【文章內容簡介】 質量較好。網格質量可用細長比、錐度比、內角、翹曲量、拉伸值、邊界點位置偏差等指標度量。劃分網格時一般要求網格質量能達到某些指標要求。在重點研究的結構關鍵部位，應保證劃分高質量網格，即使是個別質量很差的網格也會引起很大的局部誤差。而在結構次要部位，網格質量可適當降低。當模型中存在質量很差的網格（稱為畸形網格）時，計算過程將無法進行。，其中a單元的節(jié)點交叉編號，b單元的內角大于180186。，c單元的兩對節(jié)點重合，網格面積為零。Fig Several mon deformity grid5．網格分界面和分界點結構中的一些特殊截面和特殊點應分為網格邊界或節(jié)點以便定義材料特性、物理特性、載荷和位移約束條件。即應使網格形式滿足邊界條件特點，而不應讓邊界條件來適應網格。常見的特殊界面和特殊點有材料分界面、幾何尺寸突變面、分布載荷分界線（點）、集中載荷作用點和位移約束作用點等。6．位移協(xié)調性位移協(xié)調是指單元上的力和力矩能夠通過節(jié)點傳遞相鄰單元。為保證位移協(xié)調，一個單元的節(jié)點必須同時也是相鄰單元的節(jié)點，而不應是內點或邊界點。相鄰單元的共有節(jié)點具有相同的自由度性質。否則，單元之間需用多點約束等式或約束單元進行約束處理。，圖a中的節(jié)點1僅屬于一個單元，變形后會產生材料裂縫或重疊。圖b中的平面單元和梁單元節(jié)點的自由度性質不同，梁單元的力矩無法傳遞到平面單元。Fig Displacement incongruous meshing7．網格布局當結構形狀對稱時，其網格也應劃分對稱網格，以使模型表現(xiàn)出相應的對稱特性（如集中質矩陣對稱）。不對稱布局會引起一定誤差，懸臂梁截面相對y軸對稱，在對稱載荷作用下，自由端兩對稱節(jié)點2的撓度值本應相等，但若分圖b所示的不對稱網格，計算出的y1=,y2=。若改用圖c所示的網格，則y1和y2完全相同。 Calculation influence of the grid layout 8．節(jié)點和單元編號節(jié)點和單元的編號影響結構總剛矩陣的帶寬和波前數(shù)，因而影響計算時間和存儲容量的大小，因此合理的編號有利于提高計算速度。但對復雜模型和自動分網而言，人為確定合理的編號很困難，目前許多有限元分析軟件自帶有優(yōu)化器，網格劃分后可進行帶寬和波前優(yōu)化，從而減輕人的勞動強度。車身骨架的交叉點，集中載荷的作用點及構件的拐點等均應作為節(jié)點，節(jié)點編號要連續(xù)，并盡量減少相鄰節(jié)點的編號差，以減小帶狀矩陣的帶寬，縮短運算時間，一般是從頂蓋骨架中部開始，以螺旋展開的方式編號，但在內存足夠時，為方便模擬的校核，應盡量使車身骨架各總成節(jié)點編號連續(xù)，以相鄰節(jié)點為單元進行編號，單元編號也應連續(xù)，盡量使各總成的單元號連續(xù)，以同一截面性質的桿件單元編號連續(xù)為重。 典型單元的簡介與選擇（1） 梁單元空間梁單元是有限元中的常用單元，單元每個節(jié)點存在6個自由度：三個線位移分量和三個截面轉角分量?？蓪⑷我还?jié)點i的線位移分量用｛δ｝i表示，三個角位移分量用｛θ｝i來表示，由于每個梁單元都含有兩個節(jié)點，則單元i，j的節(jié)點位移列陣為[21] 空間梁單元 The beam element （）其對應的節(jié)點力向量為 （）單元剛度方程為 （）其中單元剛度矩陣見式（212）式中 （） （）= （）фy、фz — 對y和z軸方向的剪切影響系數(shù)；G 、E — 剪切和拉伸彈性模量；Ay 、Az — 截面在和方向的有效抗剪面積；Iy 、Iz — 截面對和軸的慣性矩；Jk — 截面對軸的扭轉慣性矩；l — 單元長度；A — 梁單元截面積；若記為整體坐標系下的單元剛度矩陣，則整體坐標系下單元的節(jié)點力向量與位移向量之間的關系為：= （）= （）式中 （）而[T]為單元坐標變換矩陣。建立整車有限元模型后，在用有限元軟件進行整車強度和剛度分析時，通過輸入各梁截面的面積、彎曲特性、扭轉特性以及材料特性，程序自動生成單元剛度矩陣，計算出各節(jié)點處的位移和應力。 （2）殼單元殼單元每個節(jié)點（如第i點）的位移矢量為：{δi}={uivi wiθxiθyiθzi}T ()應力分量為 {σ}={σxσyσzτxyτyzτzx}T ()應變分量為 {ε}={εxεyεzγxyγyzγzx}T ()節(jié)點上的節(jié)點力矢量為：{Fi}={FxiFyi FziMxiMyiMzi}T ()單元的類型有3節(jié)點三角點單元，常用的還有8節(jié)點四邊形單元。每個單元節(jié)點有6個自由度，因此三節(jié)點三角形單元有18個自由度，四節(jié)點四邊形單元有24個自由度，八節(jié)點四邊形單元有48個自由度。 板殼問題的三角形單元和四邊形 Triangular elements and quadrilateral三節(jié)點三角形單元的位移矢量為：{δ}e={δ1δ2δ3 }T ()四節(jié)點四邊形單元的位移矢量為：{δ}e={δ1δ2δ3 δ4}T ()八節(jié)點四邊形單元的位移矢量為：{δ}e={δ1δ2δ3 δ4 δ5δ6δ7 δ8}T ()板殼問題的載荷可包括分布載荷、集中載荷（力和彎矩），約束可包括固支、簡支、鉸支及已知位移邊界條件。根據問題的計算過程和前面描述的梁單元的計算過程相同，在此不再熬述。清華大學汽車節(jié)能與安全國家重點實驗室分別對某款全承載大客車車身骨架建立梁單元和殼單元兩種有限元模型進行分析計算[22]。（1）對比模態(tài)，扭轉靜剛度和靜強度分析結果看，兩種模型吻合較好，且與實驗結果的相對誤差小。（2）從反映整車局部性能的靜強度分析結果看，兩種模型計算結果存在差異，殼單元模型計算結果與實驗結果較吻合，梁單元模型計算得到的應力普遍低于實驗結果。（3）從建模效率和計算速度看，梁單元模型優(yōu)于殼單元模型。本課題本著計算精確的目標，采用板殼單元來研究。而且，和梁單元相比，對于查看計算結果應力殼單元也更為直接和方便，特別是在車身結構中的縱橫梁交接處，若用梁單元來處理，只被抽象成一個節(jié)點，無法確切計算接頭區(qū)域的應力分布，而殼單元則可以非常清楚的顯示出來。殼單元的不足之處在于要占用更多的硬件容量、計算時間和數(shù)據準備工作量。本模型在模擬懸架鋼板彈簧時使用了少量梁單元。目前計算機硬軟件水平發(fā)展進步很快，本公司的計算機硬軟件水平能夠支持全板殼結構客車車身骨架模型計算的進行，在計算時間方面，也有充足的時間完成全板殼客車車身骨架模型的計算。所以對大客車車身整體骨架采用全板殼單元進行有限元分析。根據這些要求及電動客車輕量化的探求，選擇計算精度更高的全板殼單元進行建模。 車身有限元模型建立，通過網格的劃分，此模型共形成296603個殼單元，9325個MPC單元，1357個梁單元，共有296334個節(jié)點，有1778004個自由度。 有限元網格模型 The finite element mesh model 車身骨架載荷的處理本車型為城市公交電動客車，行駛路況良好。在電動客車滿載狀態(tài)下，分析四輪接地時地面對車身骨架的強度和剛度影響情況，即模擬電動客車在良好路面下勻速直線行駛時的應力分布和變形情況。考慮到客車在行駛過程中遇到小障礙時引起的客車激烈震動情況，在分析時車身骨架質量和載荷需要乘于一個動載系數(shù)加以修正（),方向豎直向下。車身骨架承受的載荷主要有乘客質量（每位乘客的質量按65kg計，作用車架縱梁橫梁上）、電池質量，電機質量、變速器、DCDC轉換器等集中質量，分體式空調質量（作用在頂蓋上），制動系統(tǒng)（本文考慮制動系統(tǒng)中的制動氣瓶）作用在車架上。車身結構上的集中質量根據其質心位置以及與車身骨架之間的連接部位分別加載在相應的節(jié)點上，成為這些節(jié)點上的集中載荷。1)載荷的分類根據載荷大小是否隨時間變化的情況，可以分為：(1) 靜止載荷：所謂靜止載荷就是其大小、作用方向以及作用點并不隨時間變化而變化的載荷稱之為靜載荷（也可以稱為固定載）?？蛙嚫骺偝傻闹Ъ?，結構件以及車身骨架的有效載荷就是典型的靜止載荷。(2) 動載荷：所謂動載荷即其大小、方向或者作用點任意一個隨時間變化而變化的載荷稱為動載荷，其中僅是作用點隨時間而變化的載荷又可以稱為移動載荷。客車轉彎時的離心力，制動時的制動慣性力是非常典型的動載荷。根據載荷在結構上的分布情況，可以分為：(1) 集中載荷：當載荷的作用位置在結構上的區(qū)域面積很小時，例如一個作用點，可以認為這種載荷就是集中載荷，如電動客車上的動力電池、驅動電機、變速器等的重量都是以集中載荷的形式作用在車架縱梁或者橫梁上。(2) 分布載荷：不同集中載荷，當某載荷的作用位置是在一個面積或長度上連續(xù)變化吋，則稱其為分布載荷。其中當分布載荷的集度是均勾的，則稱為均布載荷。 在本文中乘客的重量以分布載荷的形式作用在車架的縱梁與橫梁上。（動載系數(shù)取k=) Body skeleton load table (Dynamic load coefficient k=)車身承載部件名稱質量(單位:Kg)作用位置載荷類型乘客(滿載84人計） 5640 車廂地板 分布載荷動力電池組 2660 中縱梁兩側與尾縱梁兩側上下層分布載荷驅動電機 237 尾縱梁之間分布載荷變速器 180 后橋后部分布載荷驅動電機控制器45尾部控制器支架分布載荷高壓配電箱30尾部高壓配電箱支架分布載荷集電箱20尾部高壓配電箱支架分布載荷DC/DC18DC/DC支架（尾部右側上）分布載荷DC/AC5DC/AC支架（尾部右側下）分布載荷電助力油泵82尾縱梁中間分布載荷電空氣壓縮機82 尾縱梁上部分布載荷蓄電池100尾縱梁右側分布載荷電空調380頂蓋骨架分布載荷散熱水箱與水泵18右側尾縱梁分布載荷電動轉向泵82尾部中縱梁分布載荷車身骨架2814車身自重引起（任何工況）分布載荷 6I26EV車骨架加載情況分布圖Fig . The distribution of the 6126EV car frame loading 懸架系統(tǒng)的模擬本文研究的客車前后懸架均采用空氣懸架?？諝鈶壹芫哂泄逃蓄l率低，平順性、通用性好，壽命長等優(yōu)點，因此，廣泛應用在舒適性要求高的客車中?？諝鈶壹芫哂蟹蔷€性的力學特性，其結構形式及工作特性與鋼板彈簧不同，因此不能簡單采用鋼板彈簧模擬懸架的方法，本文根據空氣懸架的工作特性，對懸架結構做出合適的簡化[23]。本文中電動客車前懸采用四連桿導向機構、大跨距氣囊、全空氣懸架系統(tǒng)，（a）所示；后懸采用4氣囊、小H型臂、4連桿非獨立及后驅動橋空氣懸架系統(tǒng)，（b）所示。根據空氣懸架具有的承載特性，將空氣懸架采用梁單元CBEAM和彈簧單元CELAS1進行近似模擬，（a）所示，2模擬前橋，3～6模擬縱向推力桿和V形推力桿，8模擬空氣彈簧；（b）中，2模擬后橋，3～6模擬空氣懸架的扁擔梁，7～10模擬縱向推力桿和V形推力桿，11～14模擬空氣彈簧。為了避免各推力桿及空氣氣囊與車架相應連接部位出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，在連接節(jié)點處采用多點約束的方式。 （a）前懸系統(tǒng) （b）后懸系統(tǒng) 前、后懸系統(tǒng)結構 Structure of the front and rear suspension（a）前懸空氣懸架簡化模型 （b）后懸空氣懸架簡化模型 Simplified Air Spring Suspension Model 本章小結本章首先介紹了一種常用也較有效的分析方法——有限元法的中心思想及分析過程。然后，對本文選用的建模軟件MSC/PATRAN進行了簡單介紹。本章主要是通過UG三維制圖軟件建立了6126電動客車車身骨架的三維幾何模型，并根據6126電動客車負載狀況對其進行載荷處理。最后，對客車有限元分析的約束作用——懸架系統(tǒng)進行了模擬和簡化。第三章 有限元模型的計算與分析 車身骨架的技術指標及安全系數(shù)的選擇 車身骨架強度指標客車車身和車架是一個復雜的承載結構系統(tǒng)，它承受著來自道路及裝載的各種載荷的作用，客車車身和車架所承受的隨機載荷作用一段時間后會導致汽車結構產生疲勞損壞。因此，在車身骨架設計時，必須考慮到實際行駛過程中的最大載荷。即車身必須有足夠的靜態(tài)強度和疲勞強度，以防在這種情況下車身骨架不發(fā)生損壞，并且在承受由不平路況引起的隨機載荷時也不能產生裂紋等疲勞破壞[24]，這也是有限元分析進行強度校核的參考標準。1) 車身的靜強度對車身骨架進行靜力有限元技術時，得到車身骨架在最大靜載荷作用下的應力分布情況，以便對車身骨架進行靜強度的檢驗。因此，靜強度分析主要就是模擬車身骨架在自重及客車承受的載荷的共同作用下的車身結構靜強度分析。一般