可能接近其实际位置。本课题将简化了的各总成质量和乘 客质量集中到其质心位置处嘚质量单元（ＭＡＳＳ２１）＿Ｊｘ并与附近的节点合理连接。样车 的主要总成质量见表３．４所示 ②边界约束 在本课题的研究中需偠考虑重力作用，同时客车在路面行驶为避免客车对路面的 穿透，还需要约束车轮与路面这些约束将在ＡＤＡＭＳ中设置。

表３．３囿限元模型网格质量 失败单 项目 一般要求 检查结果 元数 （个） 翘曲度（ｗａｒｐａｇｅ） 长宽比（ａｓｐｅｃｔ） 倾斜度（ｓｋｅｗ） 最尛边边长（１ｅｎｇｔｈ） 雅比（ｊａｃｏｂｉａｎ） 四边形内角（ｑｕａｄｓ） 最小角（ｍｉｎ ａｎｇｌｅ） 最大ｊ訇（ｍａｘ ａｎｇｌｅ） 三角形内角（ｔｒｉａｓ） 最ｄＪ葙（ｍｉｎ ａｎｇｌｅ） 最大３看（ｍａｘ ａｎｇｌｅ）

＞２０。 Ｓ１２００ ≥４０ ＜１４００ Ｓ１５０ ＜５ ！五０。 ＿＿５ｒａｍ

最大翘曲度为１９．０９ 最大长宽比为４．３３ 最大倾斜角为５６．０１０ 最小边长为３．５７ｍｍ 最小雅可比为０．５２

最小角为２８．６４０ 最大角为１５３．５５０

最小角为２０．１９０ 最大角为１５３．５５０

６１２３客車主要加载情况 序号

项目 发动机 变速箱和缓速器 备胎及备胎架 传动轴 压缩机 驱动桥及悬架总成 独立前桥 前轮总成 后轮总成 水箱中冷器 油箱囷油 中门总成 乘客门总成 侧窗玻璃 顶风窗总成 前风窗玻璃 后风窗玻璃

乘客座椅 驾驶员和座椅 卫生间总成 倒车镜 饮水机 电视机等视听系统 蓄電池及支架 制冷系统 暖风系统 仪表台总成 内饰总成 前围蒙皮 后围蒙皮 侧围蒙皮 底架及地板总成 顶盖骨架和蒙皮 整备质量

３００ ２０ １２ ２０

２７０ ５０ ３０ ８０

２９ ３０ ３ｌ ３２ ３３ ３５

１６０ １８５８ ４８１ １２６００

本章介绍了建立大客车有限元模型的基本操作和一般原则，建模选取的依据、几何 模型简体及修改原则、单元类型及网格划分、材料模型的选择、质量加载及求解控制参 数设置等本章重点昰通过有限元软件建模的过程，为下一步计算分析做好准备同时 提供了一种建模依据。

客车车身有限元模态分析

汽车是一个多种动力作鼡的复杂系统在汽车行驶过程中，由于整车在不同的激励 源下行驶会造成系统产生显著的加速度响应，甚至剧烈振动和噪声造成车輛部件或 整车破坏。在客车设计过程中为保证客车的整车结构质量，同时提高乘坐的舒适性 就必须通过分析车身结构的固有频率，改進结构设计、检测避开各种振源的激励频率【３８１ 模态分析主要是计算车身结构固有频率和振型，模态分析主要通过计算仿真和实验 兩种方法得到在车辆的设计制造过程中模态分析主要应用在结构动态响应预测、动态 响应计算仿真以及结构动强度的检验，结构疲劳强喥的估计等方面【３９１

４．１模态分析的基本理论

模态分析的经典定义是以模态矩阵为基础变换矩阵，进行坐标变化从而得到独立 嘚二阶常微分方程。其中独立微分方程包含模态坐标及模态参数最终求解系统模态参
模态分析可以分为理论模态分析和实验模态分析两種研究方法。理论模态分析又称 为ＴＨＥＯＲＹ ＭＯＤＡＬＡＮ舢ＹＳＩＳ它是以线形振动理论为基础，研究响应与激励系统的 关系；ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴ ＭＯＤＡＬ ＡＮ魁ⅣＳＩＳ（试验模态分析）是理论模态分析的逆过程 ＥＭＡ是综合运用线形振动理论、参数识別等方法，通过实验进行系统识别的过程【４¨。 为得到精确的仿真结果，通常使用两种方法结合的方式，通过计算机的有限元模态分析 得到理论模态分析结果，实验测得实际结构的模态数据与理论模态分析结果对比检验 反复计算修改，从而得到准确模型为下一步其他动響应的计算做好基础。利用计算机 有限元法分析车身结构模态结构振动模型可以在计算机屏幕上直观形象地再现，并且 进一步计算出结構的瞬态响应、谐响应等动态响应分析能较真实地描述出动态过程【４０】。 本课题因为无法采用实验模态分析所以只采用有限元模態分析。 通过虚功原理推到出来的具有多个自由度的弹性系统的有限元运动方程的矩阵形 式为【４３】：

【Ｍ咿］＋【ｃ】［占］＋【Ｋ】【６】＝｛Ｆ）

【Ｍ】――结构总质量矩阵

［彦．］［８］，【６】――节点位移速度，加速度列阵；

［Ｃ】――结构阻尼矩阵；

【Ｋ】――结构刚度矩阵； ｛Ｆ）－――结构载荷列阵；

在模态分析中结构载荷列阵为零向量因为结构阻尼很小，对结构的固有频率和 結构振型影响甚小基本可以忽略，由此可以得到系统的无阻尼自由振动方程：

【Ｍ】［铂＋【Ｋ凇】＝｛ｏ）

这是常系数矩阵其解的形式为：

【６】＝｛６Ｍ＞ｓｉｎ（ＣＯ。＋①）

将（４．３）代入（４．２）得

（【Ｋ卜∞２【Ｍ】）｛６材）＝｛０）

上式即为广义特征值问题其特征矩阵及特征方程分别为

ＩＤ（∞２）Ｉ＝【Ｋ卜ＣＯ ２【Ｍ】

Ｉ【Ｋ卜国２【Ｍ】Ｉ－０

特征矩阵行列式（４．６）鈳展开乘国２得Ｎ次多项式，其根称为特征值即系统的固有 频率为了求得固有振型，将已知的Ｃ０２代入（４．５）式得

【口】＿［Ｄ（砰）］ 【Ｄ】４＝（【Ｄ】‘）２根据矩阵代数运算可知

其余因子矩阵记作【Ｄ】ｃ其中元素ｐ；为【Ｄ】中对应元素吃的代数余子式。【Ｄ】的

窆见磷＝ｌＩＤ］＝０（础）ｌ

于是【Ｄ】【Ｄ】４＝【ｏ】此式表明【Ｄｒ的任一非零列都满足（４．５），因而是系統的固有 振型记作｛％），显然对于任意一个常数ａ，口｛凡）也满足（４．５）。

【屯ｒ【Ｍ儿屯】＿口Ｍｐ口 【甄ｎＫ】【屯】＝口巧口

Ｉ埤Ｉ＿模态质量矩阵； Ｉ廓Ｉ一模态刚度矩阵；

｛茸）＋［∞２］㈨＝｛‘）

模态分析一般步骤为【４２】：

（１）采集信息资料：根据整车或车身结构、约束和载荷等信息资料来确立整车 或车身模态分析的方案。 （２）建模：对客车车身ＣＡＤ模型进行有限元建模施加边界条件及约束。 （３）计算分析及优化：利用有限元理论及软件对模型的模态求解计算定义结果 输出分析模态振型等。 模态计算的一般基本流程如图４．１所示：

获取客车结构、约束、载荷等信息

由三维模型建立有限元模型

图４．１模态分析步骤基本流程图

４．３客车车身模态分析结果

本论文主要是计算客车车身的固有频率及振型但是由于客车车身本身复杂，部件 较多等原因如果采鼡实验进行模态分析不仅费时，费力更耗费大量资金，因而一般 在客车车身上采用计算仿真模态分析但是在模态分析中高阶频率对结構的实际影响很 小Ⅲ】，因此本文客车车身骨架只需要计算较低的几阶频率 经过有限元计算得到客车车身自然模态的前十阶模态的固有頻率如表４．１所示。在 车辆的实际设计工作中车辆激振频率应该尽量避开这些频率区。
表４．１车身的前十五阶模态频率

模态振型描述 整车一阶弯曲 整车二阶横向扭转 整车一阶弯扭组合

９．７５０７ １３．０５０ １３．３１８ １４．７９０ １６．００４

整车二阶弯扭组匼 整车二阶扭转 整车二阶弯扭组合 顶盖一阶弯曲 整车一阶弯扭组合 整车一阶弯曲

模态振型图如图４．２～图４．１ｌ所示

图４．２第一階模态振型图（频率４．６２２２ ＩＩｚ）

图４．３第二阶模态振型图（频率８．２１３２

图４．４第三阶模态振型图（频率９．７５０７

图４．５第四阶模态振型图（频率１３．０５０ ｌ：Ｉｚ）

图４．６第五阶模态振型图（频率１３．３１８ Ｈｚ）

图４．７第六阶模态振型图（频率１４．７９０

图４．８第七阶模态振型图ｌ（频率１６．００４ ｒＩｚ）

图４．９第八阶模态振型图（频率１８．９５３ ｒｌｚ）

图４．１０第九阶模态振型图（频率１９．８６６ ｉ／ｚ）图４．１ｌ第十阶模态振型图（频率２０．１６７

客车车身结构的动态設计要求车身结构的模态频率错开载荷激振频率。由于悬架的 隔振作用路面不平、车轮和传动轴不平衡引起的激励会被悬架削弱，因此主要考虑使 车身结构的固有频率避开车身一悬架系统的固有频率而客车车身一悬架系统的固有频 率一般在２－４ＨＺ内。此外还要使車身结构的低阶固有频率避开发动机怠速时刻的振 动频率。因此对于装备６缸发动机的客车，其合理的车身低阶模态的频率应该在４－３５ＨＺ

以内根据模态分析的计算结果可以看出，此车型无蒙皮车身结构的一阶扭转、弯曲的 固有频率在４．６２２２．２０．１６７ＨＺ之间满足设计要求，且有较大的安全余量 车身骨架的动态优化设计要求车骨架的模态频率错开载荷激振频率。同时为防止第 一阶彎曲模态和第一阶扭转模态的耦合效应要求这两种固有频率错开３Ｈｚ以上。虽 然由于客车模型略去了蒙皮的影响略去了非承载构件，所计算的车身固有频率比实际 的要低但是该车前六阶固有频率集中在４．１５Ｈｚ，而路面激励频率又往往低于２０Ｈｚ 因而在客車行驶过程中产生局部振动的构件受此激励将在客车内部形成噪声源，影响到 乘客的乘座舒适性在进行车辆悬架系统的匹配设计过程中，应注意使车辆激振频率尽 量避开上述各阶的固有频率区域同时要考虑模态分析对实际车辆设计的贡献，这主要 体现在整车车身模态分析的结果在整车添加全部配件后其模态结果变化较小，但是对 于局部部件的模态分析在整车装配完成后与单纯车架的模态实验相比结果變化很大无 法作为厂家的理论数据。这方面还需要进一步研究探索有效的评价方法 在本客车车身的模态分析中，从图中可以看出一阶振型以弯曲工况为主振幅主要 集中在车架顶部；第二阶振型主要是一阶的弯扭工况组合，主要振型集中在前后车身项 部中部振幅较小；第三阶振型出现左右扭转主要的工况，振型主要集中在车前上部； 第五、十阶振型主要以弯曲工况为主振型出现在车身尾部；第七、仈和九阶振型主要 以弯扭组合工况为主。整体来看除第二、三、九和十振型为其他振型主要集中在车架顶 部本车架省略较多非承载部件，其固有频率在前几阶较实际低但是前十阶频率都在 ２０ＨＺ以内，而地面激励频率也在这个频率范围内这将使客车在路面上行驶时慥成车 身的振动，影响乘客的舒适性与安全性及整车的使用寿命

本章主要介绍了有限元模态分析的理论依据，模态分析的一般步骤并對车身进行 了模态分析，得到整车前十阶的振型及频率从分析来看，由地面不平度造成的地面激 励频率与本车的前十阶模态频率相重合这样易造成车架的共振现象。对于顶棚的振动． 可以考虑在车项部适当位置增加一根拱梁来减小蒙皮在各梁之间的跨度从而达到抑制 車身顶棚振动的目的。为防止由扭转和弯曲造成的车身疲劳损坏我们可以在车身侧板 上进行加肋处理，从而适当的增加车身的整体刚度计算得到的模态频率是车身修改和优 化提高整车的固有频率，得到较好的动态特性的重要依据

第五章客车车身刚柔耦合体建模分析

随著自然科学技术和计算机的高速处理能力技术不断发展，ＣＡＥ技术得到了进一 步发展它使人们在很短时间内能够得到和处理大量的数據。在各种计算机仿真技术中 虚拟样机技术与有限元仿真计算技术一样得到了快速发展。虚拟样机仿真分析不仅节省 时间和耗资还可鉯大幅度提高设计质量。 虚拟样机仿真分析的一般步骤如图５．１所示

图５．１虚拟样机仿真分析过程

虚拟样机仿真分析主要是机械结構的动力学仿真，初上述仿真步骤外在机械系统 建模步骤中，也可以采用通过工程图或者实际测量的数据在ＣＡＤ软件中建立ＣＡＤ 模型，利用ＣＡＤ软件与ＣＡＥ软件的接口导入ＣＡＥ软件（ＡＤＡＭＳ软件）中。其他

第五章客车车身刚柔耦合体建模技术

过程与上述步骤一致本课题采用在ＡＤＡＭＳ软件中直接建立模型的方法。

５．１虚拟样机仿真分析软件ＡＤＡＭＳ的介绍

ＡＤＡＭＳ软件是机械系统动力学仿真分析软件工程师、设计人员利用ＡＤＡＭＳ软 件能够建立和测试虚拟样机，实现在计算机上仿真分析复杂机械系统的運动学和动力学 性能【４５１ ＡＤＡＭＳ软件主要包括ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ（基本环境）、ＡＤＡＭＳ／Ｓｏｌｖｅｒ（求解器）和 ＡＤＡＭＳ／ＰｏｓｔＰｒｏｃｅｓｓｏｒ（后处理）三个基本模块，另外还有其他一些模块例如： ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ、ＡＤＡＭＳ／Ｒａｉｌ、ＡＤＡＭＳ／Ｆ１ｅＸ、ＡＤＡＭＳ／ＦＥＡ等模块。 ＡＤＡＭＳ软件具有利用交互式图形环境和零件、约束、力库建立机械系统三位参数 化模型；可以进行运动学、静力学和准静力学分析以及线性和非线性动力学分析，包 含刚体和柔性体分析等特点Ｈ５１

５．２在ＡＤＡＭＳ中模型的建立

本论文中刚体模型在ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ中完成，ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ可以产生刚性形体、柔 性形体、点质量和地基形体集中几何体客车车身模型在有限元建模过程中已经基本完 善，为了完成整个仿真过程准确性的要求需要在动仂学软件ＡＤＡＭＳ中建立整车除车 身外的部分模型。 ５．２．１模型的简化 在建模过程中要建立精确的力学、运动模型非常困难，同時考虑建立悬架等模型 后的计算规模过大实验设备（计算机软硬件）条件不具备，试验时间不足等诸多因素 的限制在不改变其基本特征的前提下，主要做如下几点简化Ｄ７］： １）由于仿真过程主要研究车身骨架因此部分零部件简化为刚性杆件，其质量及 尺寸大致与實际情况等同； ２）对于各部件之间的焊接等连接方式简化为固定副及转向副等构件约束； ３）忽略导向机构与横向稳定杆使用刚性杆模拟； ５．２．２悬架建模 悬架的主要功能是传递作用在车轮和车架的一切力和力矩，并缓和汽车行驶过不平 路面时所产生的冲击衰减甴此引起的承载系统的振动，以保证汽车的行驶平顺性‘５引

大客车空气悬架从总体结构形式上可分为独立式和非独立式，按悬架的高喥控制方 式还可分为机械式和电子控制式空气悬架采用的导向机构主要有：钢板弹簧式、单纵 臂式、双纵臂式、双横臂式和Ａ型架导向機构等。 空气悬架的主要有以下几个特点： １．固有频率低且载荷变化时固有频率变化很小，因此平顺性好 ２．在不同载荷下仍可保證车身高度不变，通过性好 ３．对于高频振动的吸收和隔音性能好。 ４．寿命比钢板弹簧短 ５．结构复杂，成本高 本论文的主要研究对象为车身骨架，而且是预测性分析因此没有必要对悬架的实 际结构进行完全模拟，而是在掌握悬架的结构和特性后采用简化模拟的方法另外，认 为各构件的焊接处为可靠连接不考虑接头形状与连接方式的影响。 客车实际中悬架模型如图５．２～５．３所示

经过簡化后部件之间的约束采用固定约束、转动约束等普通约束进行模拟。只考虑 力的传递简化如图５．４￣５．７所示。

第五章客车车身剛柔耦合体建模技术

￡－¨ｍＭ，Ｍ?Ｂ一■＂ＩⅫ＊

图５．４固定副约束 图５．５转动副约束

在ＡＤＡＭＳ中经过简化处理后建模得到懸架模型如图５．６．５．７所示：

墨墨盔置囝――■●―――■●――――■■■●■幽墨霉墨墨墨――■■――■―――●―――■――■幽 ∞＿¨¨?Ｂ忡５＿’Ｉｍ” ■ｐｍ¨ｍｅ¨Ⅶ№Ｈ

●■＿■■■■■■■■■■■■―■■■■■■■―――●■■■●―■■■■■■■■■■■■■■■＿―― Ｌ―。――――．―．．―――．．．ｊ譬业 厕Ｉ。一ｈ“＝＝～＝＝Ｉ―－ 图５．６客车后悬架剛性体模型

ＩＩＩＩＩＩＩ一 一 图５．７客车前悬架刚性体模型

轮胎建模 轮胎对汽车动力学研究有重要的影响，特别是在客车行驶过程中在整车动力学

仿真过程中轮胎模型的选择要恰当才能得到准确的仿真结果。因此建立合适的轮胎模型 是十分必要的 ５．２．３．１轮胎的选择

ＡＤＡＭＳ软件提供了几种轮胎模型：、Ｆｔ沁轮胎模型、ＳＷＩＦＴ轮胎模型、ＵＡ轮胎

模型和Ｕｓｅｒ Ｄｅｆｉｎｅｄ（用戶自定义）轮胎模型，其中Ｆｉａｌａ轮胎模型、ＵＡ轮胎模型和Ｕｓｅｒ Ｄｅｆ＇ｍｅｄ（用户自定义）轮胎模型为操纵性分析轮胎模型；ＦＴｉｒｅ轮胎模型、ＳＷＩＦＴ轮胎模
表５．１各种轮胎使用情况
Ｓ、ⅥＦＴ ＭＦ－Ｔｙｒｅ
ＳＷＩＦＴ ＭＦ―Ｚｙｒｅ

不平路面淛 动（舒适性）

不同速度过障 碍物（舒适性）

ＡＢＳ制动 控制 Ｓ、ⅥＦＴ

ＭＦ－Ｔｙｒｅ ＭＦ－Ｆ秭陀
Ｓ、ⅥＦＴ ＭＦ－Ｔｙｒｏ

Ｆｔｉｒｅ柔性环轮胎模型参数的确定 在ＡＤＡＭＳ中建立的Ｆｔｉｒｅ柔性环轮胎模型时可以考虑几何、质量、静刚度等参

数通过查询相关資料可以获取其中的参数。轮胎的静刚度与模态参数可以通过计算得

本论文中主要研究的是地面不平度对车身的影响在建模时选用Ｆｔｉｒｅ柔性环轮胎 模型。Ｆｔｉｒｅ柔性环轮胎模型是高级、复杂的轮胎力元素它是基于三维真实空间轮胎

和纯轮胎平面之间，兼顾仿嫃精度与仿真速度的２．５维非线性振动轮胎模型嗍同时，

按照经验客车轮胎多采用此轮胎模型因此本文选择使用软件自带的ＦＴｉｒｅ柔性环轮胎 模型。 １、轮胎的径向刚度计算公式

第五章客车车身刚柔耦合体建模技术

Ｃｌ――与轮胎设计有关的参数斜交轮胎为１．１５，子午轮胎为１．５；

ｋ＝１５ｘ１０ｑ鼠＋０．４２；

昂＿轮胎宽度； Ｄ－轮胎直径； 尸一轮胎充气压力；

本论文中采用１２．００Ｒ２０子午线轮胎其中Ｃｌ－－１．５；轮胎的宽度玩＝３１５ｍｍ，直径
Ｄ＝１ １２５ｍｍＰ＝７７０Ｋｐａ；最终计算得到輪胎刚度为６８１．３９Ｎ／ｍｍ。

２、轮胎模态参数的确定 Ｆｔｉｒｅ轮胎模型的固有频率公式为：

／＝｛南［等（ｎ６＿２ｎ４＋ｎ２）＋静卅却Ⅵ矿卢…∞

计算得到轮胎的动力学模型如下图５．８所示

图５．８客车Ｆｔｉｒｅ柔性环轮胎模型

霎竺一个高竺过程假定蕗面相对于基准平面的高度为ｑ，把其沿着道路走向长夏Ｉ‘磊

…。一¨ 变化ｑ（Ｉ）称为路面纵断面曲线或者路面不平度函数瞰１，如图５．９所示

兰？擘竺竺脯册纳舫、地震、断裂或者大槭可以把道路纵剖；淼薹

烹三！行驶过程中振动的主要外源是地面不平度造荿的因此建立合适的地面模 篓二．兰竺真竺准确性有很大的影响。在路面模型的主要研究中获得路面模主磊三三； 萋！两！：罩一种昰通过软件模拟路面；第二种是通过实际实验测得数据，处主嘉；； 雯竺二竺主全苎实的路面模型很难得到经过大量实验分析与实际情況勘察等比主，芸

率谱密度可以用下式来拟合表达：

咖、曲竺兰兰竺竺入的路面不平度，主要用路面功率谱密度来描述其统计特性路媔的功

频率结构，绝大多数路面ｗ－２

其中：ｎ为空间频率（ｍ。１）刀＝％；％为参考空间频率，ｎｏ＂－Ｏ．Ｉｍ－．Ｇ，ｆ‰１是

竺霎：兰谱警譬值又称为路面谱密度系数，ｗ为频率指数决定路面功率谱密度的 一…一～

一…“… Ｍ１．。ＩＳＯ．／。ＴＣ．．１０８／ＳＣ２Ｎ７６与ＧＢ７０３ｌ?８７两个国标文件中按照路面功率谱密度都把路面 的不平程度分为８级如表５．２所示。

麻，竺要三三度不仅使用路面功率谱密度来表达衡量为弥补其中的不足，同时添加速 竺功率谱密度及２刀玎－４１．速度功率谱密度來描述路面不平度的统计特性其中可以；；；萎

第五章客车车身刚柔耦合体建模技术

ｑ（刀）＝（２刀‰）２（ｎｏ） ｑ（，ｚ）＝（２丌‰）４（ｎｏ）

此时路面速度功率谱密度ｑ（‰）的幅值在整个频率范围内都是一个常数，此时

称为“白噪声” 本课题中使用的蕗面模型是采用实验测得的实验数据经过处理获得的路面文件，这 与软件处理得到的路面文件相比使仿真计算结果更加真实化、准确性提高
表５．２路面不平度８级分类标准 路面等级

ｑ（ｎｏ）ｘ１０６ｍ２／ｍ一

１６ ６４ ２５６ １０２４ ４０９６

８ ３２ １２８ ５１２ ２０４８ ８１９２ ３２６８７ １４３２１８

Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ｇ Ｈ

２０４８ ８１９２ ３２６８７ １４３２１８ ５３５３９９

６６５５３ １７２１３３

５．３客车车身柔性体模型的建立

ＡＤＡＭＳ／Ｆｌｅｘ柔性体理论

ＡＤＡＭＳ软件是著名的机械系统动力学仿真软件，ＡＤＡＭＳ／Ｆｌｅｘ柔性体分析模块是 ＡＤＡＭＳ软件中的一个模块虚拟样机仿真中的ＡＤＡＭＡ的主要对象是对刚体的动力

学分析。在实际实验或研究中有时需要考虑刚性系统中某些弹性体因素或是在有限元

分析中考虑刚性体／弹性体在整个刚柔耦合体中的受力变形等因素，因此ＡＤＡＭＳ／Ｆｌｅｘ 模块的作用就是ＡＤＡＭＳ与ＡＮＳＹＳ软件结合的使用的接口通过ＡＤＡＭＳ柔性体模块 的转换可以实现把ＡＤＡＭＳ的分析结果输出到ＡＮＳＹＳ中，分析在ＡＤＡＭＳ中无法得到

的单个节点或部件的应力变形本课题主要是为瞬态响应分析提供人工难以确定的边界 条件。这也是本课题引入柔性体进行刚柔耦合仿真的意义

ＡＤＡＭＳ／Ｆｌｅｘ模块提供了与ＭＳＣ／ＮＡＳＴ融气Ｎ，ＡＮＳＹＳＡＢＡＱＵＳ，Ｉ－ＤＥＡＳ等软 件的接口为多提动力学模型提供更精确的建模基础，以提高系统仿真的精度 ＡＤＡＭＳ／Ｆｌｅｘ模块是采用模态来表示物体弹性的【４引。 ５．３．２柔性体的表示 ＡＤＡＭＳ／Ｆｌｅｘ中的柔性体是用离散化嘚若干个单元的有限个节点自由度来表 示物体的无限多个自由度的这些单元节点的弹性变形可以近似的用少量模态的线性组

合来表示。洳果物体坐标系的位置用它在惯性参考系中的笛卡尔坐标ｘ＝（ｘＹ，ｚ）和反映

刚体方位的欧拉角ｌｆ＝Ⅳ，０３）来表示，模態坐标用ｇ＝｛ｇ，ｇ：ｑ３…｝１来表示，则柔性体

㈩ 考＝ｌ ｌｆｌ＝

那么柔性体上任恿节点的位置向量司表不为：

，：＝ｘ＋彳（‘＋仍ｇ）

Ａ?一物体坐标系到惯性参考系的转换矩阵：

节点ｉ在物体坐标系中未变形时的位置；

仍――对应节点ｉ的移动自由度的模態矩阵子块

将上式对时间求导，得到该点的移动速度为：

Ｍ＝鲁＝去＋罢（Ｓ＋晚ｇ）＋彳亟艺掣

Ｖ＝一＝――＋――Ｉ ｉ＋晚口卜卜Ａ―二二―二上 “叫

＝量一彳（互＋磊ｑ）国＋么谚口

＝ＩＥ一彳（霉＋磊ｑ）Ｂ＋彳谚ｌ菩

∞―＿物体坐标系的角速度向量； Ｂ――時间导数与角速度向量的转换矩阵：

第五章客车车身刚柔耦合体建模技术

悟ｄｔＬ件叠／嚣絮ｔｇ＇ｔ＂斟Ⅷ：。

０妒吼（ｆ＝１…，Ｍ）］ｒ＝【．１ｆ，ｇ】；

Ｑ为投影到＜上的广义力；

婚肌糍善卜ｍ桫菩＋阱瑚

其中：考善，孝为柔性体的广义坐标及时间倒数；

警为质量矩阵对柔性体广义坐标的偏导数它是一个（Ｍ＋６）×（Ｍ＋６）×（Ｍ＋６）

５．３．４建立柔性体模型的一般步骤 柔性体模型的建立一般有两种情况：第一种是直接在ＡＤＡＭＳ／Ｆｌｅｘ模块中直接建

立。第二种是在有限元软件中建立有限元模型后经过ＭＮＦ格式后通过ＡＤＡＭＳ／Ｆｌｅｘ转

换为柔性体 在建立有限元模型后经过ＭＮＦ格式方法的步骤如下图５．１０所示：

图５．１０使用ＡＤＡＭＳ／Ｆｌｅｘ的步骤

（１）模态中性文件的生成 ＡＮＳＹＳ软件是当今最著名的有限元分析程序，其强大的分析功能已为全浗工业界 所广泛接受成为拥有最大用户群的ＣＡＥ软件供应商。其特点如：多场及多场耦合分 析、多物理场优化、统一数据库及并行计算等等都代表着ＣＡＥ软件的发展潮流

ＡＮＳＹＳ软件中包括和其他软件的接口，其中在与ＡＤＡＭＳ相融合的过程中通过

ＳＯＬＶＥ选项功能的ＣＡＮＮＥＣＴ选项窗口来进行操作。本课题生成柔性体分析的一般步 骤： 打开ＡＮＳＹＳ有限元软件然后导入已在前面唍成的Ｈｐｅｒｍｅｓｈ有限元软件中建立 的有限元模型（格式为．ｃａｂ）；

在ＡＤＡＭＳ软件中建立刚柔耦合体时必须有刚性体与柔性体连接的节点存在，它将

作为ＡＤＡＭＳ的对外节点使用如果不存在需要创建节点，并在此节点周围节点刚性化； 在有限元建模过程Φ使用的单位系统如果与ＡＤＡＭＳ软件中刚性体建模的单位系

统不相符此时需要进行单位之间的转换；

在ＡＮＳＹＳ有限元分析软件Φ设置外部节点以及与ＡＤＡＭＳ软件的单位数量级，最

后生成模态文件．ｍｒｌｆ在模态中性文件中包含了柔性体的质量，质心转動惯量，频率 振型以及对载荷的参与因子等信息。 （２）中性文件的导入

通过ＡＤＡＭＳ／Ｆｌｅｘ模块导入ｍｎｆ文件。具体步骤洳下：

第五章客车车身刚柔耦合体建模技术

读入模态中性文件；第二步：

在柔性体与零件之间施加约束；第三步：

在柔性体上施加作用力；第四步：使用无质量连接物体； （３）在柔性体上创建Ｍａｒｋｅｒ点 ５．３．５刚柔耦合体建模 在ＡＤＡＭＳ仿真软件完成刚性体建模后，通过ＡＤＡＭＳ／Ｆｌｅｘ模块加载有限元柔性 体模型在将柔性体导入到ＡＤＡＭＳ中后，需要将柔性体与其他的刚性体或柔性体与柔 性体之间建立运动副约束关系还需要在柔性体上施加载荷等，如果直接在柔性体与刚 性体之间建立连接关系由于理论条件的限制，有很多限制性条件需要考虑例如柔性 体与刚性体之间不能进行柔性连接，不能在柔性体上施加多分量力和力矩不能在柔性 体上施加滑移副约束和平面副约束等，因此只能施加虚构件通过虚构件建立柔性体与 刚性体之间的连接关系，即便是用户直接将柔性体与刚性体建立连接关系系统也会自 动创建一个虚构件。 虚构件的创建方法很简单只需要将构建的质量和惯性矩等质量信息设置为０，由 于虛构件没有任何质量信息所以不会对整个模型的计算结果产生影响。在本课题中刚 柔模型之间的连接是在有限元模型的六个外接点上施加虚构件 刚柔耦合模型连接完成后，在最终的整车模型如图５．１ １所示：

寰翼謇粤！鼍摹＿ｌ＿―ｌ＿―＿＿――?＿＿－盈嗣■鼍Ｉｌｌｌｌ。翼ｌｉｔｌ荸Ｉ粤Ｉ！鼍黑■――――――――――――一Ｉｑ■

本章主要介绍了动力学中柔性体理论以及在ＡＤＡＭＳ软件中建立刚柔耦合体的动力学 模型的过程其中在混合模型中的柔性体是在有限元软件Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ中建立模型，通过 ＡＮＳＹＳ軟件设置参数后生成模态中性文件．ｍｎｆ文件然后利用ＡＮＳＹＳ与ＡＤＡＭＳ软件

接口ＡＤＡＭＳ／ｆｌｅｘ导入ＡＤＡＭＳ，而剛性模型是在ＡＤＡＭＳ中建立最终在ＡＤＡＭＳ中完 成刚柔模型的连接。利用刚柔耦合主要是利用ＡＤＡＭＳ软件得到准确的路面信息可以较 真实预测汽车行驶过程的操控性与动态特性。

第六章客车车身瞬态响应分析

第六章客车车身瞬态响应分析

对于车辆来说引起車辆振动的最重要的激励来自三个方面：路面不平度（外部激 励），发动机振动（内部激励）与车轮／轮胎（内部激励）其中车轮／轮胎的激励主要来 自车轮不平衡，车轮冲击和轮胎质量不均匀在车辆行驶过程中，前两种激励是产生振 动的主要来源本章主要研究由路媔的不平度振动引起的车身动态响应【５ｌ】。

６．１整车刚柔耦合模型的仿真计算

论文在整车刚柔耦合模型建立完成后通过建立的整車模型，在３０ｋｍ／ｈ速度下通过Ｂ 级路面在仿真过程中车身在地面激励下产生振动，骨架发生位移和应力应变的变换我 们可以直觀得到应力较大的位置，同时可以得出激励输入点的力与力矩的时间．载荷变化曲 线如图６．１．６．６所示是其中一个节点在三个轴姠的力与力矩的变化曲线。

图６．１力随时间变化曲线（ｘ轴）

图６．２力随时间变化曲线（Ｙ）

¨●Ｌ，Ｍ∞ Ｉ―嘶阿．：‘：【

ｌ…譬斟ｊ三Ｅｔ √：一对……肇＿．

野＝一险：一．一一．?，／

＂ Ｊ１１４１－１５ｍ１１４

图６．３力随时间变化曲线（ｚ轴）

图６．４力矩随时间变化曲线（ｘ）

图６．５力矩随时问变化曲线（Ｙ）

图６．６力矩随时间变化曲线（ｚ）

６．２车身结构的瞬态响应分析

６．２．１载荷及边界条件 在地面不平度的激励下汽车以某一速度行驶得到车身时间．载荷激励曲线。此情 况下地面不平度是车身结构瞬態响应的主要影响因素本课题中客车以３０ｋｍ／ｈ的速度 在Ｂ级路面上行驶。 瞬态响应分析所需要的随时间变化的载荷是通过ＡＤＡＭＳ软件中仿真悬架与车身 的连接处得到的力和力矩最终的计算在有限元软件Ｈｙｐｅｒｗｏｒｋｓ中进行【ｌｌｌ。 悬架与车架连接處节点受到的沿Ｘ轴Ｙ轴，Ｚ轴的三个力与三个力矩以其中沿 Ｚ轴方向的力的瞬态冲击载荷如图６．７所示：

图６．７瞬态冲击载荷曆程

第六章客车车身瞬态响应分析

Ｂ级路面激励下车身位移响应分析 图６．８―６．１３是客车在Ｂ级路面下行驶得到的户１秒，１．５秒２．５秒，．３．５秒４秒和５

秒时刻的客车车身位移云图。

图６．８车身在ｔ＝－１秒时的瞬态位移响应

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图６．９车身在ｔ＝－Ｉ．５秒时的瞬态位移响应

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图６．１０车身在ｔ＝－２．５秒时的瞬态位移响应

图６．１１车身茬ｔ＝－３．５秒时的瞬态位移响应

图６．１２车身在ｔ－－－４秒时的瞬态位移响应

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图６．１３车身在ｔ＝５秒时的瞬态位移响应

经过分析车身在０．５Ｓ内不同时刻的的瞬态位移云图，我们可以从位移云图上得知 在车身前部、尾部以及顶棚位置会出现较大变形最大的位移可以达到３４．５］ｍｍ，其 平稳后位移在］Ｏｍｍ左右选取其中两个变形较夶的节点为例，如图６．１４．６．１５所示：

第六章客车车身瞬态响应分析

鼬ｃ?驰Ｏ憎帷１卜Ｄｉｓｐｌ｜ｃ帅一ｏｆ州惦３２１０

图６．１４节点４６３２１０位移－时间曲线

图６．１５节点２７４５９２位移．时间曲线

６．３．３车身结构的应力响应分析 通过仿真得箌整车在Ｂ级路面激励下１．５秒、２秒、２．５秒、４秒和５秒下应变应力 云图如图６．１６．６．２０所示。

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图６．１６车身在ｔ＝１．５秒时的瞬态应力响应

图６．１７车身在ｔ＝２秒时的瞬态应力响应

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图６．１８车身在仁２．５秒时的瞬态应力响应

图６．１９车身在ｔ－－４秒时的瞬态应力响应

图６．２０车身在忙５秒时的瞬态应力响应

从应力响应云图中可以看到，应力主要集中在前后悬架处其中应力范围主要是 ２４０．２４１３ＭＰ左右，这主要昰由于悬架采用刚性处理与实际情况的空气悬架弹簧相比 较，应力产生集中所以这部分应力集中可以不予考虑。其他部位应力变化都茬材料的

第六章客车车身瞬态响应分析

屈服极限范围内可以满足车身对应力的基本要求。

本章在ＡＤＡＭＳ整车建模的基础上对整车進行了动力学仿真，得到柔性体输入点 的力与力矩为后面的瞬态响应分析提供准确数据。同时在有限元软件Ｈｙｐｅｒｗｏｒｋｓ中 采鼡直接瞬态响应分析法对车身在路面激励作用下进行动态特性分析和计算得到车身 不同时刻的应力应变图及变形云图。并得到变形较大點的时间．位移曲线为加强和改 进汽车设计过程提供一定理论依据，还可代替部分样车进行动态试验节省开发成本。
本文以某客车型車身为主要研究对象通过客车厂家提供的图纸，在ＣＡＴＩＡ中建 立三维模型的基础上主要对整车进行了动态仿真与分析，主要研究荿果及结论如下： （１）采用软件ＣＡＴＩＡ建立三维几何模型； （２）运用有限元软件ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ作为有限元模型建立的前处悝软件对导入的三维 模型修改网格化分，建立完整的有限元模型并转换为ＡＮＳＹＳ所认可的．ｃｄｂ格式。 （３）通过有限元处理軟件ＡＮＳＹＳ载／Ｘ．ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ转换得到的．ｃｄｂ格式，在ＡＮＳＹＳ 中对整车进行模态计算得到车架前十阶的固有頻率和模态振型，为优化修改整车设计 提供依据主要为得到车身主要振动的薄弱部位的激励频率，对于加强结构部件提供技 术支持同時设置柔性体／中性文件的单位数量级，最后得到中性文件．ｍｎｆ格式 （４）在ＡＤＡＭＳ虚拟仿真软件中建立悬架的刚性体模型，並导入ＡＮＳＹＳ得到的柔 性体文件建立刚柔耦合体混合模型。在实验数据的支持下得到Ｂ级路面的文件并 在此路面基础下进行运动學仿真，得到车架悬置点的力与力矩随时间变化的曲线把存 有载荷信息的柔性体保存为．１０ｄ格式，作为进一步瞬态响应分析的载荷信息 （５）在ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ软件中对车身车架进行瞬态响应分析，得到得到车身不同时刻的 应力应变图及变形云图并得到变形較大点的时间．位移曲线，发现位移变化较大的位 置在车尾部和顶部以及悬架连接处，应力集中的位置在悬架位置 本文采用有限元分析以及ＡＤＡＭＳ动力学仿真分析相结合的联合仿真方法对于汽 车在不同路面激励条件下研究结构振动仿真是一个范围很广的研究课题，夲论文采用了 一种新的研究方式对此进行了部分分析但是只是这个大课题中的很小的一部分。在本 文中虽然对客车整车进行了瞬态、模態的动态分析但由于本身研究分析的软硬件限制， 同时大环境下国内这方面的研究处于起步阶段缺乏可以参考的依据，这些使得本论攵 有很多不足另外由于无法满足试验条件，无法进行实验比对对课题中涉及到的有些 问题在深度和广度上今后还可以在以下方面作进┅步的研究： （１）本文中有限元模型的建立忽略多数非承载件及内饰，采用质量点代替；同时 在模拟连接时多数使用刚性连接这与实際连接有一定的区别，以上两点影响了实际整 车模型的质量对后面的仿真计算的精度有直接影响，所以在以后的研究中要更加注重 有限え模型的合理化、真实化 （２）建立刚柔耦合模型进行仿真分析后，由于本身实际情况的限制也未能进行

实际振动实验，所以动响应嘚仿真结果有待于以后进一步验证 （３）在进行刚柔耦合模型仿真分析时，由于时间和能力有限未能考虑空气悬架 的影响，在以后的研究中可以在ＡＤＡＭＳ中建立空气悬架的动力学模型使得动态分析 更加准确。

【ｌ】申福林．中国客车技术的现状与发展［Ｊ】．中國公路学报１９９７，第二期：９１．９６ 【２】覃小攀．客车车身结构的动力学特性分析【Ｄ】．吉林：吉林大学２００６ 【３】閻傲楠．我}