大客车车身骨架有限元建模方法分析

2024年4月5日发(作者：现代美人豹)

大客车车身骨架有限元建模方法分析

周建兴 马 力 邓亚东 何耀华

武汉理工大学 汽车工程学院

摘要：本文介绍了大客车车身整体骨架的三种有限元计算模型，较全面地分析了这三种模型的特点和适应

性，最后给出了一个采用全板壳元模型计算大客车车身骨架的实例。

关键词：客车车身骨架 有限元 建模方法

随着我国对大客车（包括旅游车、长途客车和公交客车）各种性能要求的不断提高，采

用有限元分析方法对大客车车身骨架进行分析越来越重要。目前，对于客车骨架有限元分析

方法可采用的计算模型的有三种，分别为基于杆系结构的计算模型，基于板壳结构的计算模

型以及杆系和板壳混合结构的计算模型，它们各有自己的优点和不足。由于大客车车身整体

骨架规模大而且结构构件多，因而针对不同的分析内容和要求，选择合适的有限元计算模型

非常重要。本文分别对三种模型的适应性和特点进行了较全面的分析，并给出一个采用全板

壳单元模型计算大客车车身骨架的实例。

1．基于杆系结构的大客车车身骨架有限元计算模型

通常大客车车身骨架为全金属格子栅栏结构。这些栅栏多由矩形管、槽钢、角钢等焊

接而成，构件截面尺寸远小于其自身的长度，可以看成是杆系结构，有限元计算时可采用梁

单元来离散整个车身骨架结构。

目前国内外流行的专业有限元软件采用的空间梁元的结点自由度为六个，分别为沿三个

坐标轴方向的移动自由度和绕三个坐标轴的转动自由度。采用杆系结构计算模型的优点和不

足均很突出。主要优点有：结构模型简单，车身骨架建模工作量相对较小；可以方便地求出

结构整体变形、应力分布和应力水平；计算规模较小，对计算机硬软件资源要求较低；计算

速度快，便于进行静动力计算，宏观模型修改方便。

但是它的缺点和不足也很明显，主要表现在以下几点。

第一，从理论上讲，采用基于梁理论的空间梁元简化客车骨架的实际部件（如纵横梁、

侧围顶盖、地板架等），会使计算结果的满意度比较低。这主要体现在：

1）在计算客车车身骨架时，不易计算出构件本身及其接头处的应力集中。

2）客车骨架的具体构件通常具有不同的横截面，如所采用的槽钢、工字钢、Z型钢、

矩形方管及其它异形管件，它们的截面形状相差很大。根据梁理论可知，空间梁单元只关注

梁的横截面惯性矩和截面面积等参数，对截面具

体形状对计算结果的影响考虑不充分，这会放大

计算模型与真实结构的差异，影响构件应力分布

的计算结果。

3）车身骨架中有许多开口薄壁杆件和闭口

薄壁杆件，而在建模时，通常杆件都会简化成普

通的梁单元，这种简化同样使分析精度下降。如

果在实际计算中充分考虑开口薄壁杆件的特点，

将会大大增加建模的难度，丧失杆系建模方便计

图1 车架构件的几种连接方法示例

算快的优点，而所获得的精度的提高程度不大。另外，许多有限元通用软件还不支持开口薄

壁杆件的梁单元。

4）车身骨架各杆件的细长比相差很大，因而对梁理论的适应性各不相同。细长的杆件

适应性强，短粗的杆件适应性差，计算精度低误差大。

第二，实际车身骨架结构杆件接头的几何连接形式很多，图1是车架构件中较为常见

的几种连接方式，这几中连接方式在连接处的应力分布和应力集中情况是不同的。而空间梁

单元在实际建模处理时通常都是将接头简化成理想的

结点连接，这显然不能反映出客车车身骨架各种实际

连接处的强度和刚度，从而大大降低计算分析对设计

的指导意义。

第三，车架设计时为了避免杆件刚度突变出现过

大的应力集中，通常采用图2（a）所示的加强结构，

而此类结构在用梁单元处理时非常不便，常常不得不

作过多的几何简化，导致计算结果受到较大影响。

第四，对于如图2（b）所示的纵横梁的中心线（或

杆件的剪切中心）不相交的情况，空间刚架结构要在

一定的假设条件下采用刚性连接等特殊处理，或者采

用轴线偏移等措施。偏心距离越大，计算误差越大。

第五，客车车身骨架包括底盘纵横梁在内的构件，

(b) 梁中心不对齐的连接

图2 特殊连接方式

(a) 车身杆件的加强结构

经常存在过线孔、过件孔和减重孔，如图3所示，采用空间刚架结构的梁单元来处理这些结

构非常麻烦，而且难以真实地反映相应部位的应力分布和应力集中。

第六，杆系结构模型因为不能反映出骨架外表面的细节，所以不便于利用计算模型反求

客车车身的外形。

第七，杆系结构模型的计算结果中没有局部应力

集中情况，所以不利于后续的疲劳处理和分析。

第八，不便于利用二次细化方法求解局部位置的

应力集中。

图3 变截面的梁

综上所述，杆系结构计算模型对车身骨架实际结

构简化过大，只能得到相对满意的整体结构强度和刚度。由于大客车车身整体骨架规模大而

且构件多，且我国早期计算机硬软件水平不高，所以到目前为止多数大客车车身骨架的计算

均采用这种模型。随着我国大客车设计要求不断提高，还需要采用其它的模型来满足

更高的计算要求。

[1，2，3]

2 基于板壳结构的大客车骨架有限元计算模型

虽然客车车身骨架的各种构件是由杆管梁组成，可以简化成杆系结构采用空间粱元计

算，但实际上无论是客车骨架本身还是车架的纵横梁或是蒙皮，都是薄壁构件，只是这些构

件的壁厚有区别，所以理论上可以将车身整体骨架看成是板壳结构，全部采用板壳单元来建

立有限元计算模型。

与梁单元一样，板壳问题模型的结点自由度也是六个。常用的板壳元类型有3结点三角

单元，4结点四边形单元和8结点四边形单元

。

采用全板壳结构计算客车车身骨架的方法优缺点也很突出，只是对大客车车身骨架有限

元计算来说，杆系结构的优点基本上是板壳结构的缺点，反过来杆系结构的缺点又差不多是

板壳结构的优点。主要优点表现在以下几个方

面：

1）采用板壳理论计算薄壁杆件无论是在理

论上还是实际上均比基于梁理论的杆系结构计

算精度高。

2）能比较精确模拟杆件接头的实际情况，

几何上不需要作过多的简化，甚至不作简化。比

如对于图1中的接头，采用板壳模型时接头的几

何模型如图4（a）所示，有限元网格如图4（b）

所示。从图中可见原接头的连接方式和连接关系

得到了很好的保证，在几何上几乎没有简化。

3）对于有孔之处，可以较精确的模拟，比

如对图3所示的变截面结构，可得到有限元网格

如图5所示。这样孔周围局部结构得到很好的模

(b)接头的有限元网格

图4 板壳模型时接头的处理

(a)接头几何模型

拟。

4）不仅能够得到车身骨架的应力分布，还可以计算出车身骨架局部位置的应力集中，

这是杆系结构所无法实现的。

5）便于计算结果分析，能够迅速发现设计中的问题，包括细节问题，然后进行改进设

计。改进设计时模型修改方便，能够照顾细节，迅速反映宏

观改动或局部细节改动对结构带来的影响。

6）全板壳结构模型能够较好反映出骨架外表面的细节，

所以可利用车身整体骨架的有限元计算模型反求客车车身

的外形。

7）由于全板壳模型的计算结果中能较好反映局部应力

集中情况，所以对于后续的疲劳处理和分析有利。

8）便于利用二次细化方法计算局部敏感区域的应力集

中问题，从而实现在计算规模不增加的前提下得到更高的计算精度，满足更高的设计要求。

另一方面，由于大客车车身骨架杆件多，结构规模大，因而采用全板壳单元计算大客车

车身骨架其缺点也很突出，主要体现在：几何建模工作量相对大，尺寸精度要求较高；有限

元模型规模大，动辄几万、十几万个结点，高达上百万个自由度；需要计算机的硬软件资源

多，因此计算所用的计算机的配置要求较高；计算时间长，因此从时间角度看进行动力学分

析比较耗时。

计算规模大、计算时间长、占用计算资源多，是采用全板壳单元计算大客车车身骨架的

最大问题，因此，目前采用全板壳模型的有限元分析多集中在中小型客车车身骨架的计算方

面

[4，5，6]

。但是随着目前计算机计算CPU的速度、内存容量和硬盘容量的不断增大，这个问

题目前得到了很大的缓解。虽然到目前国内采用全板壳单元计算大型客车车身骨架的报道还

比较少见，但笔者实际研究表明对大客车采用全板壳单元进行计算是先进的处理方法，实际

上是完全可行和有效的

[7，8]

图5 变节面结构的处理

。

3.杆系和板壳组合结构的大客车车身骨架模型

在客车车身骨架的计算方法中，采用由杆系和板壳组合结构进行客车车身骨架计算的模

型

[8,9]

，可以同时结合杆系结构和板壳单元结构的优点，部分地避免两种方法的缺点。对于

主要关注的骨架构件可以采用板壳单元，对于其它一般关注或不太关注的构件则采用杆系结

构，只要通过杆系结构获得它们的刚度贡献即可。

比如只对车架的纵横梁感兴趣，则可仅对纵横梁采用板壳单元建模，对前后围、左右侧

围、顶盖和地板骨架采用杆系结构建模；如果对前后围、侧围、车架和地板骨架均需要重点

关注，那么就可将这些构件采用板壳建模，顶盖采用杆系结构建模。

从原则上讲，不仅要计算应力分布而且还要计算应力集中的构件可采用板壳建模，否则

采用杆系结构建模；如果只需要构件的刚度贡献，而不考虑其具体形状的影响，则可采用杆

系结构建模，否则采用板壳结构建模；如果在改进设计中要考虑局部设计改动（比如截面形

状、连接方式、圆孔直径和板厚度等的改动）对结构的影响，则采用板壳建模，否则采用杆

系结构建模；需要二次细化的地方，可采用板壳建模。

这种模型最大的缺点在于杆系单元和板壳单元相连的地方存在很大的应力集中，因为梁

元和板壳元是通过节点相连接的，连接处理论上是一个点，这与真实结构是不相符合的。这

种模型便于对已存在的结构进行分析，但不利于对正设计中的结构进行分析指导，因为设计

时可能会难以预测不当设计而产生高应力集中的部位或者会过于自信而忽略这些部位的存

在，从而使得采用梁元和板壳元的构件选择失当，造成计算结果信息泄漏，掩盖不良设计部

位，达不到满意的设计效果，这是该模型的第二个主要缺点。

综上所述，对于采用何种计算模型对大客车车身骨架进行有限元分析，则要根据计算的

实际需求情况、计算机硬软件资源、完成计算任务的计划时间等因素来统筹考虑。

4．大客车车身骨架全板壳元模型计算实例

为解决某公交大客车车身骨架早期失效问题采用全板壳模型对车身骨架进行了有限元

分析和改进设计。所计算的公交客车整体骨架由前

后围、左右侧围、顶盖和地板骨架以及底架等七部

分组成。车身底架部分采用变宽度梯形车架，由两

根冲压制成的等截面槽形纵梁和十一根横梁铆接、

焊接而成，其它骨架为全金属格子栅栏结构，由多

种不同规格的矩形管组成。

车身整体骨架全板壳结构的几何模型如图6所

示。全部采用3D板壳元来离散整个骨架，有限元网

格的局部放大图如图7所示。这种全板壳元模型对

图6 客车车身骨架三维模型图

几何结构和构件间一般连接关系几乎不做简化，更

接近实际、更精确。对有特殊要求的地方采用约束方程解决。为保证精度，模型经离散后共

得到124080个板壳单元，122615个节点。骨架的局部网格图如图7所示。

用2节点、12自由度的3D连接元来处理悬架。计算载荷包括：发动机、离合器、变速

59939

.272E+08

.544E+08

.816E+08

.136E+09

.218E+09

.245E+09

图7 客车车身骨架局部网格图

图8 纵梁左后悬架前吊耳处

的Von Mises应力云图

箱、空调压缩机、电瓶、油箱、水箱、方向机、储气筒、座椅、玻璃门窗的重量和骨架的自

重；驾乘人员按65㎏／人计算。计算工况包括弯曲工况和弯扭组合工况。从图8中可以看

出在弯扭组合工况下纵梁左后悬架前吊耳附近的应力分布和局部应力集中情况，应力最大值

达到245 MPa，已经达到纵梁钢板材料的疲劳极限，较大地影响该区的疲劳寿命。最大应力

发生部位与实车骨架早期失效的部位位置完全一致。

参考文献

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