四轮独立转向电动车辆关键零件结构设计及有限元分析--本科毕业设计论文.docx

本科毕业设计(论文)FINAL PROJECT/THESIS OF UNDERGRADUATE(2016届)上海理工大学本科毕业设计(论文)四轮独立转向电动车辆关键零件结构设计及有限元分析Structural design and finite element analysis of the key parts of the four wheel independent steering electric vehicle 学院机械工程学院专业车辆工程学生姓名学号指导教师完成日期2016年5月承诺书本人郑重承诺：所呈交的毕业论文“四轮独立转向电动车辆关键零件结构设计及有限元分析”是在导师的指导下，严格按照学校和学院的有关规定由本人独立完成。文中所引用的观点和参考资料均已标注并加以注释。论文研究过程中不存在抄袭他人研究成果和伪造相关数据等行为。如若出现任何侵犯他人知识产权等问题，本人愿意承担相关法律责任。承诺人(签名)：_日期： 年 月 日摘 要汽车作为主要的交通运输工具之一，发挥着非常重要的作用。随着国民经济的快速发展，汽车工业也得到了飞速的发展，因此要求我们提供更多更好的结构轻、性能好、质量高、用途广、安全可靠的汽车。但是当车架受到一定的损伤之后，车辆在行驶的过程中就会发生一些不良的影响，如果当汽车在转向的过程中存在不稳定的情况时，由于直线行驶车辆的车轮就会有一定的声音，轮胎会有一定量的磨损痕迹，转向时侧面会产生不均匀的现象或是存在汽车跑偏等问题，这些都是和车架的弯曲度有很大的关系。汽车车架作为汽车总成的一部分，承受着来自道路及各种复杂载荷的作用，而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显得非常重要。本文主要是有关于某四轮独立转向实验电动车车架的结构设计及强度和刚度的分析，根据轻量化要求优化车架截面及尺寸。为了满足汽车具有良好的使用性能和较高的安全性，利用ANSYS有限元分析软件，分析车架危险工况下应力与应变。提出两种结构优化方案，对比优化前后ANSYS云图从而选择最终方案。通过合理性优化降低了汽车车架的制造成本，降低能量消耗，提高了整车的性能。关键词：车架 优化 ANSYS 结构ABSTRACTAs one of the main means of transport, the car is playing a very important role. With the rapid development of the national economy, the automobile industry has also been rapid development, and therefore require us to provide more and better structure of light, good performance, high quality, wide range of use, safe and reliable car. But when the frame by a certain injury, vehicle in running process occurs some adverse effects, if when the car in the process of steering exists unstable situation, because: a sound will of wheels of a vehicle is moving in a straight line, the tire will be a certain amount of traces of wear and tear, steering side will produce the phenomenon of uneven or automotive deviation problems, these are and frame of bending of a great relationship. Part of automobile frame as the automobile assembly, suffer from the road and various complex loads and cars on many important assembly parts are in the frame carrier. Therefore, frame strength and stiffness in automobile overall design is very important. In this paper, the structure design, strength and stiffness of the four wheel independent steering electric vehicle frame are analyzed, and the frame cross section and dimension are optimized according to the light weight requirement. In order to satisfy the vehicle with good performance and high safety, using ANSYS finite element analysis software to analyze the stress and strain. Two kinds of structure optimization schemes are proposed, which are compared with the ANSYS image before and after optimization to select the final scheme. The manufacturing cost of the automobile frame is reduced by the rationality optimization, the energy consumption is reduced, and the performance of the whole vehicle is improved.KEY WORDS: frame optimization ANSYS structure目 录摘要ABSTRACT第1章 绪论11.1 课题研究的目的与意义11.2 有限元技术的发展及研究现状21.3 本文研究的主要内容4第2章 三维模型的建立52.1 CATIA软件介绍52.1.1 发展历史52.1.2 功能和模块62.1.3 汽车工业的运用72.2 建模前数据准备82.3 CATIA车架原始模型92.4 有限元模型92.4.1 坐标系及各节点的坐标92.4.2 单元的生成102.4.3 ANSYS初始模型及单位统一112.5 本章小结12第3章 强度与刚度分析133.1 行驶工况分析及载荷确定133.2 弯曲工况分析143.2.1 网格划分143.2.2 加载与求解153.2.3 计算结果及分析173.3 扭转工况分析183.3.1 约束条件183.3.2 计算结果分析223.4 制动工况分析203.4.1 约束条件213.4.2 计算结果分析223.5 转弯工况分析233.5.1 约束条件233.5.2 计算结果分析243.6 本章小节25 第4章 优化264.1 优化方案一264.1.1 弯曲工况分析264.1.2 扭转工况分析284.2 优化方案二294.2.1 弯曲工况分析304.2.2 扭转工况分析314.3 方案的对比32 第5章 总结34参考文献35致 谢36III四轮独立转向电动车辆关键零件结构设计及有限元分析第1章 绪论1.1 课题研究的目的与意义汽车作为一种商品在世界各处都有着非常广阔的经济市场，又因为其生产批量大而给企业带来了丰厚的经济利润。汽车品种的多样性是可以满足各种生产、生活活动的需求，而且又有着良好的社会效益。伴随着汽车工业的迅速发展，带动了许多与此相关的企业、事业，其中包括钢铁、石油、橡胶、机床、塑料、道路、汽车销售、售后服务、运输、交通管理、金融业、教育、科研等领域的快速发展，因而解决了大批人员的就业问题与生活的难题。汽车同样也是衡量人们的生活水平好坏的重要标准之一，购买汽车或者因此而形成的日常消费也能促进货币的回笼。在近百年来，汽车工业之所以长盛不衰，主要得益于市场和科学技术的不断进步和完善，使汽车的各种性都能逐渐完善并满足消费者的需求。现在不仅在技术生产活动中，同样在日常生活中人们也离不开汽车了。对于一些经济发达的国家，选择汽车行业作为国民经济产业的支柱之一是完全正确的。而汽车车架作为汽车总成的一个重要部分，支撑车身及其它部件的总成，承受着道路施加的各种载荷和冲击，也是车身主要受力的部分。所以保证车架的刚度及强度是特别重要的。本文建立了车架的有限元模型，对车架的强度、刚度等进行了静力分析，由于车架的实际结构都相对来说比较复杂，在建立车架有限元模型一般都进行了简化，然而假设不恰当又无法满足到实际工程的需要，所以对车架分析的要求比较的高。本文建立了一个可信赖的车架有限元模型，然后利用车架有限元模型对车架进行了静态强度分析，刚度分析。最后进行了优化，再从两种优化方案中择优，使车架的设计能够满足使用要求。随着现在汽车设计的要求一天天提高，将有限元法运用于车架的设计已经成为必然的趋势，利用有限元分析法对初步设计的车架进行辅助分析将会大大的提高车架开发、设计、车架的性能和制造的效率。车架在路面不平及各种载荷的作用下，将会发生弯曲、扭转和整体扭转等变形。以前传统的车架设计方法一般很难综合考虑到汽车的复杂受力和变形的情况，有限元法恰好能帮助解决这一难题。同时利用有限元法进行车架结构的模态分析，可以得出车架结构的静、动态特性。从设计角度上避免车架出现共振的现象。当然，通过对车架结构方面的优化设计，可以大大减小车架的体积和重量，也可以节省很多材料，对降低车架的成本也有着非常重大的意义。有限元分析法已经成为现代汽车在设计时主要工具之一，合理的运用有限元法可以提高汽车车架的质量、降低生产制造成本，提高汽车作为商品在市场上的竞争能力1.2 有限元技术的发展及研究现状早期的车架设计采用设计和试验同时进行的方法。需要经过样品制造试验修改再设计的往复，这种方式导致整个设计过程周期长，以及人力、物力和财力资源的严重浪费。随着设计经验的累积，人们将计算机技术应用于车架结构性能的分析及设计中。初期的车架结构性能计算是通过将车架简化成单根纵梁，进行弯曲强度校核。这种计算方法至今还在沿用，显然满足不了现代汽车车架结构整体性能的设计要求。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工况，并且计算比较复杂，工作量大，在实际运用中有很大的困难。再后来，人们将类比设计的思想应用于车架设计中。这种设计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，某些局部强度较大，产生材料浪费等现象。计算机辅助设计工程分析兴起及它在各种行业里的应用，和计算机辅助设计技术有着很大的关系，特别是在汽车工业以及在机械行业中。目前在中国，汽车行业CAD技术已经得到较为广泛的应用，同时在实际的产品设计过程之中已经摈弃手工绘图的时代，将企业中的图纸信息数字化存储起来，大大的节省了各方面的成本。另一方面，CAE技术在国外大型企业同样也是已经广泛的应用，但是在国内的发展应用还是刚刚起步。有限元单元是一种非常有效数值计算的方法，能对工程实际几何形状不怎么规则,载荷和支撑又相对较为复杂的各种结进行变形计算、应力分析以及动态特性可以进行合理的分析。有限元的基本思想就是：把一个连续的弹性体划分成为有限多个彼此在有限多个节点相互连接的单元组合起来研究。也就是说就是用一个高度离散的结构来代替原有的这个结构，这样就可以作为一个真实结构的近似力学模型。后面所有的有限元分析计算也都是在这个离散的结构上进行的。有限元之所以能求解结构的异常复杂的模型，从而得到一个精度比较高、较可靠的结果，其中的原因之一就在于它有着丰富的单元集和，能够用有效的为各种结构的简化。对于结构分析来说，常见的单元结构类型包括梁单元、板单元、壳单元、管单元、弹簧单元等等，所以我们能够非常方便的用有限元模型来描述分析实际存在的问题。“有限元法”这一名称来自于1960年美国的Clough R W在一篇名为“平面应力的有限元法”论文中最先使用的。在近40年来，有限元法的应用已经从弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由原来的静力学平衡扩展到了稳定问题、动力问题和波动问题，分析对象也从原来的弹性材料扩展到塑性、粘弹性和复合型材料等等，从原来的固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域。伴随着计算机技术的飞速发展，有限元在工程上同样得到了广泛的运用。特别是从上世纪80年代开始，随着我国计算机技术的迅猛发展，国外先进的计算机软件也纷纷引进入到我国，我们国家有限元技术已经进入到了实用性的阶段，有限元法的运用也从弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题：从静力平衡的问题扩展到了塑性、粘性。粘塑性和复合材料等问题：从固体力学扩展到了流体力学、电磁学、传热学、声学、等连续性介质的领域之中。有限元法发展到今时今日，相对来说各方面都已经较为完善，已经被认为是工程中最强有力而且是最通用的计算方法，运用的特别特别广泛，并且具有较高的实用性和非常强大的生命力。利用有限元法进行结构的分析，实际上也可以看作是“计算机的数值实验”，它不仅使过去无法运算的课题获得了解答，而且逐渐代替了原来那些成本高、时间长的常规性试验。随着市场竞争的加剧，产品更新的周期也愈来愈短，企业对新技术的需求更加迫切，而有限元技术就是提升产品质量、缩短设计的周期、提高产品竞争力的一项有效方法，所以，随着计算机技术和计算方法的发展，有限元法在工程设计和科研领域得到了越来越广泛的重视和应用，已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径，从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已经离不开有限元分析计算了，有限元法在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源和科学研究等各个领域的广泛使用已使设计的水平发生了质的飞跃。其中在汽车行业中运用主要概括可以主要有以下几个方面：汽车结构的强度、刚度计算；结构的模态分析；汽车整车性能的分析；传热分析；汽车动力学的分析；汽车结构噪声的分析；汽车被动安全等等。有限元法在汽车方面的运用更是特别广泛，不仅可以拿来分析成型汽车的性能，同时也可以运用于还在开发过程中的汽车性能，为汽车的设计提供指导和依据。早期汽车车架在进行有限元分析时把车架简化成简支梁，但对于一些低合金钢板冲压成型或槽钢，工字钢等材料制作而成的车架，这种简化方法存在许许多多不足的地方，也无法反映车架横纵梁之间的连接方式，所以很难准确的计算车架的全部应力，计算结果仅仅代表各节点的应力分布情况，而且计算的精度也较低。板壳单元模型用板壳单元将车架的横纵梁连接板进行离散化，这样就可以更加准确的反映形状复杂的车架的模型，非常有效的提高了有限元分析的精度，同时也能更好的处理连接部位的应力问题，但这种单元模型和点数都比较多，前处理的工作量大，计算速度也慢。板壳单元适用与对车架分析精度要求都比较高的场合，采用板壳单元建立的车架有限元模型板壳之间的焊接及螺栓连接的模拟情况对分析结果影响都较大，如何处理焊接点模拟与螺栓连接是关键的问题。汽车结构参数的优化是汽车工业近些年研究的主要方面。汽车车架是汽车结构件，结构和载荷都较复杂的重要部件，也是结构优化和设计研究的对象。汽车车架的结构和载荷都比较复杂，很难形成较好的数学模型，所以有限元法分析汽车车架是很有必要的。目前国内有很多企业已经着手建立有限元分析规范和仿真教程。在这一领域，电动桥车的轻量化，提高汽车的续航里程，降低能源消耗显得尤为重要。因此，大力发展对于电动车辆车架有限元分析的研究具有重大意义。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。为了使计算符合实际使用工况，一般将悬架结构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。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上相应位置的集中载荷，货物则处理成分布载荷，车架重力一般忽略不计。根据汽车实际行驶工况，一般分以下几种工况：即车架结构的弯曲分析工况、扭转分析工况等，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机进行处理，计算出应力最大的危险点以及变形最大的点，以此评价汽车车架结构的静力性能。本文分析计算了车架在弯曲、扭转、制动、转弯四种工况下的应力应变，并在此基础下提出了两种优化方案，并根据这两种方案与优化前后对比得出一种合理的最终方案，使得设计的车架能满足使用需求，同样符合轻量化设计要求。配合实验数据，对车架结构进行合理的改进设计，实现满足轻量化要求的静态优化的设计目标，彰显了CAE技术在汽车研发过程中的作用越来越重要。1.3 本文研究的主要内容车架作为汽车的承载基体，支撑着发动机、离合器、变速器、转向器、货厢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。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和寿命，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，也使汽车的乘座舒适性、操纵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。考虑到客车在国内的具体使用情况在可能的情况下，车架的设计还应考虑易于吸收撞击的结构。车架作为汽车的基础部件，受力状态、结构较复杂，无法用简单的数学方法对其各部分的应力状态进行分析计算，而采用有限元分析即可对车架的静强度、振动模态进行较为准确的分析，从而使车架设计从经验设计进入到科学设计阶段。本文将采用CATIA建立车架三维模型，用ANSYS进行静力和模态分析，以及后期的优化。首先，对CATIA和ANSYS进行了简要的介绍，为车架进行有限元分析做好准备工作；其次，以某实验四轮独立转向电动车车架结构为研究对象，利用CATIA建立了车架结构三维模型；再次，对车架结构的静、模态特性进行研究，对车架性能分析评价。 结合汽车车架分析的实际要求，再参考以往的研究成果及国内外发展现状，现确定主要研究内容如下：(1) 研究应用弹性力学、有限元法、静态分析以及所用软件基础。(2)以某实验四轮独立转向电动车架为研究对象进行建模，计算出各个点坐标用ANSYS软件建立车架有限元模型。(3)分析研究建立有限元模型要考虑的问题，比如结构的简化，单元的选取，单元的数量的控制，网格的划分以及连接方式的模拟。(4)研究有限元分析结果的因数，如单元的厚度，单元大小以及部件连接的模拟方法。(5)对车架有限元模型进行刚度分析、强度分析；找出车架结构中需要改进的部位，并根据分析结果提出改进方案。(6)对研究的车架进行静态性能评价。建立优化分析模型进行优化设计提出科学的改进方案。并通过对比，确定最终的最佳方案。 第2章 三维模型的建立2.1 CATIA软件介绍CATIA V5是在一个企业中实现人员、工具、方法和资源真正集成的基础。其特有的“产品、流程、资源 （PPR）”模型和工作空间提供了真正的协同环境，可以激发员工的创造性、共享和交流 3D 产品信息以及以流程为中心的设计流程信息。除了 CATIA V5的 100 多个产品，CATIA V5引 开放的应用架构也允许越来越多的第三方供应商提供针对特殊需求的应用模块。2.1.1 发展历史随着我国计算机二维绘图技术的逐步普及，以三维实体建模为基础的计算机辅助零件设计、装配设计、运动分析、有限元分析、数控加工仿真与编程等方面的需求正在快速增长，很多工程设计人员已开始从使用二维CAD系统转向使用三维CAD系统。可以相信，三维CAD系统必将逐步取代二维CAD系统而成为计算机辅助设计与分析的工具，掌握这一主流工具将迅速成为对工程设计人员的基本要求之一。CATIAV5版本的最早始于1994年，CATIA V5版本是IBM和达索系统公司长时间的在为数字化领域不断探索的成果。围绕数字化产品和电子商务集成概念进行系统结构设计的CATIA V5版本，可为数字化企业建立一个针对产品整个开发过程的工作环境。在这个环境中，可以对产品开发过程的各个方面进行仿真，并能够实现工程人员和非工程人员之间的电子通信。产品整个开发过程包括概念设计、详细设计、工程分析、成品定义和制造乃至成品在整个生命周期中的使用和维护。新的V5版本界面更加友好，功能也日趋强大，并且开创了CAD/CAE/CAM 软件的一种全新风格。为确保CATIA产品系列的发展，CATIA V5新的体系结构突破传统的设计技术，采用了新一代的技术和标准，可快速地适应企业的业务发展需求，使客户具有更大的竞争优势。CATIA V5对于开发过程、功能和硬件平台可以进行灵活的搭配组合，可为产品开发链中的每个专业成员配置最合理的解决方案。允许任意配置的解决方案可满足从最小的供货商到最大的跨国公司的需要。CATIA V5是在Windows NT平台和UNIX平台上开发完成的，并在所有所支持的硬件平台上具有统一的数据、功能、版本发放日期、操作环境和应用支持。CATIA V5在Windows平台的应用可使设计师更加简便地同办公应用系统共享数据；而UNIX平台上NT风格的用户界面，可使用户在UNIX平台上高效地处理复杂的工作。CATIA V5结合了显式知识规则的优点，可在设计过程中交互式捕捉设计意图，定义产品的性能和变化。隐式的经验知识变成了显式的专用知识，提高了设计的自动化程度，降低了设计错误的风险。CATIA V4和V5具有兼容性，两个系统可并行使用。对于现有的CATIA V4用户，V5能引领他们迈向NT世界。对于新的CATIA V5客户，可充分利用CATIA V4成熟的后续应用产品，组成一个完整的产品开发环境。2.1.2 功能和模块CATIA新产品显著提高生产效率和协同化，能够使用户在相同的复合材料零件上并行工作，然后分别合并和同步化设计好的铺层，最终将一个复合材料零件设计出来。一个新的基于格子的设计方法能够自动生成铺层，在仿真过程中将定义单元复合材料的技术规格逐一考虑在内并应用复合材料设计最佳行业实践。增强的STEP界面: CATIA V5R20通过引入一个新产品界面增强开放性和协同性。 它代表装配归档的一大进步：支持嵌入式装配，含有采用标准STEP格式的全部复合材料数据得到增强: 功能性建模功能（从塑料到铸锻件）的增强如今涉及动力系统工艺流程，复杂零件设计的协同也得到增强。功能性建模令用户设计油底壳、变速箱或发动机支架时能够节省40%的时间。在CATIAV5中功能与模块大致可以分为下列这些情况：（1）Generic Shape Design简称GSD，创成式造型，非常完整的曲线操作工具和最基础的曲面构造工具，除了可以完成所有曲线操作以外，可以完成拉伸，旋转，扫描，边界填补，桥接，修补碎片，拼接，凸点，裁剪，光顺，投影和高级投影，倒角等功能，连续性最高达到G2，生成封闭片体Volume，完全达到普通三维CAD软件曲面造型功能，比如Pro/E。完全参数化操作。（2）Free Style Surface简称FSS,自由风格造型，几乎完全非参。除了包括GSD中的所有功能以外，还可完成诸如曲面控制点（可实现多曲面到整个产品外形同步调整控制点、变形），自由约束边界，去除参数，达到汽车A面标准的曲面桥接、倒角、光顺等功能，所有命令都可以非常轻松的达到G2。凭借GSD和FSS，CATIA曲面功能已经超越了所有CAD软件，甚至同为汽车行业竞争对手的UG NX。（3）Automotive Class A简称ACA，汽车A级曲面，完全非参，此模块提供了强大的曲线曲面编辑功能，和无比强大的一键曲面光顺功能。几乎所有命令可达到G3，而且不破坏原有光顺外形。可实现多曲面甚至整个产品外形的同步曲面操作（控制点拖动，光顺，倒角等）。对于丰田等对A级曲面要求近乎疯狂（全G3连续等）的要求，可应付自如。目前只有纯造型软件，比如Alias,Rhino可以达到这个高度，却达不到CATIA的高精度。（4）FreeStyle Sketch Tracer简称FST，自由风格草图绘制，可根据产品的三视图或照片描出基本外形曲线。（5）Digitized Shape Editor简称DSE，数字曲面编辑器，根据输入的点云数据，进行采样，编辑，裁剪已达到最接近产品外形的要求，可生成高质量的mesh小三角片体。完全非参。（6）Quick Surface Reconstruction快速曲面重构，根据输入的点云数据或者mesh以后的小三角片体，提供各种方式生成曲线，以供曲面造型，完全非参。（7）Shape Sculpter小三角片体外形编辑，可以对小三角片体进行各种操作，功能几乎强大到与CATIA曲面操作相同，完全非参。（8）Automotive BIW Fastening汽车白车身紧固，设计汽车白车身各钣金件之间的焊接方式和焊接几何尺寸。（9）Image & Shape可以像捏橡皮泥一样拖动，拉伸，扭转产品外形、增加“橡皮泥块”等方式以达到理想的设计外形。可以极其快速的完成产品外形概念设计。19包括在Shape design & Styling模块中（10）Healing Assistant一个极其强大的曲面缝补工具，可以将各种破面缺陷自动找出并缝补。2.1.3 汽车工业的运用汽车工业是全球制造业的支柱产业之一，随着市场需求的改变，汽车的更新换代速度日趋加快，其设计、制造速度的快慢直接制约着汽车工业的发展。现代化设计理念的形成将给汽车发展带来巨大的变革，由此而提出的逆向工程在汽车制造领域的应用将会大大的改进汽车制造业的现状。CATIA是汽车工业的事实标准，是欧洲、北美和亚洲顶尖汽车制造商所用的核心系统。CATIA 在造型风格、车身及引擎设计等方面具有独特的长处，为各种车辆的设计和制造提供了端对端（end to end ）的解决方案。CATIA 涉及产品、加工和人三个关键领域。CATIA 的可伸缩性和并行工程能力可显著缩短产品上市时间。一级方程式赛车、跑车、轿车、卡车、商用车、有轨电车、地铁列车、高速列车，各种车辆在CATIA 上都可以作为数字化产品，在数字化工厂内，通过数字化流程，进行数字化工程实施。CATIA 的技术在汽车工业领域内是无人可及的，并且被各国的汽车零部件供应商所认可。从近来一些著名汽车制造商所做的采购决定，如Renault、Toyota、Karman 、Volvo、Chrysler 等，足以证明数字化车辆的发展动态。Scania 是居于世界领先地位的卡车制造商，总部位于瑞典。其卡车年产量超过50，000辆。当其他竞争对手的卡车零部件还在25，000个左右时，Scania公司借助于CATIA系统，已经将卡车零部件减少了一半。现在，Scania 公司在整个卡车研制开发过程中，使用更多的分析仿真，以缩短开发周期，提高卡车的性能和维护性。CATIA 系统是Scania 公司的主要CAD/CAM 系统，全部用于卡车系统和零部件的设计。通过应用这些新的设计工具，如发动机和车身底盘部门CATIA 系统创成式零部件应力分析的应用，支持开发过程中的重复使用等应用，公司已取得了良好的投资回报。现在，为了进一步提高产品的性能，Scania 公司在整个开发过程中，正在推广设计师、分析师和检验部门更加紧密地协同工作方式。这种协调工作方式可使Scania 公司更具市场应变能力，同时又能从物理样机和虚拟数字化样机中不断积累产品知识。IBM/Dassault一贯对开发很重视，CATIA的新产品的开发非常的迅速。目前的CATIA覆盖了产品开发的整个周期，并且一直保持着其技术领先的优势。开始之初，受计算机硬件的限制，CATIA V4版本是工作站版本。运行在UNIX系统下，而随着计算机硬件的飞速发展，CATIA推出了运行在个人计算机(PC)上的版本CATIA V5。CATIA V5不但具有V4版本的强大功能、还增加了许多新的特性。CATIA V5包含的模块有(以P3版本为例)：基础结构模块、机械设计模块、曲面造型模块、分析模块，AEC工厂模块，NC加工模块，数字模型模块，设备和系统模块，数字程序和加工模块，人机工程设计和分析模块等，各个模块都具有强大的功能。在机械设计模块中，有专门的航空零件设计模块，强大的曲面造型能力是CATIA尤为值得称道的地方，模块中有专门针对汽车设计的模块。而且功能十分实用。2.2 建模前数据准备车架是整车各总成的安装基体，对它有以下要求：（1）有足够的强度。要求受复杂的各种载荷而不破坏。要有足够的疲劳强度，在大修里程内不发生疲劳破坏。（2）要有足够的弯曲刚度。保证整车在复杂的受力条件下，固定在车架上的各总成不会因车架的变形而早期损坏或失去正常工作能力。（3）要有足够的扭转刚度。当汽车行使在不平的路面上时，为了保证汽车对路面不平度的适应性，提高汽车的平顺性和通过能力，要求车架具有合适的扭转刚度。对载货汽车，对扭转刚度具体要求如下：（4）车架前端到驾驶室后围这一段车架的扭转刚度较高，因为这一段装有前悬架和方向机，如刚度弱而使车架产生扭转变形，势必会影响转向几何特性而导致操纵稳定性变坏。对独立悬架的车型这一点很重要。（5）包括后悬架在内的车架后部一段的扭转刚度也应较高，防止由于车架产生变形而影响轴转向，侧倾稳定性等。（6）驾驶室后围到驾驶室前吊耳以前部分车架的刚度应低一些，前后的刚度较高，而大部分的变形都集中在车架中部，还可防止因应力集中而造成局部损坏现象。尽量减轻质量，按等强度要求设计。本文研究的车架为某四轮独立转向实验电动车架，在车架设计之前，初始设计硬点包括：轮距=1070mm；轴距=1320mm；轮最大转向角为45度；离地间隙=150mm；地板高=660mm。车架材料选用Q235异型钢管。总布置要求为装4个尺寸为440mm290mm183mm的蓄电池，2个尺寸为293mm210mm90mm的中央控制器，两个尺寸为225mm200mm50mm的电机控制器，两个一般性座椅。单个蓄电池质量为36kg，单个中央控制器质量为2kg,单个电机控制器质量为4kg,单个座椅质量为10kg。由于采用前、后等宽式车架。初选车架宽度为1070mm,宽20mm,厚20mm。为了保证有足够的扭转刚度，选择两根1322mm加厚纵梁，宽20mm,厚40mm。为了保证有足够大的刚度，不至松动，使其连接牢固，选择焊接车架。2.3 CATIA车架原始模型 图2.3 车架原始模型图 根据初始设计数据及参考同类型车架，在CATIAV5中做出车架的原始模型，用悬臂形式扩展出双层的框架结构，用于容纳其它车身部件。采用两根加厚纵梁保证车身有较大的扭转刚度，又允许了较大的跳动空间。悬架直接固定在车架上。做出车架初始模型如上图2-3所示。2.4 建立有限元模型2.4.1 坐标系及各节点坐标在汽车车身坐标系中，xoz处于车辆左右对称的平面中。当汽车在水平面上处于静止状态时，x轴平行于地面指向正前方，z轴通过汽车质心指向正上方，y轴从驾驶员方向指向副驾驶左方。车架坐标系参考车身坐标系x轴平行于地面指向车辆正前方，Z轴过坐标原点指向上方为正，Y轴由驾驶员指向副驾驶方向为正。选取车架底面中心为原点。对车架模型上的梁编号，因为是对称结构，所以并不是所有的梁都需要进行编号，本文在对各梁的尺寸测量时只选取了其中的一部分。车架的坐标系也反映在图2.4梁尺寸编号中。图2.4 车架梁结构编号根据各梁的结构编号依次测出梁的长、宽、厚、整理如下表2-5所示。表2-5 各梁尺寸列表梁结构编号宽度B（mm）长度H（mm）厚t（mm）120380202202002032018520420345205201852062022220720220208203452092040220102056020112056720122050820132040240142034520152055040162038020172018520整理之后我们得出车架一共含有40个节点，根据梁尺寸及坐标系的定义计算出这40个点的坐标。在ANSYS用节点坐标输入命令建立这40个点，如图2-6与图2-7所示。图2.6 有限元坐标（1）图2.7 有限元坐标（2）2.4.2单元的生成有限元在定义单元之前需要先定义单元的属性，包括单元类型、实常数、材料参数。因为车架定义为梁单元，所以选择188号单元也即BEAM188，BEAM188适合分析从细长到中等粗短的梁结构，非常适合线性、大角度转动及大应变等非线性问题。当KEYOPT(1)=0（缺省）时有六个自由度，绕X、Y、Z方向的平动和转动。当KEYOPT(1)=1时有七个自由度，引入了第七个自由度（横截面的翘曲）。在本文中不考虑横截面的翘曲，选择6自由度。具体操作流程为在主菜单中选择PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete命令，在弹出的对话框中点击Add选择Link3D finit stn 180单机OK完成单元类型定义。因为选择的是BEAM188单元类型，不需要定义实常数，在计算时ANSYS会自动调用这个截面的各种属性。在定义材料的参数时，先在主菜单选择PreprocessorMaterial PropsMaterial Models对话框中选择StructuralLinearElasticIsotropic输入EX（弹性模量）=2.1e5,NUXY(泊松比)=0.3，单机OK完成。然后在StructuralDensity中找到质密度对话框输入DENS（密度）=7.8e-9。由于本文是进行静力分析，应当考虑自重 至此完成单元属性的定义。 完成属性定义后，在工作区将所有节点编号，根据模型拾取各节点，由节点生成单元表2-8 基本参数列表参数项目单元类型质密度泊松比弹性模量重力加速度单位t/mm3N/mm2mm/s2数值BEAM1887.8e-90.32.1e598002.4.3 ANSYS初始模型与单位统一ANSYS14.0中不存在单位的概念，它只会进行数值的运算，所以就需要我们用户自己来统一好单位，在实际问题处理的时候，由于每个人的习惯都不一样，而单位不统一则很有可能导致分析结果严重失真。本文在对ANSYS单位统一的问题上采用毫米制，详细如下表2.7所示。表2.9 ANSYS单位统一名称长度时间弹性模量功变形系数温度应力质量力质密度重力加速度单位在单位统一好之后，我们开始模型的建立，为了防止igs格式文件导入ANSYS使得分析结果失真，本文采用直接建立有限元模型。在建立有限元模型时，直接从单元与节点入手，先通过模型计算出各节点坐标定义模型中的四十个节点，根据命令流定义有限元模型控制几何形状以及每个单元节点的编号，这样做的好处不仅可以防止外部导入文件转换格式时失真而且可以有效的提高计算机的计算效益。通过线单元建立有限元模型如图2-10所示。图2-10 车架初始有限元模型线框图 2.5 本章小结本章介绍了CATIAV5软件的功能与模块，在汽车工业上的运用。根据初始设计硬点及参数初步设计出车架的CATIA模型，取模型下平面作为坐标原点，建立坐标系并计算出所有节点的坐标。在ANSYS14.0软件中建立节点，设置单元属性。讨论了ANSYS关于单位统一的问题并建立好了ANSYS初始模型，为后续的车架静态分析及优化做好了良好的准备。第三章 刚度与强度分析车架强度与强度是评价车架性能很重要的指标。车架支撑各部件总成，还承受着各种力和力矩。汽车在行驶过程中，路面条件非常复杂，比如过山坡而跳起又或者说过低洼而悬空，再如遇到紧急突发状况制动或转弯等，不同的行驶工况会使不同的载荷传递到车架上，所以车架必须具备良好的强度和刚度，不仅保证结构变形小、结构可靠、使用寿命长，还要保证行驶安全性。3.1 行驶工况及载荷分析由于路面状况的不同，车架承受着不同的载荷。载荷的形式主要有弯曲载荷、扭转载荷、纵向载荷和侧向载荷等。其中，弯曲载荷是由于车架自重及各部件总成在重力的作用下产生的，而扭转载荷则是由路面不平导致车身非对称式支撑所造成的，在分析时模拟其中一个车轮悬空来计算；纵向载荷是由汽车加速或制动时的惯性力而产生的；侧向载荷是由汽车转向时离心力所产生的。通常我们把弯曲、扭转、紧急制动和紧急转弯称为汽车行驶的四个典型工况，由于弯曲工况、扭转工况和制动工况对车架结构影响较大，故本文针对上述四个工况对车架有限元模型施加相应的约束和载荷，计算分析这四种工况下的应力与应变，从而校核车架的强度和刚度，也为之后的优化设计提供参考。车架所承受的载荷如下图3-1所示。图3-1 车架载荷分布图3.2 弯曲工况刚度分析满载弯曲工况是指汽车满载状态下，所有车轮紧贴路面时，并且车速保持匀速时车架承受的载荷的响应情况。实际情况中，车架作为承载体在六个自由度方向运动，因各节点的位移不同，加速度也不同，故在计算载荷时应乘以动载系数来校核车架的强度与刚度。动载系数主要与汽车的行驶状况、车架结构和道路条件有关。由于动载系数很难用数学公式计算得出，所以动载系数的取值常参考研究和实验相结合的实验数值。根据实际情况对车架满载弯曲工况的约束作如下处理:根据车架的原始模型，前、后、左、右悬架各取四个支点进行约束，左前悬约束UX、UY、UZ三个方向的平动自由度；左后悬UX、UY方向上的平动自由度；其余支撑点约束垂直方向的平动自由度；所有支撑点释放转动自由度。3.2.1 网格划分在网格划分之前应该选择分析的类型，本次在分析过程中我们选择结构分析，根据设计硬点或者说预先给定的参数定义材料的弹性模量，泊松比、质密度等建立好的有限元模型必须在网格划分好之后才能求解计算，几何模型自身并不参与计算。网格划分控制是分析过程中的一个非常重要的环节，网格划分的好坏直接关系到计算所需要的时间和所能达到的精度，不合理的网格不仅可能影响计算精度，而且可能导致模型无法求解，单元尺寸的控制与网格类型的控制决定了所生成的有限元模型是否满足精度及经济性要求。车架采用线单元，在划分网格之前应设置截面，在主菜单选择PreprocessorSectionsBeamCommon Sections命名，车架材料为Q235方钢，在对话框中输入B=20，H=20，=1.75定义为截面1，同样取B=20，H=40，=1.75定义为截面2，选择设置完成。如不进行指定，ANSYS将采用默认单元尺寸，它将根据单元阶次指定线的最小及最大份数及表面高宽比等。在这个模型上采用全局单元尺寸控制，在主菜单上选择PreprocessorMeshingMesh ToolSize Controls-GlobalSet,在弹出的对话框中，SIZE为最大的单元边长，NDIV为每条线被分成的份数，两者只需指定其一就行了，我们选择SIZE=10。单元尺寸控制好之后在Mesh Tool 中选择两根加粗纵梁赋予截面2，在其余梁上赋予截面1,然后主菜单PreprocessorMeshinglines弹出的对话框中Pick All，选择所有的线单元，完成有限元模型单元的网格划分。对于模