某载货车车架结构分析与优化设计

合肥工业大学硕士学位论文某载货车车架结构分析与优化设计姓名李波申请学位级别硕士专业车辆工程指导教师陈朝阳20090401某载货车车架结构分析与优化设计摘 要汽车车架作为汽车总成的一部分，承受着来自道路和装载的各种复杂载荷作用，并且汽车上许多重要总成都是以车架为载体，因而车架的强度和刚度在汽车总体设计中起了非常重要的作用。本文利用有限元分析软件HyperMesh对某载货汽车车架进行了分析和研究。计算机技术的应用以及有限单元法的成熟使得CAE技术广泛应用于机械、汽车等行业并取得了很大的成果。因此应用有限元理论，运用有限元分析软件对载货车车架进行建模分析，并根据理论分析结果对载货车车架进行轻量化设计，已成为一个重要手段。本文利用有限元计算与分析的方法，对载货车车架的静态特性和动态特性方面作了如下研究在有限元软件HyperMesh中建立了车架的有限元模型，对车架及其载荷进行了适当简化，进行静态应力分析研究，并与静态测试试验结果进行了比较分析，验证和提高了有限元模型的准确性。在此基础上对车架进行动态试验分析，试验结果表明车架强度存在进一步优化的空间，为轻量化提供了依据和参考。根据该载货车车架的这一特点，论文提出了方案对车架进行了轻量化设计，按照此方案，车架共减轻286 kg，通过对改进模型的静动态分析，轻量化后的车架刚度以及应力分布均满足要求，节约了原材料，降低了生产的成本，提高了汽车的燃油经济性，并且有利于环保。关键词 车架 有限单元法 刚度分析 轻量化 静态强度试验Structure analysis and optimization of a heavytruek DameAbstractAs a Part of the car，the frame supports all kinds of complicated loads comingfrom the road and the freight being loadedAnd many assembly of the car are builtin the frameSo the intensity and the strong of the frame play a role way in thecarS designThe frame of some truck is analyzed and studied using the HyperMeshin this paperThe machinery，automobile and other has yielded great achievements ascomputer technologyS application as well as the FEM which caused the CAEtechnology widely applied maturelyTherefore the coach body structure can beanalysis through the modelS establishment by using finite element theory and finiteelement analysis software，and the lightweight of the coach body according to thetheoretical analysis result to the coach body can be carried on，this has become animportant With reasonable and suitable simplifications，a fine FEM model of the flamewas established by using HyperMesh，carries on the precise parameterizationmodeling to some entirebearing coach body frame，and the static stress analysisresearch being conducted，then the comparative analysis with the static test resulthas been carried on，confirmed the finite element modelS accuracyOn thisfoundation the dynamic experimental analysis to the frame carried on，the testresult indicated the frame has the space existence for further optimization，and thebasis and reference for the lightweight has been providedThe frame reduces 273kgaltogether According to the characteristic of the frame，several schemes used todesign the frame are come out，which make the frame become li ght，save raw andprocessed materials，reduce the cost used produced，increase the fuelS economyand protect the circumstanceKey wordsFrame，Finite element ，Stiffness analysis，Lightweight，Staticintension test表格清单表31车架材料参数值16表32四边形壳单元的质量指标20表33载货车尺寸及重量参数22表41整车质量参数28表42主要试验仪器28表43贴片布点位置位置29表44测点位置应力应变值32表45满载不同路况各测点的动态应力值变化范围表35表51车架载荷分布42表61定义设计变量52表6。2优化结果显示53表63轻量化设计方案53插图清单图ll车架有限元建模过程示意图6图21矩形壳单元示意图1l图31建模参考UG图及生成的几何模型18图32翘曲角和长宽比示意图19图33扭曲角示意图20图3-4车架局部有限元模型21图35车架局部有限元模型加载图22图3-6悬架几何模型23图37悬架模拟模型23图38有限元模型总成24图41电阻应变片结构26图42惠斯登电桥示意图27图43静态测试接线及仪器调试29图44静态测试加载及测点位置29图45测点附图130图46测点附图23 1图47 9号应变片应变一时间曲线图卵石路34图48 9号应变片应变一时间曲线图扭曲路35图4-9 9号应变片应变一时间曲线图石块路35图5。1车架的载荷分布图。41图52约束点位置图42图53车架在弯曲工况下的应力分布图。43图5。4车架在弯曲工况下的变形分布图43图55扭转工况下的等效应力分布44图5-6扭转工况下的变形分布44图61结构设计优化流程。49独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签字毒刑乙 签字日期20口7年午月，多日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 盒胆王些盔堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 佥旦巴兰些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索。可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后适用本授权书学位论文者签名荟签字日期2。。7年斗月6 Et学位论文作者毕业后去向工作单位通讯地址导师签名辩明严刖电话邮编致 谢光阴似箭，我的研究生学习阶段即将结束，回首间万千感慨在论文完成之际，首先感谢我尊敬的导师一一陈朝阳教授，衷心的感谢他在我的研究生阶段所给予的学习上的指导和生活上的关心，他严谨的治学态度深深地影响了我。感谢张代胜教授在整个研究生学习过程中所给予的热心帮助和细心指导，张老师宽以待人严以律己的作风、严谨求实的科学态度和深厚的专业理论、豁达的胸襟，使我在学习和做人方面都受益匪浅，是我今后工作和学习的榜样。在此，谨向我尊敬的两位老师再次表示最诚挚的谢意感谢谭继锦老师在我做课题和做论文期间给予的大力帮助，谭老师深厚的专业知识和敬业的科研态度为我今后的学习和工作树立了很好的榜样感谢教研室石琴、尹安东、张卫华、徐建中、王荣贵、温千虹等老师在课题学习和试验测试期间给予的热心帮助感谢李强、路瑞刚、怀自力、陆昌年、程小虎、刘丹、王毅、朱轶、邓超、刘钊、卢丽萍、阮小波、柏林、朱清君、刘魏娜等同学对本人学习、论文完成和其他各方面的帮助最后，深深感谢我最敬爱的父母，正是由于他们坚定的支持和鼓励，才让我能够顺利地完成学业作者李波2009年3月第一章绪论11引言在激烈的市场竞争和巨大的内外环境压力下，企业若要最有成效地提高或扩大预期的市场占有率和经济效益，提高企业的应变能力和竞争能力，就必须用最短的时间生产出市场营销对路的、质量好、价格低的产品。影响产品的主要因素是产品的设计水平与制造水平，而产品的设计水平与制造水平的提高，就必须采用高科技的设计与制造手段CADCAECAM。汽车的生产过程可简单划分为初步设计、精确设计、生产准备和生产制造四个阶段。其中初步设计阶段可以进行大致的性能预测、强度分析等数值模拟工作，以初步确定设计方案。在精确设计阶段可以利用计算机建立精确的几何模型和有限元模型，并进行精确的性能预测、静动态分析，最终获得产品的精确设计结果。在精确设计过程中有限元模型是不可缺少的工具，要在计算机上利用它对载货车的性能进行仔细研究。这样，可以大大减少为最终验证设计效果而制造样车的数量。当前，CADCAECAM正逐步融合，走向一体化。利用CAD进行车架的几何建模，为CAE所用；利用CAE对车架的几何模型进行性能分析、强度刚度分析、疲劳分析、动力学分析等数值模拟计算，其间根据CAE计算结果不断利用CAD修改几何模型，最终确定出符合性能、经济性等方面要求的最优化的合格产品。计算机辅助工程CAE的内容很多，通常包括有限元法技术、优化设计、仿真技术、可靠性设计等方面，其核心内容之一就是有限元技术。12研究背景汽车问世百余年来，特别是从汽车产品的大批量生产及汽车工业的大发展以来，汽车为世界经济的大发展、为人类进入现代生活产生了无法估量的巨大影响。今天，在发达国家，汽车的普及已经达到很高的程度，在美国平均每个家庭拥有各种汽车23辆；虽然中国的汽车人均拥有量远低于发达国家水平，但是由于中国巨大的市场和国际汽车工业对中国汽车工业的影响，中国汽车工业经过50年的风雨历程，已形成一个比较完整的工业体系。任何问题都有两面性，汽车工业的发展为人们带入现代生活的同时也带来了许多问题【21，例如，一、能源问题，每年汽车的石油消耗量保持在近1 00亿桶，并每年以一定的速度增加，而世界石油资源只能开采几十年，煤炭资源也只够开采一百来年，人类面临着严重的能源危机，节能环保成为工业领域不可避免的课题，汽车工业同样不可避免。二、环境问题，汽车每年向大气排放大约几亿吨的有害气体，占大气污染物的60以上，被认为大气污染的“头号杀手”。汽车尾气中C02、CO、HC是大气污染的主要有害气体，特别是C02温室效应近年来倾向日趋明显。汽车作为现代化社会大工业的产物，在推动人类文明向前跃进并给人类生活带来了便捷舒适的同时，对大自然生态环境的恶化也有着难以推卸的责任。随着人们对环境保护的日益重视，以缓解石油资源紧缺所带来的能源危机，节能环保技术越来越多为广大汽车公司所采用。汽车轻量化是汽车节能环保关键技术之一，各国和相关的汽车公司投入大量资金和人力进行相关研究，研究涉及汽车材料、汽车设计思想和汽车相关的材料成型技术，从而促进了相关汽车设计理念、制造工艺、汽车零部件成型技术迅速发展。汽车自身质量的大小是影响燃油消耗的重要因素之一，所以汽车设计轻量化成为发展趋势。近年来，世界石油资源紧张，油价不断上涨，对汽车工业和汽车运输业来说，降低燃油消耗量成为关键。随着中华人民共和国道路交通安全法、新版汽车产业发展政策以及在全国开展车辆超载、超限治理工作的实施方案的出台，这些都为加快汽车轻量化给予了政策支持和动力。实现汽车轻量化、降低燃油消耗、增加载质量、提高运输效率对约占我国汽车产量30的载货汽车是至关重要的，也是各有关汽车制造厂商关注的焦点。因此开展汽车结构的强度计算与分析工作，在满足结构强度和刚度的前提下，合理地进行结构设计，以达到轻量化的目标，对汽车设计具有重要的意义。随着计算机技术的发展，CADCAECAM一体化进程的加快，有限元分析在车架结构分析中得到了广泛的应用。分析内容已从静态向动态、由部件到整车、由粗略到精确、由通用向专用发展，其应用已经进入实用化阶段。无论是在产品的概念设计阶段的方案分析、在工程设计阶段的校验分析，还是对既有产品实施精确分析以实现再设计，有限元分析都有其重要的作用。它使得在设计阶段就可以对载货车的设计和制造过程中的各种问题进行预测仿真，从而缩短设计周期，提高产品的性能质量，节省大量资金。本课题就是在上述背景下提出的，目的在于研究载货车车架结构使之受力合理，等强度及等寿命设计。最终达到保证载货车在性能和功能不受影响或有所提高的情况下，实现载货车车架结构的优化设计，减轻载货车车架质量。为相关企业提供一套汽车有限元分析及强度试验方案，提高企业自主研发能力，增强企业竞争力。13研究目的和意义在汽车制造市场竞争日益激烈的今天，汽车制造技术越来越先进，作为载货车主要承载结构的车架，它们的质量和结构形式直接影响车身的寿命和整车性能，如动力性、经济性、操纵稳定性。汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。实验证明，汽车质量降低一半，燃料消耗也会降低将近一半。当前，由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。轻量化是21世纪整车发展趋势之一，减轻汽车质量意味着2节约了能源和材料。车辆设计中，在满足载货车运营中对车架的刚度、强度及工艺改造等因素要求的同时，应当尽可能减轻它们的质量和降低制造成本。车架结构设计的主要目的在于确保车架强度、刚度和动态性能的前提下，减轻车架的质量，由此不仅可以减少钢材和燃油的消耗，减少污染排放，提高车速，改善汽车起动和制动性能，而且可有效减少振动和噪声，增加汽车和公路使用寿命。但我国的汽车工业存在自己的特殊性一是引进国外设计，国产化生产二是仿制或改装设计，自己独立开发设计的新产品很少。国内许多厂家在载货车的设计、制造和改进过程中仍主要依靠和沿用传统的手工设计方法和设计理念，从而造成产品存在缺陷或结构设计的不合理，目前国产载货车普遍存在的闯题是整车协调性较差；局部材料强度余量较大，无法预先判断，造成材料的浪费；在车辆实际使用过程中出现局部强度不足。所以，产品国产化或改装后，在使用过程中往往会出现强度、寿命、振动、噪声等方面的问题。这些问题影响了我国载货车产品质量，造成了使用中的安全隐患。由于缺乏必要的理论分析，我国载货车制造厂家对有问题的区域往往采取局部加强的方法，这不但需要进行多次全面的实车试验才能确定其有效性，而且会导致整车整备质量的不断增加另外，对一些结构上的改进和优化，由于缺少一定的理论依据，往往得不到很好的实施【4】，因此开展载货车车架结构强度的计算工作，在满足结构强度和刚度的前提下，合理地进行结构设计，以达到轻量化的目的、对车架结构设计具有重要意义。此外，为了加速企业的新产品开发，进一步提高产品的性能和科技含量，必须对现有的车型进行结构强度、刚度分析计算和动态特性分析研究工作，为新车型的研制开发提供借鉴和校核方法p61。随着经济全球化进程的加快，汽车工业的竞争日益加剧，汽车巨头们都在加紧新车型的设计开发，由于发动机、底盘设计制造技术基本成熟，新车型便主要体现在电子设备和车架造型的更新上。同时，为减少新车型的开发成本、缩短新车型的开发周期、提高新产品的市场竞争力，全球各大汽车公司普遍实施了“平台战略”，车架的开发便是该战略的主要组成部分。载货车车架是载货车的基体，一般由两根纵梁和几根横梁组成，经由悬挂装置前桥、后桥支承在车轮上，具有足够的强度和剐度以承受汽车的载荷和从车轮传来的冲击。要评价车架设计和结构的好坏，首先应该清楚了解的是车辆在行驶时车架所要承受的各种不同的力。然而对车架进行静、动态性能的研究，用经典力学方法很难得到精确的优化解，为了能够计算出车架的刚度和强度，往往对车架结构进行较多的假设和简化，计算模型只能构造的比较简单，与实际的结构形状相差很大P1。在计算机和计算机技术飞速发展并广泛应用的今天，采用近似的数值解己成为较为现实又非常有效的选择。实践和实验证明，在众多近似分析方法中，有限单元法是运用最为成功、最为有效的数值计算方法。在汽车结构设计中采用有限元法进行分析，是近几十年来发展起来的计算