摘 要

在环境问题日益严峻的今天，节能环保已经成为了时代的主旋律。但是汽车工业在本世纪的极速发展带来了一系列不可忽视的问题，尤其是我国汽车保有量及产量已经跃升至世界第一梯队，愈发需要重视起来。汽车轻量化是在保证汽车刚度、强度、安全性等性能的前提下，有效降低整车质量的一种手段。轻量化不仅可以减小整备质量来提高动力性，还可以减少废气排放与燃油消耗，能够在一定程度上实现环保与节能。

本文使用有限元法来对客车车身骨架进行结构轻量化研究。有限元法发源于上世纪四十年代，本质上是一种微分方程的数值计算方法，利用“先分后合”的基本思想对复杂对象进行分析，在汽车行业里得到了广泛的运用。本文有限元法的实现基于HyperWorks软件包，包括前处理平台HyperMesh，结构分析和优化平台OptiStruct，后处理平台HyperView。

首先将简化后的CATIA模型导入到HyperMesh中，经过几何清理、网格划分、质量检查后建立有限元模型。

接着在OptiStruct中对有限元模型进行静态分析和动态分析。静态分析包含国标规定的四种典型工况：满载弯曲、极限扭转、紧急转向和紧急制动，考察客车的刚度强度是否满足要求。自由模态分析得出前十阶的模态频率及振型，结果表明动态性能良好。

最后进行结构优化。在用灵敏度分析筛选出需要优化的杆件后，在OptiStruct中使用尺寸优化：以杆件厚度为设计变量，质量最小为目标函数，一阶模态频率和弯曲刚度为约束条件。优化结果减重了98kg。

关键词：客车轻量化；有限元；HyperWorks；尺寸优化；灵敏度分析

Abstract

In today's increasingly severe environmental problems, energy conservation and environmental protection has become the main theme of the times. However, the rapid development of the automobile industry in this century has brought about a series of problems that cannot be ignored. In particular, China's automobile ownership and production have jumped to the world's first echelon, which requires more attention. Lightweight vehicle is an effective means to reduce the quality of the vehicle under the premise of ensuring the stiffness, strength, safety and other performance of the vehicle. Lightweight can not only reduce the equipment quality to improve the power performance, but also reduce the exhaust emissions and fuel consumption. To a certain extent, it can achieve environmental protection and energy saving.

In this paper, finite element method is used to study the lightweight structure of bus body frame. The finite element method, originated in the 1940s, is essentially a numerical calculation method for differential equations. It uses the basic idea of "first divide, then merge" to analyze complex objects and has been widely used in the automobile industry. The implementation of the finite element method in this paper is based on HyperWorks software package, including the pre-processing platform HyperMesh, the structure analysis and optimization platform OptiStruct, and the post-processing platform HyperView.

Firstly, the simplified CATIA model was imported into the HyperMesh, and the finite element model was established after geometric cleaning, mesh division and quality inspection.

Then the finite element model is analyzed statically and dynamically in OptiStruct. The static analysis includes four typical working conditions specified in the national standard: full load bending, limit torsion, emergency steering and emergency braking, to investigate whether the bus stiffness strength meets the requirements. The first ten order modal frequencies and modes are obtained by free mode analysis.

Finally, we apply structure optimization. In OptiStruct, size optimization is used after sensitivity analysis is used to select the rod to be optimized: the thickness of the rod is taken as the design variable, the minimum mass is the objective function, and the first-order modal frequency and bending stiffness are the constraints. The optimized weight was reduced by 98kg.

Key Words：bus lightweight；the finite element；HyperWorks；size optimization; sensitivity analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 汽车轻量化的背景及意义 1

1.2 客车的结构特点及设计方法 3

1.3客车的类别及发展趋势 5

1.4 客车轻量化的主要途径 6

1.4.1 轻量化材料 7

1.4.2 先进工艺 8

1.4.3 结构优化 8

1.5 国内外结构轻量化发展现状 12

1.6 本文主要研究的内容 14

第2章 有限元法基础 16

2.1 有限元概述 16

2.2有限元分析流程 20

2.3 有限元软件介绍 21

2.4 本章小结 24

第3章 车身骨架有限元模型的建立 25

3.1 模型的简化与导入 25

3.2 模型的几何清理与中面创建 27

3.3 材料属性 29

3.4 网格划分 29

3.5 载荷处理 33

3.6 连接处理 34

3.7 本章小结 36

第4章 车身骨架的结构性能分析 37

4.1典型工况下的静态分析 37

4.1.1 满载弯曲工况 38

4.1.2 极限扭转工况 39

4.1.3 紧急制动工况 40

4.1.4 紧急转向工况 42

4.2 车身骨架的刚度分析 43

4.2.1 扭转刚度的分析 43

4.2.2 弯曲刚度的分析 45

4.3 车身骨架的模态分析 46

4.3.1 模态分析理论 46

4.3.2 自由模态分析计算 46

4.4 本章小结 49

第5章 客车骨架的结构轻量化设计 50

5.1 基于OptiStruct的车身骨架尺寸优化 51

5.1.1 优化模型的建立 51

5.1.2 灵敏度分析 52

5.2 优化前后性能对比分析 55

5.2.1 静态性能对比 55

5.2.2 动态性能对比 57

5.2.3 质量对比 58

5.3 本章小结 58

第6章 总结与展望 59

6.1 研究总结 59

6.2 全文展望 59

参考文献 61

致 谢 64

第1章 绪论

1.1 汽车轻量化的背景及意义

自从汽车于1885年真正诞生之后，经过一个多世纪的蓬勃发展，如今世界各国的汽车产业都十分成熟，给人们的出行带来的极大的便利。

在进入二十一世纪以后，随着我国综合国力的不断提升以及技术的突破，我国的汽车工业发展速度格外地迅速，同时其快速发展也推动了国民经济的发展，成为了不可忽视的经济产业支柱之一。尤其是近几年来，可以看到大街上的汽车越来越多，其变得越来越普及，几乎家家户户都拥有自己的汽车，汽车极大地丰富了人们的生活与方便了人们的出行。汽车的保有量相比六年前甚至翻了一倍多，截至18年底全国汽车保有量达到了2.4亿之多，预计19年的保有量就能超越美国，达到全球第一。图1.1展示了我国2012年-2016年的汽车保有量。

图1.1 我国汽车保有量

随着我国基础道路设施的不断完备与高速发展，不管是城市马路、高速公路还是乡村小道，都修建有供汽车行驶的道路。尽管铁路密布全国，但在中段距离的运输出行上，客车还是当仁不让的首选。而道路基建也极大地促进了带动了大客车的发展，国内客车使用量连年增长，客车行业早已成为我国汽车工业里的重头戏。

可是，随着汽车工业的高速发展，一系列不可避免的问题接踵而至。其中最重要的两个问题就是能源短缺和环境污染。

从能源消耗来看：自从1859年人们从北美大陆上钻出第一桶石油后，迎来了现代石油工业的爆发。从那以后，这个被誉为“工业的血液”的能源迅速取代煤炭等能源而被人们大量的使用。在汽车被发明出来之后，其核心动力也正是由石油来源源不断地提供。石油能源在上世纪已经疯狂到几乎所有的企业和各种工业生产都完全依赖于石油，石油能源的消耗量甚至都被人们当作为一个地区的繁荣与富饶的象征。在如此疯狂依赖于石油的背景下，人们不得不面对其为不可再生能源这一事实。根据美国《油气杂志》，截至2018年底全球现在油气储量为22812392万吨^[1]。按照全球每年使用两三百亿桶的规模来看，目前世界储油量可供开发使用将不足一百年。因此，能源问题是摆在全世界各国人民面前的一道大难题。而众所皆知的是，汽车工业是石油消耗的大头，根据工信部的数据，我国汽车油耗甚至占到了全国石油消耗的一半。降低汽车的油耗对缓解石油能源短缺来说是极其重要的。

从环境污染来看：汽车排放物中的CO₂、硫化物、颗粒等都对大气环境造成了不小的危害，其排出的有害气体甚至占到了大气所有有害物的60%以上^[2]。根据相关调查显示，汽车尾气排放占了CO₂全球总排放量的22%，带来了温室效应等一系列问题。尤其是在我国，早在2006年二氧化碳的排放量就达到了世界第一，这严重威胁到了我国走可持续发展的道路。汽车排放造成的环境污染严重影响到人们的身体健康，面对如此严峻的局势，使得人们不得不重视起如何减少尾气排放。

进入21世纪来，人们逐渐意识到上述问题，并且一直在设法解决，其中最有效的手段之一就是进行车身轻量化。从经济效益来看，轻量化可以解决能源短缺；从社会效益来看，轻量化可以缓解环境污染。汽车轻量化就是在满足整车一定性能要求的前提下对汽车车身及零部件质量减轻，以达到整车的质量降低。我国目前自主品牌如上汽、广汽、吉利、奇瑞等乘用车的自重跟发达国家乘用车相比要高出8%~10%，商用车要高出10%~15%^[3]，因此我国对轻量化的研究设计刻不容缓。世界铝业协会指出：如果整车重量降低10%，则燃油消耗可降低6%~8%。根据汽车理论的知识^[4]：

汽车的行驶阻力由四项组成，其中有三项都跟汽车重量有关，另外一项跟风阻系数和车速有关。就现阶段而言，风阻系数能降低的大小实在有限，因此降低车重就成了减小行驶阻力的关键方法，即能够降低汽车油耗。

如此看来，汽车轻量化不仅能够减小整车整备质量——节约原材料，降低生产成本；还能够降低油耗——节约能源，减少污染物排放。

客车作为汽车工业里不可或缺的一环，虽然总数所占比例不高，但鉴于其使用频繁、载客量多、油耗大，因此成为了轻量化设计中重点关照的对象。在较长的一段时间内，客车都将会是城镇与乡村之间载人载物的主要运输工具^[5]。并且按照当今汽车行业发展趋势，为了降低排放污染，国家限制私家车出行、鼓励大家乘坐公共交通工具，因此客车的轻量化将对我国的节能减排产生极大的推动。

1.2 客车的结构特点及设计方法

客车车身骨架是整车的主要承载部件，其质量大约占整车总质量的30%~40%^[6],本文对大客车的结构轻量化研究实际上就是对其车身骨架的轻量化研究。

一般客车骨架的长度从6米到14米不等，本文所研究的大客车长为12米。客车车身骨架的作用是承载整车的重量，一些诸如发动机、变速箱、车身内饰、空调等都安置在车身骨架上面。根据车身骨架承载的结构方式不同，可以把骨架分为三种类别^[7]：

1. 非承载式车身骨架。

非承载式车身的汽车有一刚性的独立车架，又称底盘大梁架，各大总成都安放在该独立车架上面，即车身只承受一小部分重量。在非承载式车身中发动机、传动系统的一部分、车身等总成部件都是用悬架装置固定在车架上，车架通过前后悬架装置与车轮联接。非承载式车身比较笨重，质量大，高度高，但是其制造上比较容易、安全性好且易于改型，一般用在货车、客车和越野车上。也有部分高级轿车使用，因为它具有较好的平稳性和安全性。

1. 半承载式车身骨架。

半承载式车身是一种介于非承载式车身和承载式车身的过渡形式。它拥有完整独立的车架，该车架与车身刚性连接，仍由独立车架作为主要承载体，只不过在刚度强度上弱于全承载式车身骨架。除了独立车架之外，车身壳体也能够承受部分载荷重量，这也使得对车架的性能要求较全承载式有所降低。

本文所研究的对象即是半承载式车身骨架，正是由于其结构特点上车架与车身壳体均能承受载荷，因此可以通过对车架质量减小而不至于使得骨架结构性能降低过多，来实现轻量化的目的。

1. 承载式车身骨架。

承载式车身的汽车没有刚性车架，只是加强了车头、侧围、车尾、底板等部位，发动机、前后悬架、传动系统的一部分等总成部件装配在车身上设计要求的位置，车身负载通过悬架装置传给车轮。承载式车身除了其固有的乘载功能外，还要直接承受各种负荷力的作用。在该结构下，由于没有车架，所有载荷均由车身骨架承载式车身承载。并且对于外部载荷，全承载式车身结构能够使得其迅速均匀将载荷分散开来，使骨架各处承担均匀的小载荷，避免了某处载荷应力集中的问题，极大地提高了行驶安全性。同时，在稳定性方面有很大的提高，它具有质量小、高度低、装配容易等优点，大部分轿车采用这种车身结构。

除了客车车身骨架有如上三种分类外，针对非承载式和半承载式车身，我们的研究重点之一就是其独立车架。对于本文所研究的半承载式车身，其一般为三段式底架，分为前中后三段。其中中段部分由型钢、方钢等焊接而成为一个格栅式的结构，该处构成底盘骨架的行李舱，用于存放乘客的行李等物品。此种结构不仅存放空间较大，并且钢管用料更少，刚强度也不低。最后，中段与前后段连接在一起即形成了标准的三段式结构，本文模型采用的三段式结构如下图1.2所示：

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