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汽车工程
２００８年（第３０卷）第１２期
Ａｕ
ｔｏｍｏｔｉｖｅ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２００８（Ｖ０１．
３０）Ｎｏ．１２
２００８２４４
大客车车身结构动力学建模与
随机响应分析
张扬，桂良进，范子杰
（清华大学汽车安全与节能
国家重点实验室。北京１０００８４）
［摘要］建立了某型全承载式车身结构大客车包括
蒙皮和固定玻璃在内的完整的动力学有限元模型，合理地
模拟了该车使用的空气弹簧悬架
，通过与理论模型求解结果对比，验证了模型的正确性。运用结构动力学的频域求
解方法
，在模态分析、频率响应分析的基础上，进行了大客车整车结构的动应力随机响应分析。
关键词：客车车身；动力学建模；随机响应；有限元分析
Ｄｙｎａｍｉｃｓ
Ｍｏｄｅｌｉｎｇ
ａｎｄ
Ｒａｎｄｏｍ
Ｒｅｓ
ｐｏｎｓｅ
Ａｎａｌｙｓｉｓ
ｆｏｒ
Ｂｕｓ
Ｂｏｄｙ
Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
Ｚｈａｎｇ
Ｌｉａｎｇｊｉｎ＆Ｆａｎ
Ｚｉｊｉｅ
< p>乃讯咖ｍ
Ｕｒｄｗｒｓｉｔｙ，Ｓｔａｔｅ
Ｋｅｙ
Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ
ｏｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅ
Ｓａｆｅｔｙ
ａｎｄ
Ｅｎｅｒｇｙ，眈洳增１０００
８４
［Ａｂｓｔｒａｃｔ］
Ａ
ｄｙｎａ
ｍｉｃｓ
ｆｉｎｉｔｅ
ｅｌｅｍｅｎｔ
ｍｏｄｅ
ｌ
ｆｏｒ
ｔｈｅ
ｃｏｍｐｌｅｔｅ
ｂｏｄ ｙ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｏｆ
ａ
ｂｕｓ
ｗｉｔｈ
ｍｏｎｏｃｏｑｕｅ
ｃｏｎ－
ｓｔｒｕｃｔｉｏｎ
ｉｓ
ｅｓｔａｂｌｉｓ ｈｅｄ
ｗｉｔｈ
ｒａｔｉｏｎａｌ
ｍｏｄｅｌｉｎｇ
ｏｎ
ｏｕｔｅｒ
ｓｋｉｎ
< br>ｐａｎｅｌ，ｗｉｎｄｏｗ
ｇｌａｓｓ，ａｎｄ
ａｉｒ<
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ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｓ．Ｔｈｅ
ｍｏｄｅｌ
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ｖｅｒｉｆｉｅｄ
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ｃｏｍｐａｒ ｉｎｇ
ｔｈｅ
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ｍｏｄ ａｌ
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ｗｉｔｈ
ｓｉｍ
ｐｌｉｆｉｅｄ
ｔｗｏ—ａｘｌｅｓ
４
ＤＯＦｓ
ｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅｎ
ａ
ｒａｎｄｏｍ
ｒｅ－
ｓｐｏｎｓｅ
ａｎａｌｙｓｉｓ
< br>ｏｎ
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ｓｔｒｅｓｓ
ｉｎ
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ｃｏｍｐｌｅｔｅ
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ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
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ｃｙ
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ｍｏｄａｌ
ａｎａｌｙｓｉｓ
ａｎｄ
ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
ｒｅｓｐｏｎｓｅ
ａｎａｌｙｓｉｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｕｓ
ｂｏｄｙ；ｄｙｎａｍｉｃｓ
ｍｏ ｄｅｌｉｎｇ；ｒａｎｄｏｍ
ｒｅｓｐｏｎｓｅ；ＦＥＡ
然其只
能够处理线性系统问题，需要对结构进行适
前言
当的简化假设，
但大大降低了计算量。已经有不少
学者采用频域分析方法成功地进行了相关车辆动应
大型客车在行驶过程中总是处于动态工况下，
力的计算口一ｊ。然而对于完整 大客车结构的动应力
受到路面不平等随机激励的作用，仅仅通过静力学
< br>随机响应有限元分析，目前还没有见到相关文献。
分析并不能够真实反映客车在行
驶工况下的受力状
针对某型全承载式车身结构大客车，文中建立
况。针对车身结构的动力学有限元分析是预测结构
了该车包括蒙皮和固定玻璃在内的完整
的动力学有
动应力的有效方法，但如何准确建立整车的动力学
限
元模型，运用频域分析方法，进行了大客车结构动
模型，并进行有效的求解，成为研究中
的关键。
应力随机响应分析。
动应力响应分析主要有时域分析和频域分析
２
种方法。时域动应力分析方法主要有多刚体系统动
１结构动力
学有限元建模
力学结合拟静态有限元分析方法以及柔性多体系统
动力学方法¨１。时域方法能够进行线性或非线性问
１．１骨架结构建模
题的模拟分析，但其计算效率较低。对于车身结构
全承载式大客车车身骨架主要由各种型
号的薄
这样大规模的有限元模型，通常受到求解规模、计算
壁管
件焊接而成。为了获得结构准确的应力结果，
时间和存储容量的限制而难以实现。频域分
析一般
采用边长２０ｍｍ的壳单元进行建模。车身骨架的连
先求
解结构的频率响应，然后根据输人的功率谱密
接主要采用Ｎａｓｔｒａｎ提供的焊点单元
ＣＷＥＬＤ模拟
度，采用线性叠加原理求解动应力功率谱密度。虽
缝焊、 塞焊。
原稿收到日期为２００８年１月９日，修改稿收到日期为２００８年４月７日。<
/p>
万方数据
?１０９２?
汽车工程
２００８年（第３０卷）第１２期
１．２蒙皮和固定玻璃建模
相关研究表明，蒙皮和固定玻璃对客车车身结
构的动力学特性有显著的影响Ｈ］，因
此在动力学分
析中必须要考虑蒙皮和固定玻璃结构。由于分析中
并不关心蒙皮和固定玻璃的应力，因此采用较大边
长的网格对其进行划分。
实际生产中，顶、侧钢蒙皮采用塞焊和点焊的方
式与骨架连接，有限元模型中
采用焊点单元模拟，焊
点间距与生产工艺一致。前后风窗玻璃、侧窗玻璃
等固定玻璃与骨架之间，采用高强度结构胶粘接。
建模时采用间断的焊点单元模
拟粘接，通过调整焊
点单元的材料属性，保证连接的刚度与粘接一致。
< br>前后围玻璃钢蒙皮，采用铆接和高强度结构胶粘接
的方式与前后围骨架连接。建模
时，采用与上面类
似的方法，用交错的焊点单元模拟高强度结构胶的
粘接。
，
１．３空气弹簧悬架建模
客车采用空气弹簧悬架，前悬架为独立双横臂
空气悬架，膜式空气弹簧，后悬架为双纵臂
四连杆空
气悬架，膜式空气弹簧。空气弹簧通过高度控制阀
调节
，随着载荷变化适当地充放气以调整刚度，因而
具有变刚度非线性的特性。客车行驶中，
为了避免
频繁的充放气，通常会关闭高度控制阀，因此建模时
忽
略其变刚度特性，近似认为在客车行驶振动过程
中，空气弹簧的刚度始终等于初始平衡位
置时的刚
度，采用弹簧单元进行简化模拟。其平衡位置刚度
ｋ的
计算公式为旧ｏ
Ａ：
，ｄＡ、
ｋ＝ｍ（
ｐｏ＋ｐ。）ｉ｝＋ｐｏＩ
Ｖｏ
、ｏ石Ｉ
ｊ—Ｉ
（１）
ｚ＝０
式中ｍ为气体多
变指数，Ｐ。为平衡位置时气室压
力，Ｐ。为大气压力，Ａ。为平衡位置时空气弹簧有效
截面积，Ｋ为平衡位置时空气弹簧气室容积。
横向稳定杆和推力
杆采用梁单元模拟，推力杆
的橡胶衬套接头及减振器采用Ｂｕｓｈ单元进行模拟。
１．４质量件加载
由于动力学模型中需要考虑结构的惯性，因此
需要将满载时的各种载荷转化为质量点添加在模型
上。建模过程中，保
证质量分布与设计一致。对于
座椅、备胎等比较集中的载荷，在质心位置建立质量
点，并通过多点约束单元将质量点和骨架相应的位
置连接。对于地板、
顶内饰等分布质量，通过在骨架
相应位置建立均匀分布的质量点的方式进行加载。
模型中考虑发动机总成的转动惯量。
１．５参数设置
< br>万方数据
弹性及阻尼元件的性能参数对整车结构的动力
学
特性有重要影响。客车结构中主要的弹性、阻尼
元件包括：轮胎?、减振器、空气弹簧、
推力杆橡胶衬套
和发动机悬置垫。轮胎用弹簧单元进行模拟，根据
其径向刚度试验得到其刚度为８８５．３Ｎ／ｍｍ。根据
减振器拉伸压缩行程试验参数
，按照能量等效原则
得到前、后悬架单个减振
器的等效黏性阻尼
分别
为ｌＯ．８、７．４Ｎ?ｓ／ｍｍ。
其余参数根据企业提供
的数据进行设定。
最终建立了如图１
所
示的整车满载状态完
图１整车结构动力
整的动力学有限元模型，
学有限元模型
共计各类单元４５１
５１
８
个，节点４３８
０５３个。
为了验证有限元模
型
的正确性，将整车简化为
双轴汽车振动模型。其中
车身及前、后悬架簧下系
统分别近似为集中质量，
车身考虑转动惯量，形成
图２
４自由度汽车
如图
２所示的４自由度汽
振动简化模型
车振动简化模型，其运动方程
为
ｆ７Ⅳ三，＋（如＋０）母一％＋ｏ咖＝ｏ
ｌｍ，三，＋（ｋ
。＋后，）二，一后，乞一ｂｋ，妒＝ｏ
ｌ
ｍ。≥。一七，暂一
七，石，＋（后ｒ＋矗，）气＋（ｂｋ，一础ｒ）妒＝ｏ
Ｌ‘币＋ｏｋ，ｚ：一ｂｋ，ｚ
，＋（掘，一础ｒ）乞＋（口２蠡，＋ｂ２ｋ，）妒＝Ｏ
（２）
式中ｍ，、ｍ，分别为前、后悬架簧下质量，ｍ。为车身
质量；Ｊ｜｝，、ｋ，分别为前
、后悬架空气弹簧刚度，如、后。分
别为前、后轮胎刚度；Ｌ为车身绕质心的转动惯量；
口、ｂ分别为车身质心距前后轴的距离；≈、ｏ、％分别
为前、
后悬架和车身质心的垂向自由度；ｐ为车身转
动自由度。
输入满
载状态下相应的设计参数，理论计算得
到系统固有频率。动力学有限元模型中约束四轮接
地，计算得到了相应振型的固有频率，两者结果对比
见表１。比
较结果表明，有限元模型与简化理论模
型固有频率吻合，在一定程度上验证了整车动力学
２模型验证