（光学工程专业论文）重型自卸车车架的有限元分析及优化.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 鲤懿阵车= 鼢概优y 2 1 5 6 5 7 3 一 摘要 一 重型自卸车车架是自卸车底盘系统中重要的组成部分，自卸车在行驶 过程中，车架要承受来自道路连续载荷的冲击，也要受到自身发动机工作 时产生的周期载荷激励及其他载荷的影响，其自重也是整车整备质量的重 要贡献源。因此，提高车架的低阶模态频率和车架轻量化，对自卸车整体 优化具有积极的意义。 本文以t y - 1 型重型自卸车车架为研究对象。首先，在h y p e r m e s h 中对 自卸车车架进行弯曲工况和弯扭工况的稳态力学分析，预测车架在常用工 况下易出现失效的位置；介绍车架模态分析的基本理论，运用a n s y s 软件 和d a s p 模态分析软件，对车架进行有限元模态分析和试验模态分析，得 出车架前十阶自由模态频率和振型，验证了本文有限元模型的可信性，并 结合对应的车架模态性能指标评判标准对该车架的振动特性做出了评价。 其次，在a n s y s 中对车架进行谐响应分析，分析路面激励和发动机激 励对车架整体振动性能的影响，得到自卸车车架在外部激励影响下的动态 响应特性；分析自卸车以1 0 m s 的车速行驶在d 级路面上时，车架各点的 瞬态响应，得出车架满足强度要求。 最后，在o p t i s t r u c t 中对车架进行优化，在进行灵敏度分析的基础上确 定优化设计变量，分别进行车架轻量化研究和提高车架低阶模态频率的研 究。在保证车架低阶模态频率和车架刚、强度的前提下，实现了车架质量 8 0 的降低幅度；在控制车架质量和强度的条件下，实现了车架结构的低 太原理工大学硕士研究生学位论文 阶模态频率的改善。 全文从车架三维模型的建立到车架结构的优化都进行了系统的研究， 各个过程的分析结果对于其它相关车型的研究有一定的借鉴意义，尤其优 化分析结果对下一步开发设计新车型和车架结构改进具有重要的指导意 义。 关键词：重型自卸车车架，a n s y s ，h y p e r m e s h ，静力学分析，动力学分 析，优化设计 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 f i n i t ee l e n n ta n a i ，y s i sa n do p t i m i z a r i o no f h e a v y d u t yd u 田t r u c kf ra 匝 a b s t r a c t t h ed u m pt r u c kf r a m ei sa ni m p o r t a n tp a r to fi t sc h a s s i ss y s t e m ，i nt h e p r o c e s so fm o v i n g ，t h ed u m pt r u c kf r a m eh a st ow i t h s t a n dt h ec o n t i n u o u sa n d c y c l i cl o a df r o mi t so w ne n g i n e ，t h er o a da n do t h e r s a n di t sw e i g h ti sa n i m p o r t a n tc o n t r i b u t i o nt ot h ew h o l ew e i g h t t h e r e f o r e ，l i g h tw e i g h t i n ga n d i m p r o v e t h el o wo r d e rm o d a lf r e q u e n c yo ft h ed u m pt r u c kf r a m eh a v eap o s i t i v e s i g n i f i c a n c et ot h eo v e r a l ld u m pt r u c k t h ep a p e rs e l e c t st h et y1 h e a v y d u t yd u m pt r u c kf r a m ea si t sr e s e a r c h o b je c t f i r s t ，a s t a t i c a n a l y s i s i sm a d eo nt h e b e n d i n gc o n d i t i o n s a n d b e n d i n g t o r s i o nc o n d i t i o n so ft h ed u m pt r u c kf r a m ei nt h eh y p e r m e s h ，w i t ht h e p u r p o s e o fp r e d i c t i n gt h el o c a t i o no ff a i l u r eu n d e rc o m m o nc o n d i t i o n s i n t r o d u c et h eb a s i ct h e o r i e so ft h em o d a la n a l y s i s ，u s ea n s y sa n dd a s pt o c o n d u c tf i n i t ee l e m e n ta n dt e s tm o d a la n a l y s e so ft h ef r a m e ，o b t a i n i n gf r e e m o d a lf r e q u e n c i e sa n ds h a p e si nt h ef i r s tt e ng r a d e sa n d v e r i f y i n gt h ec r e d i b i l i t y o ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e li nt h ep a p e ra tt h es a m et i m e c o m b i n i n gw i t ht h e c o r r e s p o n d i n gp e r f o r m a n c ec r i t e r i a ，t h es t u d ya l s oe v a l u a t e st h ev i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h ef l a m e t h e n ，ah a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i si sm a d eo nt h ef r a m ei na n s y s o n t h eo n eh a n d ，t h ed y n a m i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i co ft h ef r a m ei sc o n c l u d e d i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 u n d e rt h ei n f l u e n c eo fe x t e r n a ls t i m u l u sb ya n a l y z i n gt h ei n c e n t i v ei n f l u e n c eo f r o a da n d e n g i n eo nt h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h ef r a m e o nt h eo t h e rh a n d ，i ti s f o u n dt h a tt h ef r a m eh a se n o u g hs t r e n g t ht om e e tt r a n s i e n tr e s p o n s eo fe a c h p o i n tw h e nt r a v e l i n ga tas p e e do f10m so nt h ed - l e v e lr o a d f i n a l l y , r e s e a r c h e sa r ec a r r i e do u tt oo p t i m i z et h ef r a m ea n da d v a n c et h e l o wg r a d em o d e lf r e q u e n c i e s ，埘t 1 1d e s i g nv a r i a b l e sa r ed e t e r m i n e do nt h eb a s i s o fs e n s i t i v i t ya n a l y s i sa n dt h eh e a v y d u t yt r u c kf r a m ei s o p t i m i z e d f o ro n e t h i n g ，t h ew e i g h to ft h ef r a m ei sd e c r e a s e db y8 o o nt h ep r e m i s eo fe n s u r i n g i t sl o wg r a d em o d ef r e q u e n c ya sw e l la ss t i f f n e s sa n di n t e n s i t y f o ra n o t h e r t h i n g ， t h el o wg r a d em o d ef r e q u e n c yo ft h ef r a m ei sm e l i o r a t e do nt h eb a s i so f c o n t r o l l i n gi t sw e i g h ta n di n t e n s i t y a l li n a l l ，t h ep r e s e n ts t u d ym a k e ss y s t e m i ci n v e s t i g a t i o n sf r o mt h e t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l e s t a b l i s h i n g t of r a m eo p t i m i z a t i o n t h er e s e a r c h f i n d i n g sc a ng i v es o m ei m p l i c a t i o n st os t u d i e so fo t h e rr e l a t e dm o d e l s t h e o p t i m i z a t i o nr e s u l t s ，i np a r t i c u l a r , s h a l lh a v es o m eg u i d a n c et ot h en e wt r u c k m o d e ld e v e l o p m e n ta n dt h ef r a m es t r u c t u r ei m p r o v e m e n t k e y w o r d s ：h e a v yd u m pt r u c kf r a m e ，a n s y s ，h y p e r m e s h ，s t a t i c a n a l y s i s ，d y n a m i ca n a l y s i s ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论 汽车工业发展到今天，不论是品种还是规模，都极大满足了国内外汽车市场的需求， 由于其具有很强的产业关联度，因而汽车工业被视为一个国家经济发展水平的重要标志 n 】。在汽车工业发展的前期，人们主要依靠经验和试验模拟对汽车结构进行分析。对于 像汽车车架这种大型的弹性连续体，通常只能得到边界条件极为复杂的微分方程，车架 结构的整体力学特性只能通过对样车在进行一系列复杂的试验后才能获得 2 1 。 2 0 1 1 年我国商用车受宏观政策调整及上两年增速较高双重因素叠加的影响产销下 降，全年产销分别完成3 9 3 3 6 万辆和4 0 3 2 7 万辆，同比分别下降9 9 4 和6 3 1 ，商用 车市场竞争日益激烈，此外人们对商用车性能和外观的要求也越来越高，所以缩短新产 品开发周期、降低制造成本和提高新产品质量成为设计者们研究的重点，也是保证产品 能否在市场竞争中胜出的关键。此时，汽车行业在产品设计和制造领域出现了新的设计 理论和制造方法，以有限元法为代表的计算力学首先在国外汽车领域中得到广泛的应用 和完善【3 1 。 在我国汽车市场，乘用车主要由合资企业生产或从国外进口，国内自主品牌相对较 少，而商用车主要以国内汽车企业生产为主，自卸车作为商用车的重要组成部分，在我 国加入世界贸易组织后，受到了国外产品的强大压力和冲击，与国外同类车型相比，国 内生产的自卸车除了在价格上有稍微的优势外，在动力性、燃油经济性、排放、噪声、 操纵稳定性和舒适性方面均有较大的差距【4 】。面对日益激烈的国内外竞争形势，国内各 汽车制造商都纷纷加大了研发投资水平和研发力度，并和科研、教育机构紧密合作，积 极参加现代汽车设计理论和制造方法的研究，并取得了显著的成果，改善了自卸车有关 性能参数【5 剖。 1 2 课题研究的意义和目的 近几年随着国家扩大内需政策的落实，积极投资基础建设和兴建大型工程，所以对 重型自卸车的需求量逐年增加。重型自卸车在国家建设中发挥着重要而广泛的作用，在 矿山、水利工程、城市建设、公路、环卫等行业中应用。同时，重型自卸车的使用条件 太原理工大学硕士研究生学位论文 也比较恶劣，其车架结构比较复杂，在工作中易受到复杂载荷的作用；车架也是整个自 卸车的基础，作为车辆的承载基体，安装着发动机、传动系、转向系、悬架、驾驶室、 车厢等有关部件和总成，承受着各种力和力矩，在装载、运输和卸载过程中也承受主要 的载荷，因此车架的强度和寿命直接影响着整车是否正常工作及其安全性【7 j 自卸车在行驶过程中，车架要受到来自道路的连续冲击载荷，也要受到自身发动机 工作时产生的周期载荷的激励及其他载荷的影响，从而产生振动和噪声【8 】。当车架结构 与外界载荷频率发生共振时，整个车架的强度将会大幅降低，振动变形和噪声也会急剧 增加，从而严重影响自卸车的行驶稳定性、舒适性以及使用寿命。此外，自卸车车架作 为自卸车底盘系统中重要的组成部分，其自重是整车整备质量的重要贡献源，所以车架 轻量化的实现对自卸车整体轻量化也具有积极的意义。 本文对自卸车车架的稳态力学性能、结构特征以及在外部激励下的动态响应特性进 行系统研究，进而对自卸车车架实际出现的问题、现象进行合理解释，提出车架轻量化 和提高车架低阶模态频率的方案，为车架进一步结构优化设计和改进提供重要参照，降 低车架的开发成本，提高该产品的市场竞争力。 1 3 国内外发展现状 当今，对车辆轻量化和车辆强度的研究越来越精细，计算机应用也比较普遍，国内 外汽车行业已经将有限元分析方法应用于车架强度计算【9 1 。在国外，从6 0 年代起就开始 运用有限元法进行汽车车架结构强度和刚度的计算，r j m e l o s h ，k k i r i o k a 和t h i r a t a 等人在7 0 年代就在美国s a e 杂志上发表了一系列关于汽车有限元模型的文章。当前国 外各大汽车公司利用有限元软件进行车架结构稳态分析、模态分析的技术已经十分成 熟，随机激励响应分析、瞬态响应分析、噪声分析和碰撞分析等问题日渐成为他们研究 的重点。 2 0 0 4 年k i m h s 等人以在极限静态载荷下的车架为研究对象，分析了车架失效表现 形式【1 l j ；h a d a d h ，r a m e z a n i a 等人在2 0 0 3 年，对有限元模态分析结果修正车架设计 方案的可行性进行了研究【1 2 1 。2 0 0 5 年r j y a n g 和c j c h e n 结合实际应用对拓扑优化的 约束定义问题进行了研究，得出以刚度最大化为约束得到的结果比以应力最小化为约束 得到的拓扑优化结果更有实际参考价值【1 3 1 。 l i u ，y u c h e n g 在2 0 1 0 年详细的提出了一种多用途轻型卡车底盘有限元模型。这种卡 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 车底盘模型可以成功用于模拟计算正面碰撞、侧面碰撞和有一定角度的碰撞，仿真结果 正确描述了在不同影响情况下卡车底盘的特点和性能，并且探讨了底盘仿真模型在汽车 碰撞中的作用。通过试验和模拟计算结果的对比，验证了模型在车辆碰撞安全性分析中 的稳定性、可靠性、可重复性和有益性【1 4 】。 w a n g ，j e e r a y 等人在2 0 1 0 年，使用h y p e r m e s h l s d y n a 等有限元分析软件， 分析了载货汽车分别以4 8 ，5 2 ，5 6 ，6 0 公里每小时的速度撞击刚性墙壁时，车辆的结 构变形和安全性能。对该车在不同速度下碰撞后的结构变形和在计算机下c a e 的分析 结果进行对比分析，显示货车驾驶室没有发生严重的变形，结果符合美国、欧盟和日本 设计规范，可以为车辆设计和开发提供参考【1 5 】。 在汽车设计的早期阶段进行试验测试是费时和昂贵的，为了降低成本，通过软件数 值模拟的方法来进行优化设计显得越来越重要。2 0 1 0 年o j ok u r d i 等人使用子建模技术 对锈蚀的卡车底盘进行有限元分析，实现了底盘的轻量化，提高了元件的使用寿命，节 省了开发成本同时提高了开发效率【1 6 】。 国内大约在上个世纪七十年代才把有限元法应用到车架的结构强度设计分析中。虽 然国内在车架分析中应用有限元法比较晚，但随着计算机技术的快速发展和国家综合技 术水平的提高，有限元分析方法在国内汽车领域得到了长足的应用与发展，尤其是近几 年各个高校和研究机构更是取得了丰硕的研究成果。 合肥工业大学在2 0 0 9 、2 0 1 0 年，以重型载货汽车车架为研究对象，运用有限元分 析方法做了大量研究工作并且取得了一定成果。通过对车架进行静、动态电测试验，为 有限元分析提供试验依据，验证了有限元模型的可信性；并且通过模态分析方法验证了 车架模态频率能够避开随机路面激励和发动机激励的影响 1 7 - 1 8 】。另外，在车架优化设计 分析时，结合灵敏度分析结果确定优化设计变量，提出了车架轻量化和提高车架低阶模 态频率两种优化方案，为动态特性试验提供了一定的理论基础；在车架结构改进时通过 变密度法进行拓扑优化，有效地改善了车架结构性能，提高了结构设计的合理性，优化 改进后的车架结构与原车相比，在抗弯扭性和应力分布方面都有所改善 1 9 - 2 0 】。 在2 0 0 8 年和2 0 0 9 年吉林大学的王兴东和荣安琪，运用灵敏度分析理论来指导轿车 车身和重型载货汽车驾驶室模态、刚度、质量的优化设计。针对国产某轿车有限元模型 进行刚度计算分析，在模型修改的基础上对车身刚度灵敏度做了大量分析与实验，优化 后的车身结果使车身扭转刚度得到显著提高，降低了车身结构中的最大应力 2 1 1 。在对重 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 型载货汽车驾驶室进行模态优化设计时，根据灵敏度分析结果确定优化区域，通过对优 化区域进行了形貌优化实现了驾驶室一阶扭转频率的提高瞄】。 2 0 1 0 年武汉理工大学的郝庆军对多缸发动机振动激励下的油罐车车架动态特性做 了研究。在多缸发动机不平衡振动特性的基础上，计算出发动机不平衡力的大小和频率 范围，并以此作为车架激励源输入参数，应用a n s y s 软件进行谐响应分析，获得该车 架在发动机振动影响下的动态响应特性，对研究车架减振具有重要的参考意义【2 3 1 。 2 0 0 8 年华中科技大学的李丽以某货车车架为研究对象，将有限元分析、多体动力学 仿真、疲劳寿命分析及结构优化设计等c a e 技术应用到车架设计当中，形成了完整的 c a e 工程应用体系，对车架等类似结构的改型或重新设计有一定的指导意义，并积累了 一些分析数据，可为相应工程分析提供参考【2 4 j 。 2 0 1 2 年1 月1 1 日，海关总署公布数据显示，2 0 1 1 年中国原油进口量为2 5 3 7 8 万吨， 同比增长6 。2 0 1 1 年我国石油对外依存度达到5 6 5 ，比2 0 1 0 年上升了1 7 个百分点， 我国原油对外依存度已多年持续上升。此外，由于原油价格飙升，全年进口原油共花费 1 9 6 6 6 4 4 7 亿美元，同比增长4 5 3 。同时，国际能源紧张形势日趋加剧，所以节能减 排已成为各大汽车公司在设计时考虑的必要因素【2 5 1 。 汽车每减轻其总质量的l o ，燃油消耗量可降低6 8 嘣2 们，所以汽车轻量化研 究在汽车设计中的地位越来越重要，车架作为汽车整体质量的重要贡献源，它的轻量化 也是整车轻量化的核心。目前，国内外在车架轻量化方面都作了深入研究并广泛应用在 各种车型上，但车架轻量化实现的同时也出现了一些需要解决的问题，如车架强度刚度 降低，模态频率与激励频率相接近。针对上述情况国外在保证车架刚、强度性能，实现 轻量化的同时，对提高车架低阶模态频率已经展开研究，并且取得了一定的成果，国内 对这方面的重视相对较少，相应研究起步较晚。 1 4 本文研究的主要内容 本课题以t y _ 1 型重型自卸车车架作为研究对象，得到了山西省高新技术产业化项 目( 项目编号：2 0 1 1 - 2 3 6 8 ，项目名称：工程专用自卸车开发) 的支持，在p r o e 中建 立车架的三维模型，通过h y p e r m e s h 进行网格划分得出车架有限元模型。应用有限元分 析方法，对车架进行稳态力学分析、模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析和基于灵 敏度分析的车架优化设计，为进一步车架的改进设计提供有价值的参考。具体有以下几 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 个方面： 1 ) 介绍了弹性力学、模态分析理论、灵敏度分析理论、优化设计等相关的理论知 识； 2 ) 在p r o e 中建立t v l 型重型自卸车车架的三维模型，在h y p e r m e s h 软件中对 车架进行网格划分，并将有限元模型导入a n s y s 中，模拟螺栓、铆钉连接和悬架等系 统，得出完整的自卸车车架有限元模型； 3 ) 对车架进行弯曲工况、弯扭工况下的稳态力学分析； 4 ) 通过试验模态分析，得出车架的模态频率和振型，对车架进行有限元模态分析， 将有限元模态分析结果与试验模态分析结果比较，验证车架有限元模型的可信性； 5 ) 在a n s y s 中对t y - 1 型重型自卸车车架进行谐响应分析，得到车架对外部路面 激励和发动机激励的响应特性，为车架减振提供参考；应用瞬态动力学分析自卸车行驶 在d 级路面上时的动态特性，并对相应关键点进行考察分析； 6 ) 基于灵敏度分析，选择对车架质量、一阶扭转频率和一阶弯曲频率灵敏度值较 大构件的厚度作为设计变量，以车架轻量化和提高车架低阶模态频率作为优化目标，对 优化前后的结果进行对比，说明本文提出的优化方案对车架优化设计具有一定指导意 义。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章有限元理论及车架有限元模型的建立 有限元方法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 或有限元分析( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 是求取 复杂微分方程近似解的一种非常有效的工具，是现代数字化科技的一种重要基础性原 理。将它用于科学研究中，可成为探究物质客观规律的先进手段，将它应用于工程技术 中可成为工程设计和分析的可靠工具。严格的来说，有限元分析必须包含有限元的基本 数学、力学原理、基于原理所形成的实用软件和相关的计算机硬件。 建立有限元模型是进行有限元分析的关键，工程问题有限元模型的建立就是将工程 问题离散化为有限元计算模型。车架结构有限元模型的建立主要涉及几何模型的建立与 简化、建模单元的选择和网格划分、连接的模拟和悬架的模拟等内容。对有限元模型进 行分析，分析结果必须能够准确的反应车架在实际工况下的稳态、动态特性。 2 1 有限元方法的基本理论 结构分析主要有两种方法：经典分析方法和数值分析方法。经典分析方法在求解工 程技术领域的实际问题时，由于实际问题的复杂性，很难求得解析解1 2 9 1 。有限元法是数 值分析方法的一种，其原理是离散偏微分方程所在的空间，即用一些结构相对简单的小 区域来代替大的区域，将最初的偏微分方程变成某种形式的矩阵方程，矩阵方程按节点 叠加起来，得到一个总体矩阵方程进而求解。 有限元法的理论基础是变分原理，思想核心是分片插值法则。在变分问题的解法中 可以采用里兹法和加权余量法。里兹法是直接变分法的一种，以最小势能原理为理论 基础。通过选择一个试函数来逼近问题的精确解，将试函数代入某个科学问题的泛 函中，然后对泛函求驻值，以确定试函数中的待定参数，从而获得问题的近似解【3 0 1 。 用一族带有待定参数的试探函数来表示未知的近似解，即 ”u 一= u , a f = n a ( 2 - 1 ) i = 1 其中： a - 待定参数； n _ 一取自完全系列的已知函数。 将( 2 1 ) 式代入泛函，得到泛函表达式，由试探函数和待定参数表：示。将泛函对 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 所包含的待定参数进行全微分，并令得到的方程等于零，即 硼：o 刍r i 嘲+ 婴5 a 2 + + 百a r i 瓴：o ( 2 - 2 ) 觚1 舰氓“ 嘲，国：，均是任意的，上式成立时塑a a , ，里a a 2 ，都必然等于零。因此可以得到一 组方程为 铘 a a 铘 舐 a a 吃 饥 瓴 ( 2 3 ) 这是与待定参数口的个数相等的方程组，所以可求解a 。 采用使余量的加权积分为零来求得微分方程近似解的方法称为加权余量法。加权余 量法是求微分方程近似解的一种有效方法。 2 2 有限元分析基本实现过程 有限元的基本实现过程可以概括为以下六步口8 】： 1 ) 创建求解域的几何模型 创建一个与求解域相似的几何模型，通过c a d 软件创建导入有限元软件中，也可 直接在有限元前处理软件中建模。 2 ) 几何模型的离散化 将创建的连续求解域离散成网格分块区域的集合体，这是有限元分析最为关键的一 步。 3 ) 单元分片插值 单元分片插值与计算结果精度直接相关。单元内部场变量的插值，可以选用线性函 数，也可以通过二次以上的函数。 4 ) 建立离散系统的有限元方程 离散系统的有限元方程是单元特性关系根据相邻单元的连续性集合而成的奇异性 方程。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 ) 边界条件的引入及求解代数方程组 将边界节点处的边界条件引入有限元方程组中，求解线性代数方程组，得到未知场 变量在节点处的数值。 6 ) 导出物理量和可视化处理 通过插值模式导出物理量，并在可视化后处理程序中绘出各种变量的线图和分布 图。 2 3 有限元模型建立原则 有限元模型是进行有限元分析的基础，它为计算提供所有原始数据。建立合理的有 限元模型是进行准确有限元分析的关键，在建模中一般遵循以下两个基本原则【1 7 】： 1 ) 保证有限元计算精度 保证有限元计算精度，对利用分析结果进行验证、修改和指导现实设计具有重要的 意义，否则分析结果的价值就会降低。 2 ) 控制有限元模型规模 节点数和单元数可以直观的反应模型规模，对于同一个问题，节点数和单元数越多， 则其规模越大。在前处理阶段一般采用简化几何形状的方法来控制模型规模。 2 4 自卸车车架建模准备 2 4 1 车架材料性能和单位制 自卸车车架由左右纵梁、衬梁、若干横梁及附件通过铆接或焊接方式组合而成，各 种截面梁通常是由钢板冲压而成。由于自卸车的工作条件恶劣，工况比较复杂，承受载 荷较大，所以本文根据g b t 3 2 7 3 2 0 0 5 汽车大梁用热轧钢板和钢带选用5 1 0 l 作为 本文车架的材料，表2 一l 为自卸车车架材料属性。 表2 1 自卸车车架材料属性 t a b2 1e n g i n el o a dc h a r a c t e r i s t i cc u r v e 材料弹性模量( m p a )泊松比密度( t m 3 )下屈服强度( m p a ) 5 1 0 l2 1 1 0 50 37 8 5 1 0 。93 5 5 在有限元软件运算的过程中一般都不规定所使用物理量的单位，但在处理相同问题 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 的过程中，每个物理量的单位应该保持统一。根据本文中所使用a n s y s 软件、 h y p e r w o r k s 软件的特点和参考c a e 分析常用计量单位，选择表2 2 所示的单位制 作为有限元模型各物理量的单位。 表2 - 2 单位制列表 t a b2 - 2s y s t e mo fu 1 1 k sl i s t 单位制质量长度时间力 应力 毫米吨秒 t o nm msn田a 2 4 2 车架几何模型简化 对车架几何模型进行简化是建立车架有限元模型的一个重要过程。模型简化的目的 是为了提高有限元分析的效率，充分使用计算机资源，在提高计算精度和降低计算时间 的矛盾中寻求一个比较合适的平衡点。同时，模型简化在保证计算分析精度的前提下， 还需要保留结构的主要特征和力学特征，忽略次要和不必要的几何特征。 车架结构中有较多的小尺寸结构，如小孔、倒角等，通常它们的作用是为了局部连 接或者工艺上避让一些管路、线束，而不是从提高刚度强度方面来考虑的，所以对车架 结构中类似的细微环节进行适当简化对车架整体刚度、强度性能的影响很小。 在进行车架结构简化时应遵循以下原则【3 l 】： 1 ) 简化后模型必须能够充分反映实际结构的力学性能。针对车架上的一些不受力 或受力很小的零件，在结构分析的过程中它们的存在不影响分析结果的精度，反而会占 用更多的计算机资源，在这种情况下可将其省略。 2 ) 车架纵梁和横梁上的孔有的是装配需要而设置的工艺孔，有的是为了在车架上 安装附件或是减轻质量而加工的结构孔，通常情况下孔径超过2 0 m m 的孔需要保留， 因其对车架局部应力影响明显，孔径较小的孔可以忽略掉。 此外，对所重点关心的部位要少简化或是不简化，对远离所关心部位的区域，可在 不影响所关心部位响应的条件下作较大简化。 2 5 自卸车车架有限元模型的建立 本文研究的t y _ 1 型重型自卸车车架采用边梁式结构，其三维模型图如下图2 1 所 示。纵梁与横梁采用铆钉铆接的方式进行连接，主要由纵梁、衬梁、活动横梁总成、第 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 一拱形梁总成、第二拱形梁总成、中间横梁总成和后横梁总成。纵梁高为3 0 0 m m ，翼 面为8 0 m m ，厚度为8 m m ，衬梁为通衬梁，高为2 8 4 m m ，翼面7 0 r a m ，厚度为8 m m 。 整个车架采用前宽后窄的结构，前端宽1 0 0 0 m m ，后端宽8 5 0 m m ，其轴距为 3 8 0 0 + 1 3 5 0 m m 。 活 2 5 1 模型的导入 图2 1 p r o e 中车架三维模型 f i g u r e2 - 1p r o ef r a m et h r e e - d i m e i l s i o r l a lm o d e l 总成 后横梁总成 本文建立t v l 型自卸车车架有限元模型的过程分成以下两步： 1 ) 在三维软件p r o e 中做出车架各个构件的三维模型，并进行装配得到车架的三维 模型装配图，然后将三维模型导入h y p e r m e s h 中； 2 ) 在h y p e r m e s h 中对装配模型中的每个部件进行抽取中面、几何清理、划分网格、 模拟连接和模拟悬架等操作，划分完网格后的车架模型如图2 2 所示。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 5 2 单元类型的确定 图2 - 2 车架h y p e r m e s h 模型 f i g u r e2 - 2t h ef r a m em o d e lo fh y p e r m e s h 本文选择s h e l l 6 3 板壳单元、s o l i d 4 5 实体单元、c o m b i n l 4 弹簧单元和m p c i8 4 多 点约束单元进行车架的有限元建模。 s h e l l 6 3 单元的单元示意图如图2 3 所示。单元每个节点具有6 个自由度，沿节点坐 标系x 、y 、z 方向的平动和沿节点坐标系x 、y 、z 轴的转动。 在进行三维固体结构构造时通常选用s o l i d 4 5 单元，每个s o l i d 4 5 单元有8 个节点， 每个节点有3 个沿着x 、y 、z 方向平移的自由度，单元示意图如图2 4 所示。 c o m b i n l 4 单元能够承受轴向和扭转载荷。承受轴向载荷时弹簧阻尼器每个节点具 有x 、y 、z 三个移动自由度，不考虑弯曲和扭转应力。承受扭转载荷时弹簧阻尼器每 个节点有r o t x 、r o t y 、r o t z 三个旋转自由度，不考虑弯曲和轴向应力，单元示意 图如图2 5 所示。 m p c i 8 4 单元包括使用拉格朗日乘子法实现运动约束的一类常用多点约束单元，可 以用来传递力和力矩，也可以把两个节点的某些自由度约束在一起，使i 、j 两个节点具 有相同的自由度，单元示意图如图2 6 所示。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 x 图2 - 3s h e l l 6 3 单元 f i g u r e2 - 3s h e l l 6 3e l e m e n t 图2 - 5c o m b i n l 4 单元 f i g u r e2 - 5c o m b i n l 4e l e m e n t 2 5 3 连接的模拟 单元坐标系 z 图2 - 4s o l i d 4 5 单：元 f i g u r e2 - 4s o l i d 4 5e l e m e n t 图2 - 6 m p c i 8 4 单：元 f i g u r e2 - 6m p c 18 4e l e m e n t 车架是由各构件通过一定装配方式而组成的组合结构，所以能否对车架中的各种连 接方式进行正确的模拟，直接影响到车架计算结果的准确度。 车架的纵梁、衬梁、横梁及连接板之间是通过螺栓或铆钉进行连接的。由于板壳单 元每个节点具有六个方向的自由度，所以需要选择在每个节点都具有相同自由度的连接 单元来进行连接的模拟，进而保证在分析时力和位移能够正确传递。根据m p c i 8 4 单元 的特点，在本文研究中选择m p c i 8 4 单元来模拟连接，如图2 7 所示。 1 3 l 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 5 4 悬架的数值模拟 图2 7 连接的模拟 f i g u r e2 - 7c o n n e c t i o ns i m u l a t i o n 悬架是汽车的车架与车桥或车轮之间的一切传力连接装置的总称，传递作用在车轮 和车架之间的力和力矩，并缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，衰减由此引起的 振动，以保证汽车行驶的平顺性口卯。 本文研究的t y - 1 型重型自卸车采用钢板弹簧式悬架，钢板弹簧是汽车悬架中应用 最广泛的一种弹性元件，它由若干片等宽但不等长( 厚度可以相等，也可以不相等) 的 合金弹簧片组合而成的一根近似等强度的弹性梁，既是悬架的弹性元件，又是悬架的 导向装置【1 0 】。其中前悬架采用的是纵置板簧式非独立悬架，后悬架采用等臂式平衡悬 架，能够保证中、后桥车轮垂直载荷相等。 在计算和模拟中为了尽量得到车架实际使用过程中的真实应力分布情况，需要 模拟出合理的悬架有限元模型。由于轮胎刚度比钢板弹簧刚度大很多，因此轮胎对 路面输入或其它载荷输入的影响较小，所以在进行车架分析时忽略轮胎对分析的影 响。 前、后悬架的结构如图2 8 所示。根据钢板弹簧的结构和工作原理，用c o m b i n l 4 单元和m p c i 8 4 单元来实现悬架的模拟，刚性梁单元起导向作用，弹簧单元起缓冲作用。 弹簧单元的刚度c 可以通过公式( 2 4 ) 计算求出【3 3 】。 c = 否1 丁4 e n b h 3 ( 2 - 4 ) 其中： 14 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 一挠度增大系数； b 一材料弹性模量，2 1 x 1 0 1m p a ； n _ 钢板弹簧叶片数目，前钢板弹簧1 0 片，后钢板弹簧1 2 片； b 钢板弹簧的宽度，前钢板弹簧9 0 m m ，后钢板弹簧9 5 r a m ； h _ 钢板弹簧叶片厚度，前钢板弹簧1 6 m m ，后钢板弹簧2 5 m m ； 嗍板弹簧的伸直长度，前钢板弹簧1 8 0 0 m m ，后钢板弹簧1 3 5 0 m m 。 根据参考文献【3 3 ，艿的值选择1 3 5 。由上式得出前钢板弹簧的刚度为5 0 0 n m m ， 后钢板弹簧的刚度为4 2 6 0 n m m ，所以k l = k 2 = 2 5 0n m m ，k 3 = k 4 = 2 1 3 0n m m 。 前、后悬架的模拟如图2 - 9 所示。模拟后悬架时，需要保证刚性梁单元上的节点a 与车架上的节点b 重合，对a 、b 两个节点进行x 、y 、z 三个方向上平动自由度和r o t x 、 r o t y 转动自由度的耦合。 弋，形夕；酗献诚豫褥 ； 趴l j 熊 一 群满 曜熊蠡盘蚕耋邑当毽当 图2 8 前、后悬架的结构 f i g u r e2 - 8t h es t r u c t u r eo ft h es u s p e n s i o n 弹簧荤元 图2 - 9 前、后悬架模拟 f i g u r e2 - 9s u s p e n s i o ns i m u l a t i o n 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 5 5 车架整体有限元模型建立 在h y p e r m e s h 中a n s y s 模板下，定义材料并对单元赋予属性，创建连接单元和悬 架。然后在h y p e r m e s h 的e x p o r t 界面导出c b d 文件，如图2 - 1 0 所示。打开a n s y s 软 件，在f i l e 下通过r e a di n p u tf r o m 把上面生成的c b d 文件导入到a n s y s 中，车架在 a n s y s 中的有限元整体模型如图2 1 1 中的所示。 图2 - 1 0h y p e r m e s h 导出窗口 f i g u r e2 - 1 0h y p e r m e s he x p o r ti n t e r f a c e 本章小结 图2 1 1 车架整体有限元模型 f i g u r e2 - 11f r a m et h eo v e r a l lf i n i t ee l e m e n tm o d e l 主要介绍了有限元基本理论知识，有限元模型的建立原则，几何模型的简化，单位 制的确定以及建模中所用各单元的单元特性。探讨了连接单元和悬架的模拟过程，最后 建立了t y - 1 型重型自卸车车架的整体有限元模型。 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章车架稳态力学分析 自卸车车架是整个自卸车的主要承载件，其不仅使用工况非常恶劣，而且受力状况 也十分复杂。因此，车架应该有足够的刚度和强度，保证安装在其上的有关机构之间的 相对位置，使汽车在行驶过程中保持不变并保证整车的变形量最小；保证车架有足够的 可靠性和寿命，使其在寿命期内不产生严重变形和开裂。车架的刚度和强度不仅关系到 车辆能否正常行驶和整车安全性的好坏，而且也是对车架进一步进行优化设计和结构改 进的基础。 本章针对自卸车车架在弯曲工况、弯扭工况下，利用有限元软件h y p e r m e s h 进行车 架在上述两种工况下的稳态力学分析，并对该车架强度、刚度进行正确的评定。 3 1 稳态力学分析基础 稳态力学分析计算在固定不变载荷、惯性载荷和随时间变化非常缓慢的载荷作用下 结构的响应 3 】。在有限元分析过程中，稳态力学分析的控制方程为下式： k u = f ( 3 1 ) 其中： 母一结构刚度矩阵； 一位移向量； 毋一载荷向量。 对车架在各个典型工况下的稳态力学分析结果，可以根据第四强度理论选择 v o n m i s s 等效应力来判断车架结构的强度【3 4 】。 v o n m i s s 等效应力可以表示为： q = 三 ( q 一) 2 + ( c r 2 一吧) 2 + ( 一q ) 2 】 ( 3 2 ) 强度条件表示为： 仃 l ，说明在相应的工况下运行白卸车车架强度是符合要求的；否则， 说明自卸车车架在此工况下的强度不符合要求，会因强度不足发生破坏。 3 2 车架基本载荷的确定 车架满载时的载荷主要包括：动力总成的质量、驾驶室和乘员的质量、车厢和装载 货物质量、油箱质量、电瓶质量和备胎质量等，各部件的具体质量如下表3 1 所示。 表3 - 1 各部件质量 t a b l e3 - 1t h e w e i g h to f v a r i o u sc o m p o n e n t s 部件名称 质量( 埏) 部件名称 质量( k g ) 动力总成1 1 0 0油箱 2 0 0 驾驶室和乘员6 0 0电瓶5 0 车厢和装载 3 0 0 0 0 备胎 7 0 对动力总成、驾驶室和乘员、油箱和电瓶等质量，采用集中力加刚性连接的方式来 模拟，如下图3 1 所示；因为备胎是安装在车厢上面的，对车厢、装载质量及轮胎均采 用分布载荷的方式施加在相应节点上。 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 3 车架弯曲工况分析 图3 1 集中力加载模拟 f i g u r e3 - 1e n g i n el o a dc h a r a c t e r i s t i cc u r v e 弯曲工况分析主要针对自卸车满载，所有轮胎都着地情况下，