有限元法在客车车身结构故障诊断中的应用

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有限元法在客车车身结构故障诊断中的应用(转)

有限元法在客车车身结构故障诊断中的应用
王宏雁, 徐少英
(同济大学, 上海　200092)
摘要: 针对某型号客车在行驶过程中出现的车窗窗框结构破坏现象, 采用有限元方法对客车车身结构作静态强度分析
和模态分析, 并在此基础上对车身结构作故障诊断, 以确定导致车身结构破坏的原因。在整个研究过程中, 确立了客
车车身结构有限元分析的建模方法和模拟原则, 并将静强度计算与模态分析方法结合起来计算客车车身模态下的应
力, 为今后的客车车身结构故障诊断提供一种新的思路和方法。
关键词: 客车; 车身结构; 故障诊断; 有限元法
中图分类号: U46911 　　　　　　文献标识码: A
Application of FEM in Failure Diagno se of Bus Body Structure
WANG HongOyan , XU ShaoOying
(Tongji University , Shanghai 　200092 , China)
Abstract : The sympathetic vibration will not only influence the comfort of the passenger , but also damage the bus structure. But it is
difficult to find out the structure bug of the bus. This essay deals with this problem by using the finite element method (FEM) . During
the whole analysis process , the modeling method and the simulation principle of the bus are established. It integrates the static analysis
with the modal analysis , so that the modal stress of the bus can be obtained and the structure bug can be found out. It brings forward a
new method to diagnose the bus structure failure.
Key words : Bus ; Body structure ; Failure diagnose ; Finite Element Method (FEM)

0 　引言
在客车车身结构设计过程中, 设计师首先考虑的
往往是结构静强度和刚度, 为了追求车身结构的可靠
性, 设计师通常采取比较保守的设计方案, 因而在设
计过程中造成了局部结构不合理, 使车身结构的轻量
化目标难以实现; 此外客车车身结构的损坏大都是由
疲劳破坏引起的, 因而在车身结构设计中仅仅进行结
构静强度分析是不够的, 即使客车车身设计完成以
后, 在道路试验或者实际行驶过程中出现这样或者那
样的问题, 设计师所采取的措施也往往是根据实际损
坏情况对车身进行局部加强, 这势必又会增加车身质
量, 不利于降低排放、提高行驶性能和经济性[1 ] 。因
而有必要研究一种新的客车车身结构故障诊断措施,
以提高故障诊断的效率和改进措施的有效性。本文主
要采用有限元法, 针对某型号客车出现的车窗窗框断
裂作了结构故障诊断分析, 从而确定导致车身结构破
坏的真实原因。
1 　有限元分析基础
有限元法静态分析过程一般可以分为下列步
骤[2 ] :
(1) 弹性连续体的离散化, 就是将弹性连续体分
割成由有限个单元组成的集合体, 这些单元仅仅在节
点处连接, 单元间的载荷也仅由节点传递。
(2) 选择单元位移模式, 即假设一个简单的函数
来模拟单元内位移的分布规律, 这个函数通常是选择
多项式, 称为位移模式或位移函数。多项式的项数及
阶数将取决于单元的自由度和有关解的收敛性要求。
(3) 单元力学特性分析, 即按几何方程、物理方
程导出单元应变与应力的表达式。然后应用虚功原理
和变分法或其他的方法建立各单元的刚度矩阵。单元
分析的另一内容是将作用在单元上的非节点载荷移置
到节点上, 形成等效节点载荷矩阵。
(4) 整体分析, 建立结构总刚度方程, 整体分析
的基础是依据所有相邻单元在公共节点上的位移相同
和每个节点上的节点力与节点载荷保持平衡这两个原
则。它包括两方面内容: 一是由各单元的刚度矩阵集
合成整体结构的总刚度矩阵{ K} ; 二是将作用于各
单元的等效节点力集合成结构总的载荷矩阵{ R} 。
这两项就组成了整体结构的总刚度方程
{ K} {Δ} = { R}
(5) 约束处理并求解总刚度方程, 引进边界约束
条件, 修正总刚度方程后, 就可求得节点位移。
(6) 计算单元应力并整理计算结果, 根据求解所
得的位移解出零件应力。
采用有限元方法作结构模态分析, 其实质就是求
解矩阵特征值的问题[3 ] 。具有有限个自由度的弹性系
统运动方程, 可应用动载荷虚功原理推导出来, 其矩
阵形式为
[ M]{ ‥ δ} + [ C]{ Û δ} + [ K]{δ} = { P} (1)
式中, [ M] 为结构总质量矩阵; [ C] 为结构总阻尼
矩阵; [ K] 为结构总刚度矩阵; {δ} 为节点位移列
阵; { P} 为结构的载荷列阵。
在模态分析过程中, 取{ P} 为零矩阵, 因结构
阻尼较小, 对结构的固有频率和振型影响甚微, 可忽
略不计, 由此可得结构的无阻尼自由振动方程
[ M]{ ‥ δ} + [ K]{δ} = 0 (2)
这是常系数线性齐次微分方程组, 其解的形式为
{δ} = {δ0} sin (ωt + <) (3)
式中, ω为振动固有频率; t 为时间; < 为振动初相
位。
将(3) 式代入(2) 式后, 便得到如下的齐次线
性代数方程组
{ [ K] - ω2 [ M]} {δ} = 0 (4)
(4) 式有非零解的条件是其系数行列式等于零,
即
| [ K] - ω2 [ M]| = 0 (5)
当矩阵[ K] 以及[ M ] 的阶数为n 时, 式(5) 是
ω2 的n 次实系数方程, 称为常系数线性齐次常微分
方程组(2) 的特殊方程, 系统自由振动特性(固有
频率和振型) 的求解问题就是求矩阵特征值ω 和特
征向量{δ} 的问题。
2 　有限元计算模型的建立
有限元分析的计算精度取决于有限元计算模型
(如图1 所示) , 模型必须能够如实反映客车车身结构
的力学特性。有限元模型的建立一般应该遵循下列准
则:
(1) 在保证计算目的和精度的条件下, 控制单元
数量; 在实际建模过程中可以考虑采用局部细划网
格, 或者建立结构子模型以减少单元划分数量。
(2) 合理选择单元类型, 减少输入数据量和计算
时间。
(3) 正确定义支承和载荷条件, 在此应该根据车
身实际结构定义支承形式, 根据实际使用工况定义车
身上的各种载荷。
(4) 计算模型中不能允许有危形结构和局部机动
变形。所谓危形结构, 就是指受到很小的载荷作用就
会产生非真实大内力响应的结构。一个拉得非常平直
的绳子受到横向力作用就是典型的危形结构的例子。
所谓局部机动结构, 指受到很小的作用力, 即可产生
非常大的不真实变形的结构, 如一组平行四边形状的
四连杆结构。这类非弹性结构在机构运动学中可能存
在, 但在车身弹性体中是不允许存在的。因此要在计
算模型中小心分析, 使之得到有效的约束。
(5) 避免病态方程, 位移法有限元计算中, 如果
遇到两个方程系数的差值过大(一个非常柔弱的结构
和一个很刚硬的元件相连接时就会产生这种情况) ,
计算中会出现两个大数减法, 这就大大损失计算精
度, 有时会得出错误的结果。这就是数值计算理论中

的病态方程。
3 　计算结果分析及故障诊断结果
首先对客车车身骨架作结构静态分析[4 ] , 计算结
果表明, 该客车车身骨架应力分布均匀, 弯曲工况的
最大应力为7719MPa , 所处位置为后排座椅处; 扭转
工况的最大应力为9618MPa , 所处位置为右后车轮上
方的地板骨架上; 应力各分总成的应力情况见表1。



由于该客车的结构故障发生部位是车窗窗框角,
所以在车窗上选取测点, 单独列出窗框应力计算值,
以研究其受力情况。由表2 计算结果表明, 窗框周围
应力值并不高, 远远底于材料屈服极限(材料屈服极
限为235MPa) , 不足以造成车窗窗框损坏, 因而认为
该车结构静强度满足设计要求。
车窗窗框静态应力计算值表2
由于该客车的结构故障发生部位是车窗窗框角
所以在车窗上选取测点, 单独列出窗框应力计算值
以研究其受力情况。由表2 计算结果表明, 窗框周围
应力值并不高, 远远底于材料屈服极限(材料屈服极
限为235MPa) , 不足以造成车窗窗框损坏, 因而认为
该车结构静强度满足设计要求。
由于在静态分析中未能找出车窗窗框损坏原因,
考虑采用模态分析方法加以进一步研究。表3 计算结
果表明, 该车型前十阶固有频率相当接近, 处于10
～17Hz 的范围内。其中, 第一阶、二阶、五阶固有
频率所对应的均为整体模态, 当车身受到外界相同频
率的激励时, 车身整体振动较为严重; 而第三、四、
六、七、八、九阶模态均为局部模态, 此时当车身受
到外部激励的时候, 将会产生车内噪声; 而第十阶振
型亦为整体模态, 整个车身二阶弯曲。
由于该车型前十阶固有频率处于道路路面激励范
围内, 在日常行驶过程中比较容易受到路面激励的作
用而产生共振, 造成结构破坏, 因而考虑分析各整体
模态下的共振时的车身应力分布情况。表4 计算结果
表明, 此时整车应力大大上升, 最大应力达到
272MPa , 超过了材料屈服极限(235MPa) , 所处位置
为右侧车窗。在此仍取各窗框应力计算值作进一步的
分析, 可以发现各窗框的应力值都有大幅度的提高。
由此可见, 造成该车车窗窗框损坏的真实原因在
于车身模态。由于结构设计原因, 该车型的车身固有
频率与路面激励频率相近, 因而在实际道路行驶过程
中, 车身经常受到路面激励产生共振, 从而导致了车
窗窗框的损坏。
4 　总结
本研究主要采用有限元方法对客车车身作了静态
分析和模态分析, 不仅验证了该车型的结构静强度, 而且研究了车身
模态, 并在此基础上对该客车在实际行驶过程中出现
的车窗损坏故障作了诊断。其分析的意义在于将有限
元方法引入了客车车身故障诊断领域。按照常规方法
采用模态方法作故障诊断, 往往是对振动响应进行频
率和幅值分析, 或是对模态参数进行监测分析以确定
设备器件是否出现裂纹, 但是无法应用模态分析的方
法确定各阶振型下的零件应力, 也就无法为随后的故
障诊断提供一个准确的数值依据。本文正是填补了这
一空缺, 为今后的客车故障诊断提供了一种新的方
法。
参考文献:
[1 ] 　张洪欣. 汽车设计. 机械工业出版社, 1980.
[2 ] 　吴诰. 汽车结构计算的有限元法. 华南理工大学出版社,
1993.
[3 ] 　大久保信行. 机械模态分析. 上海交通大学出版社, 1985.
[4 ] 　方远, 陈安宁, 董卫平. 振动模态分