（机械设计及理论专业论文）依维柯4110型a50客车车架结构分析与优化研究.pdf

摘要 车架是汽车的主要部件，卡车与部分客车是通过车架把发动机、底盘和车身 中各主要总成组成一个整体。车架的刚度、强度及动力性能对整车的振动舒适性、 行驶平顺性、安全性及寿命都有很大的影响。在分析或研究汽车车架时，一般都 是从车架的刚度、强度、模态和疲劳等这些角度进行。随着现代设计方法的发展， 在汽车车架结构设计中使用有限元技术，对提高汽车动、静态性能和优化车架结 构设计，缩短新车开发周期，节约开发费用，均有重要意义。 利用有限元技术，对依维柯4 1 1 0 型a 5 0 客车车架的静动态特性方面做出了 如下研究： ( 1 ) 建立车架的几何模型，在有限元软件h y p e r m s h 中采用板壳单元对车架 进行合理地网格划分，建立车架的有限元模型。根据汽车的承载特点和行使工况， 在有限元软件中n a s t r a n 对该车车架在弯曲工况、扭转工况、紧急制动工况和紧 急转弯工况下进行静态分析，找出车架设计中的薄弱部位，并对车架进行评价。 ( 2 ) 对车架进行模态分析，得到车架在自由振动状态下的固有频率和振型， 并生成车架柔性体文件。在a d a m s 软件中以b 级路面的不平度数据作为车架的 输入，得到车架关键点在b 级路面激励下的瞬态响应。 ( 3 ) 进一步对车架进行疲劳特性分析，预测车架的使用寿命。结合仿真分析 结果，对客车车架进行轻量化优化设计，并通对该车车架的优化设计结果在弯曲 工况和扭转工况下的进一步仿真分析，验证客车车架轻量化方案的合理性和可行 性。 仿真分析数据表明：改进设计的客车车架重量和原先设计的客车车架重量相 比减少6 6 公斤，车架的最大应力值小于屈服极限值，拥有较高的安全系数。分 析结果对车架结构的设计提出了合理的改进方案，本文可获得较高的工程应用价 值。 关键词：车架静态分析模态瞬态响应优化设计 f r a m ei st h em a i nc o m p o n e n to fa u t o m o b i l e ，w h i c hi su s e dt ol i n ke n g i n e , c h a s s i s a n dm a i na s s e m b l yo fb o d yt oaw h o l eb yt r u c k sa n ds o m eb u s e s s t i f f n e s s ，s t r e n g t h a n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo ff r a m eh a v eag r e a ti m p a c tt ov i b r a t i o nc o m f o r to fw h o l e v e h i c l e ，r i d i n gc o m f o r t ，s a f e t ya n dl i f e w h e na n a l y s i so rr e s e a r c ho n t h ea u t o m o b i l e f r a m ei sc a r r i e do u t , t h ef o l l o w i n gt h i n g sa r ea d o p t e dg e n e r a l l y , s u c ha ss t i f f n e s s ， s t r e n g t h ，m o d ea n df a t i g u ee t c w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r nd e s i g nm e t h o d s ， f i n i t ee l e m e n tt e c h n o l o g yi su s e di nt h ef i e l do fs t r u c t u r a ld e s i g no fa u t o m o b i l ef r a m e ， w h i c hh a v eag r e a ts i g n i f i c a n c et oi m p r o v ed y n a m i c ，s t a t i cp e r f o r m a n c eo fv e h i c l e a n do p t i m i z et h es t r u c t u r a ld e s i g no ff r a m e ，s h o r t e nt h en e wd e v e l o p m e n tc y c l ea n d s a v ed e v e l o p m e n tc o s t s b a s e do nf i n i t ee l e m e n tt e c h n o l o g y , t h e f o l l o w i n gr e s e a r c hi sc o m p l e t e do n d y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c eo fi v e c o4 0 10b u sa 5 0f r a m e ( 1 ) g e o m e t r i cm o d e lo ft h ef r a m ei se s t a b l i s hf i r s t ，w h i c hi sm e s h e db ys h e l l e l e m e n ta n dt h e nf i n i t ee l e m e n tm o d e lo ff r a m ei sb u i l tb a s e do ns o r w a r eh y p c r m e s h a c c o r d i n g t ob e a r i n gb e h a v i o ra n dt r a v e l i n gc o n d i t i o n so f b u s ，s t a t i ca n a l y s i so ff r a m e i si m p l e m e n t e di nb e n d i n gc o n d i t i o n s ，r e v e r s i n gc o n d i t i o n s ， e m e r g e n c yb r a k i n g c o n d i t i o n sa n de m e r g e n c yt u r n i n gc o n d i t i o n sb a s e do nf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e n a s t r a nt oi d e n t i f yt h ew e a kp a r t so ft h ed e s i g na n dm a k eae v a l u a t i o no ft h ef r a m e ( 2 ) n a t u r a lf r e q u e n c ya n dn a t u r a lv i b r a t i o nm o d eo ff r a n l ea l ea c q u i r e db y a n a l y z i n gm o d a l o ff r a m e ，a n df l e x i b l ed o c u m e n t so ff r a m ea r eg e n t l e d d o c u m e n t s b a s e do ns o r w a r ea d a m s ，b - c l a s sr o a dr o u g h n e s sd a t ai su s e da st h ei n p u t o ff i a m e ，t h et r a n s i e n tr e s p o n s eo ft h ek e yp o i n t so ff r a m ei sa c q u i r e d ( 3 ) f u r t h e rf a t i g u ea n a l y s i so ft h ef r a m ei sc a r r i e do u tt of o r e c a s tt h el i f eo ft h e f r a m e c o m b i n i n gs i m u l a t i o nr e s u l t s ，o p t i m i z ed e s i g no fl i g h t w e i g h to ft h eb u sf r a m e i sf i n i s h e d ，a n dt h er e s u l to ft h eo p t i m u md e s i g ni su s e dt oc a r r i e do u tf u r t h e rs t a t i c a n a l y s i si nb e n d i n gc o n d i t i o n sa n dr e v e r s i n gc o n d i t i o n st ov e r i f yt h er e a s o n a b l e n e s s a n df e a s i b i l i t yo f t h eo p t i m i z ed e s i g no f l i g h t w e i g h to f t h eb u sf l a m e s i m u l a t i o na n a l y s i so fd a t as h o w st h a t ：t h ew e i g h to fi m p r o v e dd e s i g n e db u s f r a m ec o m p a r e dw i t ho r i g i n a l l yd e s i g n e db u sf r a m er e d u c e6 6k g , t h em a x i m u m s t r e s sv a l u eo ff r a m ei sl e s st h a nt h ey i e l dl i m i ta n dh a sah i g h e rs a f e t yf a c t o r t h e r e s u l t so ft h ea n a l y s i sb r i n gu par e a s o n a b l ei m p r o v e m e n tp r o g r a mt ot h es t r u c t u r a l d e s i g no ff r a m e a sar e s u l t , t h i sp a p e rc a na t t a i nr e l a t i v e l yh i g he n g i n e e r i n gv a l u e k e y w o r d s ：f r a m es t a t i ca n a l y s i s ：m o d a l ：t r a n s i e n tr e s p o n s e ：o p t i m i z ed e s i g n i i 目录 摘要。i a b s t r a c t i 第1 章绪论1 1 1 概述l 1 2 有限元法在国内外汽车分析方面的应用和发展概况2 1 2 1 有限元法在国内汽车分析中的应用2 1 2 2 有限元法在国外汽车分析中的应用3 1 3 本文研究的主要内容4 第2 章车架的静态分析5 2 1 静力分析的有限元理论5 2 1 1 有限元分析的基本原理5 2 1 2 基于有限元法的静力分析过程7 2 2 车架有限元模型的建立8 2 2 1 有限元软件的选择8 2 2 2 车架有限元模型的建立9 2 3 车架静态工况分析9 2 3 1 满载弯曲工况1 0 2 3 2 满载扭转工况1 2 2 3 3紧急制动工况1 3 2 3 4 紧急转弯工况1 4 2 4 本章小结1 5 第3 章车架的模态及瞬态分析1 7 3 1 模态分析的基本理论1 7 3 1 1 模态分析的定义及应用1 8 3 1 2 模态分析的有限元法18 3 2 模态分析结果及其与试验值的比较1 9 3 2 1 模态计算结果分析1 9 3 2 2 模态计算值与试验值的比较2 2 3 3结构瞬态分析的有限元理论2 3 3 3 1 动力学基本方程的建立2 4 3 4 车架的瞬态响应2 6 3 4 1 路面谱的输入2 6 3 4 2 悬架系统模型的建立2 8 3 4 3 车架的瞬态响应分析及结果评价2 8 3 5 本章小结3 0 第4 章车架的疲劳寿命分析3l 4 1 疲劳破坏概述31 4 2 疲劳分析的理论基础3 2 4 3 车架的疲劳寿命分析3 5 4 3 1车架疲劳寿命分析的结果3 7 4 3 2 结果分析评价3 9 4 4 本章小结3 9 第5 章车架的轻量化优化设计4 l 5 1 优化设计的理论基础4 2 5 1 1 优化设计的数学模型4 2 5 1 2 优化设计的常用方法4 2 5 2 客车车架轻量化优化的方案及计算结果4 3 5 2 1客车车架轻量化优化改进的方案4 3 5 2 2 客车车架轻量化改进结果4 4 5 3 车架轻量化优化设计结果的检验4 6 5 3 1 车架弯曲工况仿真检验4 6 5 3 2 车架扭转工况仿真检验4 7 5 3 3 客车车架轻量化前后结果对比4 8 5 4 本章小结4 9 第6 章结论与展望5 0 6 1 研究工作的总结5 0 6 2 研究工作的主要结论5 0 6 3 工作展望5 1 参考文献5 2 成果5 6 致谢5 7 硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 随着我国汽车工业的蓬勃发展以及人们生活水平的不断提高，与汽车相关的 汽车能源问题、汽车环保问题，要求改善汽车的操纵稳定性、行驶安全性、乘坐 舒适性等问题开始受到人们的重视。如何解决这些问题已成为汽车工业发展的紧 迫问题，在众多解决这些问题的方案中，其中汽车轻量化是一种切实有效的方案。 据统计，汽车质量下降1 0 ，耗油量将节省6 8 。 客车轻量化为汽车轻量化的一部分，且由于我国的基本国情，大部分家庭近 期内尚不具备购买轿车的能力。我国城市的交通状况，在一定程度上也制约了轿 车的消费，所以在很长一段时间内，客车是我国城乡交通的主要工具。从客车发 展的趋势看，公共交通是发展主流，客车轻量化也是客车技术的发展方向。客车 轻量化除为我国石油安全，环境保护提供了大量支持，更将影响我国客车工业系 统的格局及其整体技术水平。客车车架是重要的承载件，它的质量占客车整车质 量的五分之一左右，车架的轻量化对减轻客车的整车质量有着非常重要的意义。 车架是汽车的主要部件，卡车与部分客车是通过车架把发动机、底盘和车身 中各主要总成组成一个整体。车架的功用是作为这些总成的安装基体，承受这些 总成的质量及其传给车架的各种力和力矩。车架的刚度、强度及动力性能对整车 的振动舒适性、行驶平顺性、安全性及寿命都有很大的影响。随着汽车工业的飞 速发展，对于汽车性能的要求也越来越高，而车架设计的优劣将直接影响汽车的 行驶和安全性能。人们在分析或研究汽车车架时，一般都是从车架的刚度、强度、 模态及疲劳这些角度。因此有限元方法也成了目前在国内外使用最为普遍，也最 具有实际意义的有效手段之一【l 】。 近年，汽车工业世界范围内的重组整合此起彼伏，全球化使得各汽车制造商 之间的竞争愈发的激烈和白热化。各制造商或主动或被动地采取种种措施，缩短 新品开发周期、降低整车制造成本、根据客户需求进行个性化开发，以扩大市场 份额，获得最大限度的回报。毫无疑问，在以上的所有因素中，汽车研发能力的 高低是保证自己在市场较量中能否胜出的关键因素。 第1 章绪论 在提升汽车研发能力的众多因素中，以c a e 为主的数字化产品开发可以说是 其中最为重要的一个环节，也被认为是继福特流水线生产、丰田精益生产之后， 汽车工业具有革命性意义的重大技术进步。以c a e 为核心的仿真驱动设计技术的 应用使得整车制造中新品开发周期大为缩短，同时也使得以往设计中的一些经验 性的知识可以以量化的形式出现，使得产品的开发效率更高f 2 3 。 于是计算机辅助工程分析c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 的方法和软件， 将成为关键的技术要素。在工程实践中，有限元分析c a e 软件与c a d 软件系统的 集成应用，使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面： 增加设计功能，减少设计成本； 缩短设计和分析的循环周期； 增加产品和工程的可靠性； 采用优化设计降低材料的消耗或成本； 在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题； 模拟各种试验方案，减少试验时间和经费； 进行机械事故分析，查找事故原因。 在大力推广现代设计方法的今天，从自行车到航天飞机，所有的设计制造都 离不开有限元分析计算。f e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 在工程设计和分析中将得 到越来越广泛的重视。 1 2 有限元法在国内外汽车分析方面的应用和发展概况 1 2 1 有限元法在国内汽车分析中的应用 有限元法是客车车架结构分析及优化设计方法中的一种。国内运用有限元法 研究客车结构始于8 0 年代初，但由于早期计算机硬件与软件的水平限制，故早 期客车模型主要利用杠、梁单元建模，有限元软件以自己编程为主。但由于杠、 梁单元为线单元，不能很好的模拟客车的结构特性，因而计算精度不是很高，主 要利用有限元分析结果来验证客车结构，用客车实验来验证有限元模型以及运用 客车有限元分析得到的数据来优化已有结构。1 9 9 9 年后，有限元对客车的分析 有了进一步的发展，壳单元又被引入到客车分析中，计算结果比用板单元分析的 精度更高，有限元模型的建立更加注重实际结构的力学特性，客车有限元分析达 2 硕士学位论文 到了更高的层次，计算机硬件与有限元软件对客车的模拟障碍大部分已经消除。 由于能源危机的压力，基于有限元的客车轻量化在2 0 0 3 年后渐成热点，有限元 分析方法被引用到产品的开发与设计评价。 江苏大学的徐宏兵、葛如海、王怀对大客车车身的有限元分析，获得车身强 度分布状况，在此基础上进行车身骨架的轻量化改进设计。北京理工大学的孟庆 功、徐宝云、黄华利用有限元软件对低地板城市电动客车车架结构进行有限元分 析，计算该客车在弯曲、转弯、刹车、扭转四种工况下的应力，根据计算结果提 出降低车重的方案。北京理工大学的代红军、林程以某电动客车为例，对其车身 强度进行a n s y s 有限元分析，并对其进行轻量化设计。广州汽车技术中心的邬 晴晖建立了城市客车车身和车架结构的有限元模型，提出该车型结构的轻量化设 计方案，并通过强度分析和刚度分析确认了轻量化设计方案【4 。 1 2 2 有限元法在国外汽车分析中的应用 国外在使用有限元法进行汽车的结构分析方面的技术相对已经比较成熟。国 外从6 0 年代中后期就开始了对车架的有限元静态分析，国外十分重视利用有限 元方法对车架结构进行辅助设计，并取得了大量的研究成果。b e e r m a n n h j 提 出了利用梁、板混合单元对货车车架横梁和纵梁的连接处进行模拟的方法，k i m ， h s 等人对车架在极限静态载荷下的失效表现形式进行了详细的讨论，a o k a z u o ，n i i y a m a 等人对利用有限元静态强度分析结果指导车架设计过程进行了 详细的介绍。国外从7 0 年代开始，对汽车结构的动态特性开展研究并取得了大 量的研究成果。近年来发展了子结构的方法，即先分析各子结构再进行模态综合。 k r a w c z u k ， m a r e k 等人利用全板壳单元车架有限元模型对一货车车架进行了较 全面的动态研究，h a d a d ，h ，r a m e z a n i ，a 等人对如何利用有限元模态分析 结果修正车架设计方案进行了研究。 进入2 0 0 0 年以来，在整车的开发中，丰田开发新型花冠牌轿车时运用了c a e 技术，无需制造试验车，只需把众多工序在计算机上进行演示即可，由此将开发 时间缩短到了1 8 个月。马自达运用数字化产品开发进行新品设计，主要依靠c a e 与试验来缩短产品试验和样车完成的时间，根据马自达的数字化创新计划，其产 品样车的完成将由3 5 个月缩短到1 5 个月，试验周期从4 5 个月缩短到2 5 个月。 3 第1 章绪论 不言而喻，以c a e 为核心的仿真驱动设计在各大汽车制造商的发展战略中占据 着越来越重要的地位 5 】o 1 3 本文研究的主要内容 本文主要针对依维柯4 1 1 0 型a 5 0 客车车架进行结构研究。在建立车架几何 模型的基础上采用有限元软件建立车架有限元模型，对该车架进行了模态、强度、 刚度、疲劳寿命分析以及轻量化优化设计，并对优化改进后的车架进行评价。论 文主要的研究内容为： ( 1 ) 在建立客车车架几何模型的基础上，主要采用板壳单元对车架进行网格 划分，并建立车架的有限元模型。 ( 2 ) 根据汽车的承载特点和行使工况，在有限元软件中n a s t r a n 对该车车架在 弯曲工况、扭转工况、紧急制动工况和紧急转弯工况下进行静态分析，找出车架 设计中的薄弱部位，并对车架进行评价。 ( 3 ) 对车架进行模态分析，得到车架的前8 阶固有频率和固有振型，并输出 车架的柔性体文件。在此基础上，在多体动力学软件中a d a m s 以b 级路面的不平 度数据作为车架的输入，得到车架在b 级路面激励下的瞬态响应。 ( 4 ) 在车架静态分析的应力结果的基础上，对车架进行疲劳特性分析，预测 车架的使用寿命。 ( 5 ) 结合仿真分析结果对车架各零部件轻量化方法进行研究，对客车车架进 行轻量化优化设计，并通对该车车架的优化设计结果在弯曲工况、扭转工况、紧 急制动工况和紧急转弯工况下的进一步仿真分析，验证客车车身轻量化方案的合 理性和可行性。 4 硕士学位论文 第2 章车架的静态分析 2 1 静力分析的有限元理论 有限元方法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复 杂的对象，单元之间通过有限个结点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。 由于单元的数目是有限的，结点的数目也是有限的，所以称之为有限元法。单元 之间通过结点来传递内力，通过结点来传递的内力称为结点力，作用在结点上的 载荷称为结点载荷。当连续体受到外力作用发生变形时，组成它的各个单元也将 发生变形，因而各个结点要产生不同程度的位移，这种位移称为结点位移。有限 元法是从研究有限大小的单元力学特性着手，最后得到一组以结点位移为未知量 的代数方程组【础】。 2 1 1 有限元分析的基本原理 采用弹性力学分析j 口- j 题时，要从三个方面来考虑：静力学方面，几何学方面 和物理学方面。静力学方面的i 口- j 题实际上就是根据平衡条件来导出应力分量与体 力分量之间的关系式，也就是平衡微分方程。几何学方面的i 口- j 题就是导出形变分 量与位移分量之间的关系式，也就是几何方程。物理学方面的问题就是导出应变 分量与应力分量之间的关系式，即物性方程。 根据微元体处于平衡的条件，如图2 1 所示，可以得n - - 个平衡微分方程。 ( 1 ) 作用于体心m 的合力矩为零，即：y m ，：0 卜争胯岷a 卦础鲁小扣x a x 扣沼， 整理得出： r 科= r 。，证明了剪应力互等定理。 ( 2 ) x 方向的合力为零，即：只= 0 卜挚 d ，- o x d y + 卜争 d x - z x d x + 删，= 。 协2 ， 5 第2 章车架的静态分析响应 整理得出：c a c r x + 皇立+ x ：o d x c y ( 3 ) y 方向的合力为零，即：= 0 。 类似于上式，可得：呈立+ 呈1 + y ：o d xd ， y 0x 图2 一i 微分体截面应力状态 f i g 2 1s t r e s ss t a t eo fd i f f e r e n t i a lc r o s s s e c t i o n 几何方程表明了应变分量与位移分量之间的关系。 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 要保证物体的位移是连续的，则应变分量之间必须满足一定的条件，即变形 协调方程。 鲁a y + 鲁a x = 盟a x a y 协6 ， z2 。 应变分量与应力分量之间的关系，即物理方程，也称为本构方程。在完全弹 性的各向同性体内，应变分量与应力分量之间的关系由虎克定律导出： 丸一屯 氐一丸 = 钆一良乱一屯 一一 一一 = 气 f o k 硕士学位论文 1r s 。2 i l o - 。 e 1r 6 y2 百p ， 1r s ：2i t o ： 巳 l y x y 2 i f x y u 1 7 y z2i r 纠 u 1 7 a 2 i r z x u 一b ，+ 仃：) 一p ：+ 盯。) 】 ，、1 一f 。+ 盯y 月 ( 2 7 ) 其中e 是弹性模量，g 是剪切弹性模量，是侧向收缩系数，又称为泊松比。 g ：l ( 2 8 ) 5 而砑 心嗡 这样，用应力、应变和位移分量表示的弹性力学平面问题基本方程可以表示 为： 旧。r p = 一 p ) = 旧。 厂 p ) = p 括 ( 2 9 ) 方程组的总数是8 个：2 个平衡方程，3 个几何方程和3 个物理方程。所包含 的未知函数也是8 个：3 个应力分量；3 个应变分量；2 个位移分量。由已知的 边界条件，从该方程组出发按位移求解。求得位移后，由几何方程计算应变分量， 再通过物理方程求得应力。 2 1 2 基于有限元法的静力分析过程 有限元分析的3 个阶段的具体内容包括： ( 1 ) 前处理过程：即分析对象的有限元网格剖分与数据生成。应用图形软件 首先对工程或产品实行实体建模，进而建立有限元分析模型。其中包括直接实体 模型和参数化模型，构件的布尔运算，有限元网格的自动划分，节点自动编号和 节点参数自动生成，载荷与材料参数直接输入与公式参数化导入，有限元分析载 荷数据的生成，有限元分析数据文件的生成与导出等。 ( 2 ) 有限元分析：针对有限元模型进行单元分析，有限元方程的总体组装， 7 第2 章车架的静态分析响应 有限元方程的求解以及获得有限元结果等。包括有限单元库的建立，材料库及相 关算法，约束处理算法，有限元系统组装模块，静力，动力，振动，线性等问题 与非线性解法库。 ( 3 ) 后处理过程：根据工程或产品模型与设计要求，多有限元分析结果进行 用户所要求的加工和检查，并以图形方式将结果提供给用户，辅助用户判定计算 结果与设计方案的合理性。具体包括有限元分析结果的数据平滑，各种物理量的 加工与显示，如结构变形图，应力分布图和动力振型图等，针对工程或产品设计 的要求与工程规范对结果进行校核，根据计算结果进行设计优化与模型修改，还 包括结果的文挡整理等。 2 2 车架有限元模型的建立 2 2 1 有限元软件的选择 h y p e r m e s h 是目前公认的最高效的有限元前处理器之一，已经成为全球汽车 行业的标准配置，同时进入了航空、航天、机械、电子等多个领域。它能够建立 各种复杂模型的有限元和有限差分模型，具有高效的网格划分功能。h y p e r m e s h 中具有几何型面的网格自动划分模块，提供了一套可靠的网格划分工具，并能够 对每个面( 或每个面的边缘) 进行网格参数调节，而且可以调节单元密度、单元 偏置梯度、网格划分算法等来创建二维和三维有限元模型。 考虑到h y p e r m e s h 的速度、灵活性和用户化功能，本文先用h y p e r m e s h 对车 架模型进行单元网格划分、材料属性、边界条件及载荷的加载【9 10 1 。 m s c a d a m s 以其强大的车辆动力学模拟技术广泛应用于悬架系、转向系、动 力传动系和整车的运动学、动力学分析，m s c 。n a s t r a n 以其成熟的有限元计算技 术在汽车结构分析中占有重要的地位。结合a d a m s 与m s c n a s t r a n 各自的技术优 势，联合应用a d a m s 与m s c 。n a s t r a n 进行车辆动力学分析和汽车结构分析是一种 新的技术趋势，能为车辆产品开发提供更高精度的计算结果、更深入的分析结论， 在产品开发中的作用愈加明显。 硕士学位论文 2 2 2 车架有限元模型的建立 由于有限元结构分析只是对真实情况的近似，因此在建立有限元建模之前就 应该对几何模型进行适当的简化处理，删除一些对结构分析只产生局部较小影响 的细节，如倒角、圆角、局部小孔、退刀槽等。删除这些较小的细节可以大大减 小有限元分析的计算量和求解时间，而不会影响到分析结果的精度。在 h y p e r m e s h 中利用g e o m e t r yc l e a n u p 和d e f e a t u r e 等菜单中的各项功能对模型 进行几何清理，经过这些步骤之后可以清除一些损坏的几何特征。网格划分完之 后，检查网格的质量。车架有限元建模的关键是联接关系( 螺栓、铆接、焊接) 的模拟。车架有限元模型焊点的分布与实际上的焊接是否相似，会影响车架的结 构静强度和刚度分析的精度。本文在车架有限元建模之前充分的了解了车架的焊 接工艺，点焊依据工艺流程规定的位置布置【1 1 1 3 】。 本文设计所选用的依维柯4 1 1 0 型a 5 0 客车的总装备重量为5 t ，车架的结构 是典型的边梁式车架结构，由两根纵梁及六根横梁铆接而成，前后等宽，宽度为 8 6 2 m m ，车架纵梁长5 4 2 0 m m 。完成后的整个车架有限元模型被划分为1 2 0 5 4 4 个壳体单元，车架模型中共有1 5 8 7 个焊点。车架采用的材料为1 6 1 v l n ，特性参 数：e = 2 0 6 g p a ，p = 7 8 2 1 0 - 6k g m m 3 ，g = 0 2 8 。车架有限元模型如图2 2 所示。 图2 2 车架有限元模型 f i g 2 - 2f i n i t ee l e m e n tm o d e lo f t h ef r a m e 2 3 车架静态工况分析 汽车行驶中车架承受的载荷很多，就其载荷形式而言，车架所受到的主要载 荷有弯曲载荷、扭转载荷、侧向载荷和纵向载荷等几种。其中弯曲载荷主要是由 9 人 第2 章车架的静态分析响应 车身、车载设备、乘客和货物等的质量在重力作用下产生，弯曲工况下汽车四轮 均着地；扭转载荷产生于路面不平度对车身造成的非对称支承，作为对比计算， 可以用静态最大可能的扭矩，即一个前轮悬空的极限状态或一轮骑障的情况模 拟；侧向载荷主要是由汽车转向时的离心力作用而产生的；纵向载荷则是由于汽 车在加速、制动时的惯性力的作用而产生的。汽车在试制出样车之后必须进行实 车实验，汽车定型试验规程规定：样车必须以一定车速在各种道路上行使一定里 程。行驶时会出现匀速直线行驶( 车架弯曲) ，一轮悬空( 车架扭转) ，紧急制动和 急速转弯4 种工况。在本文的研究中，就针对上述四种工况，分别对车架有限 元模型施加相应的自由度约束，并对车架施加各种载荷，再在有限元软件 h y p e r m e s h 中对车架在弹性范围内进行各工况下的应力和应变进行计算，以进行 车架的强度和刚度较核，并为厂家提供车架改进的依据【1 4 1 引。 2 3 1 满载弯曲工况 满载弯曲工况是模拟汽车在满载状态下、四轮着地时汽车在良好路面匀速直 线行驶时车架对其所承受的重量的响应情况，该客车的总质量是5 t 。在分析时往 往分别对某些简单的路面情况进行研究，动载系数则取一些理论研究与实验修正 相结合的半经验数值。本文在满载弯曲工况下对车架的计算分析中取动载系数为 3 。为了消除车架的刚体位移，需要对车架的自由度进行约束，约束前轮的三个 平动自由度u x 、u y 、u z ，释放前轮的三个转动自由度r o t x 、r o t y 、r o t z ； 后轮需要约束竖直方向的平动自由度u y ，释放其余所有自由度【1 7 19 1 。 对车架纵梁与横梁的关键点进行分析，各点在车架上的位置如图2 3 所示。 23456 23456 图2 - 3 车架关键点分布图 f i g 2 - 3t h ed i s t r i b u t i o no fk e yp o i n to nf r a m e 硕士学位论文 i 一_ 一 图2 4 满载弯曲工况下的车架应力分布图 f i g 2 4s t r e s sd i s t r i b u t i o no f t h ef r a m eu n d e rf u l l yl o a d e db e n d i n gc o n d i t i o n c 呻m p i o l 舯a 舾i s 帅咖d 巾l 棒3 、 l 图2 5 满载弯曲工况下的车架位移分布图 f i g 2 5d i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o no ft h ef r a m eu n d e rf u l l yl o a d e db e n d i n gc o n d i t i o n 满载弯曲工况下的车架应力分布图如图2 - 4 所示，可以看出车架中两纵梁上 各截面处的应力之均小于车架材料的许用应力，车架纵梁上大的应力区域主要集 中在第2 根横梁和第4 根横梁之间。车架的最大应力为1 9 1 5 m p ，位于约束的前 后轮上，小于极限强度，其余位置应力值均较小，仅为2 1 2 1 2 8 m p ，1 6 m n 材 料的屈服强度为3 4 5 m p ，车架的安全系数1 8 。由此可以得出，为车架纵梁可以 很好满足在汽车在满载弯曲工况下的强度需求。 满载弯曲工况下的车架应力分布图如图2 5 所示，最大位移为4 6 m m ，位于 纵梁中间，远小于汽车定型试验规程中所规定的最大变形参考值，说明车架具有 较好的抗变形的能力。左右两根纵梁相同位置的变形量相等说明车架具有好的载 荷配比。表明此种车型的设计满载值是合理的，车架的状态良好 2 0 2 1 1 。 第2 章车架的静态分析响应 2 3 2 满载扭转工况 车架扭转工况主要计算一个车轮骑障或悬空时施加在车架上的扭矩的作用。 由于路面不平度的作用，汽车在行驶过程中将受到扭转载荷的作用，其极限扭转 载荷为汽车在非对称支承下产生的静态扭矩状态。实践表明，车身承受的最剧烈 的扭转工况一般是在汽车满载低速通过崎岖不平路面时发生的，车速一般较低， 故取动载系数为1 5 ，模拟汽车悬空时施加在车架上的扭矩的工况，对左前轮u x ， u y ，u z 三个方向自由度和右前轮u x ，u 1 f 两个方向自由度，其它两轮u y 方向 自由度进行约束，车架的宽度是8 6 2 m m ，在车头施加3 4 4 0 n m 的扭矩【2 2 2 3 】。 r、 最大应力部位， 应力值为2 6 8 2 m p | | 。一 q 1 1 i ii l i f 一一 图2 - 6 满载扭转工况下的车架应力分布图 f i g 2 6s t r e s sd i s t r i b u t i o no f t h ef la m eu n d e rf u l l yl o a d e dr e v e r s i n gc o n d i t i o n t ：5 鬈9 9 1 e ：* 0 0 嚣一2 3 6 3 6 2 3 6 e e 枷- 0 0 睦 l 妒 图2 7 满载扭转工况下的车架位移分布图 f i g 2 - 7d i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o no f t h ef l a m eu n d e rf u l l yl o a d e dr e v e r s i n gc o n d i t i o n 满载扭转工况下的车架应力分布图如图2 - 6 所示，在满载扭转工况下车架纵 梁上的最大应力发生在车架的右前轮处，在车架的第1 根横梁和第2 根横梁之间。 在此工况下，车架纵梁上的最大应力达到2 6 8 2 m p ，1 6 m n 材料的屈服强度为 硕士学位论文 3 4 5 m p ，车架的安全系数1 2 ，可以保证客车在崎岖不平路面上的正常行驶。 满载扭转工况下的车架位移分布图如图2 7 所示，此工况下车架的变形量较 大，最大变形量为6 0 m m ，从图中可看出由于左前轮被抬起，左纵梁的变形明显 大于右纵梁的变形，而左纵梁前端和中间的变形量最大，此种情况属于危险情况， 可将车架的材料厚度相应地加大或布置加强筋来提高纵梁的刚度，同时在客车使 用过程中要尽量避免此工况的发生。即在客车的正常行驶中，尽量不要使单个车 轮驶过较高的障碍。 2 3 3 紧急制动工况 客车车架在使用过程中常常发生与悬架连接处的车架开裂现象，这与车辆使 用中的紧急制动工况有很大关系，有必要分析车架在制动载荷条件下的强度指 标。汽车在行驶过程中由于行驶工况的改变，车辆常常会经历加速或减速的情况， 而导致惯性力的产生。由于惯性力的作用车架将承受和行驶方向相反的纵向载荷 的作用，纵向载荷的大小取决于制动减速度和车载质量的大小，惯性力的大小取 决于车载质量和制动减速度的大小。在本文的研究中以制动时前、后各车轮同时 抱死的情况进行计算，在车架上施加一个纵向加速度来模拟紧急制动工况。对两 前轮的u x ，u y ，u z 三个方向自由度和后轮的u x ，u y 两个方向的自由度进 行约束，释放车轮的其余自由度，动载系数取1 5 ，根据相关资料，按汽车的最 大制动减速度o 6 9 来进行计算 2 4 2 5 1 。 图2 8 紧急制动工况下的车架应力分布图 f i g 2 - 8s t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h ef la m eu n d e re m e r g e n c yb r a k i n gc o n d i t i o n 1 3 第2 章车架的静态分析响应 一二二_ 二一 图2 - 9 紧急制动工况下的车架位移分布图 f i g 2 - 9d i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o no f t h ef a _ r i l eu n d e re m e r g e n c yb r a k i n gc o n d i t i o n 紧急制动工况下的车架应力分布图如图2 8 所示，客车车架在使用过程中常 常发生与悬架连接处的车架开裂现象，车架的最大应力为2 4 6 7 m p ，位于左右纵 梁的前后悬架连接处，在第1 根横梁与第2 根横梁之间和第5 根横梁与第6 根横 梁之间，1 6 m n 材料的屈服强度为3 4 5 m p ，车架的安全系数1 4 ，可以保证客车 在需要紧急制动时的安全停车。 紧急制动工况下的车架应力分布图如图2 - 9 所示，此工况下车架的变形量较 大，最大变形量为6 0 m m ，位于两纵梁的中间与第2 横梁和第3 横梁上，此种情 况属于危险情况，可将车架的材料厚度相应地加大或布置加强筋来提高车架的刚 度，同时在客车使用过程中要尽量避免此工况的发生。 2