（车辆工程专业论文）“春晖三号”车身骨架结构分析及轻量化设计研究.pdf

摘要 摘要 汽车一直是全球石油消耗的主体，随着能源危机的日益加深和环保意识的 加强，降低燃油消耗及减少排放已经成为现代汽车技术发展的主要趋势，减小汽 车自身质量、提高燃油效率是今后汽车技术发展的主要方向之一。 随着计算机技术的发展，计算机分析仿真和模拟技术越来越多地应用到汽 车设计中，c a e 极大地缩短了产品的研制周期，减少了开发费用，有利于通过优 化等手段开发出性能更为优越的汽车整车和零部件。采用有限元法( f e m ) 对汽 车进行刚强度以及模态分析，计算汽车结构的应力、变形和振动频率，根据分析 结果对汽车结构进行改进设计，以便使其在满足车身强度和刚度的目标要求下， 达到汽车的轻量化设计。 本文基于有限元分析方法研究轻量化设计问题，建立了燃料电池汽车“春 晖三号 的有限元模型，改进了悬架结构的设计；在各种工况下对车架进行了 刚强度分析，计算其应力和变形，同时进行了车架结构的模态分析，得到了车 架的振动模型；根据分析结果优化车架结构，完成轻量化设计；本文还尝试了 车身骨架结合底盘车架一体化的设计，进一步降低了整车的质量。c a d 和c a e 技 术的综合利用，使整个结构设计有据可查、有理可依，用精确的动态设计来替 代经验静态设计，以降低钢材的浪费，减轻整车重量，降低成本，提高整车的 燃油经济性。 关键词：轻量化，有限元分析，优化设计，车架设计 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea u t o m o b i l ei sa l w a y st h ep r i m a r yp a r to ft h eg l o b a lf u e lc o n s u m e lw i t ht h e e n e r g yc r i s i si sm o r es e r i o u sa n dt h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ni ss t r e n g t h e n e d ，i ti st o r e d u c et h ef u e lc o n s u m i n ga n dh a r m f u lg a sd i s c h a r g i n gh a v eb e e nt h em a i nt r e n d so f t h em o d e ma u t o m o b i l et e c h n i c a ld e v e l o p m e n t ，a n di ti so n e o ft h em a i nd i r e c t i o n so f t h ea u t o m o b i l et e c h n i c a ld e v e l o p m e n ti nt h ef u t u r et or e d u c eo n e so w nq u a l i t yo ft h e v e h i c l ea n di m p r o v et h ef u e le f f i c i e n c y w i t ht h et e c h n o l o g yo ft h ec o m p u t e rd e v e l o p i n g ，t h ec o m p u t e ra n a l y s i s e m u l a t i o na n ds i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya r ea p p l i e dt ot h ea u t o m o b i l ed e s i g nm o r ea n d 。m o r e a n dc a eh a ss h o r t e n e dt h er e s e a r c hc y c l eo ft h 6p r o d u c t sg r e a t l y , r e d u c e dt h e d e v e l o p m e n te x p e n s e ，h e l p e d t od e v e l o pt h ev e h i c l ew i t hm o r es u p e r i o rp e r f o r m a n c e a n ds p a r ep a r tt h r o u g ht h em e a n so fo p t i m i z i n g b yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ， t h ea u t o m o b i l es t r u c t u r ei sc a r r i e do ni n t e n s i t y , r i g i d i t ya n dm o d a la n a l y s i s t o c a l c u l a t et h es t r e s s ，d e f o r m i n ga n dv i b r a t o r yf l e q u e n c yo ft h es t r u c t u r e b a s i n go nt h e r e s u l t s ，t h es t r u c t u r eo ft h ea u t o m o b i l ei sa m e l i o r a t e d ，i no r d e rt om a k ei t r e a c ht h e g o a lo ft h el i g h t w e i g h td e s i g nu n d e rt h ec o n d i t i o no fm e e t i n gt h er e q u e s tf o rt h e i n t e n s i t ya n dr i g i d i t yo ft h ev e h i c l ea u t o m o b i l e t h el i g h t w e i g h td e s i g n sw e r es t u d i e db a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h e f i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ef c vs p r i n gl i g h t3w a sb u i l ta n dt h es t r u c t u r eo ft h e s u s p e n s i o nw a sa m e l i o r a t e d t h ef l a m ew a s c a r r i e dt h ei n t e n s i t ya n dr i g i d i t ya n a l y s i s u n d e rv a r i o u sk i n d so fo p e r a t i n gc o n d i t i o n st oc a l c u l a t et h es t r a i na n dd e f o r m a t i o n t h es t r u c t u r eo ft h ev e h i c l ew a sc a r r i e dt h em o d a la n a l y s i st og e tt h ev i b r a t i o n a l m o d e l b a s i n go nt h ea n a l y s i s r e s u l tt h ef r a m ew a so p t i m i z e dt oa c c o m p l i s h l i g h t w e i g h td e s i g n t h ef l a m e o fb o d ya n dc h a s s i sa t t e m p t i n gt oi n t e g r a t e ，t h ew e i g h t o ft h ec a rw a sr e d u c e dm o r ea n dm o r e t h ei n t e g r a t e da p p l i c a t i o no fc a d a n dc a e t e c h n i q u em a d et h es t r u c t u r a ld e s i g no ft h ea u t o m o b i l er e a s o n a b l ea n dw e l l f o u n d e d t h ee x p e r i e n c e ds t a t i cd e s i g nw a ss u b s t i t u t e db yt h ea c c u r a t ed y n a m i cd e s i g ni no r d e r t or e d u c et h ew a s t eo ft h es t e e l ，l i g h t e nt h ew e i g h to ft h ea u t o m o b i l e ，l o w e rt h ec o s t a b s t r a c t a n di m p r o v et h ef u e le c o n o m y k e y w o r d s ：l i g h t w e i g h t ，f ea n a l y s i s ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，f r a m ed e s i g n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月目 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 汽车轻量化的背景及意义 1 9 7 3 年之前，石油作为当时最重要的工业能源，几乎所有工厂、城市所消 耗的能量都直接或间接来自石油，为此人们甚至把石油的消耗量视为表现一个 区域或国家的经济繁荣与否的重要特征。但是这一年发生的席卷西方世界的石 油危机改变了这种看法，危机过后吃够了苦头的各国政府开始认真考虑节约石 油的问题。其后1 9 7 9 年的第二次石油危机更加加深了人们对于石油以至能源问 题的恐惧，无论是出于政治还是经济原因，各国都拥有充分的理由把节约能源 作为基本国策。强调节能的观念越来越受到重视和普及，人们开始关心石油还 能支持人类社会的车轮运转多久。据1 9 9 7 年底美国油气杂志报导：世界石 油探明储量为1 0 1 9 5 4 亿桶，同年世界平均日产原油6 4 9 4 万桶，据此推算，全球 石油探明储量仅能支撑此产量4 3 年。因此如不出所料，本世纪中期将出现第三 次石油乃至能源危机。那么应该怎样应付即将来临的危机呢? 世界各国目前达成 的共识是：一方面积极寻找和开发替代能源及相关技术，比如用风力、水力发 电，扩大天然气的应用等，但这些方法大都还不成熟，或者是有各种条件的限 制，都还不如石油燃料经济和方便，只能起到辅助的作用，要取代石油的统治 地位还需要很长时问的探索，因此在另一方面，更为迫切的就是，最大程度的 减少石油消耗，缓解危机的来临，为替代能源的研究和推广争取时间。 众所周知，车用燃油是全球石油消耗的重要组成部分，光是在汽车保有量 仅有2 4 0 0 万辆的中1 雪( 2 0 0 3 年底数据) ，2 0 0 2 年石油消耗的2 5 就是用在车用燃 油上，而世界上各种汽车保有量超过6 亿辆，按平均每辆汽车年消耗1 5 桶石油 及石油制品来计算，全球汽车的石油消耗量达到每年9 0 亿桶，约占世界石油总 产量的4 0 ，尽管如此，世界各大车厂每天还在以惊人的速度生产着一辆辆吸 油的钢铁昆虫。虽然各国政府大力提倡优化交通结构，特别是优先发展公共交 通，以求较大幅度降低石油总需量及道路压力，但是人们拥有自己的私车的愿 望是如此强烈，以至于家庭用车的销量仍然在不断增长。在这样的背景下，汽 车油耗在石油问题中i f 扮演着极为重要而且越来越重要的作用，因此，f ：发汽车 第1 章绪论 节油技术就成为一个具有重大意义的课题，世界各国政府及各大汽车厂家都为 此投入了巨大精力。当前各大汽车公司进行中的混合动力汽车、燃料电池汽车 等项目，使人们开始看到大大节约甚至不使用燃油的可能，但在这些项目取得 重大突破以至于能批量生产之前，石油燃料仍然是汽车最重要的动力源。因此， 通过汽车技术进一步减少油耗，最大程度地延缓石油枯竭的时间，可谓是人们 为实现可持续发展的目标而做出的一种现实的重大努力。 而从汽车销售的角度来看，随着油价的不断攀升，汽车的油耗越来越成为 影响国家政策及消费者选择车型的重要因素。就中国市场而一言，统计显示1 9 9 6 年至2 0 0 2 年间中国原油净进口量已从2 0 0 0 多万吨增加到约7 0 0 0 万吨，而且中 国石油消费对进口的依赖还将逐年上升，2 0 0 2 年中国石油消费的3 1 来自进口， 而2 0 0 7 年这一数字将上升到5 0 以上。根据汽车财经的消息，2 0 0 3 年1 2 月6 日零时起，北京市成品油价格再次调整，9 3 号汽油从原先的3 0 2 元升调整为 3 2 0 元升，增幅达6 ，到2 0 0 6 年底，9 3 号汽油价格已经上涨到4 9 2 元升。 调价后，同样是加1 0 0 元的汽油，现在比以前要少行驶近百公里。不仅如此， 还有消息称国家取消养路费改征燃油税的政策正在筹划之中。因此使用轻量化 技术从而减少油耗的汽车将会在这样的背景下占有巨大的市场优势。再从环境 角度看，汽车每年向大气中排入的二氧化碳量多达4 0 亿吨，占世界上全部二氧 化碳排放量的2 5 随着第三世界国家对汽车需求的增长，这些排放将在今后3 0 年里增长至6 0 亿吨。而其他汽车排放物如氮化物，硫化物，p m 等也是大气污 染的重要因素，因此降低汽车油耗，从而减少废气排放，也对环境保护极为有 利。据美国铝业协会估算，如果美国的轿车重量减轻2 5 ，每天将节油7 5 万桶， 全年减少二氧化碳排放量1 0 1 亿吨。那么，怎样才能有效降低车用油耗呢? 首先 要知道，汽车行驶阻力越大，耗油越多。现在来看一下汽车行驶方程式1 1 j ： f ；g 木，+ g * s i n 口+ 6 冰，”母口+ c d 木彳木矿2 2 1 1 5 其中，f 为行驶阻力，g 为车重，厂为滚动阻力系数，a 为加速度，口为 道路坡度，6 为汽车旋转质量换算系数，m 为汽车质量，e 为风阻系数，4 为 迎风面积，v 为车速。 汽车行驶阻力包括滚动阻力、爬坡阻力、加速阻力和空气阻力等四项，从 上式可以看出，其中自仃三项均与车重成正比。根据经验，空气阻力大约占到行 驶阻力的2 5 ，目自仃减少这部分阻力的措施通常有：流线型车身、全粘接挡风 玻璃、隐蔽式雨刮器、下地板全封装等等，这砦措施能帮助人们将风阻系数降 2 第1 章绪论 到0 3 ，但己到瓶颈，进一步减小的可能只能寄望于更为流畅低矮的车身，但这样 不仅需要巨大的技术与资金的投入，而且不适用于要求空间宽敞的日常用车， 因而应该将目光转移到其他的阻力因素上。而剩下的7 5 ，则都跟车重密切相 关。因此，减轻汽车质量，就成为减轻阻力，从而节约燃油的重要措施。根据 研究结果，汽车自身质量每减轻1 0 0 k g ，可节油0 3 一o 8 l 1 0 0 k m 。根据宝马公 司的研究结果，1 考虑到不同车型质量不同，按百分比来说，整车质量降低1 ， 则油耗可减少o 6 一o 8 。2 0 0 2 年全球汽车总产量为5 8 0 0 万辆，试想若能每辆 减轻1 0 0 k g ，取平均节油效果0 6 l 1 0 0 k m ，以每辆行驶寿命1 0 万公里计算，仅 这一年生产的汽车在整个寿命期间就能节约燃油3 4 8 1 0 1 0 l ，即2 2 亿桶( 1 5 9 l 桶) 。同时汽车减轻自重，还有利于改善汽车的转向、加速、制动等行驶性能， 同时还有利于减轻部件振动和降低噪声，提高舒适性能，对于某些承载件，其 承载的重量减轻，有利于降低元件疲劳损耗，提高耐久性。例如：一辆重量为 1 5 4 3 k g 的汽车，若车重减轻2 5 k g ，就可使该车加速到6 0 k m h 的时间从原来的 1 0 秒减少到8 秒i 引。 此外，汽车某些部件的质量是相互关联的。例如车身零部件的减重会使得 其支承件如悬架、车桥、车轮等的负荷减小，尺寸和质量也就可以相应减少， 同时发动机和制动器也可以适当减轻，因此某些部件的轻量化还能引起二次减 重，从而带来更大的轻量化效果。 现在随着人们对汽车安全性、舒适性、环保性要求的提高，汽车上空调、 安全气囊、隔热隔音装置、废气净化装置、卫星导航系统、无线电通讯、电子 控制等设备越来越普及，这无疑在不断增加汽车的重量。以大众g o l f 车型为 例，在过去的3 0 多年内重量从7 5 0 k g 增加到1 0 7 0 k g 【3 1 。就从目前初级阶段的电 动车、燃料电池车来看，虽然能够节省石油燃料，但其质量却是惊人的大，严 重影响了汽车性能，在减重方面仍然需要巨大努力。因此即使抛开能源问题不 谈，为了保持现在及提高未来的汽车性能，轻量化技术仍然不可或缺。 j 下是在这样的原因和背景下，汽车轻量化技术成为了具有严肃现实意义的 重要课题。行业公认，轻量化已经成为未来汽车发展的趋势之一。 1 2 有限元法的发展以及在汽车行业中的应用 在汽车c a d c a e 技术中，有限元分析方法和软件技术占据了一个极其重要 3 第1 章绪论 的位置。对于汽车这样复杂的结构，进行动力学性能的研究及优化设计，有限 元方法被证明是一种最为成功，应用最广泛的近似分析方法。工程实际中对复 杂结构的分析，常常很难得到解析解。有两种方法可以克服这个困难：一种方 法是对复杂的问题做出种种简化，提出许多假设，回避一些难点，最终简化为 一个能够解决的问题。但由于有太多的假设和简化，经常会得出不准确甚至错 误的解答；另一种方法是尽可能保留问题的各种实际情况，尝试寻求近似的数值 解，放弃封闭形式的解析解，因为近似数值解也可以满足工程实际需要。在计 算机和计算技术迅速发展的今天，后者成为比较现实和有效的选择。 有限单元法是近三四十年随计算机的发展而发展起来的用于各种结构分析 的数值计算方法。它运用离散概念，把弹性连续体划分为一个由若干个有限单 元组成的集合体，通过寻找与原连续体场问题的等价的泛函变分形式，得到一 组代数方程组，最后求解得数值解。有限单元法的基本思想离散化概念早 在4 0 年代就已经提出来，由于当时计算条件的限制，没有引起重视。十年以后， 英国航空工程教授阿吉里斯( a r g y r i s ) 茅 1 他的同事运用网格思想成功地进行了结 构分析。与此同时，美国克劳夫( r w c l o u g h ) 教授运用三角形单元对飞机结构进 行了计算，并在1 9 6 0 年首次提出了“有限单元法这个名称。在以后十年中有 限元法在国际上得到蓬勃发展。6 0 年代中后期，国外数学家开始介入对有限元 法的研究，使有限元的发展有了坚实的数学基础。1 9 6 5 年，津基威茨 f o c z i e n k i e w i c z ) 和同事y k c e u n g 宣布，有限元法适用于所有能按变分形式进 行计算的场问题，有限元法的应用被推广到了更广阔的范围。 有限元法最先应用到航空工程领域，后来迅速推广到机械与汽车、造船、 建筑等各种工程技术领域，并从固体力学领域拓展到流体、电磁场、振动等各 学科。有限元法最早是为解决结构计算而提出的，并成功地应用于工程实践中。 随着研究的深入，有限元法已不仅仅作为一种解决力学问题的分析计算方法， 而且也成为一种数学上解微分方程的数值计算方法。在工程技术领域，有限元 法的应用可分为三大类： ( 一) 进行静态分析，也就是求解不随时问变化的系统平衡问题。如线弹 性系统的应力分析，也可应用在静电学、静磁学、稳态热传导和多孔介质中的 流体流动等的分析。 ( 二) 模态分析和稳定性分析。它是平衡问题的推广，可以确定一些系统 的特征值或临界值，如结构的稳定性分析及线弹系统的同有特性的分析等。 4 第1 章绪论 ( 三) 进行瞬时动态分析。求解一些随时间变化的传播问题。如弹性连续 体的瞬时动态分析( 动力响应) 和流体力学等。 对汽车的零部件和整体结构进行动力学仿真和分析，是研究其可靠性、寻 求最佳设计方案的主要手段。汽车是由发动机、车身、传动系、行驶系和制动 系等组成的复杂结构，实际使用中的载荷情况也很复杂，采用经典力学的计算 方法往往有很大的局限性。而有限元方法的发展和应用，为其带来了一种可靠 的计算方法。有限元分析已成为计算机辅助设计中的不可缺少的重要环节，融 入到每一辆汽车的设计中。它包括从结构的物理模型抽象为有限元计算的数学 模型，计算程序的选择或修改，以及计算前后大量信息数据的处理等过程。这 个过程最后获得的主要数据是：结构的应力分布、变形分布、内力分布，结构 的固有特性和动响应。利用这些数据，就可进行相应的分析。分析的目的包括： ( 1 ) 进行方案的优化设计。计算结构的动、静态特性，进行动态优化设计，预测 其疲劳寿命和可靠性。( 2 ) 分析故障原因，寻求改进方法。在汽车使用中发生故 障时，分析其原因，提出合理改进方案。 从7 0 年代开始，随着大容量计算机的出现和美国宇航局结构分析程序 n a s t r a n 的开发成功，美国几家大的汽车公司开始了一场汽车结构设计的革 命，r j m e l o s h ，k k i r i o k a 和t h i r a t a 等人在美国s a e 杂志发表了一系列介绍 汽车的有限元模型的文章。1 9 7 7 年，k a m a l 和w o l f 发表在“a m e r i c a ns o c i e t yo f m e c h a n i c a le n g i n e e r ”上的一篇文章全面评述有限元技术在整个小客车模型上应 用的情况。进入8 0 年代以来，随着计算机软硬件技术的飞速发展及计算方法的 创新，有限元模型建立的技术和方法日趋丰富和完善，模型的规模也从最初的 几十、几百个简单单元发展到如今的几万甚至几十万个混合单元，分析对象已 由静态应力到动态响应、噪声、碰撞和优化设计。应用大型有限元软件，建立 汽车的有限元模型，进行汽车的动静态分析，完成汽车的优化设计，已是各大 汽车公司普遍采用的一种手段。美国福特汽车公司在7 0 年代即使用n a s t r a n 软件，用板梁单元进行车身的静态分析，找出高应力区，并改进应力分布【引。日 本五十菱汽车公司在8 0 年代末已将c a e 应用到车身设计的各个阶段，从最初 设计阶段的粗略模型到设计中、后期的细化模型，分析的范围包括强度、刚度、 振动、疲劳、碰撞及形状和重量的优化1 6 j 。进入9 0 年代，有限元分析得到更为 广泛的应用。美因通用汽车公司在通用有限元程序的基础上自主开发了后处理 程序，将发动机和道路激励载倚集成到数据库中，进行汽车对发动机和道路激 第1 章绪论 励的响应分析和改进，极大的简化了分析过程【7 j 。日本尼桑汽车公司利用有限元 分析仿真来驱动整个设计过程，减少了设计时间，使花费、重量和n v h ( n o i s e ， v i b r a t i o n ，h a r s h n e s s ) 性能得到优化。在分析中使用的模型己经包括悬架、发动机、 轮胎和转向机构【8 1 。美国福特汽车公司也利用c a e 在新车开发中提高其n v h 性 能，取得良好效果【9 j 。 与此同时国内的有限元分析技术也不断发展：1 9 7 7 年，长春汽车研究所的 谷安涛、常国振在汽车工程上发表了“汽车车架设计计算的有限元方法”， 揭开了中国汽车工业计算机辅助设计的序幕。进入8 0 年代，有限元分析在汽车 结构分析中逐步开始推广应用。清华大学的官飞和北京第二汽车制造厂的冯保 义等人建立车架梁单元模型和弹性模态与刚体混合建立整车2 8 自由度模型进行 车架应力分析【1 0 l 。吉林工大的王裴和沈阳轿车厂的刘听等人探讨了车身骨架模 型建立和计算中的一些技术问题，并对s y - 6 2 2 b 客车进行了计算分析1 1 。长春 汽车研究所的谷安涛对用有限元分析方法进行城市客运大客车结构强度分析进 行了大量的研究1 1 2 j 。进入9 0 年代以来，随着计算机软、硬件技术的发展，特别 是微机的性能大幅提高及普及，在微机上进行有限元分析已不再是很困难的事， 使得有限元分析的应用向广度和深度发展。对路面谱及汽车输入谱的研究在继 续开展，对汽车结构的模态试验、分析和动力学修改也开展了研究【1 3 】【2 4 】【3 0 】，文 献 1 4 忻l j 用模态分析和结构灵敏度分析的结果分析故障原因并提出改进方案。 文献 1 5 1 对客车结构连杆真实形状对计算的影响，文献【1 6 】研究了货箱对车架强 度的影响。有限元模型己更加接近真实形状，计算精度和规模大大增强，文献 1 7 】 中用s a p 软件建立桑塔纳2 0 0 0 型白车身的板壳单元为主的有限元模型，达到 5 0 5 2 个单元，4 4 4 2 个节点。湖北汽车工业学院的屈求真总结了有限元分析在轿 车结构分析中的应用1 1 8 】，对汽车的碰撞和安全性等非线性问题的有限元分析也在 逐步开展。 1 3 本论文使用相关软件介绍 1 3 1 c a d 软件简介 u n i g r a p h i c s 软件( 简称u g ) 足荚固e d s 公司将c a d c a m c a e p d m 集于一 体的人型软件产品，1 9 9 0 年进入巾国市场，主要用于汽车、飞机、船舶等制造 6 第1 章绪论 业的模具及复杂零件的设计、计算、制造及工程分析。e d s 公司曾经一度与美 国通用汽车公司合并，并结合汽车工业的实际对软件进行了完善和扩充，因此 该软件很适合于汽车工业。 多年来，u g 软件汇集了美国航天航空与汽车工业的专业经验，发展为一流 的集成化机械设计、分析和制造软件，提供综合了最先进的技术和一流的实践 经验的解决方案，使产品开发从设计到加工真正实现了无缝集成，优化了企业 的产品设计与制造。在u g 环境中，全部产品及精确的数据模型都能在产品开发 全过程的各个环节中保持相关，从而可有效地实现并行工程。目前u g 已成为多 家世界著名企业计算机辅助设计、分析和制造的标准。u g 的实体建模是其它所 有几何造型的基础，它将基于约束的特征建模和传统的几何建模融为一体，形 成无缝的复合式建模工具。它能方便灵活地编辑和修改从特征到自由形状曲面 的所有实体模型，将实体建模、曲面建模、线框建模、半参数化及参数化建模 融为一体，充分发挥各自的长处。u g 复合式建模工具较之纯参数化的系统更为 灵活和自由。它允许在需要的时候随时增加参数，同时能有效地运用传统的产 品设计过程，并在必要时与基于约束的特征建模相结合，在最大程度上满足设 计人员的要求。 本课题中电动车的所有几何模型都是在u g 软件下建立的，为以后的进一步 修改和有限元分析提供了详细而准确的数模 1 3 2c a e 软件简介 运用有限元理论进行动态特性的计算分析时，可以根据前述的理论自行编 制程序完成，这需要编程人员同时具备扎实的数学、力学基础和深厚的程序设 计功底，但对所开发软件包的验证核实很耗费时间，并且一些在较低层次上的 重复投入也不能适应生产实际的需要。另外一个可行的办法就是在成熟、通用 的商业软件包中进行选择，从中选取最能满足设计要求的软件，这样可以把主 要精力放在对设计对象的研究上，而且可以通过软件供应商的售后服务，不断 得到数学、力学最新研究成果的支撑。 以下是几个常见的f e a 分析商业软件包的对比，见表1 1 ，可以看出 n a s t r a n 和a n s y s 都能较好的满足需求，而后者更因为能进行多物理场的耦 合分析和强大的非线性分析功能( 用于汽车的碰撞模拟) 得到青睐。 第1 章绪论 表1 1 常用有限元软件对比 程序名称 n a s t r a na n s y ss a p 5s u p e r s a - p 类别大型通用大型通用大型通用微机通用 适用机型大中型机大中微型机大中微型机 微机 数据自动生交互式实体建模建模能力 成网格自动划分网格自动生成 有前处理模可定义材料信息 无 文件交换 前处理功能 块数据图形显示图形显示 可绘制模型数据检查数据检查 图 线性静力学 有 有 有 有 非线性静力学有有有有 分析 特征值计算有有有 无 功能 频率振型有有有有 子结构功能有有无无 二力杆有有有有 空间梁有有有有 主要 薄壁单元有有无无 单元 膜单元有有有有 三维体单元有有有有 结构图有有有有 后处变形图有有 有有 理功廊力分布图有有有有 能 断面应力图无有无 无 应力响应排序有有无无 航天、机械、航天、机械、造建筑、结构、机械、车辆、 主要应用领域 海洋、车辆船、汽车、结构海港结构、造船 1 3 3 利用c a d o a e 软件进行结构优化设计 在上述两种软件的帮助下，工程人员。可以很好的埘同标部件进行结构优化。 8 第1 章绪论 首先利用u g 强大的建模功能建立目标部件的数模，再导入a n s y s 中划分网格 及确定材料属性，最后利用a n s y s 强大的计算分析能力进行有限元计算和后处 理。根据a n s y s 有限元分析的结果，工程人员可以了解到该部件的重要结构信 息，从而可以在此基础上对零件进行优化，将优化后的结构再返回到u g 中进行 修改，如此反复，以达到优化的目标。 需要优化的目标具体包括： ( 1 ) 使用最少的材料满足刚强度要求； ( 2 ) 在合适的位置使用最合适的材料； ( 3 ) 通过合理组合减少零部件数量； ( 4 ) 零件位置定位最优化； ( 5 ) 零件形状最优化，等等。 而要实现这样的目标，具体方法有两种。 第一种：主要是人工操作，即工程人员根据有限元分析结果得到对设计结 构的性能预测，比如整车或零部件在不同受载情况下应力预测、整车及零部件 碰撞过程变形及断裂预测、不同载荷及路况下零部件失效预测等等，凭借相关 理论加上自己的经验，对零件的相关参数进行优化，再进行有限元分析以检验 优化结果。 这样做的好处在于工程人员既借鉴了上次有限元分析的结果，有了基本的 优化方向，又可以自己根据实际情况相应更改优化参数，做到对优化过程的完 全控制。不利之处在于参数更改后仍然得在计算机里重新划分网格和计算校核， 不但费时费力，而且由于工程人员的水平有高低，很可能无法更改到真正的最 优化结果，甚至适得其反都有可能。 第二种：主要是计算机操倒4 1 。目前如a n s y s 、n a s t r a n 等很多有限元 分析软件都自己带有优化模块，即可以自动对零件进行优化。前提是在分析环 境中建立参数化几何模型，并且输入相关优化设计要求，例如设计变量、状态 变量、目标函数等等。根据这些信息，软件会进行一系列的分析一评估一修正 的循环过程，即对于初始设计进行分析，对分析结果就设计要求进行评估，然 后修证相关参数，重新分析，再评估修正，如此循环，直到所有的设计要求都 得到满足为止。这种方法最有利之处就是省时，计算机进行一个循环也许只需 要几分钟，而工程人员可能得花上几天的时间。不利之处一方面在于如果足复 杂部件如汽车车身，网格划分非常困难，而且涉及到的设计变量、状态变量数 9 第1 章绪论 目非常多，操作起来困难重重，另一方面在于这种分析必须在有限元软件里以 参数化方式建模，因为所有需要的设计变量、状态变量、目标函数等都是基于 模型参数的，非参数化模型无法优化。但就目前而言，有限元分析功能强大的 软件，其建模功能往往都较弱，无法建立一些较为复杂的模型，大多数工程人 员的做法是在建模软件里建好数模再以一定格式导入有限元软件里进行分析， 但这样导入后的模型会失去一些特征参数，成为非参数化模型。另外，计算机 的优化结果不一定具有实际意义，例如某些梁杆零件优化后的厚度是离散变化 的，并不会符合现有型材的规格，在实际使用中很难选取。 因此使用计算机优化常常只能针对一些结构或形状简单的零件，对于处理 复杂零件还困难多多。但相信随着计算机软件技术的快速发展，这一瓶颈将很 快得到突破。 1 4 本文研究的主要内容 同济大学汽车学院多来一直从事电动汽车方面的研究，先后开发了超越系 列燃料电池汽车、春晖系列微型电动汽车、登峰系列混合动力汽车。其中春晖 系列从2 0 0 2 年开始，已开发了三代电动车，但是各个技术环节有待于进一步的 深化提高。在车架设计中结构还略显冗杂，局部布局和尺寸设计也不尽合理。 如何更合理地布置和满足强度刚度条件下的车架轻量化值得进一步研究。 双横臂扭杆悬架电动轮模块结构作为整车的承载部件，在紧急情况下将会 受到大的附加载荷的冲击，对悬架部分的强度要求很高。如何改善受力条件， 避免载荷集中，加强悬架强度防止：晷：架的结构失效将是：悬架部分改进的工作。 另外，由于电动轮模块簧下质量过大，将会影响行驶平顺性，悬架模块部 分的轻量化，改善行驶平顺性将是另一个值得研究的问题。 整体式玻璃钢无骨架车身由于要考虑强度问题使其重量相对于底盘来说显 得过于笨重，在车身部分设计骨架和底盘车架一体化不但可以提高车身的强度， 减轻车身的重量，同时还可以优化载荷的分配，对底盘部分的强度也会起到加 强作用。因此车身骨架和底盘骨架一体化的结构设计非常值得研究。 本论文将结合国家8 6 3 电动汽车重大专项燃料电池轿车子课题“四轮驱动 电动汽车关键技术研究”项目并结合以上因素，对此展丌研究工作。对车架和 悬架模块进行优化分析，提出优化结果和改进方案；分析和研究四轮驱动电动 l o 第1 章绪论 汽车底盘设计中双层骨架式车架和车身骨架一体化的结构设计理论、分析理论 及优化理论，提出车架的优化模型，给电动轮悬架模块、制动、转向以及车身 提供良好的载体。本论文的研究将为今后的多电机驱动电动汽车的底盘系统提 供有益的技术基础。 第2 章柞晖三号整车结构介纠 第2 章“春晖三号”整车结构简介 春昨系列电动汽车属于微型电动汽车系列，主要适用于场地车、场馆车以 及家用微型汽车，在此基础上丌发的“舂晖三号”是针对微型电动汽车设计的， 它一方面继承了原奋脐系列电动汽车先进的方嘶，另一方面对原来结构上的缺 陷和不足加以弥补和改进，其结构具有区别于传统汽车的鲜明特点。 21 驱动系统 “春晖三号”的动力系统为燃料电池和锂电池的混合动力是以屯能和电 机马 动为动力系统的新能源汽车，这是一种十分环保清沽无污染的、可再生的 能源。燃料电池汽车以氢能发电为动力源，均其有零排放无污染、高效节能、 噪声极低的突出优点。 轮毂电机是这辆四轮驱动车区别于其他传统车辆的最根木的变革，见图2 1 。山于采用了轮毂电机，所以没有减速器、万向节、差速器、变速器等设备， 动力直接由电池通过控制器供给电机，这样大大减少了中间传动环节，传动效 率很高：同时电动轮模块的艇成也利于降低k 产成本。 国 轮毂电机 制动珊 幽2 1 电动轮模块 l 斟2 - - 2 燃料i u 池和氧瓶 第2 章春晖三号整车结构介绍 2 2 转向系统 在转向系统方面“春晖三号”继承了以往车型的优势，采用线控转向，见 图2 - - 3 。这里说的线控转向有别于目前已经运用在成熟车型上的转向助力装置。 它是一种类似于前面讲到的电机取代发动机而摒弃传动系统的传递转向力的转 向系统。就这个系统而言，完全抛弃了机械联接的转向柱等结构。驾驶员所控 制的方向盘，其实就是一个传感器，由传感器生成电信号传给转向器用于执行 转向的动作。这样的线控转向，是一种柔性的联接，有两大好处：第一，转向 机构的空间布置灵活性较大；其二，方向盘可以比较自由的安放在不同的位置， 在前驾驶座可设置一个滑道，让方向盘滑动，这样可以改变不同的驾驶位置， 满足不同的需要。另外，在转向盘上安装了一个路感电机来模拟路感，这样形 成了人一车一环境的一个闭环控制系统，见图2 4 。 削2 - - 3 转向电机和转向杆酗2 4 方向盘 2 3 车架结构 “眷晖三号”采用的是非承载式车身，整个车身质量完全由车架来负担：除 了车身及车内的部件，还有诸如蓄电池、燃料电池、氢瓶、电机控制器等设备 需要空间安放，兼顾到承载式车架的总的刚度与强度的要求，因此底盘结构采 用了如图2 - - 5 所示的双层骨架式车架，这对于满足整车的抗弯抗扭也是十分有 利的。同时，上层与下层车架之间有足够的空间来提供以上这些设备的安装。 第2 章春晖三号整车结构介绍 2 4 悬架结构 1 圣i2 5 双层骨架式 颦 悬架就足在车轮与车架或车身之间提供弹性联接，依靠弹性联接来传递车 轮或车桥与车架或车身之间的垂向载荷，并依靠其变形来吸收能量，达到缓冲 目的的装置。悬架分为独立悬架和非独立悬架： 以纵置钢板弹簧为弹性元件兼作导向装置的非独立悬架，由于存在一根连 接左右车轮的整体轴，黄下质量大，汽车平顺性较差；当汽车行驶在凹凸不平 的路面上或转弯行驶时，会产生不利的轴转向特性。其优点是结构简单，维修 方便，工作可靠。 独立悬架优点是：簧下质量小；悬架占用的空m 小；汽车行驶平顺性好； 左、右车轮各自独立运动互不影响，可减少车身的倾斜和震动，同时在起伏的 路面上能获得良好的地面附着能力。缺点是结构复杂，成本较高，维修困难。 冈为“春晖三号”足双层式的车架，加之使用轮毂电机等因豢，为提高车 辆的操纵稳定性和行驶平顺性田m i 聚用独立悬架。 独矗悬架又分为取横臂式、坼横臂式、取纵臂式、单纵臂式，单斜臂式、 盘斐逊式和扭转粱随动臂式等几种，如表2 l i ij ： 第2 章春晖三号整车结构介绍 表2 1 独立悬架的类型 i材 。s 常 e 、臣。 掩 荔龌 惯 l 翟 艇雹 露 加* 簟 。f fi 嶝 譬 霉襄 蠡 徽 精， j 荔 搿翟 幡 奄董 嚣 董 暖 馨曩 奄 譬球 梅匠袄 麓 孽耘 ，并越 撬 麓 捌 ：盎篡 遥 雹 囊 暖 曩 。e 酞 - 树 茸 龟 冀 黛 鬈 辑 懈 酬， 挂 乓 乓 袄 奠熊 囊舞 舅 ，搿 素 警& 警寝 墨能 翻。越蟹戳 ? 霉q 摄瓣 譬 广b 一 懈懈 簟 懈 怼 j 鲁辱 冬 簟 瑟簟 必 簿 铒 毫 惯锹 k 懈 篑 簟懈 酋 罨 霹 擎 i k 鬈 欺 慧 毽 铡 器 磐 慧 捌 幡 啦霹嘲霹 蠢 曩 奄 n ? n 爱 ， 越 番 袄 雹 ，。 k 譬 舞 、 怖 霉 簟 足乓 葺 姆 铽 一：乎 蠼 墨杈 戗 薹 搿 墨 搀 譬 辱蠢毫 搿谈 ， 辱 基 ，州： 一。 联 卜-j 、卜 曩麓 艘 奠 ： | 、 靛 j 墨粥 一 曩 畏霸麓 哦摹囊 猛 弘域 啦卅盘 鼙 窖幡 四球 群 黾筐 掩 察 星 飞 岔 霉叠 疆 l 富 欺媚皇a 管 蕊 基。 丘 鼍豢k 锑，、球k簟 必 搿 蠲 霉辣 麓尊罡 懈 一 1 ： | r 蕾蠢* 簟斟 基霞 簟 善 譬 卜 攫锹 甚罨毒毫黛 懈 一 曩 递 i 一 州 窭 毫7 囊 域 萎蠢 球霹 捌 疆蠢 譬 蕞 ， 毓 捌 墨 甓慵 鼍 7 7 卜 辚 瑟垂 簟簟七， 屯 孽斟 鼙 七 醛 丑 l k ，1 黼捌鄹精翅稚 、 食 州罡 翟 霭毒己 蕊| 麓 善制 誓 蕾。 汐二 鼍 定量 薹 越 。 井 誓 曩 壅 - 宣 扫3 壬 餐簟 搿 基 宦 锚 嚣 霉掣 一 囊 宅 x 誓 算驶 联暖 排聋 姐 * 1 5 麟斜毒廿最藩鬃譬鼻、r懈窜苫匠 e 第2 章春晖三号整车结构介绍 “春晖三号”在整车布簧方面因为要提高乘座舱纵向的空间，所以其纵向 空间有限；而在横向空问由于没有发动机、减速器等设备，所以相对的空问稍 大，因此选择横向布簧的悬架。又考虑到车轮定位参数的变化不能太大，最终 选择了双横臂悬架，如图2 - - 6 所示。 2 5 车身 幽2 6 般横臂抓杆悬架 在车身试制期，为了减少成本，加快生产进度，适合采用快速成型i 一艺 “春晖三号”就是采用了快述成型的玻璃钢车身，见图2 - - 7 ，它属于非承载式 车身，具有制造工艺简单、成本低、外形时尚、安装方便等特点，适用于学校 里整车的试制和研究。由于春晖采用骨架式底盘，车身加工成型后的安装是直 接扣在底盘上，非常方便更换。在车身的加工生产时可以考虑设计不同风格 的时尚车身，满足各种消费者特别是追求时尚的年轻人的需求。 第2 章春晖三号摧车结构介绍 幽2 7 “春晖三号”车身 第3 章双横臂扭杆悬架的分析和结构改进 第3 章双横臂扭杆悬架的分析和结构改进 3 1 悬架的受力分析和计算 “春晖三号”的双横臂扭杆悬架为下横臂安装扭杆，所以悬架的下横臂支 撑了整车的全部质量，对悬架结构强度的计算只需要进行下横臂的校核。一般 说来，车辆在有冲击载荷作用的紧急制动情况下悬架受力是最大的，因此对下 横臂的强度计算本文只考虑在冲击载荷作用下的紧急制动工况。 在紧急制动时，悬架的受力是相当复杂的，其下横臂是在拉伸情况下的弯 扭组合变形。由于理论计算只是对下横臂进行初步校核，因此本文简化了下横 臂的受力条件，不考虑材料应力强化、应力集中等现象，并对制动力和垂向力 分别加以计算： “春晖