（光学工程专业论文）zb1032ldd欧铃汽车车架有限元分析与改进设计.pdf

大连理： 大学专业学位硕士学位论文 摘要 汽车车架是整个汽车的基体，汽车的绝大多数部件和总成都是通过车架来固定其位 置的，并且它还承受着车内外的各种载荷。深入了解车架的承载特性是车架结构设计改 进和优化的基础，也是保证整车性能的关键。随着计算机硬件和计算技术的发展，有限 元方法已经成为车架静力学、动力学性能数值分析的重要工具。 本文结合工程实例，在介绍了有限元法的基本思想、理论和方法后，对轻骑z b l 0 3 2 欧铃汽车原车架的应力、位移分布情况及固有频率、振形的动态特性作了一些分析，求 得亍漠前2 6 酚涸有频率：并得到了萁m 毯s e s 应力分布图及前午阶模态。 一 ! “通过对原车架静止工况下m i g s e s 应力分布图的分析，对轻骑z b l 0 3 2 l d d 欧铃汽车、 车架提出l1 0 套改进方案，并对每套方案进行了有限元分析，得出了每套方案的m i s s e s 应力分布嘎。一j。i - 一 j j ，j，i ， ：。 通过对1 d 套改进方案的对比及分析，对轻骑z b l 0 3 2 l d d 欧铃汽车车架用第1 0 套改 进方案进行了试制与试验，并跟踪收集试验数据。 最后总结本文主要工作，对今后需要做的工作做了一些介绍，并对有限元方法在今 后汽车工程领域的发展前景作了一下展望。 关键词：有限元法；车架；结构分析；结构优化设计 韩凯：z b l 0 3 2 l d d 欧铃汽车车架有限元分析与改进设计 a b s tr a c t t h ev e h i c l ef r a m ei st h ef o u n d a t i o no ft h ee n t i r ev e h i c l e ，t h em a j o ru n i t sa n dt h e a s s e m b l i e sf i xi t sp o s i t i o nt h r o u g ht h ef r a m e ，a n di ti sw i t h s t a n d i n ga n yk i n d so fl o a d si n s i d e a n do u t s i d et h ev e h i c l e t h o r o u g h l y n d e r s t o o do ft h el o a d s u p p o r t i n g c h a r a c t e r i s t i c so ft h e f r a m ei st h ef o u n d a t i o n ，w h i c ht h 6f r a m es t r u c t u r a ld e s i g ni m p r o v e s 哪do p t i m i z e s ，a n da l s oi s t h ek e yt h a tg u a r a n t e e st h ee r f f i r e , v 。e h i c l e p e r f o r m a n c e a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e h to f c o m 矗u t e rh a r d w a r ea n dt e i h n o l o 巍摇ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dh a sb e ；nt h ei m p 6 d a n tt 0 苦 i s 甜 i n u m e r i c a l ) v a h i er e s e a r c h 5 6 f t h es 蕊i 0 赫dt h ed y n 盎i c o f t h 幽啪盎x o ! 。c o m b i n e dw i t ht i i e e n g i n e e r i n ge x a m p l e t h i st h e s i sa n a l y z e s t h ef r a m es t r e s s d i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i n g s t a t u s ，。i n h e r e n c e sf r 鹎u e n c ya n dv i b r a t i o nd y n a m i cc h a r 。a c t e r i s t i co f t h e q m g q i - 0 u l i n g z b l 0 3 2 l d d ! v e h i c l e f l a m ea n 曩i n t r o d u c i n g t h e b a s i c t h i n k i n g 、t h e o r y 州 m e t h o d s ，e d u c e d f r o n tt w e n t yi n h e r 铋e sf r c q u e n c 、m i s s e ss 晶s ；d i s 劬i l t i o np i c t 面a n a f r o n tt e ns t e p s 、s i m u l a t i o nm o d a l i t y a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h eo r i g i n a lf l a m em i s s e ss t r e s sd i s t r i b u t i o np i c t u r eo n q u i e s c e n c e c o n d i t i o nb r i n gf o r w a r d , t e ni m p r o v e dp r o j e c ta n dm i s s e ss t r e s sd i s t r i b u t i o no f e a c hp r o j e c tt ot h eq i n g q io u l i n gz b l 0 3 2 l d dv e h i c l ef l a m e a c c o r d i n g t ot h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i st r i a l - m a n u f a c t u r ea n de x p e r i m e n t a t i o nu s i n g t h et e n t hp r o j e c tt oq i n g q io u l i n gz b l 0 3 2 l d dv e h i c l e 缸d 1 n ea n dc o l l e c td a t a a tl a s ts u m m e r i z et h em a i nt a s ko f t h et h e s i s ，i n t r o d u c et h em a i nt a s ka f t e r t i m e ，a n dh a v e a ne x p e c t a t i o nt ot h ea n s y sm e t h o di nt h ea r e ao f t h ef i e l do f t h ev i h i c l ee n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；v e h i c l ef r a m e ；s t r u c t u r a la n a l y s i s ；s t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o n 大连理：l ：大学专业学位硕士学位论文 1绪论 1 1 引言 现代汽车绝大多数都具有作为整车骨架的车架，其作用是支承连接汽车的各零部 件，并承受来自车内外的各种载荷。车架是整个汽车的基体，汽车的绝大多数部件和总 成都是通过车架来固定其位置的。目前，汽车车架的结构型式基本上有两种：边梁式车 架和中梁式车架( 或称脊骨式车架) ，其中尤以边梁式车架应用更广。 边梁式车架由一两根泣于两边的纵梁和若于根横梁组成i 用铆接法或焊接法将纵梁和 横梁连接成鏖固的词0 侄结构。级梁通常用低合金钢钢板冲瞌而成：断亩一殷为槽形j ：也5 有的做成z 字形或箱形断面。根据汽车型式不同和结构布置的要求，纵梁可以在水平面 内或纵向平面内作成弯曲的，以及等断面或非等断面。横梁不仅用来保证车架的扭转刚 度和承受纵向载荷五而且还用以支承汽车上主要部件。通常货车约有五根至七根横梁。 边框式车架的结构特点是便于安装车身( 包括驾驶室、车厢及一些特种设备) 和布置其 它总成i 有利与改装变型车和发展多品种汽车。因此被广泛采用在货车和大多数特种汽一 车上。中梁式车架只有一根位于中央贯穿前后的纵梁，因此称为脊骨式车驾。中梁的断 面可做成管形或箱形。邀种车架由较大的扭转刚度并使车轮有较大的运动空间，因此被 采用在某些轿车和货车上。 深入了解车架的承载特性是车架结构设计改进和优化的基础，也是保证整车性能的 关键。过去汽车设计多用样车作参考，这种方法不仅费用大，试制周期长，而且也不可 能对多种方案进行评价。随着计算机硬件和计算技术的发展，现代车架设计已经可以在 设计阶段对车架的力学性能进行计算与分析、预测和模拟。 汽车车架是一个复杂的力学结构( 包括复杂的几何形状、复杂的载荷作用、复杂的 支承约束等) ，虽然可以根据力学原理写出它们的基本方程和边界条件，但是往往不可 能得到它们的解析解，这是因为车架的实际问题是非常复杂的。 克服复杂结构计算分析困难的途径一般可归结为两类：一种是对复杂的问题作种种 简化，提出许多假设，回避一些难点，最终简化为一个能够处理的问题。这种方法有时 是可行的，但是由于太多的简化和假设，通常导致极不准确甚至错误的解答。另一种可 供选择的方法是尽可能保留问题的各种实际状况，尝试寻求近似的数值解，放弃封闭形 式的解析解。这是因为近似数值解也可以满足工程实际需要。在计算机和计算技术飞速 发展并广泛应用的今天，这已成为较为现实又非常有效的选择。这些近似数值方法主要 有差分法、有限元法、边界元法和有限体积法等。在众多的近似分析方法中，有限元法 是最为成功、最为广泛的方法。 有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式在节点 处相互连接在一起的单元的组合体。由于单元能够按照不同的联合方式进行组合，且单 韩凯：z b l 0 3 2 l d d 欧铃汽车车架有限元分析与改进设计 元本身叉可以有不同的形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。有限元法作为数 值分析方法的另一个重要特点是利用在每个单元内假设的近似函数来分片的表示全求 解域上待求的未知场函数。单元内的近似场函数通常由未知场函数或及其导数在单元的 各个节点的数值和其插值函数来表示。有限元法最终将原问题转换为以节点自由度为未 知量的代数方程组( 线性的或非线性的) ，这一方程组可以方便地通过计算机来求解。 三十多年来，有限元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题； 由静力问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题；分析的对象从弹性材料扩展到塑性、 粘弹性、粘塑性和复合材料等；从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领 域。在工程中的分析作用：已从分析和校核发展到优化设诗并和计算机辅助设计技术相结 合。 目前采用的车架有限元分析模型一般有两种：梁单元模型和组合模型等。梁单元模 一型是将车架结构简化为有一组梁单元组成的框架结构，以梁单元的截面特性来反映车架 的实际结构特性。其优点是划分的单元数目和节点数少，计算速度快，而且模型前处理 工作量不大，适合初选方案。其缺点是无法仔细分析车架应力集中问题，因而不能为车 架纵、横梁连接方案提供实用帮助。组合单元模型则实际采用梁单元和采用板壳单元进 行离散。在实际工程运用中，由于车架是由一系列薄壁件组成的结构，且形状复杂，易 离散化为许多板壳单元的组集。其缺点是前处理工作量大，计算时间长，然而随着计算 机技术的不断发展，这个问题已得到很好的解决，而且由于大型有限元软件的支撑，巨 大的前处理工作绝大部分可由计算机完成。组合模型使得对车架的分析计算更为精确， 能为车架设计提供更为有利的帮助。 1 2 车辆工程领域c a e 的发展趋势 现在在车辆工程领域，c a e 的运用已经越来越广泛，其主要发展趋势有以下几方面： 一由静态分析向动态分析发展： 1 稳态动力分析( 特征值分析、谐响应分析) ； 2 瞬态动力分析； 3n v h 分析： 4 随机振动分析( 谱分析) ； 5 疲劳、寿命分析。 二由零部件分析向整机分析发展： l 包含装配关系的整机模型； 。2 多种非线性耦合。 三由单因素分析向模拟实际工作状态的仿真分析发展： l 实际、复杂工况模拟： 火连理 ：大学专业学位硕七学位论文 2 多物理场耦合： 3v p g 技术： v p g 方法可对任何基于非线性动力学问题进行模拟分析。v p g 集成化的程序组 件克服了现存c a e 软件的局限，可以完成从简单的连接件力学特性模拟到复杂 如整车的碰撞、耐久性和振动等系统级的非线性特性分析。 四覆盖件成形的全过程仿真： 1 成形仿真： 2 ：模面设计； 3 ；坯料工程： 4 回弹补偿。 五车辆的被动安全性分析： j 尊车擘撞时产生的冲击力虿仅很夯：而县很善转。弯碰摹笋瞬间冲击力的波形笋碰 撞的速度0 相撞双方的质量分布、接触处的形状、材料、：；变形等等因素有关。汽车结构 十分复杂? 即使采用三维高速摄像手段，也很难得到汽车的内部关键部件的应力变形情 况，从而为汽车结构碰撞安全性的改进设计提供非常重要的分析依据。早期汽车耐撞性 研究主要是进行各种条件下的碰撞试验，需要花费大量的金钱和时间，采用有限元方法 进行汽车碰撞研究，在设计阶段就可以提高汽车的碰撞安全性，有利于降低汽车的研发 成本和缩短设计研发周期。所以，自上世纪8 0 年代以后，汽车碰撞安全性的；糙分析 得到了迅速的发展。 韩凯：z b l 0 3 2 l d d 欧铃汽车车架有限元分析与改进设计 2 有限元分析基础 结构的有限单元法，是以弹性力学基本理论作为有限单元法原理的基础，通过对弹 性体进行离散化，单元特性分析，总刚度方程的建立，等效节点力的计算，解答收敛性 的讨论以及实施步骤等有限元用于结构分析的基本原理和方法。在众多的近似分析方法 中，有限元法是最为成功、最为广泛的方法。 ，! ：有限元法最先应用于航空工程，现已迅速推广到机械与汽车、造船、建筑等各种工 程技术领域j 并从固体力学领域拓展到流体譬电磁学和热传导等学科。j 在机械与汽车结 构分析中有着广泛的应用。 2 静力分析有限元法 。j i 本节主要介绍基于弹性力学趣论的静力分析有限! 菀_ 法。 ” 。 ： 2 1 1 弹性力学空间问题基本方程 ， j 对于弹性体内任一点的应力、应变和位移可以矩阵表示为： p ) = 每，o y o - z z - x vkr 。f p = p ，占，占：如y 。 7 扩) = 缸vw ) 7 2 1 1 1 平衡方程 平衡方程为： - 忙) + 僻 = 0 ( 2 一1 ) 其中 m = 2 1 1 2 几何方程 几何方程为： 旦。 缸 0 旦 们 00 0 旦 o y o 旦 盘 旦0 玉 。旦 七 旦o aa 西玉 扛 = k r 驴) 4 f x l 2 谢 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 大连理：i ：大学专业学位硕士学位论文 2 i 1 3 物理方程 物理方程为： 式中 【d 】蹦 矗 = p 括) 0 0 0 o 1 2 血 2 ( 1 一) oo00 0 ，o 0 0 ? 0 1 2 l 互f 列 ( 2 5 ) ( 2 - 4 ) 称为空间问题的弹性矩阵。 方程式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 - 3 ) 是弹性力学一般空间问题的基本方程，根据此方程， 再加上边界条件，就可以求解弹性力学的空间问题，得到应力、应变和位移。 2 1 1 4 边界条件 按照边界条件的不同，弹性力学问题分为位移边界问题、应力边界问题和混合边界 问题。 ( 1 )位移边界条件 ( 2 ) 在位移边界问题中，物体在全部边界上的位移分量是已知的，即 扩 = 以( 在s ，上) ( 2 6 ) 其中 饥 = 函，ku r 其中u ，、u 和m 是位移的边界值，“、v 和w 在边界上是坐标的已知函数。 ( 3 )应力边界条件 ( 4 )在应力边界问题中，物体在全部边界上所受的面力分量是已知的，即 留 = 矿( 在& 上) ( 2 7 ) 其中 生力 o o o 2 l | n 。 上砸 一叫卢一叫1。o 一卜卢一卜。1。o+徊 p一。叫一唧o加 。 芦一一o m ，、p 韩凯：z b l 0 3 2 l d d 欧铃汽车车架有限元分析与改进设计 k 0 b 】_ l 0 n y io0 扩 = k 忙 0 n 。0 0 n ，n ： n ：0n r 研= 管f 乏f 而混合边界问题是指物体的一部分边界具有己知位移，因而具有位移边界条件，另 一部分边界则具肴舌知面为，因而具有应南边界件。此外，在同南芬边算上，还可 能 ! i ! j 现漉合蔡件j 2 1 2 虚位移原理 ，： ：警性体印虚挚壕粤可5 以叙述如下? 9 单世体中满足平衡的力紊在隹蓑嗲足协调条件的 变形状态上做的虚功等于零，即外力的虚功和内力的虚功之和等于零。洳作用在处于平 衡状态的弹性体上拍外力用列阵 ， 衾示：各个外力十乍用点相应的虚砬移以列阵 表 示，而引起的虚应变用列阵# + 表示： 4 峨：讧iy ? 主? x iy iz i 扛) = 乞：v w “+ j 谚以 叠) ：k 占：占：疋y ：疋 则根据弹性体的虚位移原理，得弹性体的虚功方程为： p r f ) 7 ， = 肚+ r 扫扭c 删( 2 - 8 ) 2 1 3 静力分析有限单元法 有限单元法的三个主要内容是连续体的离散化、单元分析和整体分析。”。 2 1 3 i 连续体的离散化 所谓连续体的离散化，就是通过单元分割、载荷移置与约束简化，把一个形状各异， 又受各种形式载荷和各种约束的连续弹性体离散为一个仅在节点连接、仅靠节点传力、 仅受节点载荷、仅在节点处约束的单元组合体。 2 1 3 2 单元分析 单元分析的目的就是建立单元刚度方程，以薄板矩形单元为例。 ( 1 ) 结点位移向量和节点力向量 6 大连理工火学专业学位硕士学位论文 薄板矩形单元及其结点位移、节点力如图1 所示， 卜。t + o 。图1 ：带雌矩形单元及其筘点位移j 节点力+ 。 ， f i g 1r e c t a n g l ei = l a t ee 1 e m 、e n ta n di t s ；n o d ed _ i s p l a c e m e n t sa 确n o d f 。r c e s ； 结点位移向量为： a h 刚r = ( 刳，( 耕 ( 2 - 9 ) 结点力向量为： ( 只) = 彬m 。m 。) 7 ( 2 - 1 0 ) 为方便分析和推导，如图1 所示，建立了局部坐标系d 勃，整体坐标x ，y 与局部坐 标勖的坐标变换关系为： x = + 口亏y = y o + 幼：半y 。：! 学 ( 2 ) 单元位移模式 由薄板弯曲可知，薄板弯曲变形状态完全由版中棉的横向位移( 挠度) ，所决定。 一个矩形薄板单元有四个节点，每个节点有四个位移分量，因此，薄板单元的位移模式 应当是包含1 2 个参数的多项式： w = a i + 口2 吾+ 口3 r + t z 4 誊2 + 口5 勃+ 口6 r 2 + t t 7 孝3 + 口8 善2 r + 口9 勃2 + 口1 0 r 3 + 口l l 亭3 r + 口1 2 勃3 ( 2 1 1 ) 其中口i ，口2 ，2 为1 2 个任意常数。转角的位移为： 以2 詈2 b ( a + a s 毒+ 2 0 ：6 7 + a 8 冉2 嗍+ 3 a l o r 2 + a h 冉3 耵) 1 2 ) 巳= 一面0 w = 一= 1 ( 口：+ 2 a 。吾+ ，7 + 3 口，善2 + 2 0 q 勿+ 口，矿+ 3 吼。孝2 叩+ 口。：叩3 ) 由节点的1 2 个自由度求出位移模式的1 2 个待定常数，可得以形函数表示的结点位 移 w = 【n ) 。 ( 2 1 3 ) 韩凯：z b l 0 3 2 l d d 欧铃汽车车架有限元分析与改进设计 其中， 】为形函数矩阵，【】= 【m 】 n j 】【虬】【。】 ( 3 ) 单元刚度方程 用虚功方程建立单元刚度方程： 扩r = ( l 陋n 。p 】j l 出咖) r ( 2 - 1 4 ) 则单元刚度方程 k r = j f 陋】7 暖p k 碡哆 ：i 1 2 1 5 ) j 扩r = k r r ( 2 1 6 ) 其中；睁】为矩形被单歹尝庄棼矩阵、 茜为【例菇羹老袭亭完裔弹性菇阵j 器穆为单 元刚度矩阵。 ( 3 ) 等效节点载荷 根据静力等效原则，将实际载荷移置到节点上，得等效节点载荷的计算式：， ：- 。 f p r = 眦 q ) + l t n f p 。h a + 儿【f 田扭蚴( 2 - 1 7 2 1 3 3 整体分析 根据整个离散体系的各个单元在变形后必须在节点处协调地联结起来、组成离散体 的各节点必须满足平衡条件，组集各单元的刚度方程，得到结构的总刚度方程； k k ) = i r ( 2 1 8 ) 式中医】称为结构的总刚度矩阵。 ) 为结构的节点位移矩阵，忸) 为结构的节点载荷矩 阵，其组成如下： 诹) = q f ) + 睁 ( 2 1 9 ) 龟 为直接作用于节点上的集中力，僻 为各单元在节点j 处的等效节点载荷的和。 为消除总刚度矩阵的奇异性。必须进行边界约束条件的处理，边界约束条件的处理 方法有三种： 。 划行划列法( 又称消行降阶法) 划零置1 法( 又称消行修正法) 乘大数法( 又称对角元扩大法) 大连理： 大学专业学位硕十学位论文 用以上方法进行边界约束条件的处理后，得到非奇异的、对称的、静定的总刚度方 程，即总刚度方程得到修正，成为： i k + 忪 = r + ( 2 - 2 0 ) 可求得节点位移。 2 1 4 静力分析有限壳法的分析步骤 ：根据静力分析有限元法的数学原理，在实际计算中可以按照如下步骤进行： j 连续体的离散化n 选择单元形状及其位移( 彤) 函数 建立单元刚度矩阵 集合整个离散化连续体的代数方程i 求解线性方程组得到各节点位移分量 由节点位移计算出单元各节点的应变和应力 2 2 特征值问题 结构的动力学问题，很重要的一部分是计算结构的固有频率和振型，同时它也是分 析结构动力响应和其他动力特性问题的基础，而在分析结构固有频率和振型问题时，可 归纳为特征值和特征向量问题。 对无阻尼自由振动的情况，弹性体振动的基本方程中的阻尼项 删) 和外力项( 删) 均为零，振动的基本方程成为： 阻髂纠+ 医弘( f ) = 0 ( 2 2 1 ) 任何弹性体的自由振动都可以分解为一系列简谐振动的叠加。设上述方程有如下的 简谐振动解： ( f ) = 。 s i nr o t ( 2 2 2 ) 代入振动的基本方程中得 一2 阻】x 。 = o ( 2 2 3 ) 在自e h 振动时结构中各节点的振幅 。 不全为零，所以特征方程为： 岬一2 阻1 = o ( 2 _ 2 4 ) 结构的刚度矩阵医】和质量矩阵【m 】都是n 阶方阵，其中n 是节点自由度的数目， 所以上式是关于u2 的甩次代数方程。由此可求出结构的一个固有频率。m2 称为广义特 9 韩凯：z b l 0 3 2 l d d 欧铃汽车车架有限元分析与改进设计 征值。对于每一个固有频率，由怄卜2 阻】x 。 = o 可确定一组各节点的振幅值 。 ， 称为广义特征向量或结构的振型，寻找方程式。耿】- c 0 2 i m 】x 。) = 0 的u2 和 。 解的问 题，称为广义特征值问题。在有限元法中，求解特征值问题的方法主要有广义雅可比法、 逆迭代法和子空间迭代法。 用有限元法计算弹性体振动的固有频率及相应振型的方法，是月前在机械及汽车结 构中为避免共振、降低噪音、确保安全可靠而常用的计算分析方法。 2 3 小结 一 i 本部分在弹性力学的基础上，总结了有限元法求解静力学问题、动力学问题、特征； 值问题的基本原理和步骤，为下一章淄博汽车制造厂的降耗节支项目z b l 0 3 2 l d d 汽车车 架的有限元分析与改进设计奠定了理论基础。 1 0 大连理：c 大学专业学位硕士学位论文 3 有限元分析模型 3 1 本文主要工作目的和要求 为全面了解欧铃汽车车架的应力、位移分布情况及固有频率、振形的动态特性，为 车架结构设计提供可靠的依据，并在保证车架正常工作的基础上，对车架进行优化设计， 以达到降低车架重量、降低钢材消耗：降低成本的目的，对淄博汽车制造厂生产的欧铃 汽车车架进行有限元分析。分析、优化的具体内痞包括： l ，满载正常行驶工况的车架有限元强度分析，计算车架的应力、位移分布情况： 2 一扭转工况( 单侧前轮悬空) 的车架有限元强度分析，计算车架的应力、。位移分 布情况。 3 ，j 满载正常行驶工况的车架前2 0 阶固有频率。 4 ，、在车架结构分析结果的基础上，提出改进设计方案，对车架进行优化，降低车 架重量。 ： 对以上工况有限元分析的要求： l 根据车架的实际结构准确地建立结构的几何模型与有限元模型，根据车架结构 由钢板冲压而成的特点，采用面建立结构的几何模型，采用高精度的高次板壳 单元建立有限元模型； 2 为准确反映钢板弹簧悬架的支撑情况，采用板壳单元模拟钢板弹簧： 3 提供各工况车架应力分布云图，准确反映车架结构应力分布状况； 4 提供车架各阶固有频率对应的振型模态图，以准确地反映车架各阶固有频率所 对应的振型情况。 3 2 车架的几何模型 为反映车架各部位的应力、位移情况，根据型钢特点，采用面建立结构的实体模型 ( 如图2 所示) ，采用8 节点高次板壳单元建立有限元模型。整个模型共有2 9 2 2 3 个节 点和9 2 8 2 个单元( 如图3 所示) 。 韩凯：z b l 0 3 2 l d d 欧铃汽车车架有限元分析与改进设计 图2 车架的几何模型 f i g 2t h eg e o m e t r i cm o d e lo ff r a m e 图3 车架的有限元模型 f i g 3t h e f i n i t ee l e m e n tm o d e lo ff r a m e 1 2 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3 3 载荷 载重载荷： 载重6 0 0 0 0 n ，均布在车架纵梁安装货厢的部分； 驾驶室重量： 驾驶室3 7 5 0 n 、驾驶员6 5 0 x 3 = 1 9 5 0 n ，按3 ：l 的比例分别作用于驾驶室的前 后支座上； 发动机重量： ：发动机3 0 0 0 n ；作用于发动机支座上； 变速箱重量： 变速箱1 0 0 0 n ，作用于变速箱横梁上； 备胎重量：一。 。 备胎5 0 0 n ，作用于备胎横梁上。 3 4 边界条件 图4 后簧的约束情况 f i g 4t h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n so fb a c ks p r i n g 1 3 韩凯：z b l 0 3 2 l d d 欧铃汽车车架有限元分析与改进设计 图5 前簧的约束情况 f i g 5 t h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n so ff r o n ts p r i n g 欧铃汽车车架由钢板弹簧悬架支撑，弹簧悬架由前簧、后簧和副簧构成，前簧、副 簧均为不限制沿纵向位移的单向弹簧，后簧的后支撑点也可以绕支承轴转动，以消除对 纵向位移的约束，因此，这几个弹簧都是只提供z 向( 铅垂方向) 刚度的弹性约束。后 簧的前支撑点既是提供z 向( 铅垂方向) 刚度的弹性约束，又限制了沿车架z 向( 轴向 方向) 的位移。在有限元模型中，采用板单元模拟钢板弹簧的弹性约束，弹簧刚度通过 调整板单元的厚度得到与实际钢板弹簧刚度相等的刚度。通过约束前簧、副簧以及后簧 的后半簧的y 、z 方向的自由度模拟这三部分弹簧可以沿车架纵向移动的特点，约束后 簧的前半黄的x 、y 、z 三个方向的自由度模拟其对车架纵向位移的约束。约束情况如 图4 、图5 所示。 弹簧刚度： 前簧分为上三片与下三片，其刚度分别为： 下三片2 0 1 n m m ，上三片7 9 8 n r m ； 后簧由主簧和副簧组成，其刚度为： 主簧1 7 1 n 衄，副簧1 3 8 n r m ； 夹紧状态主副簧合计3 4 9 n n u n 。 1 4 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3 5 前簧刚度计算 圈6 前簧模型简图、 f i g 6t h em o d e ld i a g r a mo ff r o n ts p r i n g 2 c 图7 受力图 f i g 7 t h el o a dd i a g r a m 图6 所示为前簧模型简图，这是一个静不定系统，要求该系统的综合刚度，必须求 解静不定问题。图7 为前簧的受力图，其中i 梁为上三片板簧，i i 梁为下三片板簧，c 点为前簧与车架的连接点。前簧的综合刚度就是c 点载荷p 与c 点挠度酢的比值 k = p | 6 c 由图7 可见，c 点挠度由p 、o 共同作用，由叠加法得： 6 c = 6 c p 七6 c q 如一鲁= 量一云 a 3 其中，足i = 丝 n 3 a 由叠加法得： 6 c q = 6 b q + 8 b q ( a - b 1 韩凯：z b l 0 3 2 l d d 欧铃汽车车架有限元分析与改进设计 ：一q b s + 盟亿一6 1 3 e i2 e i 、 7 ：等旦+ 罢里g 一6 ) kd 2 a k l 、 疋= 如+ 嚏= 一云+ 等鲁+ 等鲁。一6 ) 鸯每。j 蠢墨二等茹一6 j ：一畜3 p a b 2 + 面p b 3 ：k 1 巨i2 a 2 一导下 ， 巍= 芝c 1 3 翌k , 二 土k jf i , 堡2 a - 一割 只= 可器爆丢 睁丢+ 丢防备) 一言k一4a(b k a 3 k ll 3 2 +i ) i p 2 二二至孟至玉薹 一k ：( 3 - b ) 2 b + 4 a ( 6 3 k 2 + a 3 k i ) 于是得到前簧的综合刚度为 1 6 嵋一砭 一一 ，| i m 口 a 占 生搿 一 生 ，l 三墨 i i 鼻一砭 只一墨 矿一矿 大连理工大学专业学位硕十学位论文 k ：兰丝! 垂：丝：! ：丝! ) 一k ：( s 一言) 2 6 4 + 4 口( 。3 k 2 + a 3 k , ) 将k i = 7 9 8 ，k 2 = 2 0 1 ，a = 6 5 0 ，b = 4 0 0 代入上式，得 3 6 模拟板簧的钢板厚度的确定 j 由手在有限元模型中采用板单元模型模拟钢板弹簧悬架的弹簧刚度，板单元的厚度 抉定i 模拟殍簧的刚度。为真实地反映钢板弹簧的刚度，：一以主簧前半簧为例，采用图8 的计算模型，以与原钢板弹簧刚度一致为条件，通过有限元分析确定板单元的厚度。 图8 板簧模拟单元有限元分析模型 f i g 8t h ef i n i te l e m e n tm o d e lo ff r o n ts p r i n g 模型a 端固定，在b 端加1 0 0 n 的载荷，如图8 所示。主簧未夹紧状态刚度为1 7 1 n n u n ， 假设夹紧状态为2 0 0n r a m ，则前半簧的夹紧刚度为1 0 0n r a m 。由计算分析得b 点的挠 度为 以= 1 0 0 1 0 0 = l m m 7 韩凯：z b l 0 3 2 l d d 欧铃汽车车架有限元分析与改进设计 由有限元分析，当板簧模拟单元厚度为1 8 6 m m 时，以为0 9 9 r a m ，因此取主簧的模 拟单元厚度为1 8 6 m m 。 采用同样的方法，得到副簧的模拟单元厚度为9 8 m m ，前簧的模拟单元厚度为 大连理工大学专业学位硕士学位论文 4 原车架有限元计算结果 原车架模型总质量为2 9 9 5 3 k g ( 因模型有所简化，这里的质量是指有限元模型的 质量，本文以下改进后质量也指有限元模型质量) 。 表1 原车架各构件截面厚度及车架总质量 编号奢。堍标。：“- ” _。 j - ：， ， 壁厚i 编号名称壁厚v r， 1 o 变速每支架錾$ 哆、 5 r ：誊4 一 备胎支架、驾驶 一 室后支架 * 4一： 一， ：， 一 ， - 5 ：纵梁 二 5 8 ， 板簧托架 8 5 下横梁加强校 89 加强纵梁 5 l l 前横梁 41 2 第二连接横梁 4 。 传动轴吊挂横 1 3 变速箱连接横梁 41 44 梁 1 5 车架连接横梁 41 6 车架短纵梁 4 1 7 备胎架连接横梁 42 0 后副簧 9 8 2 1 前板簧 1 7 2 2 2后主簧 1 8 6 2 3 副簧托架 1 0 总质量2 9 9 5 3 1 9 韩凯：z b l 0 3 2 l d d 欧铃汽车车架有限元分析与改进设计 4 1 正常行驶工况计算结果 正常行驶工况的m is s e s 卢力分布 图9 正常行驶工况的m i s s e s 应力分布图 f i g 9m i s s e ss t r e s sd i s t r i b u t i o ni nn o r m a ld r i v el o a dc a s e 4 2 扭转工况( 前轮一轮悬空) 计算结果 图1 0 前轮一轮悬空的m is s e s 应力分布图 f i g 1 0m i s s e ss t r e s sd i s t r i b u t i o ni n t h ec a s eo faf r o n tw h e e ls u s p e n d e d 大连理工大学专业学位硕士学位论文 4 3 车架固有频率计算结果 4 4 1 车架的固有频率 计算了车架的前2 0 阶固有频率，其数值如表2 所示。 表2 车架的前2 0 阶固有频率 t a b 2t h el o w e r2 0n a t u r a lf r e q u e n c i e so ff r a m e 编号二频率h z编号频率h z编号”? 频率h z j编号 频率h z ： 11 6 2 9 96 。 3 1 4 8 2l l5 8 2 2 2 ；1 6：8 8 2 2 5 ，2 ： l 1 6 6 0 7 。7 j3 2 3 9 61 2 7 4 3 5 5 1 7 a 0 5 6 9 ： 3 ，1 7 8 2 08 3 5 0 0 9 1 3 7 4 7 1 5 51 8 1 1 2 0 6 4 2 0 4 4 294 7 8 9 7。1 48 2 0 2 51 91 1 9 9 0 52 4 9 4 01 0 5 6 6 9 4 1 58 7 6 7 72 01 2 5 1 6 4 4 2 车架的前1 0 阶模态 图1 1 图2 0 列出了车架的前1 0 阶模态。 第1 阶模态( 扭转) 图1 1 第1 阶模态 f i g 1 1t h ef i r s tm o d e 2 韩凯：z b l 0 3 2 l d d 欧铃汽车车架有限元分析与改进设计 第2 阶模态( 前弯) 第3 阶模态( 后弯) + 图1 2 第2 阶模态 f i g 1 2t h e s e c o n dm o d e 图1 3 第3 阶模态 f i g 1 3t h et h i r dm o d e 火连理：亡大学专业学位硕士学位论文 第4 阶模态( 后弯) 第5 阶模态 图1 4 第4 阶模态 f i g 1 4t h ef o r t hm o d e 图1 5 第5 阶模态 f i g 1 5t h ef i f t hm o d e 韩凯：z b l 0 3 2 l d d 欧铃汽车车架有限元分析与改进设计 第6 阶模态 第7 阶模态 图1 6 第6 阶模态 f i g 1 6 t h es i x t hm o d e 图1 7 第7 阶模态 f i g 1 7t h es e v e n t hm o d e 大连理工火学专业学位硕士学位论文 第8 阶模态 第9 阶模态 图1 8 第8 阶模态 f i g 1 8t h ee i g h t hm o d e 图1 9 第9 阶模态 f i g 1 9t h en i n t hm o d e 韩凯：z b l 0 3 2 l d d 欧铃汽车车架有限元分析与改进设计 第1 0 阶模态 图2 0 第1 0 阶模态 f i g 2 0t h et e n t hm o d e 以上这些分析计算结果中的m i s s e s 应力分布图对z b l 0 3 2 l d d 欧铃汽车车架的结构 优化改进提供了理论基础和依据，本文的第四部分就是依据它对z b l 0 3 2 l d d 欧铃汽车车 架提出了十套优化改进方案，并提供了改进后的m i s s e s 应力分布图。 上面的分析计算结果中的车架前2 0 阶固有频率和前l o 阶模态图对分析车架在不同 工况下以及不同路面情况下的变形及振动特性提供了可能，同时对车辆故障( 如摆头、 吃胎、共振等) 的分析提供了理论基础及方法。这些工作及研究在本文中没有提及，是 以后工作及研究的课题。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 5 改进车架有限元分析结果 在车架结构分析结果的基础上，提出改进设计方案，对车架进行优化，降低车架重 量。提出以下改进方案： 5 1 改进车架( 方案1 ) 有限元分析结果 根据车架结构分析结果可以发现加强纵梁部分应力不大，所以去掉加强纵梁，其它 保持不变。车架各构件截面厚度及车架总质量如表3 所示，减重7 儡。 _ ， 。 轧_表3 改进车架：方案1 ) 各构件截面厚度及车架总质量 t a b ：3 , , t h e t h i c k n e s so fe a c hm e 盂b e 主a n dt h e t o t a lm a s so fm o d i f i e df r a l e ( p r o j e c t1 ) 。f i e 编号名称壁厚编号名称壁厚 。? ， -。 j ，。 一一 rl 备胎支架、驾驶室 1 ，：变速箱支架连接板 54 ： ； ，4 后支架 ， 1 i ： 5 纵梁 ：58 板簧托架 8 5 下横梁加强板 89 加强纵梁 0 ： 1 l 前横梁4 1 2 第二连接横梁 4 1 3 变速箱连接横梁 41 4 传动轴吊挂横梁 4 1 5 车架连接横梁 41 6 车架短纵梁 4 1 7 备胎架连接横梁 42 0 前板簧 9 8 2 1 后主簧 1 7 2 2 2后副簧 1 8 6 总质 2 3 副簧托架 1 0 2 7 6 1 韩凯：z b l 0 3 2 l d d 欧铃汽车车架有限元分析与改进受计 车架的m i s s e s 应力分布如下： 图孔改进车架( 方案1 ) 的m i s s e s 应力图 f i g 2 1m i s s e ss t r e s sd i s t r i b u t i o n ；m o d i f i e df r a m eo f ( p r o j e c t1 ) 5 ：2 改进车架( 方案2 ) 有限元分析结果 改进车架( 方案2 ，去掉加强纵梁，第一横梁应力也不大， 各构件截面厚度及车架总质量如表4 所示，减重7 8 。 ： 将其料厚减薄为2 m m ) 表4 改进车架( 方案2 ) 各构件截面厚度及车架总质量 t a b 4 t h et h i c k n e s so fe a c hm e m b e ra n dt h et o t a lm a s so fm o d i f i e df r a m e ( p r o j e c t2 ) f r a m e 编号 名称壁厚编号名称壁厚 备胎支架、驾驶室后 1 变速箱支架连接板 5 44 支架 5纵梁58板簧托架8 5 下横梁加强板 89加强纵梁0 1 1前横梁 21 2 第二连接横粱 4 1 3变速箱连接横粱4 1 4 传动轴吊挂横梁 4 1 5 车架连接横梁 41 6 车架短纵梁 4 1 7备胎架连接横梁42 0后副簧 9 8 2 1 前板簧 1 7 22 2 后主簧 1 8 6 2 3 副簧托架 1 0 总质量 2 7 2 5 3 大连理：i ：大学专业学位硕士学位论文 车架的m i s s e s 应力分布如下： 图2 2 改进车架( 方案2 ) 的m i s s e s 应力图 一 f i g 2 2m i s s e ss t r e s sd i s t r i b u t i o n m o d i f i e df r a m eo f ( p r o j e c t2 ) ， 5 3 改进车架( 方案3 ) 有限元分析结果 改进车架( 方案3 ，去掉加强纵梁，第一横梁料厚减薄为2 m m ，从方案2 应力图可 以看出变速箱安装横梁应力在1 0 0 左右，将其料厚减薄为3 r a m ) 各构件截面厚度及车架 总质量如表5 所示，此时车架重量为2 7 0 6 8 k g ，减重9 6 。 表5