基于ANSYS的某重型特種車車身本體的有限元分析

劉建軍，趙文明，禹文成

(泰安航天特種車有限公司，山東泰安 271000)

0 引言

某重型車身是某特種車的重要組成部分，底盤的部分電氣、加速系統(tǒng)、內(nèi)飾、上裝設(shè)備及車身附屬件等部件布置在車身上，該特種車使用環(huán)境復雜，要求車身本體具有較高的抗拉強度和抗彎剛度。該車在行駛中具有3種典型工況：水平彎曲、緊急制動、緊急轉(zhuǎn)彎。此重型車為非承載式車身，通過兩個前懸點、兩個后懸點裝配在車架上，因而車輛行駛時車身不會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)工況。在汽車車身設(shè)計中，應用有限元法對重型車身本體進行靜態(tài)特性分析，可以獲得車身結(jié)構(gòu)的應力和變形情況，縮短開發(fā)周期降低研發(fā)費用，并為車身結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

1 車身本體有限元模型的建立

該重型車身的外形尺寸為2 800 mm×3 600 mm×2 500 mm，總質(zhì)量為2 300 kg。車身本體主要由地板、前圍、后圍、側(cè)圍及頂蓋組成，采用蒙皮與骨架相結(jié)合的方式組合在一起。根據(jù)每個分析的側(cè)重點不同，對車身本體結(jié)構(gòu)進行簡化。

文中借助三維軟件UG建立模型，所用蒙皮及骨架均以片體形式存在。車身本體所用材料為08AL，彈性模量為207 GPa，密度為7 800 kg/m，屈服極限為195 MPa，抗拉強度為325 MPa。

將模型導入ANSYS Workbench中，因車身本體所有聯(lián)接件以片體形式存在，劃分網(wǎng)格時選用殼單元，且以四邊形單元為主，模型劃分后的節(jié)點數(shù)為242 800，單元數(shù)為824 759，建立的有限元模型如圖1所示。

圖1 車身本體有限元模型

2 車身本體結(jié)構(gòu)有限元靜態(tài)分析

汽車在實際運行時，會遇到水平彎曲、制動、轉(zhuǎn)彎等工況，下面將對這3種工況模擬車身本體的加載和約束情況。

2.1 水平彎曲工況

水平彎曲工況即車輛在靜止的情況下，車身本體主要承受來自自身重力的影響，其他附屬部件以遠程載荷的形式加載在車身相應位置，該車身的約束條件和載荷情況如圖2所示。

圖2 水平彎曲工況下邊界條件加載示意

圖3為水平彎曲工況下各點Mises應力云圖，圖4為水平彎曲工況下各點位移云圖。

圖3 水平彎曲工況下各點Mises應力云圖

圖4 水平彎曲工況下各點位移云圖

由圖3可知，車身最大應力值發(fā)生在前圍與地板左右兩根縱梁接觸處，應力值為86.4 MPa;車身各部分結(jié)構(gòu)最大應力值沒有超過材料的許用應力值，安全系數(shù)為2.3，滿足強度設(shè)計要求。由圖4可知，車身最大變形發(fā)生在頂蓋中部，因該處為空調(diào)回風口，無加強梁通過，因而變形較大，但該值小于GB/T 13043—2006的規(guī)定。

2.2 緊急制動工況

緊急制動工況是指該重型車輛在運行時因緊急剎車使得車輛以0.8的加速度進行減速。車身承受重力加速度和制動加速度的共同作用，其附屬部件以轉(zhuǎn)換后的遠程載荷加載到車身相應位置，該車身的約束條件和載荷情況如圖5所示。

圖5 緊急制動工況下邊界條件加載示意

圖6為緊急制動工況下各點Mises應力云圖，圖7為緊急制動工況下各點位移云圖。

圖6 緊急制動工況下各點Mises應力云圖

圖7 緊急制動工況下各點位移云圖

由圖6可知，車身最大應力值發(fā)生在左右側(cè)圍兩根縱梁與豎梁接觸處，應力值為73.7 MPa，安全系數(shù)為2.7，滿足強度設(shè)計要求。由圖7可知，車身最大變形發(fā)生在頂蓋安裝空調(diào)設(shè)備回風口處，最大變形量為1.9 mm。

2.3 急速轉(zhuǎn)彎工況

通過施加一向心加速度為0.8的轉(zhuǎn)向慣性力來分析計算該車駕駛室結(jié)構(gòu)在急速轉(zhuǎn)彎工況下的應力及變形特性。該車駕駛室在急速轉(zhuǎn)彎工況下各處的邊界條件約束自由度情況設(shè)定同水平彎曲工況下的約束條件。由于駕駛室近似左右對稱，因此只分析緊急左轉(zhuǎn)彎工況，其約束條件和載荷情況如圖8所示。

圖8 急速轉(zhuǎn)彎工況下邊界條件加載示意

圖9為急速轉(zhuǎn)彎工況下各點Mises應力云圖，圖10為急速轉(zhuǎn)彎工況下各點位移云圖。由圖9可知，整個駕駛室最大應力值仍位于前圍與地板左右兩根縱梁接觸處，應力值為88.5 MPa，安全系數(shù)為2.2，滿足強度設(shè)計要求。由圖10可知，車身最大變形仍發(fā)生在頂蓋安裝空調(diào)設(shè)備回風口處，最大變形量為1.97 mm。

圖9 急速轉(zhuǎn)彎工況下各點Mises應力云圖

圖10 急速轉(zhuǎn)彎工況下各點位移云圖

3 結(jié)論

文中根據(jù)該車在運行過程中可能出現(xiàn)的水平彎曲、緊急制動和急速轉(zhuǎn)彎工況，計算分析了3種工況下車身結(jié)構(gòu)有限元模型相應工況下的應力與駕駛室位移變形情況。結(jié)果表明，該車車身結(jié)構(gòu)承受應力不大，最大位置變形較小，符合特種汽車在實際運行中的情況，且安全系數(shù)較高，車身結(jié)構(gòu)滿足強度和剛度設(shè)計要求，對非承載式重型駕駛室結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有一定的參考價值。