硕士学位论文-汽车车架的轻量化设计.pdf

西华大学硕士学位论文 汽 车 车 架 轻 量 化 设 计 车 辆 工 程 专 业 研究生曲 昌 荣指导教师巢 凯 年 ( 教授) 摘要 汽车工业随着国民经济发展和交通运输体系的全面建立得到了飞速发 展。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件都是以车架为载体，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 a n s y s对某载货汽车车架进行了分析和研 究。分别讨论了该车架静态时在纯弯曲工况和扭转工况下的静强度分析，进 行了静态时的刚度分析;分析了 车架在弯曲工况、扭转工况、搓板路工况和 紧急转弯情况下的静态动强度分析。分析结果表明，该车架的应力值小于材 料的强度极限，满足设计的要求， 但是强 度偏大， 所以 经济性比 较差。 本文 还进行了车架的动态分析，主要是模态分析，它是结构动态设计的核心，克 服了静态方法的局限性，强调从结构的整体考虑问题。通过对车架进行模态 分析，计算出车架的模态振型与相应的固有频率，通过固有频率与振型从整 体上考虑车架的局部强度问题。 根据该货车车架的这一特点，论文提出了 几 种方案对车架进行了轻量化设计，优化的结果使得车架自身重量减少，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， 有限元，静态分析， 动态分析，轻量化 西华大学硕十学位论文 a玩t rac t wit h t hed e v e lo p m e n t o f n at i o n a l e c o n o m y and t r a ffic s y s te m ， c arl n d l l s tryh as b e e n d e v e l o p e d atv e ryfast s p e e d . a s a p a rt o f th e c ar，th e fi 艺 i n e s u p p o rt s al l k ill d s o f c o m p l i c at e dlo ads c o m 山 g fr om th e r o adandthe 阮i g h t b e in gl o ade d ， and m a l l y asse m b lyo f th e c arare 切i l t i n the i ram e . s o th e i nt e n s i tyand t h e st ro n g o f t h e l 金 a ll l e p l a y a rol e 、 vay i n t h e c ar ， s d e s i g n . t 卜 e fr ame o f somet ru c k i s an a l 邓 e d an d s tudie d u s in g the a 人 s y s inthis p a pe l t h es t at i ci nten s i tyo f the 斤 出 n e i s anal y z e da l l ds t u l ied i nth e i n s tanc e o f p u r e b e ll d in g a ll c l c o 即l e d b e n d in g a n d t o rs i o ninthis p ape r i ana l y zed and s t u d iedth e j 川 e nsityo f the ft 出 1 1 e i n t hei n st anc e o f th e b e i1 d and th e t o rs i o n 、 、 r l e n the c arwas runn i n g ， and ana l yze d the s t re s s a n d the d i s p l ace m e nto f t hefi a l1 1 e w l 1 e nth e c ar w asru rmi ng i nth e w as hbo ard一 ro adandl nt h e case o f sha ll 一 加 而ng， the re s u l t i ndi c a t e s t l l a l t 】 1 es t r e s s o f thefr a l 1 1 ei s l e s s than theu t l 1 1 o sti i 1 t e n s i o ntores i sttobe p u l l e d o f l 】l e m a t e r i alb e i n g used. s o the fr a l l l e i s s at i s fi 几 d 瑚thth e des i gn， b u t the s tres s 主 s l e s s and th e eco nom y i s n o t ra t her bette卜 i n th is p ape r t hed 笋 l ami c c h ar a c t e ri s ti c th ati s nl y m o d e ana ly s i s i s a n a 】y z e d . t ll emo d ea n a l y s i si sthe c o reo fth eco顽g u r a b l ed y n arni cdes i 郎， andit o ve re o m e s the s h o rt c o m i 吃o f the s tatic 田 l a l y s i s an d e ll l p 】l as izes l ll a t th e p ro b l e m sho u l d b e c o nsi d ere d 介 o l l l th e 、 、 七 o l e c o 浦g i u a t l on the m o d e v i b r a 石 o n m o d eland p ro p e r freq u e n c y o f the fr ame are c al culated bym o d e anal y s i s . 刀 l e l o c a l l n t e n s i o n i s c o n s i d e r e d b y th e fi q l le n c y and th e m o d e l ， a c c o rd i n g tothe c h ar a c t e r i st i c o f the ft a n 1 e ， s e vera l s c h e m e s u s e d tod e s i gnthe 丘 a ll l e are c o me o ut，w 】l ic h m a k e th e fr a ll l e b e c o m e l i g h t ， s a v e 份 wand pr o c e s s e d m at erial s ， re d u c e th e c o s t us e d prod u c ed， in c re a s e t h e fuel s e c o n o rn y and p r o t e c t t h e c i rcl l l l l s t anc e - kcywo 川5 : 斤 田 n e ， f e a ， s tati c ana l y s i s ， d y n a m i c ana l y s i s ， wei g h t 一 l i ght 西华大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 1 ， 1 论文选题背景 汽车工业随着国民经济发展和交通运输体系的全面建立得到了飞速的 发展。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 杂载荷的作用，并且汽车上许多重要总成件都是以车架为载体，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。 1 .2 论文的研究目的和意义 汽车车架是汽车上的一个重要承载部件，国内外关于车架的研究己经 实现了全方位综合发展。车架的设计是一项严谨而细致的工作，这不仅需 要设计人员不断探索车架在整车工作过程中的具体状况，寻求更符合车架 实际工作状况的设计方法，还需要工程技术部门不断积累己有技术能力和 设计经验，形成自己小而准确的设计程序。车架的设计工作常常围绕以 下 几个方面开展:车架的静态、动态设计计算;车架性能的实验验证:车架 及整车的成本预算;车架对整车性能的预测与实验仿真。 车身结构的轻量化对汽车节能和环保具有重要意义。据统计客车、轿 车和多数专用汽车车身的 质量约占 整车自 身品 质的40% 一 60%。 随着计算机 技 术的 发 展， 有限 元 分 析 在车架 结 构 设 计中 得 到了 广 泛的 应 用11 。 采用 有 限元法对车架进行静态与动态的强度分析，设计出满足强度和刚度的质量 又轻的车架。这样不仅节约了原材料，降低了汽车的生产成本，还降低了 燃油消耗，有利于环保，并且用有限元法进行分析设计，可以节省开支， 缩短开发周期，提高精度。 1 .3 车架有限元的发展与现状 有限元法是随着计算机的出现而发展起来的一种新兴的数值计算方 法，它能对工程实际中几何形状不规则、载荷支撑情况复杂的各种结构及 西华大学硕十学位论文 零部件进行变形计算和应力分析，而车身、车架不论形状，还是载荷都很 复杂， 所以 有限元法是计算车身、车架的一种有效而实用的工具。 就有限元法来说， 近30多年来， 它的应用范围已 从杆、 梁类结构分析 扩到了对弹性力学平面问题、空间问题以及板壳问题的分析，由分析静态 问题扩展到分析动态问题、 波动问题和稳定问 题，分析对象也从弹性介质 材料到粘弹性、塑性等复合材料。由此可见，有限元法己 经获得了前所未 有 的 巨 大 发 展121 。 由 于 有限 元 有 着 无 可比 拟的 优 越 性， 有 限 元 法 在 飞 机、 船舶、汽车和拖拉机等机械设计中都得到了广泛的应用。 有限元法给车架设计提供了先进的设计手段。通过有限元计算，可以 找到设计中存在的问题，为今后的车架设计提供了重要的理论依据。由于 车架结构的复杂性和载荷的复杂性，优化设计与有限元分析程序相结合， 将 会 获 得 更 好的 效 果， 这也 是 我 们 今 后 进 行 车 架 设 计的 方向!3 间。 随着计算机的出现和飞速发展，车架作为一个大型复杂结构对其进行 有限元分析计算已经广为应用。早期的车架强度计算是将车架简化为简支 梁，只作车架弯曲状态下的强度校核。随着有限元的发展和推广，国内汽 车行业将有限元法应用于汽车车架的动、 静态计算，但采用梁单元模拟车 架建立车架强度分析的有限元模型， 对于一些低合金钢板冲压成型或槽钢， 工字钢等型材制作的车架， 这种模拟方法存在很多的不足之处。例如， 每 一个单元内，截面尺寸不变，因而梁单元模拟变节面形状的构件时， 计算 精度较低。仅采用梁单元， 无法反映车架纵梁和横梁的连接情况， 难以 准 确计算车架构件结合部的应力， 计算结果只是各节点的应力情况， 不能得 到 构 件 截面 应力 分 布， 因 而 不能 为 截面 形 状 设 计 提 供 数 据15 。 近年来国际上的汽车结构设计趋向于采用等强度、等刚度以及等寿命 的设计原则， 并能准确预测车身零部件的寿命， 精确而有效的预测零部件 的动态应力历程。汽车结构在实际工况下承载较为复杂的随机激励载荷， 车架局部开裂情况时有发生。1 9 98年清华大学的陆秋海等人己 经通过实 验 证明动应力过大是造成车架开裂的主要原因，因而应力随车速提高而明显 西华大学硕士学位论文 增大。虽然通过实验或路试能够获得较为精确的动态应力历程，但前提是 以制造出样车。如果在设计阶段就能够在各种不同的人- 本 邵 各 面系统仿 真下，获得车架的动态应力历程，则不仅可以较为精确的预测车架的安全 性和寿命，而且可以 通过重分析优化其结构，降低整车质量。关于动态应 力计算方法的研究，目 前在国内外己成为热点。 目 前，国内外对汽车结构的研究主要集中在对客车和轿车车身的强度 和刚度方面。通常以 重量最轻为主要目 标、通过计算弯曲 和扭转两种典型 进行静强度和静刚度的优化，考虑动态特性一般是通过模态分析，获得固 有频率及相应振型，作为优化的目 标或约束。对动态应力的考虑也是将静 应力扩大 k( 动载荷系数)倍作为最大动应力来对结构进行修改，自 行设 计的车架常因整车刚度分配不合理而简单采用局部加强筋的修补方法，这 往往导致开裂部位的转移，问题没有得到根本上的解决。而对载货汽车的 研究还很少， 在载货汽车的设计过程中， 采用的大多数还是经验和模拟法。 1 .4 课题的研究内 容 本论文研究对象是某一货车。运用建模软件设计车架模型，用有限元 程序对车架的各种工况进行整体分析，得到它的内力分布，根据各部分的 受力状态进行优化，修改各部分的设计变量，将优化后的结构参数组成新 的方案，尔后作一次结构分析，检验这个方案是否可行。主要从以下几个 方面入手: 1 . 建立车架模型。用a n s y s 分析软件直接对货车的车架进行建模。 2 .几种工况下对车架进行静态分析。根据实际车架受力情况对车架进 行加载。 3 进行动态分析，获得固有频率及相应振型。 4 . 对车架进行质量的优化设计。根据车架的受力状态进行优化，修改 设计变量，在满足静态、动态的前提下，使其质量仅可能小。 西华大学硕士学位论文 第3 章 车辆载荷的分析 汽车运行的时候，车架会承受各种载荷，承受来自 驾驶室、发动机、 工具箱、主减速器、变速器、传动轴、油箱、蓄电池等载荷，在行驶中还 要承受由于路面不平度干扰所产生的载荷、 司机驾驶操作所造成的动载荷、 碰撞时引起的冲击载荷，以 及由于自 然环境的变化所产生的偶然载荷等。 作用在结构件上的内里有冷、热加工时产生的残余应力、装配时由于零件 之间的互相干涉所产生的初始应力等。这些载荷往往不是单独作用的，而 是同时作用的。此外，这些载荷还会因产生的方式、车辆的用途以及使用 状况的不同而有很大变化。下面将对作用与车辆结构件上的外力按照产生 的原因进行分析。 3 . 1 车辆载荷分类 按照载荷产生的原因， 作用在车辆结构件上的载荷分为三大类: 行驶载 荷、操作载荷和特殊载荷。 3 . 1 . 1 行 驶载荷 行驶载荷是指当汽车在各种条件下行驶时，在路面车辆这一力学 的传递系统中产生的载荷。 ( 1) 载货和乘员 载货和乘员的变化，将导致车轮载荷的变化，主要有使平均应力级发 生变动的作用。对于应力幅，当 把车辆作为一个振动模型来看时，随着质 量的变化，共振频率和振幅也将发生变化， 特别是对载货汽车影响更为显 著。 (2) 行驶速度 车辆行驶速度的变化，对平均应力级几乎不产生影响。但是，振动应 力幅与路面的状态有着密切的关系，在弹簧上以及弹簧下构件的固有振动 西华大学硕士学位论文 频率是重叠出现的。随着车速的提高，所有振动频率也有向高频一侧偏移 的情况，当车速很低时，路面的凹凸可由 载荷波形如实反映出来。 ( 3 ) 路面状况 路面状况不影响平均应力级的变动，而仅仅和车速及车辆的振动有 关。由o j h z es - 3 h z的弹簧上成分，6 1 2 一 . 1 5 hz 的弹簧下成分以 及构件和 总成构成的系统固有振动频率，表现为以各种比 例重叠的波形，虽因构件 而异，但一般来讲，在铺筑的路面上，弹簧上的成分比例大，随着路面凹 凸的加剧，弹簧下及构件的固有振动频率的成分加强，作为整个级别也将 变大。这也和车速有密切关系，如果路面凹凸的周期接近于弹簧上、弹簧 下构件及系统的固有振动频率，则载荷的波形接近于正弦波，应力幅也变 得很大。 3 . 1 . 2 操作载荷 操作载荷是指为使汽车行驶而进行必要的操作时直接作用在构件上的 力， 或者由于操作而在某个传力系产生的载荷。因此， 操作载荷也可称为 在人一车系统下产生的载荷。 在下面两种情况下有操作载荷， 一种是把作用在踏板、开关按钮、 方 向盘、操纵杆上的操纵力作为载荷的情况;另一种是由操作，经过某传力 系以 载荷波形表现的情况。对于后者进一步分析如下: 1 .起动操作载荷 悬架系 由 于起步时的加速度引起重心的 偏移，前后轮的载荷分配发生变化， 这个变化是作为应力变化出 现的。 但是，当 接近一定速度时， 平均应力也 随之接近于一个定值。 此外，作为变动的 载荷， 有扭矩变动及后悬架扭曲 引起的载荷等。 西华大学硕士学位论文 驱动系 由于起步方法、发动机的惯性质量、驱动系数的弹性常数、减速比的 不同，应力振幅和频率也会不同，如果离合器有抖动现象发生，将会出 现 比 驱动系的 扭转固有频率高的多的 频率成分出现，随着车辆进入稳定行驶 状态，波形将逐步衰减，当衰减到对应于一定扭转值的应力，作为平均应 力成分保留下来，应力振幅在一定程度上表现为稳定系统固有振动时和扭 转变动时的振动波形。 2 制动操作载荷 制动操作载荷将导致垂直或纵向载荷发生变化，在制动的初期阶段， 其波形和行驶载荷波形重叠在一起的应力波形。由于车辆惯性矩和重心位 置的偏移，前后轮载荷分配将发生变化，并以 应力级的变化表现出来。另 外，随着车辆的不同， 制动时，在制动鼓、体片、回位弹簧等构件上将伴 随着产生抖动等想象，其固有振动频率将重叠到制动鼓上。 3 .转向 操作载荷 随着重心的移动， 将引起垂直、 横向 载荷的变动，从而产生平均应力 的变化。另外，由于构件几何造型结构产生的力矩，也会使平均应力级发 生变动。前者往往比较小，而后者随构件的不同将会有很大值。 3 . 1 . 3 特殊载荷 特殊载荷是指除了上述两种载荷以外的、从汽车使用本来目的来看， 完全是由于偶然因素造成的载荷，如驾驶差错、碰撞等造成的载荷，以 及 由 于自 然环境影响， 对汽车构件所造成的附 加载荷等。 ( 由 于本文不涉及这 些方面的载荷，故不详细论述) 西华大学硕士学位论文 3 .2 车辆载荷影响因 素分析 车辆行驶时所承受的载荷种类繁多，情况复杂，有的是由于路面凹凸 不平和驾驶人员的操作引 起的， 有的是由 于构件系统的共振引 起的。 而且， 在通常情况下， 车辆的实际载荷又是以各种载荷的组合形式作用的。 另外， 车辆在使用过程中，有各种各样的使用方法和使用环境，如路面状况的好 坏、载货量的多少、行驶速度的高低等， 这些条件都直接影响着车辆载荷 的确定。 3 . 2 . 1 载荷量和乘员人数 载货量和乘员人数的变动，将引起静止时车轮垂直载荷的增减，这是 很显然的。但是这种静止时载荷的增减，将导致车辆在行驶过程中，车轮 垂直反力平均级的增减。 载货量和乘员的增减， 将导致弹簧上质量的增减， 从而引起弹簧上下振动情况的改变。垂直载荷的性质，取决于路面谱和悬 架在垂直方向上的传递函数，但是由于弹簧上质量的增减，传递函数也将 因此发生变化，从而作用在行走系上垂直方向的动载荷也将发生变化。通 常，垂直方向的动载荷随着载货量和乘员的增加而增大。 3 . 2 . 2 行驶速度 车速对载荷平均级的变化几乎没有影响，只是对动载荷有影响。在一 般情况下，随着车速的增加，大载荷发生的频率也将增加。但是，由于路 面的性质在某一特定的车速下，载荷发生的频次往往是急剧增加的。 3 . 2 . 3 路面状况 路面的凹凸不平是车辆载荷的重要影响因素之一。 关于把载荷和路面 相关联的思想，主要是根据功率谱理论来研究的。 根据此理论， 路面状况 和载荷的关系如下: 在铺筑的路面上，动载荷比非铺筑的路面要小，从对疲劳强度的影响 西华大学硕士学位论文 来看，往往可以忽略不计。但是，随着现代车辆的高速化，在高速公路上 行驶时产生的横向载荷是不容忽视的。 在一般的公路非铺筑路面上，动载荷的频次可以认为是和车辆的加速 度有关，根据乘员所感受到的加速度的大小，可以对路面的好坏加以某种 程度的划分。 车辆在宏观上均匀的路面上行驶，遇到极少有的大的凹凸时，将对车 辆构件产生极大的影响。 3 .2 .4 驾驶操作 由于汽车的起动、制动以 及转弯等工况，也将使车身构件承受附加载 荷。当汽车起动或制动时，由于产生纵向加速度，将使车身结构的垂直载 荷及纵向 载荷增加。由于转弯， 将使车辆产生横向加速度，从而引起垂直 载荷和横向载荷的增加。 3 .3 车架受力情况模拟 就载荷性质而言，车架所受到的主要载荷为弯曲、 扭转、 侧向 载荷和 纵向载荷等。弯曲载荷是由车架自 身质量和外加质量产生的载荷。外加质 量包括乘车人员和货物的质量、 底盘各总成及发动机质量、附加物 ( 如蓄 电池、备胎、油箱、水箱)等品质。扭转载荷是由于路面不平度对车架的 非对称支承而产生的 载荷。 侧向 载荷是由 汽车 转向时离心力产生作用的 载 荷。纵向载荷是由 汽车加速、制动时的惯性力作用产生的载荷。车架载荷 按作用性时可分为动载荷和静载荷。 3 . 3 . 1 静载荷 汽车静止时， 车架只承受钢板弹簧以 上部分的载荷，它由 于车身和车 架的自 身质量、 车架上各总 称与附 件质量及有效载荷组成，其总和称之为 静载荷。 西华大学硕士学位论文 在本设计中主要考虑行驶载荷的作用。对载荷处理时，车架自身重量 可以通过施加垂直方向上的重力加速度 (9名 】 1 1/ 5 )进行施加;外加质量、 底盘各总成、发动机以及附加物质量等，可以简化为作用在各支承点的集 中载荷;载货汽车的货物载荷一般处理为均布载荷;可以将乘客处理成集 中 载 荷 ， 也 可 以 处 理 成 均 布 载 荷国， 通 常 以 每 个 乘 客6 5 kg进 行 计 一算 。 由于客观条件的限制，在本文分析车架应力时，只施加了部分作用在 车架上的载荷，其中包括发动机总成 5 6 00n ，水箱 600n，驾驶室及乘员 5 9 0 0n ，车厢以及货物载荷6 0 000n 。其中发动机总成和水箱引起的重力载 荷以 集中力的形式按照安放点的实际位置及各个位置所分担的重力施加到 相应节点上，而驾驶室十 乘员和车厢斗 货物以均布载荷的形式加到纵梁的相 应部位。 3 . 3 . 2 动载荷 行驶中的汽车主要受动载荷作用，动载荷又可分为对称的动载荷和非 对称的动载荷。当汽车在平坦的道路上，以较高车速行驶时，产生对称的 动载荷，它的大小不仅取决于作用在车架的静载荷及其在车架上的分布， 还取决于静载荷作用处的垂直加速度，受这种载荷作用，车架会产生弯曲 变形。当汽车行驶在崎岖不平的路面上时，前后几个车轮可能不在同一平 面，因而产生非对称动载荷，它的大小取决于道路不平程度，以及车身、 车架和悬架的刚度，受这种载荷作用，车架会产生扭转变形。车架除受纯 弯曲、纯扭转外，还受弯曲 和扭转的复合变形。 动载荷和静载荷对车架的作用不相同， 在以后的分析中会采用不同的 简化形式，但作用力的分布与静载荷相同。 西华大学硕士学位论文 第 7 章 结论 通过对某载货汽车车架进行静态、动态有限元分析，其结果表明，本 文所建立的有限元模型合理， 基本反映了 车架实际 情况，为该货车车架的 改进设计提供了理论依据，也为其他车型的车架的改进设计提供了一种很 好的研究方法。 7 . 1 论文主要工作与结论 论文的主要工作包括: ( 1) 对车架的国内外研究进行了分析。 ( 2) 对货车车架的结构进行了分析， 分析了车架的结构特点， 在此基 础上， 对车架结构进行合理简化，建立了 车架三维几何模型。 ( 3 ) 用板壳单元对货车车架进行了网格划分，定义了边界约束条件， 建立了车架有限元模型。 (4) 对货车车架模型进行了 静强 度校核， 结果表明该车架能够满足强 度设计要求。同时也表明有限元模型是正确的。 5)对货车车架模型进行了 动态的模态分析， 结果表明该货车车架的 模态分配合理，能满足设计的要求。 (6) 对车架进行优化设计， 提供了 几种设计方案， 找出 满足强度要求 的 车架， 减少了 车架总质量，降 低了生产成本， 提高了 燃油经济性， 使车 架更趋于合理。 7 . 2 进一步工作 由 于对车架的有限元分析及设计涉及的内 容很多，范围较广， 受经验、 知识面及能力的限制， 本文还存在一些不足之处， 还需要进一步加以完善。 比如，在模型简化过程中，对纵梁上所有孔对车架的影响都没有考虑，直 接用钢单元进行单元的连接，没有考虑到螺栓及铆钉的柔度，所有这些简 西华大学硕士学位论文 化对分析的结果存在一定的影响;建模过程中省略了钢板弹簧，而在直接 约束两桥在纵梁上的投影点的位移，造成了 在投影点处的应力集中，对分 析结果也是有一定影响的;所作的优化只是在结构截面尺寸上的优化， 优 化效果限定在局部内，优化效果受到限制，而现代设计专家认为，应该在 应力约束下进行车架的结构拓扑优化设计， 即在给定外力及支撑的条件下， 确定连续体的布局，同时满足各种设计要求，在确定拓扑的同时确定结构 的形 状。， 3 贾 川 在建模和分析过程中， 以 上问 题没有得到充分细致的考虑， 在今后的工 作中需要对他们开展进一步的研究，以减小分析结果的误差。 西华大学硕士学位论文 参 考 文 献 1冯国 胜，客车车身结 构的 有限 元分 析， 机 械工程学 报，19 99，( 1) 闭 朱 伯芳， 有限单 元法原理与 应用， 第2 版，北 京:中国 水 利水电出 版社，1 9 98 3j 龚培康， 汽车拖拉机有限 元法基础， 第1 版， 北京: 机械工业出 版社，1 9 94 # 安 立新， 有限元 计算在车架设 计中 的 应用，19 %年 优秀论文 选: 237 - 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