呼其圖，王家軍，王 宇，陳國鈞，宋振興

某高級重癥監(jiān)護(hù)型救護(hù)車車身骨架的有限元分析

呼其圖，王家軍，王 宇，陳國鈞，宋振興

目的：驗證高級重癥監(jiān)護(hù)型救護(hù)車車身骨架的設(shè)計強度，發(fā)現(xiàn)設(shè)計不足，為后續(xù)設(shè)計的改進(jìn)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。方法：建立車身的三維模型，利用有限元分析軟件對車輛進(jìn)行彎曲、扭轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)彎和制動等工況的分析。結(jié)果：高級重癥監(jiān)護(hù)型救護(hù)車車身骨架的平均應(yīng)力小于材料的屈服強度，最小安全系數(shù)1.43，具有較高的安全性。結(jié)論：高級重癥監(jiān)護(hù)型救護(hù)車車身骨架設(shè)計能夠滿足救護(hù)車的設(shè)計使用需求。

有限元分析；強度；車身骨架

0 引言

隨著計算機性能的提高和有限元理論的日趨成熟，有限元分析[1]（finite element analysis，F(xiàn)EA）已經(jīng)成為汽車設(shè)計階段最常用的分析手段之一。車身骨架是車輛的重要承載結(jié)構(gòu)，它承受著來自道路及車輛自身的各種載荷，主要包括縱向彎曲、扭轉(zhuǎn)，橫向彎曲以及它們的組合[2]，因此，必須有足夠的強度保證車輛的可靠性、安全性和使用壽命。

本文以某高級重癥監(jiān)護(hù)型救護(hù)車（移動ICU）車身骨架為研究對象，建立有限元分析模型，通過對其進(jìn)行強度分析得到車身骨架的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況，進(jìn)而判斷在工作載荷作用下是否安全、可靠，為該型救護(hù)車車身骨架的設(shè)計優(yōu)化提供重要依據(jù)。

1 有限元模型的建立

該高級重癥監(jiān)護(hù)型救護(hù)車立足于滿足我國災(zāi)難救援、突發(fā)事件現(xiàn)場急救的需求，為重癥傷員在現(xiàn)場和運送途中實施救治措施提供裝備支持。車輛的總體外形尺寸為7 050 mm（長）×2 260mm（寬）×3 090 mm（高），車身通過中間隔墻分成駕駛室和醫(yī)療艙2個部分。駕駛室采用長頭布置形式，醫(yī)療艙由前圍、后圍、左圍、右圍、頂圍和底骨架等組成，由矩形斷面、槽型斷面的薄壁結(jié)構(gòu)焊接而成，艙內(nèi)配備有各種急救用的醫(yī)療設(shè)備和遠(yuǎn)程診斷通信設(shè)施。車輛底盤采用整體彎縱梁、發(fā)動機前置的結(jié)構(gòu)。懸架部分采用導(dǎo)向板簧加空氣懸架減振，并加以縱向、橫向的減振系統(tǒng)，大大提高車輛的平順性和舒適性。

首先利用三維軟件對車身進(jìn)行了三維實體參數(shù)化建模，并將模型轉(zhuǎn)換成IGES格式的文件導(dǎo)入到有限元分析軟件中進(jìn)行幾何清理[3-4]、網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)定、加載、計算以及后處理。

目前，有限元建模的方法主要有2種：一種采用梁單元建模，結(jié)構(gòu)模型簡單；另一種采用殼單元建模，結(jié)構(gòu)精確，但建模的工作量大、耗時。結(jié)合實際情況，為保證計算精度和計算規(guī)模的協(xié)調(diào)，本文采用殼單元建模方法，但對幾何模型進(jìn)行了適當(dāng)簡化。對于工藝圓孔、倒角、圓角等細(xì)微的幾何特征，由于其對車身結(jié)構(gòu)力學(xué)性能基本沒有影響，因此，刪除這些特征，以利于網(wǎng)格劃分，簡化建模（如圖1、2所示）。

圖1 簡化前車架橫梁

圖2 簡化后車架橫梁

車身骨架主要由細(xì)長的矩形鋼管組焊而成，車架部分主要由若干橫截面積尺寸較大的槽鋼及加強板等焊接而成。由于壁厚相對于其橫截面積來說較小，在復(fù)雜載荷下因發(fā)生翹曲而產(chǎn)生平面應(yīng)力，因此，用殼單元模擬可以保證較高的精度，也更接近結(jié)構(gòu)的真實情況。懸架部分采用梁單元和彈簧阻尼單元來模擬。車身骨架材料為Q235，車架縱梁、橫梁的材料為16MnL，懸架的材料為彈簧鋼，具體材料參數(shù)見表1[5]。

表1 材料參數(shù)

離散后的有限元網(wǎng)格模型通過焊點連接起來。車身骨架的焊接采用剛性單元模擬（如圖3所示），底盤裝配部件采用螺栓連接模擬（如圖4所示）。焊接的順序可以先是小總成內(nèi)部連接，如頂骨架總成、側(cè)圍骨架總成等，然后再進(jìn)行小總成之間的連接，最終建立車身的有限元模型（如圖5所示）。該模型基本網(wǎng)格單元大小為15～20 mm，共有159 914個節(jié)點（node）、154 148個單元（element），其中連接單元（rigid）8 015個。

圖3 通過剛性單元（RBE2）連接的單元網(wǎng)格

圖4 模擬螺栓連接的單元網(wǎng)格

2 有限元分析

2.1 車身質(zhì)量和載荷的處理

以車身骨架（帶車架）為研究對象，整車的載荷全部由車身骨架和車架來承擔(dān)。載荷主要包括以下幾個部分：車身骨架和車架的自身質(zhì)量，座椅和乘客的質(zhì)量，發(fā)動機、變速箱等主要底盤附件載荷，醫(yī)療設(shè)備的載荷。底盤附件載荷見表2，醫(yī)療設(shè)備的載荷見表3。

圖5 某高級重癥監(jiān)護(hù)型救護(hù)車車身的有限元分析模型

表2 主要底盤附件載荷kg

表3 醫(yī)療設(shè)備質(zhì)量kg

對于底盤各總成質(zhì)量，如發(fā)動機、變速箱、備胎等都以靜力等效原則，根據(jù)其在底盤的實際位置分布載荷施加到模型上。此外，車輛額定載客量為8人，按66 kg/人添加乘客的質(zhì)量。

2.2 工況分析

《汽車產(chǎn)品定型可靠性行駛試驗規(guī)程》規(guī)定：試驗樣車必須以一定車速、在各種道路上行駛一定里程，主要是在高速公路、一般道路、彎道上行駛的彎曲、扭轉(zhuǎn)、緊急制動和緊急轉(zhuǎn)彎等4種典型工況[6]。

2.2.1 彎曲工況

該工況模擬的是車輛在高速公路等良好路況下勻速直線行駛，主要承受彎曲載荷的工況。它是行駛在高速公路上的車輛的主要運行情況。計算時約束前、后輪與車橋相連的位置處6個方向的自由度[7]，只受自身的重力和附件載荷。彎曲工況下的最大應(yīng)力為193.7 MPa，其位置在車架的后吊耳處（如圖6所示）。車身骨架的平均應(yīng)力低于25 MPa。

2.2.2 扭轉(zhuǎn)工況

扭轉(zhuǎn)工況有2種情況：一種是指汽車滿載勻速行駛在有凸臺的路面上，一個前輪上凸臺，其余3個車輪處于同一水平路面；另一種是指汽車滿載勻速行駛在有陷坑的路面上，一個前輪掉進(jìn)陷坑里，其余3個車輪處于同一水平面內(nèi)。計算時，約束處于同一水平面的3個車輪的豎直位移，給另一個前輪加上一個豎直向上（或向下）的位移量，來模擬扭轉(zhuǎn)工況，扭轉(zhuǎn)工況下統(tǒng)計結(jié)果見表4，最大應(yīng)力值如圖7所示。

圖6 彎曲工況應(yīng)力

表4 扭轉(zhuǎn)工況分析結(jié)果

圖7 左前、右后輪同時上抬80 mm工況應(yīng)力

2.2.3 緊急轉(zhuǎn)彎工況

車輛緊急轉(zhuǎn)彎時，慣性力將使車輛受到側(cè)向力的作用。本工況模擬車輛在行駛過程中緊急左轉(zhuǎn)彎時的載荷情況。緊急轉(zhuǎn)彎工況，車輛除承受自身的重力以外，還考慮以最大橫向加速度0.3 g轉(zhuǎn)彎時慣性力對車輛的影響。最大應(yīng)力為426.4 MPa，出現(xiàn)在車架第1橫梁與縱梁連接處（如圖8所示）。車身骨架平均應(yīng)力值為47.38 MPa。

2.2.4 緊急制動工況

車輛在行駛的過程中，車身除了承受乘客、醫(yī)療設(shè)備和自身的重力作用外，還要受到縱向制動慣性力的作用。制動時，車輛的最大減速度為j=0.7 gm/s2[8]，最大應(yīng)力為347.7 MPa，其位置在車架的后吊耳處（如圖9所示）。車身骨架平均應(yīng)力值為38.63 MPa。

圖8 緊急轉(zhuǎn)彎工況應(yīng)力

圖9 緊急制動工況應(yīng)力

3 計算結(jié)果及分析

該重癥監(jiān)護(hù)型醫(yī)療車車身骨架采用的主要是Q235普通碳素鋼，其屈服強度為235 MPa；車架采用的主要是16MnL，其屈服強度為280～350 MPa；懸架導(dǎo)向板簧采用的是彈簧鋼，其屈服強度為800MPa。

從以上4種工況的分析計算結(jié)果來看，所產(chǎn)生的最大應(yīng)力出現(xiàn)在緊急轉(zhuǎn)彎工況，車架第1橫梁與縱梁連接處，符合實際情況。最大應(yīng)力值為426.4MPa，小于材料的屈服強度800 MPa，最小安全系數(shù)為1.43[9]。車身骨架的平均應(yīng)力普遍較低（≤50 MPa），遠(yuǎn)小于其屈服強度235 MPa。由此不難看出，車身骨架還有很大的優(yōu)化空間。

同時，在模擬分析的過程中忽略了車身蒙皮、車窗玻璃等對車身總體結(jié)構(gòu)的加強作用，這使得計算結(jié)果偏于安全。若考慮蒙皮的影響，車身骨架的應(yīng)力還可繼續(xù)下降，更加安全[10]。

綜上所述，該重癥監(jiān)護(hù)型救護(hù)車具有足夠的強度，能夠滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)語

本文以某高級重癥監(jiān)護(hù)型救護(hù)車為例，建立了

（????）（????）車身骨架的有限元模型，并對其進(jìn)行了彎曲、扭轉(zhuǎn)、制動和轉(zhuǎn)彎等幾種工況的靜力分析和強度校核。該模型具有足夠的精度預(yù)測車身的強度，并能大致反映車身骨架應(yīng)力的分布情況，可以滿足使用要求，同時也為今后該產(chǎn)品的設(shè)計優(yōu)化改進(jìn)提供理論依據(jù)。

[1]朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用[M].3版.北京：水利水電出版社，2009.

[2]張洪欣.汽車設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1995.

[3]張勝蘭，鄭冬黎，郝琪，等.基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[4]李楚琳，張勝蘭，馮櫻，等.HyperWorks分析應(yīng)用實例[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

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[8]余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[9]劉鴻文.材料力學(xué)[M].4版.北京：高等教育出版社，2004.

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（收稿：2014-02-28 修回：2014-08-06）

Finite element analysis for body frame of some advanced ICU ambulance

HU Qi-tu1,WANG Jia-jun1,WANG Yu1,CHEN Guo-jun1,SONG Zhen-xing2
(1.Dongfeng Special Vehicle(Shiyan)Bus Co.,Ltd.,Shiyan 442013,Hubei Province,China; 2.Institute of Medical Equipment,Academy of Military Medical Sciences,Tianjin 300161,China)

ObjectiveTo validate the designed strength of the body frame of some advanced ICU ambulance to provide references for following improvement.Methods3D model of the ambulance was established,and finite element analysis software was used to analyze the conditions of bending,twisting,turning,braking and etc.ResultsThe mean stress of the body frame was less than the yield strength of the material,with the minimum safety factor of 1.43.ConclusionThe body frame of the advanced ICU ambulance can meet the desired requirements. [Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（11）：9-11，97]

finite element analysis;strength;body frame

R318；U469.6+7；O242.21

A

1003-8868（2014）11-0009-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.11.009

國家科技支撐計劃項目（2012BAI20B01）

呼其圖（1963—），男，高級工程師，主要從事特種車輛設(shè)計、制造方面的研究工作。

442013湖北十堰，東風(fēng)特汽（十堰）客車有限公司（呼其圖，王家軍，王 宇，陳國鈞）；300161天津，軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所（宋振興）

陳國鈞，E-mail：caj6865@163.com；宋振興，E-mail：song9705@163. com