校车侧翻CAE分析及车身结构轻量化研究

摘要

当今汽车面临的主要问题是安全、节能和环保,对汽车结构同时进行耐撞性和轻量化设计是目前汽车研究的主要方向和节能减排的有效手段。校车作为学校的专用客车,是城市和乡镇公路上的一种重要的交通工具,且在中国有十分广阔的市场前景,因此对校车的安全性和轻量化研究将具有十分重要的实用价值。
　　本文以某国产校车为研究对象,利用 CATIA建立三维 CAD模型,并利用有限元方法对车身进行初步的刚度和模态分析,分析其在弯曲和扭转工况下的变形情况以及各阶的自由模态大小情况,此外还做了校车在加速、制动和转弯三种工况下的强度分析,验证了车身结构刚度和强度符合设计要求,得到车身模态第一阶频率为12.98Hz,第六阶频率为28.09Hz,介于路面的3Hz激励和发动机的35Hz之间,验证了该校车车身设计的合理性。
　　综合运用HyperWorks和LS-DYNA有限元软件对校车车身进行侧翻碰撞安全性分析,研究了车身结构的碰撞安全性。针对校车车身耐撞性不足的问题,对结构进行合理的改进设计,得到满足ECE-R66法规要求的安全的校车车身结构。利用OptiStruct对车身骨架进行了轻量化研究,采用灵敏度分析法结合尺寸优化法对车身底架部分纵梁截面厚度进行了优化设计;在此基础之上,使用正交试验法确定车身底架横梁材料的替换对象,采用铝合金和镁合金对研究对象进行材料替换,得到钢铝镁复合轻量化校车车身骨架结构,针对钢铝镁复合车身骨架结构的刚度和模态性能的减弱问题,采用折衷规划法的多目标形貌优化对部件进行优化设计,提高其刚度和模态性能,从而实现校车车身的轻量化设计。
　　对轻量化后的刚铝镁复合校车车身骨架性能进行验证分析,与原型骨架结构相比,其总质量减轻了18.27kg,一阶频率提高了0.49Hz,弯曲和扭转刚度降低不大,基本满足规定的设计要求,证明了该轻量化方法是可行的。

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第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外校车使用现状及法规介绍

1.3 国内外校车被动安全性研究现状

1.4 汽车轻量化研究概况

1.5 课题来源及研究内容

第2章 校车侧翻有限元理论及碰撞标准简介

2.1 校车侧翻有限元理论

2.2 工程软件介绍

2.3 ECE-R66法规简介

2.4 本章小结

第3章 校车车身基本性能分析

3.1 校车车身骨架CAD模型的建立

3.2 校车车身CAE模型的建立

3.3 静力分析理论

3.4 载荷处理

3.5 校车车身刚度分析

3.6 校车车身模态分析

3.7 校车车身强度分析

3.8 本章小结

第4章 校车侧翻碰撞安全性分析及结构改进

4.1 侧翻碰撞有限元模型建立

4.2 侧翻仿真计算及结果分析

4.3 车身结构改进研究

4.4 本章小结

第5章 校车车身轻量化研究

5.1 校车车身骨架刚度及模态性能分析

5.2 基于灵敏度分析的车身轻量化

5.3 基于正交试验-多目标优化的钢铝镁复合车身研究

5.4 本章小结

第6章 全文总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果