1、武汉理工大学硕士学位论文重型载重汽车车架轻量化设计研究姓名：朱容庆申请学位级别：硕士专业：车辆工程指导教师：邓楚南;乐玉汉20060501摘要随着我国经济全球化进程的不断加快，我国对国际能源及原材料市场的依赖程度不断加深，当前国际原油及工业原材料价格的不断攀升，对我国的经济发展造成的极大的负担。汽车作为耗油大户，其节能与否已宜接影响到我国整体的能源消耗水平，国家对此高度重视。由于汽车轻量化对节能增效的巨大意义，国际各大汽车生产商都在尽可能的情况下减轻车身质量。汽车的轻量化设计技术已经成为目前汽车研究领域的研究热点之一。车架是重型载熏汽车的重要部件，支承着发动机、离合器、变速器、转向器、驾驶室、
2、和货箱等所有簧上质量的有关机件，承受着传给它的各种力和力矩。此外，由于重型载重汽车的使用条件十分恶劣，受力状况非常复杂。车架应有足够的弯曲网4 度，以使装在其上的有关机构之间的相对位簧在汽车行驶过程中保持不变并使车身的变形最小；车架也应有足够的强度，以保证其有足够的可靠性与寿命，纵梁等主要零件在使用期内不应有严重变形和开裂。车架刚度不足会引起振动和噪声，也使得汽车的乘坐舒适性、操作稳定性及某些机件的可靠性下降。但车架的扭转刚度又不宜过大，否则将使车架和悬架系统的载荷增大并使汽车轮胎的接地性变差，使通过性变坏。因此，如何设计出满足使用要求的轻量化车架成了一项具有挑战性的工作。有限元法已经成为现代
3、汽车设计的重要工具之一，与传统的设计方法相比，它的优势在于提高汽车产品的质量、降低产品开发与生产制造成本，提高汽车产品在市场上的竞争力。为了促进车架设计水平的提高，保证整车在市场上的竞争能力，必须将车架有限元分析技术提高到战略的高度上来。本文基于A N S Y S 软件建立了车架结构的实体单元模型，对汽车车架结构进行静力和动力分析的研究。首先，对A N S Y S 进行了简要的介绍，为车架结构进行有限元分析做好准备工作；其次，以某重型载货汽车车架结构为研究对象，利用A N S Y S 建立了车架结构有限元的实体单元模型，对车架建模过程进行了研究；再次，对车架结构的静、动态特性进行深入研究，对车
4、架进行性能分析评价；最后，建立车架结构简单的梁单元优化模型，以车架纵梁截面尺寸作为设计变量，以车架总体积为设计刚示，运用A N S Y S 优化模块对车架结构的轻量化设计进行初步的探讨。本文的研究说明有限元法和A n s y s 软件为车架结构及动力特性的仿真以及轻量化设计提供了良好的基础理论及方法，借助于它们对车架结构的轻量化设计研究具有非常重要的工程价值。关键词：车架轻量化设计有限元法A n s y s 软件结构分析优化设计A b s t r a c tA l o n gw i t ht h ea c c e l e r a t i n gp r o c e s so fe c o n o
5、 m i cg l o b a l i z a t i o n a I l rr e l i a n c eo ni n m r n a t i o n a le n e r g ya n dr a wm a t e r i a lm a d td e e p e n sc o n t i n u a l l y,t h ec o n s t s n ts o a r i n go fp r i c e0 1 1i n t e r n a t i o n a lc m d e 甜a n di n d u s t r i a lr a wm a t e r i a l，w h i c hr e
6、s t t l t si ng r e a tb u r d e nt oO U rc o u n t r y Se c o n o m i cd e v e l o p m e n t,呲a saf u e l 郴眦呷幅v e h i c l e，w h 曲e ri t ss a v eo rn o th a sd i r e c t l ya f f e c t e dt h ew h o l ee n e r g y 删l e v e l，o u rc o u n t r ya t t a c h e sg r e a ti m p o m n c et oi t B e c a u s
7、 eo fi t sg r e a ts i g n m,m c e,c a rm a n u f a c t u r e r sa l lo v e r t h e w o r l d t r y t h e i r b e s t t o l i g h t e n t h e w e i g h t o f c a r,t h e t e c h n i q u e o f l i g h t-w e i g h t d e s i g n h a s b e c a m e ah o tt 0 0 ci nt h er e s e a r c hf i e l d T h ef r a
8、 m e，a sam o s ti m p o r t a n tl i n to fC a r l i e lc a 耳s u p p o r t ss o m ea(站髂s 删妇s t r i aa se n g i n e，d u t c h,g e a r b o x,d i v e r t e r,a n d w i t h s t a n d sa l lk i n d s o f f o r c e I na d d i t i o n，t h e e x p l o i t a t i o n c o n d i t i o n o f c a n f j e r c a r
9、i se x t r e m e l yb a d,a n ds t r e s sc o n d i t i o ni sa l s oc o m p l e x，t h ef l a m es h o u l dh a v ee n o u g hr i g i d i t y,S Oa st ok e e pt h er e l a t e dp o s i t i o n so fs o m ep a r t su n c h a n g ew h i l et h ec a rg o e s；T h e ma l s os h o u l db ee n o u g hi n t e
10、 n s i t yi nt h ef r a r n e，S Oa st oa I S U r ei t se n o u g hr e l i a b i l i t ya n dl i f e-s p a n，h m er i g i d i t yn o to n l yc a I 鳓v i b r a t i o na n dn o i s ew h i l eb e i I gi u s u f i S c i e n t,b u ta l s om a k t h ec o m f o v a b l e n e s so fd r i v i n g,s t a b i l i
11、 t yo fo p e r a t i o n,r e l i a b i l i t yo fg mp a r t sd e c l i n ot o o B u tt h et o r s i o n a lr i g i d i t yo ff r a m es h o u l dn o tt o ob i g o t h e r w i s ei tm a k e st h el o a do ft h ef l a m ea n dh a n g i l l gs y s t e me n l a r g e T h e r e f o r e，h o wt od e s i g
12、nt h el i g h t-w e 蜘tf r a m et h a tm e e tu s a g er e q u i r e m e n t sb e c o m e sac h a l l a n g i n g j o b F E A，c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lm e t h o d s，h a sb e c a m ea ni m p o r t a n tt o o l i nm o d e r na u t o m o b i l ed i 弘，i t sa d v a n t a g el i e si ni m
13、 p m v i n gt h eq u a l i t yo f c a rp r o d u c t s，r e d u c i n gt h ec o s to f p c o d u c t-d e v e l o p i n ga n dp r o d u c t i o n,a n di n c r e a s i n gt h ec o m p e t i t i o no f c a rp r o d u c t si nt h em a r k e t I no r d e rt 0 呻l r e v et h el e v e lo ff r a m ed e s i g
14、n a t i o n，g u a r a n t e et h ec o m p e t i t i v ea b i l i t yo ft h ee n t i r ev e h i c l ei nt h em a r k e t，mm u s th e i g h t e n t h e F E A t e c h n i q u e o f t h e f l f H l e t o as t r a t e g i c l e v e l T h i sa r t i c l e，b a s e do nA N S Y SS o f t w a r e，h a ss e tu p
15、t h ee n t i t yu n i tm o d e lo ft h ef l a m es t r u c t u r e,a n dm a d ea r e s e a r c h o ns t a t i ca n d d y n a m i c a n a l y s i s F h s t o fa l l，t h i s t h e s i s g i v ea b r i e f i n t r o d u c t i o n t o A N S Y Sa n dm a k eap r e p a r a t i o nf o rF E Aa n a l y s i so
16、 ff l a m es t r u c l m t；S e c o n d l y,i tt o o ks o n l ec a r r i e rc a rf r a m es t r u c t u r ea sr e s e a r c ho b j e c t,e s t a b l i s h e dt h ee n t i t yu n i tm o d e lb yu s i n gA N S Y S，a n dm a d ear e s e a r c ho nt h ef r a m em o d e l i n gp r o c e s s；T h i r d l y,i
17、 tc a I l i e so nf u r t h e ri n v e s t i g a t i o no ns t a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i s,a n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i st ot h ec a rf r a m e；F i n a l l y,i tm a k e sap r e l i m i n a r yd i s c u s s i o nf o rt h el i g h t-w e l g h to ff r a m es t r u c t u r eb ys
18、e t t i n gu pau n i tm o d e lw i t has i m p l es t r u c t u r ea n du s i n g A N S Y So p t i m i z e dm o d e l H e r e i nt h er e s e a r c ho fF E Aa n dA N S Y Ss o f t w a r eo f f e r sas e Io fb&s i ct h e o r ya n dm e t h o df o rt h ef r a m es U u c t u r ea n ds i m u l a t i o no
19、fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c I th a sav e r yi m p o r t a n tp r o j e c tv a l u ei nl i g h t-w e i g h t d e s i 印a t i o n0 f m c f r a m es t r u c t u r e w i t h t h e a i d o f t h e m，K e yw o r d s：f r a m e，l i g h t-w e i g h td e s i g n，F E A，A N S Y Ss o f t w a r e，s t
20、r u c t u r ea n a l y s i so p t i m i z e dd e s i g nI l武汉理工大学硕士学位论文第一章绪论车架是重型载重汽车的重要部件，支承着发动机、离合器、变速器、转向器、驾驶室、和货箱等所有簧上质量的有关机件，承受着传给它的各种力和力矩。此外，由于重型载重汽车的使用条件十分恶劣，受力状况非常复杂。为此，车架应有足够的弯曲刚度，以使装在其上的有关机构之间的相对位置在汽车行驶过程中保持不变并使车身的变形最小；车架也应有足够的强度，以保证其有足够的可靠性与寿命，纵梁等主要零件在使用期内不应有严重变形和开裂。车架刚度不足会引起振动和噪声，也使得汽车的乘
21、坐舒适性、操作稳定性及某些机件的可靠性下降。但车架的扭转刚度又不宜过大，否则将使车架和悬架系统的载荷增大并使汽车轮胎的接地性变差，使通过性变坏。同时，为应对激烈的市场竞争，降低车辆的制造成本和使用成本，又要使其在满足上述条件时质量尽可能的轻。因此，车架的轻量化设计日益被各汽车厂家所采用。1 1 1 课题来源1 1 课题的来源与背景本课题来源于国内斯太尔体系的重型载重汽车升级项目。根据升级卡车项目的需要基于实体单元对所设计的重型载重汽车的车槊结构进行有限元建模分析，在对车架的静力分析和模态分析的基础上，对车架的轻量化设计进行了一定的探讨。1 1 2 课题背景在汽车行业中，有限元法广泛应用于各大汽
22、车总成，包括车架、车身、车桥、离合器、轮胎、壳体等零部件设计以及驾驶室噪声的分析，大大提高了汽车的设计水平，正在成为设计计算的强有力的武汉理工大学硕士学位论文工具之一。目前，在进行汽车车架设计时，设计人员主要采用的还是传统的办法对车架进行简化的计算，或者由其它部门进行有限元分析计算。车架的这种设计模式导致的问题包括两个方面：一是车架简化计算精度不够，为保证强度及刚度要求而使车架的设计过于安全，造成设计出的车架结构过重，增加了设计成本；一是造成车架的设计与计算分离，不利于提高车架设计人员的设计水平。为了促进车架设计水平的提高，保证整车在市场上的竞争能力，必须将车架有限元分析技术提高到战略的高度上
23、来。因此，本文以2 4 t 重型载货汽车车架为研究对象，对车架结构有限元模型的建立，静、动态特性分析以及设计参数的优化等内容进行研究与探讨。1。2 论文选遐的意义与目的1 2 1 轻量化设计技术有利于汽车产业的可持续发展及汽车性能的提高随着我国经济全球化进程的不断加快，我国对国际能源及原材料市场的依赖程度不断加深。目前我国己超过同本成为世界第二大能源消费国，当前国际原油及工业原材料价格的不断攀升，对我国的经济发展造成的极大的负担。据统计，2 0 0 3 年我国车用燃油消耗已达到7 0 0 0 万吨，占我国全年石油消耗量的1 3。汽车作为耗油大户，其节能与否已直接影响到我国整体的能源消耗水平，国
24、家对此商度重视。国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会联台发布了我国首个油耗强制性国家标准一一乘用车燃料消耗量限值(G B l 9 5 7 8 2 0 0 4)，该标准对我国汽车的燃油消耗作了上限规定，将分两个阶段实施。新标准的实施有望减少因为汽车保有量日益增加而能效较低所带来的能源浪费，标准第一阶段实掩后我国现有的汽车油耗水平将降低5 10，第二阶段实施后油耗将比现在降低15 以上。标准出台的目的是降低油耗，这将使汽车厂商更注重汽车的节能降耗。其中汽车的轻量化是达到这个目的比较有力的手段之一。武汉理工大学硕士学位论文试验表明，汽车质量的轻重与汽车的能耗有着直接的关系，在相同情况下，轿
25、车的质量每减轻1 0 0 千克，每百公里的燃油消耗将减少0 4 l 升，汽车的自身质量每减少1 0，燃油的消耗可降低6 8，同时汽车的废气排放也有明显降低。由于汽车轻量化对节能增效的卓越贡献，国际各大汽车生产商都在尽可能的情况下减轻车身质量。其次，从驾驶方面来讲：汽车轻量化后加速性提高，稳定性和噪音、振动方面也均有改善。从安全性考虑：碰撞时惯性小，制动距离减小。因此汽车的轻量化设计技术已经成为目前汽车研究领域的研究热点之一。1 2 2 提高载重汽车设计技术水平汽车产业属于高科技产业，要实现汽车的轻量化不运用当前最先进的技术进行设计分析是不可能实现的。目前，用于结构设计中的有限元法是近几十年发展
26、起来的新的计算方法和技术，可以解决以往许多手工计算无法解决的问题，为企业带来巨大的经济效益和社会效益。其主要表现在：1 运用有限元法对初步设计的车架进行辅助分析将大大提高车架开发、设计、分析和制造的效能和车架的性能。2 车架在各种载荷作用下，将发生弯曲、偏心扭转和整体扭转等变形。传统的车架设计方法很难综台考虑汽车的复杂受力及变形情况，有限元法正好能够解决这一问题。3 利用有限元法进行结构模态分柝，可以得到车架结构的动态特性。从设计上避免车架出现共振的现象。4 通过对车架结构的优化设计，可以进一步降低车架的重量，在保证车架性能的前提下充分的节省材料，对降低车架的成本具有重要的意义。综上所述，有限
27、元法已经成为现代汽车设计的重要工具之一，在汽车产品更新速度快，设计成本低、轻量化和舒适性要求越来越高的今天，其对于提高汽车产品的质量、降低产品开发与生产制造成本，提高汽车产品在市场上的竞争力具有重要意义。武汉理工大学硕士学位论文1 2 3 论文选慝的目的通过本文的研究，拟达到以下目的：1 建立车架结构有限元分析的规范化步骤，为将有限元技术应用于车架轻量化设计做好基础性工作。2 以图文并茂的形式书写，争取作为一个范例，成为设计者运用有限元软件进行车架分析的一个样板，使设计者不需要大量的有限元知识而在本文的指导下完成车架结构的有限元分析。3 对所研究的车架进行结构的静、动态特性分析，为车架的轻量化
28、设计提供理论支持。4 对车架结构的优化进行初步探讨，为优化设计运用于车架设计进行初步的尝试，以便于以后更好地为车架设计服务。1 3 有限元法在牢架轻量化设计中的应用现状及存在问题1 3 1 车架结构设计与分析简述从车架的设计方法来讲，早期车架设计采用设计和试验交叉进行。在车架结构定型之前往往要经过多轮设计，设计面对的对象时实物，需要经过样品制造一一试验一一修改一一再设计的往复，这种方式不可避免的将导致整个设计过程周期长，以及人力、物力和财力资源的极大浪费。随着设计经验的积累，人们将计算技术应用于汽车车架结构性能的分析及设计过程中。初期的车架结构性能计算是通过将车架简化成单根纵粱，进行弯曲强度校
29、核。这种讨算方法至今还在沿用，但它显然满足不了汽车车架结构性能的设计要求。后来提出的车架结构扭转强度计算方法，只能计算纯扭转工况，不能考虑车架的实际j：况，而且，计算比较复杂，工作量大，侄实际运用中存在着很大的困难。再后来，人们将比较设计的思想应用于车架设计中。这种设计4武汉理工大学硕上学位论文方法是以同一类型的成熟样车为参考来进行车架的设计，目前依然是车架结构初步设计的主要方法。但是，这种方法可能造成车架各处强度不均匀，某些局部强度富余较大，产生材料浪费现象。2 0 世纪6 0 年代以来，由于电子计算机的迅速发展，有限元法在工程上获得了广泛应用。有限元法不需要对所分析的结构进行严格的简化，既
30、可以考虑各种计算要求和条件，也可以计算各种工况，而且计算精度高。有限元法将具有无限个自由度的连续体离散成为有限个自由度的单元集合体，使问题简化为适合于数值解法的问题。只要确定了单元的力学特性，就可以按照结构分析的方法求解，使分析过程大为简化，配以计算机就可以解决许多解析法无法解决的复杂工程问题。目前，有限元法已经成为求解数学、物理、力学以及工程问题的一种有效地数值方法。1 3 2 车架结构有限元模型的形式有限元分析是用一缎离散化的单元集合来代替连续体结构进行分析的，这种单元几何体称为有限元模型。如果已知各个单元的刚度特性，就可以根据节点的变形连续条件和平衡条件推出结构的特性并研究其性能。由于有
31、限元法是一种近似的数值方法，其计算结果是近似解，精度主要取决于离散化误差。因此，有限元模型的建立是进行有限元分析的关键性一步。根据采用的单元形式，车架有限元模型可以分为梁单元模型、板壳单元模型和实体模型。梁单元模型将车架简化为一组两个节点的梁单元组成的框架结构，用梁单元的截面特性反映车架的实际结构特性。这种结构单元和节点数目少，计算速度快；但是计算精度低，而且不能处理应力集中问题。梁单元模型适用于车架结构的初步方案设计板壳单元模型用板壳单元将车架的纵、横梁及连接板进行离散化，用板壳单元的厚度描述零件的厚度。这种结构单元准确的描述了形状复杂的车架结构，大大提高了有限元分析的精度，能够处理连接部位
32、的应力问题；但是这种模型单元与节点数目众多，前处理工作量大，需要计算机内存大，计算速度慢。板壳单元模型适用与武汉理工大学硕七学位论文对车架分析精度要求较高的场合。1 3 3 车架结构有限元分析类型1 静力分析随着有限元法在汽车结构性能分析中的应用与发展，汽车车架结构静力有限元分析已经成为汽车车架结构性能分析必不可少的内容。为了使计算更加符合使用工况，一般将悬架与车架一起考虑进行静力有限元分析。这样，就可以把路面的影响直接作为工况进行处理，给车架结构乃至整车的有限元分析带来方便。汽车车架结构的载荷直接影响着车架的结构性能，在进行静力有限元分析时，一般将车架结构上的各个总成处理成各总成在车架相应位
33、置的集中载荷，如果时货车，货物则处理成为分布载荷，车架重力一般忽略不计。根据汽车实际行驶工况，一般分四种工况对汽车车架结构进行静力有限元分析，即车架结构的弯曲分析工况、扭转分析工况、紧急制动分析工况和紧急转弯分析工况，根据实际需要可以选择不同的工况进行相应的约束。在进行汽车车架结构静力有限元分析后，一般根据汽车车架结构强度和刚度分析的需要，采用后处理软件对计算结果进行可视化处理，计算出应力最大的危险点以及变形最火的点，以此评价汽车车架结构的静力性能。2 模态分析现代汽车具有向轻量化与高速化发展的趋势，使得汽车结构的振动与噪声问题变得日益突出。汽车车架结构作为汽车的承载体，在外部激励作用下产生的弯曲、扭转振动不但会造成车架结构的疲劳损伤，而且还会影响车辆的舒适性和行驶平顺性。通过模态分析，可以得出车架结构的固有频率及固有振型，不仅对于防止汽车发生共振等情况具有指导作用，而且模态性能也是车架结
