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]本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有限元模型，对客车车身侧围两种骨架结构方案进行了强度，刚度和模态分析与对比。 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中型客车。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

[1-4]

，同时使车身的材料得到更充分的利用，即尽量降低车体自重，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(去掉侧围腰梁部位的若干斜撑)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软件上建立车身的几何模型，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SHELL63、弹性3点梁单元BEAM4和弹簧元COMBIN14对整个客车进行离散化，共用SHELL63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;密度（kg/m）7.85E3;泊松比0.3屈服极限（Mpa）295。

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/s的加速度来模拟；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, 以下是其他各总成的重量：发动机580 kg, 变速器100 kg, 油箱150kg, 转向机100kg, 水箱50 kg, 单个车轮60 kg, 离合器70kg, 压缩机 100kg, 电瓶70 kg, 空调200kg,暖风机70kg。

分析过程中将整个车辆作为一个简支梁来模拟，用梁单元和弹簧元来模拟钢板弹簧刚度（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/m之间，平均值139kg/m左右。实例客车的骨架比重为153.8kg/m，高于平均水平，说明该车的材料未得到充分的利用，所以

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1

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

客车车身弯曲刚度是评价客车车身性能的又一重要指标，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;前后桥中心

挠度值 mm10-10-2-3-4-5-6测点编号5101520左纵梁右纵梁(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，使右侧围的弯曲刚度略小于左侧围。 2.1.2 强度分析

图１ 弯曲工况下左、右纵梁挠度曲线 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10Mpa以下,底架的应力水平虽然局部较高，但绝大部分都在10Mpa以下。车身底架以上结构的高应力区主要发生下面几个部位: 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、右侧围腰立柱与侧窗下框、腰梁的连接部位，平均应力在30Mpa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要指标。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、后桥中心(测点4、11)处曲线方向发生变化，因为两处均受到约束限制; 测点12至16扭转角发生变化，是因为该车的后悬部位集中了发动机、变速器和水箱等总成，造成该区域载荷集中，从而引起扭转角发生变化。分析扭转工况在有斜撑和无斜撑两种情况下的车身轴间扭转角曲线可以得到以下结论：去掉

扭转角θ1.61.41.210.80.60.40.200510测点编号1520无斜撑有斜撑腰梁间的部分斜撑后，整车的扭转刚度变化不大;且扭转角曲线变化比较均匀，说明整车扭转刚度仍然分布均匀，只是刚度值略有下降。通过分析计算得出去掉腰梁间的部分斜撑后，车身扭转刚度为21205.25N.m/度。而国产半承载式大客车车身轴间扭转刚度一般为（1.8-4.0）×10N.m/度，实例客车满足刚度要求。

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图2 扭转工况下有、无斜撑的车身轴间扭转角曲线 2

2.2.2强度分析

实例大客车在左前轮悬空的扭转工况中，底架以上部位的应力分布情况与弯曲工况时相似，但应力幅值大于弯曲时的应力幅值。这是因为单轮悬空的扭转工况是一种极限工况，在实际情况中很难发生。有关应力值分布情况将在后续的试验和计算比较结果中看到。 2.3 强度对比分析

为了了解去掉腰梁间斜撑前后，车身强度的变化，对去掉斜撑前后的模型进行了强度的有限元分析，由于扭转工况中应力大的部位弯曲工况也一定大，为了简化计算过程，选取扭转工况作为本次对比分析的工况。图3和图4为试验测点在两种结构形式下有限元分析结果,根据测点的分布情况，选取左腰梁上的测点3、4、5、6、9、10、11、12、15、16、17、18、19、20和右腰梁上测点6、7、8、9、12、13、14、15、18、19、20、21、22、23的应力值进行对比。从对比结果看,加装斜撑后，大部分测点的应力值下降，但去掉斜撑后各测点的应力值和材料的许用应力值相比仍很低，所以去掉腰梁间的斜撑后，车身的刚度，强度仍然满足要求。 4020应力值403020应力值00-20-40测点序号51015无斜撑有斜撑100-10-20-30-40测点序号051015无斜撑有斜撑

图3 侧围扭转工况的应力值对比 图4 右侧围扭转工况的应力值对比

2.4 低阶模态振型比较

在对车身低阶模态的对比分析中，选择了简化模型进行分析，通过车身简化有限元模型，就以下两种情况对实例车身进行了模态分析：腰梁与侧窗下框之间未加上斜撑；腰梁与侧窗下框之间加上斜撑。通过观察车身低阶模态振型变化，可以对车身刚度分配变化有一个大致评价。表1列出了两种情况的前六阶模态频率，通过前六阶模态频率下振型比较，发现侧围加上斜撑与未加上斜撑局部振型未发生激变，这说明去掉斜撑前后整车的车身刚度变化均匀。

表1 整车前六阶模态频率 单位：Hz

无斜撑 有斜撑 一阶 12.867 13.098 二阶 18.92 19.143 三阶 20.151 21.441 四阶 21.466 21.922 五阶 21.642 23.574 六阶 23.638 24.594 2.5计算和分析结论

通过对所选定的工况的计算和分析可知：去掉腰梁部位的斜撑后，整车的刚度比较均匀，而且未发生剧烈变化。从分析看，车身刚度水平相对底架刚度比较大；去掉斜撑后，整车车身所承受的应力水平仍然较低（远低于屈服极限295Mpa），但分布不均匀，窗框、腰立柱与腰梁的连接部位应力还是比较大。弯曲与扭转工况大应力部位形成的主要原因可能如下：客车的侧窗是传统的薄弱部位。且实例客车的造型为大侧窗，接头连接为矩管直接焊接，没有过渡圆角，由于结构变形，产生高应力区；

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该车的后悬长达2400mm，发动机后置的布置，形成集中载荷。使得客车尾部的变形如一根悬臂梁，而悬臂梁的支点在后桥处,因而在整个后桥部位产生高应力。

总之，从分析结果而知，车身骨架的刚度、强度满足设计要求。但从分析中看到实例客车结构承受变形和应力的能力还有很大盈余，材料的承载能力没有得到充分利用。

3 客车车身减重优化设计

通过有限元分析可知,该车的刚度、强度完全满足设计要求,但从分析中发现该车的自重过大，骨架比重较高，说明该车的材料利用率不高。为此，希望在满足车身使用条件的前提下，通过优化分析方法,减轻该车车身骨架结构件自重，提高材料的利用效率。本文采用梁单元为主的简化模型进行车身的优化设计。 3.1 灵敏度分析

根据前面分析的结果本次有针对性地选择了车身骨架中一些矩形钢管作为分析对象。共选取了8组断面尺寸比较大的矩形钢管，选取厚度作为参数进行几种灵敏度分析，考察它们对车身性能的灵敏程度。这八组矩形钢管分别为底架上横梁(TK_1)、侧窗下框(TK_2)、腰梁(TK_3)、腰立柱(TK_4)、后窗下框(TK_5)、水箱脸上下框(TK_6)、牛腿斜撑(TK_7)和底架下横梁(TK_8)。截面参数对“刚度/质量”灵敏度分析的结果如表2所示。

表2 截面参数对刚度灵敏度分析的结果

设计变量 名称 TK_1 TK_2 TK_3 TK_4 TK_5 TK_6 TK_7 TK_8 初值(m) 0.004 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 变动量(m) 0.5E-5 0.25E-5 0.25E-5 0.25E-5 0.25E-5 0.25E-5 0.25E-5 0.25E-5 T_stff(扭转刚度) 变化量(N.m) 4.4712 0.558 0.8596 2.3784 0.0252 0.2759 4.8128 6.8377 灵敏度 8.94E5 2.23E5 3.44E5 9.51E5 1.01E4 1.1E5 1.93E6 2.74E6 WT(自重) 变化量（Kg） 0.08775 0.04986 0.06177 0.03307 0.01759 0.02854 0.03619 0.08217 灵敏度 1.76E4 1.99E4 2.47E4 1.32E4 7.04E4 1.14E4 1.45E4 3.29E4 “刚度/质量”灵敏度 51 11.2 13.9 71.9 1.43 9.67 133 83.2 “Hz/Kg”灵敏度 4.86E-03 3.41E-04 5.08E-04 6.06E-03 3.21E-03 1.25E-03 6.71E-03 3.80E-03 由此可见，对刚度比较灵敏的截面参数如TK_1、TK_4，TK_7和TK-8，对“刚度/质量”同样较为灵敏，这样在优化设计中根据灵敏度的不同，就可以有重点的选择这些矩形钢管进行优化。为了能更好地进行一阶扭转频率与质量的权衡，进行了“Hz/Kg”灵敏度分析，“Hz/Kg”灵敏度的含义如下：

“Hz/Kg”灵敏度对频率的灵敏度

对质量的灵敏度当“Hz/Kg”灵敏度大于零时，其绝对值越大，增加等量的一阶扭转频率所付出的质量代价越小；当“Hz/Kg”灵敏度小于零时，其绝对值越大，减小相等的质量可带来越大的一阶扭转频率增加；当“Hz/Kg”灵敏度的绝对值较小时，则表明板厚的变化对一阶扭转频率和质量的影响都很大或都很小，或者该件的板厚对质量的灵敏度大于对板厚的灵敏度。“Hz/Kg”灵敏度分析与“刚度/质量”灵敏度分析方法类似。表2的最后一列为截面参数对“Hz/Kg”的灵敏度，可以看出对“刚度/质量”敏感的

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参数，对“Hz/Kg”也同样敏感。但有时的情况却不是这样，相同的参数对不同的灵敏度的影响可能不一样。所以，在进行优化设计时要综合考虑截面参数对不同灵敏度的影响情况，选取对各种灵敏度都比较敏感的参数进行优化设计。通过灵敏度分析，可见TK_1、TK_4、TK_7和TK_8对不同的灵敏度都很敏感，而TK_5只对“Hz/Kg” 灵敏度很敏感，由此可为下面进行的优化提供参考。 3.2 车身骨架总质量的优化

1）目标函数的选定:优化的目的是降低客车车身骨架的总质量,而车身骨架的材料密度为7850kg/m,因此选取车身骨架的重量(WT)为目标函数。

2）状态函数的选定: 状态函数选定为对车身性能影响较大的整车扭转刚度(TQ_STFF)和车身一阶扭转模态频率(MODEL_7)。

3）优化变量的选定:根据上面对“Hz/Kg”灵敏度与“刚度/质量”灵敏度的分析结果，选取车身骨架中侧窗下框、腰梁、腰立柱、底架上下横梁、牛腿斜撑为优化目标，它们的断面宽(B)和板厚(TK)作为本次分析的优化变量。其中板厚分别表示为底架上横梁(TK_1)、侧窗下框和腰梁(TK_2 暗道TK_3)、腰立柱(TK_4)、牛腿斜撑(TK_7)、底架下横梁(TK_8)。

4）优化结果分析:实例客车车身骨架的优化收敛过程数据从略,目标函数、状态函数和设计变量的设定及优化结果见表3。

表3 实例客车车身骨架重量优化过程

优化变量 目标函数（OBJ） 状态函数（SV） 代号 WT(Kg) TQ_STFF(N.m/度) MODEL_7(Hz) B（m） 设计变量（DV） TK_2/3（m） TK_1（m） TK_4（m） TK_7（m） TK_8（m） 初值 1155.96 22868.8 12.867 0.005 0.0015 0.004 0.0015 0.0015 0.0015 最小允许值 28000 10 0.005 0.0015 0.004 0.0015 0.0015 0.0015 最大允许值 35000 15 0.004 0.001 0.003 0.001 0.001 0.001 收敛误差 0.10 0.10 0.10 0.10E-03 0.10E-03 0.10E-03 0.10E-03 0.10E-03 0.10E-03 优化结果 1089.9 20267 12.42 0.004 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 3

经过优化后整车的扭转刚度降低了2602N.m/度，下降了11%，整车车身重量降低了66Kg,下降了5.7%。整车的一阶扭转频率降低了0.45Hz,下降3.5%。优化的几组矩形钢管的重量对整车的低阶固有频率影响不大，但对整个车身的扭转刚度影响较大，这和前面对扭转刚度的的灵敏度分析结果相吻合。图5为车身重量对六个优化变量的收敛曲线。

结构重量(kg)

1160115011401130112011101100109010800510迭代次数1520图5 车身重量优化收敛曲线 5

4 结 论

本文以实例车型为例， 对两种不同侧围骨架结构的车身进行了对比分析，并以减轻自重为目标的优化设计。综合所做的工作，可得如下结论：

a.

实例车型是国内客车企业所采用的典型结构，本文所进行的分析具有一定的普遍意义，车体

的强度储备偏于保守。在城乡道路条件不断改善，乘客数（车载重）得到良好控制的情况下，适当改善车体的结构，减轻自重，增加刚度，可以提高整车性能和产品的竞争力。

b. c.

本文所对比的两种侧围结构方案，其中无斜撑结构是车体的承载能力略有降低，但仍然是可车体骨架不同部位的结构断面对整车性能的影响各不相同。适当选取目标函数和边界条件优

以接受的方案，而且可明显减轻车体自重，建议企业分析后采用。 化这些参数将使客车的骨架设计更合理，克服传统或经验设计的盲目性。

参考文献

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UG and ANSYS Application in Structures and Optimisation

[Abstract] Buses are important transportation means in China. The body makers fabricate bus body on the truck chassis according to the specifications of the user with little consideration for the match between the use of volume of material and necessary strength and stiffness in design stage. Current activities in bus body design have highlighted a light structure to meet performance requirements in production of vehicle industry to increase competitive capacity in market. In this study, an actual medium-sized bus body of domestic typical production has been modelled in 3D by means of CAD package UG and analysed by means of FE programme ANSYS. This paper presents a comparative analysis of two alternatives of body side structures, such as with and without structural supporters between longitudinal waist beams in side frames. First of all, analysis of structural strength and stiffness and modal analysis of low order vibration modes have been carried out to examine the effects of the change of the structures on strength and rigidity of body and the material using efficiency. And further on sensitivity analysis and structural design optimisation are undertaken with thickness of main large sized structural members selected as an objective, aiming at alleviating the body weight still with sufficient strength and rigidity. As a result in later-on practical production this study has provided references for improvement of bus body light structural design.

[Key words] Body Structure Stress Stiffness FE Analysis Structural Optimisation Lightweight

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