（车辆工程专业论文）汽车车架的轻量化设计.pdf

西华大学硕士学位论文 汽车车架轻量化设计 车辆工程专业 研究生曲昌荣指导教师巢凯年( 教授) 摘要 汽车工业随着国民经济发展和交通运输体系的全面建立得到了飞速发 展。汽车车架作为汽车总成的一部分，承受着来自道路和装载的各种复杂载 荷作用，并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起了非常重要的作用。 本文利用有限元分析软件a n s y s 对某载货汽车车架进行了分析和研 究。分别讨论了该车架静态时在纯弯曲工况和扭转工况下的静强度分析，进 行了静态时的刚度分析；分析了车架在弯曲工况、扭转工况、搓板路工况和 紧急转弯情况下的静态动强度分析。分析结果表明，该车架的应力值小于材 料的强度极限，满足设计的要求，但是强度偏大，所以经济性比较差。本文 还进行了车架的动态分析，主要是模态分析，它是结构动态设计的核心，克 服了静态方法的局限性，强调从结构的整体考虑问题。通过对车架进行模态 分析，计算出车架的模态振型与相应的固有频率，通过固有频率与振型从整 体上考虑车架的局部强度问题。根据该货车车架的这一特点，论文提出了几 种方案对车架进行了轻量化设计，优化的结果使得车架自身重量减少，节约 了原材料，降低了生产的成本，提高了汽车的燃油经济性，并且有利于环保。 关键词：车架，有限元，静态分析，动态分析，轻量化 西华火学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n dt r a f f i cs y s t e m ，c a ri n d u s t r yh a s b e e nd e v e l o p e da tv e r yf a s ts p e e d a sap a r to f t h ec a r , t h ef l a m es u p p o r t sa l lk i n d s o fc o m p l i c a t e dl o a d sc o m i n gf r o mt h er o a da n dt h ef r e i g h tb e i n gl o a d e d a n d m a n ya s s e m b l yo ft h ec a ra r eb u i l ti nt h ef r a m e s ot h ei n t e n s i t ya n dt h es t r o n go f t h ef l a m ep l a yar o l ew a yi nt h ec a r sd e s i g n t h ef l a m eo f s o m et r u c ki sa n a l y z e da n ds t u d i e du s i n gt h ea n s y si nt h i sp a p e r t h es t a t i ci n t e n s i t yo ft h ef l a m ei sa n a l y z e da n ds t u d i e di nt h ei n s t a n c eo fp u r e b e n d i n ga n dc o u p l e d b e n d i n ga n dt o r s i o n i nt h i sp a p e ria n a l y z e da n ds t u d i e dt h e i n t e n s i t yo f t h ef r a r n ei nt h ei n s t a n c eo f t h eb e n da n dt h et o r s i o nw h e nt h ec a rw a s n m n i n g ，a n da n a l y z e dt h es t r e s sa n dt h ed i s p l a c e m e n to ft h ef r a m ew h e nt h ec a r w a sr u n n i n gi nt h ew a s h b o a r d r o a da n di nt h ec a s eo fs h a r p t u r n i n g t h er e s u l t i n d i e a t e st h a tt h es t r e s so f t h e 丘a r r l ei sl e s st h a nt h eu t m o s ti n t e n s i o nt or e s i s tt ob e p u l l e do f t h em a t e r i a lb e i n gu s e d s ot h ef r a m ei ss a t i s f i e dw i t ht h ed e s i g n ，b u tt h e s t r e s si sl e s sa n dt h ee c o n o m yi sn o tr a t h e rb e t t e r i nt h i sp a p e rt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ct h a ti sm a i n l ym o d ea n a l y s i si sa n a l y z e d t h em o d ea n a l y s i si st h ec o r eo ft h ec o n k i g m - a b l ed y n a m i cd e s i g n ，a n di t o v e r c o m e st h es h o r t c o m i n go f t h es t a t i ca n a l y s i sa n de m p h a s i z e st h a tt h ep r o b l e m s h o u l db ec o n s i d e r e df r o mt h ew h o l ec o r f f i g u l a t i o n t h em o d ev i b r a t i o nm o d e la n d p r o p e rf r e q u e n c yo f t h ef r a m ea r ec a l c u l a t e db ym o d ea n a l y s i s t h el o c a li n t e n s i o n i sc o n s i d e r e db yt h ef r e q u e n c ya n dt h em o d e l a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co f t h ef l a r n e ，s e v e r a ls c h e m e su s e dt od e s i g nt h e f r a m ea r ec o m eo u t ，w h i c hm a k et h ef l a m eb e c o m el i g h t ，s a v el a wa n dp r o c e s s e d m a t e r i a l s ，r e d u c et h ec o s tu s e dp r o d u c e d ，i n c r e a s et h ef u e l se c o n o m ym a dp r o t e c t t h ec i r c t l m s t a n c e k e y w o r d s ：f r a m e ，f e a ，s t a t i ca n a l y s i s ，d y n a m i ca n a l y s i s ，w e i g h t l i g h t 1 1 西华大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 论文选题背景 汽车工业随着国民经济发展和交通运输体系的全面建立得到了飞速的 发展。汽车车架作为汽车总成的一部分，承受着来自道路和装载的各种复 杂载荷的作用，并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起了非常重要的作用。 1 2 论文的研究目的和意义 汽车车架是汽车上的一个重要承载部件，国内外关于车架的研究已经 实现了全方位综合发展。车架的设计是一项严谨而细致的： 作，这不仅需 要设计人员不断探索车架在整车工作过程中的具体状况，寻求更符合车架 实际工作状况的设计方法，还需要工程技术部门不断积累已有技术能力和 设计经验，形成自己小而准确的设计程序。车架的设计工作常常围绕以下 几个方面开展：车架的静态、动态设计计算；车架性能的实验验证；车架 及整车的成本预算；车架对整车性能的预测与实验仿真。 车身结构的轻量化对汽车节能和环保具有重要意义。据统计客车、轿 车和多数专用汽车车身的质量约占整车自身品质的4 0 一6 0 。随着计算机 技术的发展，有限元分析在车架结构设计中得到了广泛的应用i “。采用有 限元法对车架进行静态与动态的强度分析，设计出满足强度和刚度的质量 又轻的车架。这样不仅节约了原材料，降低了汽车的生产成本，还降低了 燃油消耗，有利于环保，并且用有限元法进行分析设计，可以节省开支， 缩短丌发周期，提高精度。 1 3 车架有限元的发展与现状 有限元法是随着计算机的出现而发展起来的一种新兴的数值计算方 法，它能对工程实际中几何形状不规则、载荷支撑情况复杂的各种结构及 西华大学硕= = 卜学位论文 零部件进行变形计算和应力分析，而车身、车架不论形状，还是载荷都很 复杂，所以有限元法是计算车身、车架的一种有效而实用的工具。 就有限元法来说，近3 0 多年来，它的应用范围已从杆、梁类结构分析 扩到了对弹性力学平面问题、空间问题以及板壳问题的分析，由分析静态 问题扩展到分析动态问题、波动问题和稳定问题，分析对象也从弹性介质 材料到粘弹性、塑性等复合材料。由此可见，有限元法已经获得了前所未 有的巨大发展1 2 j 。由于有限元有着无可比拟的优越性，有限元法在飞机、 船舶、汽车和拖拉机等机械设计中都得到了广泛的应用。 有限元法给车架设计提供了先进的设计手段。通过有限元计算，可以 找到设计中存在的问题，为今后的车架设计提供了重要的理论依据。由于 车架结构的复杂性和载荷的复杂性，优化设计与有限元分析程序相结合， 将会获得更好的效果，这也是我们今后进行车架设计的方向 j 。 随着计算机的出现和飞速发展，车架作为一个大型复杂结构对其进行 有限元分析计算已经广为应用。早期的车架强度计算是将车架简化为简支 梁，只作车架弯曲状态下的强度校核。随着有限元的发展和推广，国内汽 车行业将有限元法应用于汽车车架的动、静态计算，但采用梁单元模拟车 架建立车架强度分析的有限元模型，对于一些低合金钢板冲压成型或槽钢， 工字钢等型材制作的车架，这种模拟方法存在很多的不足之处。例如，每 一个单元内，截面尺寸不变，因而梁单元模拟变节面形状的构件时，计算 精度较低。仅采用梁单元，无法反映车架纵梁和横梁的连接情况，难以准 确计算车架构件结合部的应力，计算结果只是各节点的应力情况，不能得 到构件截面应力分布，因而不能为截面形状设计提供数据 近年来国际上的汽车结构设计趋向于采用等强度、等刚度以及等寿命 的设计原则，并能准确预测车身零部件的寿命，精确而有效的预测零部件 的动态应力历程。汽车结构在实际工况下承载较为复杂的随机激励载荷， 车架局部开裂情况时有发生。19 9 8 年清华大学的陆秋海等人已经通过实验 证咀动应力过大是造成车架开裂的主要原因，因而应力随车速提高而明显 西华大学硕士学位论文 增大。虽然通过实验或路试能够获得较为精确的动态应力历程，但前提是 以制造出样车。如果在设计阶段就能够在各种不同的人一车一路面系统仿 真下，获得车架的动态应力历程，则不仅可以较为精确的预测车架的安全 性和寿命，而且可以通过重分析优化其结构，降低整车质量。关于动态应 力计算方法的研究，目前在国内外已成为热点。 目前，国内外对汽车结构的研究主要集中在对客车和轿车车身的强度 和刚度方面。通常以重量最轻为主要目标、通过计算弯曲和扭转两种典型 进行静强度和静刚度的优化，考虑动态特性一般是通过模态分析，获得固 有频率及相应振型，作为优化的目标或约束。对动态应力的考虑也是将静 应力扩大k ( 动载荷系数) 倍作为最大动应力来对结构进行修改，自行设 计的车架常因整车刚度分配不合理而简单采用局部加强筋的修补方法，这 往往导致开裂部位的转移，问题没有得到根本上的解决。而对载货汽车的 研究还很少，在载货汽车的设计过程中，采用的大多数还是经验和模拟法。 1 4 课题的研究内容 本论文研究对象是某一货车。运用建模软件设计车架模型，用有限元 程序对车架的各种工况进行整体分析，得到它的内力分布，根据各部分的 受力状态进行优化，修改各部分的设计变量，将优化后的结构参数组成新 的方案，尔后作一次结构分析，检验这个方案是否可行。主要从以下几个 方面入手： 1 建立车架模型。用a n s y s 分析软件直接对货车的车架进行建模。 2 几种工况下对车架进行静态分析。根据实际车架受力情况对车架进 行加载。 3 进行动态分析，获得固有频率及相应振型。 4 对车架进行质量的优化设计。根据车架的受力状态进行优化，修改 设计变量，在满足静态、动态的前提下，使其质量仅可能小。 西华大学硕士学位论文 第2 章车架有限元模型的建立 2 1 a n s y s 软件简介1 6 l 商用有限元分析软件种类繁多，其中最具代表性的有：a n s y s 、s a p 系列、m s c n a s t r a n 、a d l n a 、a s k a 以及i - d e a s 等等，这些有限元 软件功能强大，不仅可以分析线性问题还可以分析非线性问题的动态特性， 不仅可以分析单个实体，同时还可以分析多个实体的结合体。 a n s y s 公司是目前c a e 行业最大的公司，在同行业中也是一直处于领 先地位。a n s y s 程序是一个功能强大的灵活的设计分析及优化、融结构、 热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元商用分析软件，可广泛应 用于核工业、铁道、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、电子、土木 工程等一般工业及科学研究。该软件提供了一个不断改进的功能清单，具 体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体动力学分析、优化设 计、接触分析、自适应网格划分、大应变有限转动功能以及利用a n s y s 参数设计语言( a p l d ) 的扩展宏命令功能。基于m o t i f 的菜单系统使用户 能够通过对话框、下拉式菜单和子菜单进行数据输入和功能选择，方便用 户操作。在产品设计中，用户可以使用a n s y s 有限元软件对产品性能进 行仿真分析，发现产品问题，降低设计成本，缩短设计周期，提高设计的 成功率。该软件主要功能特点如下： 西华火学硕”i 学位论文 1 具有良好的图形用户接口( g u i ) ( 如图2 1 所示) f l 簖1g u io f a n s y s 图2 ia n s y s 软件图形用户界丽 通过g u i 可方谴的交互访问程痔的各种功能、命令、用户手尉和参考 材料，并哥 一步一步完成整个分掭，瓣两使m q s y s 易于傻j f l 。 在用户接口中，a n s y s 程序提供了四种通用方法输入命令：菜单、对 话框、工具杆、直接输入命令。菜单由运行a n s y s 程序是相关的命令和 功能组成，位于各自的窗口中，_ e i | 户在任何时候均可用鼠标访阿这些窗阴， 这些甯口也可用鼠标移动或隐去操作。a n s y s 命令根据其功能分组，保证 了用户快速访问到合适斡命令。 2 全交互式图形 它是a n s y s 程序中不可分割的组成部分，图形对于校验前处理数据 和在后处理中检查求解结巢都是非常熏要的。 州华人学硕士学位论文 3 处理器 a n s y s 按功能作用可分为若干个处理器：包括一个前处理器、一个求 解器、两个后处理器、几个辅助求解器等。 a n s y s 软件含有多种有限元分析的功能，包括从简单的线性静态分析 到复杂的非线性动态分析。一个典型的a n s y s 分析过程可以分为以下三 个步骤：创建有限元模型、施加载荷进行求解、查看分析结果。a n s y s 软 件功能强大与其有着很多模块是分不开的，a n s y s 的模块化结构如图所 7 斤。 p r e p 7 前处理器 s o l u t i o n 求解器 p o s t l通用后处理器 模块结构 p o s t 2 6时间历程后处理 o p t 优化设计模块 r u n s t a t 估计分析模块 o t h e r 其他功能 a n s y s 功能强大与其有着很多的模块应用是分不开的。在有限元的分 析过程中，程序通常使用以下三个部分：前处理模块( p r e p 7 ) ，分析求解 模块( s o l u t i o n ) 和后处理模块( p o s t i 和p o s t 2 6 ) 。前处理模块为一 个强大的实体建摸和网格划分的工具，通过这个模块用户可以建立自己想 要的工程有限元模型。分析求解模块即是对已建好的模型在一定的载荷和 边界条件下进行有限元计算，求解平衡微分方程。后处理模型是对计算结 果进行处理，可将结果以等值线、梯度、向量、粒子流及云图等图形方式 显示出来，也可以用图表、曲线的方式输出。下面就a n s y s 软件三种模 块的功能进行以下简单介绍： 阳华大学硕士学位论文 ( 1 ) 前处理模块( p r e p 7 ) a n s y s 软件的前处理模块主要实现三种功能：参数定义、实体建摸和 网格划分。a n s y s 程序在进行结构建模的过程中，首先要对模型的材料进 行参数定义，包括定义使用单位制，所使用单元的类型，定义单元实常数， 材料的特性以及使用材料库文件等。在实体建模过程中，a n s y s 程序提供 了两种方法：从高级到低级的建模和从低级到高级的建模。无论用户采用 哪种方式建模，都需要进行布尔操作来组合结构数据，以构建用户想要得 到的模型，例如加运算、减运算、相交、删除、重叠和粘贴等。a n s y s 程 序提供了六面体、四面体、和三角形的映射网格划分。 ( 2 ) 分析求解模块( s 0 l u t l 0 n ) 求解模块是程序用来完成对已经生成的有限元模型进行力学分析和有 限元求解的。在此阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和 载荷步选项。在a n s y s y 程序中，可进行下列类型的分析：静态、瞬态、 调谐、模态、谱、挠度和子结构。一般所谓的载荷应该包括边界条件( 约 束、支承或边界场的参数) 和其它外部或内部作用载荷。在a n s y s 程序 中载荷分为六类：d o f 约束、力、表面分布载荷、体积载荷、惯性载荷和 祸合场载荷。 ( 3 ) 后处理模块( p o s t l 和p o s t 2 6 ) 当完成计算以后，可以通过后处理查看结果。a n s y s 程序的后处理包 含两个部分：通用后处理模块和时间历程后处理模块。其中通用后处理模 块可以查看整个模块或选定的部分模块在某一予步( 时间步) 的结果。可 以获得等值线显示、变形形状以及检查和解释分析的结果和列表。p o s t l 还提供了其它的功能，包括洪差估计、载荷工况结合、结果数据的计算和 路径操作等。通过单击主菜单中的g e n e r a lp o s t p r o e 可以直接进入到通用后 处理模块。p o s t 2 6 可用于查看模型的特定点在所有时间步内的结果，可 西华大学硕士学位论文 以获得数据时间( 或频率) 的关系图形曲线以及列表。可以进行曲线的代 数运算，变量之间的可以进行加、减、乘、除运算以产生新的曲线；还能 够从时间历程结果中生成谱响应。 2 2 载货汽车车架有限元建模 现代有限元分析法中，有限元模型大多基于c a d 图形的几何基础建 成，也有直接形成有限元网格来模拟，如果有精确的几何数据点，采用后 一种方法也是可以的，但其工程很大。在载货汽车车架的建模过程中，基 本采用几何的有限元分析方法。汽车及其所有的零部件都是三维实体。为 了使计算机能准确再现这些物体，就需要采用精确的描述方法。三维几何 实体的基本组成元素是点、线、面和体。一般有下面几种形式： 线架模型线架模型使用一系列空间直线和圆弧来表示的轮廓线，从 而绘出立体图。这样的三维实体模型所含的数据量少，数据结构简单，算 法上处理方便，可以存储直线的始点和终点坐标，可以存储一段圆弧的起 点和终点、圆心位置和圆弧走向，也可以用三次参数曲线逼近圆弧段。单 纯的线架模型由于不包含面的信息，无法在程序处理中自动消除隐藏线， 也不可能自动生成物体的剖视图，计算体积、惯性矩等几何特征和物理属 性。 表面模型对于一些外形复杂的产品，多用一组曲面表示物体的外形， 曲面表达式从经典的解析二次曲面和多项式样条函数过渡到参数向量方 程。 实物造型立体模型的建立通常采用“显示的边界表示法”。通过对物 体边界的描述来达到表示物体的目的。在这里，边界是物体的一部分，边 界将物体的内部点和外部点划分出来。在车架的建模过程中，原来采用实 西华大学硕士学位论文 体造型，后来由于客观条件的限制，车架造型很难用实体完全表示出来 故改用表面模型。 2 2 1 常用单元的比较 在车架有限元分析中根据不同的计算目的，可选用不同的计算模型， 常用的计算模型一般有梁单元模型，板壳单元模型和组合单元模型等。梁 单元的优点是建模工作量相对较少，缩短了计算时间，同时在动态分析时 精度较好，但是应力分析能力却是有限的p “。由于梁单元本身的缺陷，例 如梁单元不能很好的描述较为复杂的车架结构，且忽略了扭转时接口的翘 曲变形，因此采用梁单元的有限元分析模型在汽车车架的有限元分析中是 比较粗糙的叫，应力计算的结果精度要比板壳单元的差，连接的处理也需 要大量的经验和实验资料作为参考。板壳单元描述模型比较详细，因而精 度相对较好一些，连接情况的处理也比较详细，因而对于货车车架的薄壁 结构，如纵梁、横梁等，相对于槽钢的厚度而言，其长度很大，非常适合 使用板壳单元进行建模。所以本文在车架分析过程中采用精度较高的板壳 单元模型。 2 2 2 建模单元特 生( 薄板弯曲的基本理论及壳单元s h e l l 6 3 【7 】【8 帅0 】) 薄板是指其厚度t 远小于其长、宽( 1 1 ，1 2 ) 尺寸的平板。与梁相似，通 常以板的中面代表板作受力和变形分析。坐标平面o x y 面选在中面上，z 轴垂直于中面，且为右手坐标系。 9 西华大学硕士学位论文 f i 9 22c o n f i g u r a t i o no f s h e l l 6 3 图2 2s h e u 6 3 单元结构 k 薄板弯曲变形基于以下一些基本假设： 1 直法线假设。弯曲前垂直于板中面的法线( 直线) ，弯曲后仍为直线， 且仍垂直于变弯曲的中面，故有：，v z 2 0 ，y 。20 。 2 平行于板中面的各层面之间无挤压，e l j o - z20 。 3 舨的中面弯曲后没有伸长或缩短，即中面为中性面。板的饶度以中 面的饶度来表示，且只是x ，y 的函数，记为w ( x ，y ) 。 4 板的材料是线弹形的、均匀的和各向同性的。 5 讨论的范围局限在小饶度问题。 有限元理论中的板壳是指其中面上的任一点处的两个主曲率半径岛， p ：均远大于其厚度值h ，且中面上的两个尺寸1 - ，lz 也远大于其厚度h 的 结构。与薄板的不同之处在于它的变形除了弯曲变形外，还有中面的变形。 扳壳的受力状态可以分解为平面应力和薄板弯曲两种受力状态的迭加。因 此板壳的有限元分析可以有两个思路，一个思路就是直接按照壳单元去求 单元刚度矩阵。另一个是利用薄板代替板壳，这时壳单元所受的内力可以 幽华大学硕士学位论文 分解为膜力与横向力之和。因此，壳单元的局部刚度矩阵为平面应力单元 的局部单元刚度矩阵与梁单元单元刚度矩阵的组合。这样平板薄壳单元的 刚度由两部分组成：平面刚度和弯曲刚度。计算单元刚度矩阵时，先分别 考虑膜力与横向力的影响然后迭加，所以只适用于小变形的线弹性薄壳。 在有限元软件中一般把板单元和板壳单元合称为板壳单元。s h e l l 6 3 是一种有代表性的板壳单元。它是一种常用的4 节点单元，具有弯曲和薄 膜特性。在每个节有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，故共有2 4 个自由度。s h e l l 6 3 可以在4 个节点上定义不同的厚度，此外可输入一个弹性基本硬度，各向异性特征。 具有平板弯曲和薄膜的描述功能，能承受面内和法向载荷，并且考虑了应 力刚化和大偏转位移。在单元的面内，其节点厚度为输入的四个厚度，单 元的厚度假定为均匀变化。如果单元厚度不变，只需输入t k ( i ) g i 可：如果 厚度是变化的，则四个节点的厚度均需输入。 2 2 3 车架几何模型的建立 本设训所选用的载货汽车的载重量为5 t ，汽车车架的结构是典型的载 货车车架结构，由两根纵梁及八根横梁铆接而成，前后等宽，宽度为 8 6 5 m m 。纵梁由1 6 m n 钢板冲压而成。车架纵梁长6 7 0 0 m m ，最大剖面尺寸 为：2 3 5 m m x 7 5 m m x8 n m a ( 高x 宽x 厚) 。在车架的实际建模过程中，以面 代替体，在其特征属性中，定义各实体的参数，在保证特性功能的同时， 不拘泥于形式，进行局部的简化，对纵梁上的非关键点进行抑制，在减少 建模规模的同时，确保网格划分顺利进行。车架简化几何模型如下： 鹣华太孝鞭中学位论文 f i 9 2 3g e o m e t r i cm o d e lo f a t r u c k 黧2 3 裁货汽车车絮酾，l 霉模型 2 2 4 模型的嗣格划分 汽葶懿车絮太多鼗燕爨薄壁型镄簿绥秘蘩接嚣残，英孛疆镪藏疑鼗零 用的一种型错，浚货车也采用槽钢。由于载荷常常不道过这些薄爨截面的 弯曲中心，幽材料力学可知，这些杼 牛不能要发生弯激变形，雨盈述要发 生援转交熬。薄壁抒箨撬援瓣基宠：鹱薹，量l 汽车在鑫低不予熬路嚣羔嚣驶 时，必须考虑到秆件的扭转变型。 在建立叛壳单元；1 4 殿短阵畦，嘏壳单元毒三节点、题节点、六节点、 ，k 节点等足耱类型瓣擎元，出于费车车黎级粱窝模粱缝为乎裹戆檬镧，敲 可以采爱蹋苇点帮八节点鼙元，焉，t 节点零元精菠较离。对予毫次肇元出 于内部应力不是常量，可以较好的适成结构变化的应力场，用较少的单元 霹鎏薄弱较好爨蓉粟。但楚嵩凌攀盂鹊嬲痊矩簿滋较簧象，形痰结擒粼囊 矩阵要花很长的计簿时间。该载货汽车车架使用圈节点单元就能满足分析 要求。在分瓣戆过程中鼙元长度分舅臻7 0 r a m 、5 0 r a m 、3 0 m m 寨遴学院较。 对予长度为7 0 m m 瓣单元寒说单元的艨潼不是缀慕，在建投熬过稷中，出 予采舔鱼遗斑箍辏势，袄释保谣最， 、鹩孽元碡变，掰形簸豁单元鼗嚣晓 5 0 m m 的辫，而且容易造成冈4 度矩阵奇辨，不利于结果向真实性收敛，糖 两华人学硕十学位论文 度偏差，局部误差估计超过1 5 。而长度为3 0 m m 的单元划分质量较高， 划分网格后的车架变形与实际情移d 基本相符。长度5 0 m m 的单元精度基本 上与3 0 m m 的情况一样，但是单元数目相对要少一些，所以计算速度有所 提高，因而在后面的分析过程中，有限元长度取5 0 m m ，不但能满足精度 要求，计算速度也比较快。 单元具有物理属性和材料属性两种属性，对于材料属性可以根据实际情 况附以不同的数值，材料属性包括弹性模量、泊松比、密度等属性，而对 于物理属性在计算中主要关，t s , 其厚度属性。其中密度为7 8 0 0 k g m 3 ，泊松 比为o3 ，弹性模量为2 0 6 e l l p a 。车架有限元模型图如下： f 1 9 2 4 t h ef e a o f a t r u c k 图2 4 货车车架的有限元模型 两华大学硕士学位论文 第3 章车辆载荷的分析 汽车运行的时候，车架会承受各种载荷，承受来自驾驶室、发动机、 工具箱、主减速器、变速器、传动轴、油箱、蓄电池等载荷，在行驶中还 要承受由于路面不平度干扰所产生的载荷、司机驾驶操作所造成的动载荷、 碰撞时引起的冲击载荷，以及由于自然环境的变化所产生的偶然载荷等。 作用在结构件上的内里有冷、热加工时产生的残余应力、装配时由于零件 之间的互相干涉所产生的初始应力等。这些载荷往往不是单独作用的，而 足同时作用的。此外，这些载荷还会因产生的方式、车辆的用途以及使用 状况的不同而有很大变化。下面将对作用与车辆结构件上的外力按照产生 的原因进行分析。 3 1 车辆载荷分类 按照载荷产生的原因，作用在车辆结构件上的载荷分为三大类：行驶载 荷、操作载荷和特殊载荷。 3 1 1 行驶载荷 行驶载荷是指当汽车在各种条件下行驶时，在路面车辆这一力学 的传递系统中产生的载荷。 ( 1 ) 载货和乘员 载货和乘员的变化，将导致车轮载荷的变化，主要有使平均应力级发 生变动的作用。对于应力幅，当把车辆作为一个振动模型来看时，随着质 量的变化，共振频率和振幅也将发生变化，特别是对载货汽车影响更为显 著。 ( 2 ) 行驶速度 车辆行驶速度的变化，对平均应力级几乎不产生影响。但是，振动应 力幅与路面的状态有着密切的关系，在弹簧上以及弹簧下构件的固有振动 西华大学硕士学位论文 频率是重叠出现的。随着车速的提高，所有振动频率也有向高频一侧偏移 的情况，当车速很低时，路面的凹凸可由载荷波形如实反映出来。 ( 3 ) 路面状况 路面状况不影响平均应力级的变动，而仅仅和车速及车辆的振动有 关。由0 5 h z _ _ 3 h z 的弹簧上成分，6 h z - - 1 5 h z 的弹簧下成分以及构件和 总成构成的系统固有振动频率，表现为以各种比例重叠的波形，虽因构件 而异，但一般来讲，在铺筑的路面上，弹簧上的成分比例大，随着路面凹 凸的加剧，弹簧下及构件的固有振动频率的成分加强，作为整个级别也将 变大。这也和车速有密切关系，如果路面凹凸的周期接近于弹簧上、弹簧 下构件及系统的固有振动频率，则载荷的波形接近于正弦波，应力幅也变 得很大。 3 1 2 操作载荷 操作载荷是指为使汽车行驶而进行必要的操作时直接作用在构件上的 力，或者由于操作而在某个传力系产生的载荷。因此，操作载荷也可称为 在人一车系统下产生的载荷。 在下面两种情况下有操作载荷，一种是把作用在踏板、开关按钮、方 向盘、操纵杆上的操纵力作为载荷的情况；另一种是由操作，经过某传力 系以载荷波形表现的情况。对于后者进步分析如下： 1 起动操作载荷 悬架系 由于起步时的加速度引起重一1 1 , 的偏移，前后轮的载荷分配发生变化， 这个变化是作为应力变化出现的。但是，当接近一定速度时，平均应力也 随之接近于一个定值。此外，作为变动的载荷，有扭矩变动及后悬架扭曲 引起的载荷等。 西华大学硕士学位论文 驱动系 由于起步方法、发动机的惯性质量、驱动系数的弹性常数、减速比的 不同，应力振幅和频率也会不同，如果离合器有抖动现象发生，将会出现 比驱动系的扭转固有频率高的多的频率成分出现，随着车辆进入稳定行驶 状态，波形将逐步衰减，当衰减到对应于一定扭转值的应力，作为平均应 力成分保留下来，应力振幅在定程度上表现为稳定系统固有振动时和扭 转变动时的振动波形。 2 制动操作载荷 制动操作载荷将导致垂直或纵向载荷发生变化，在制动的初期阶段， 其波形和行驶载荷波形重叠在一起的应力波形。由于车辆惯性矩和重心位 置的偏移，前后轮载荷分配将发生变化，并以应力级的变化表现出来。另 外，随着车辆的不同，制动时，在制动鼓、体片、回位弹簧等构件上将伴 随着产生抖动等想象，其固有振动频率将重叠到制动鼓上。 3 转向操作载荷 随着重心的移动，将引起垂直、横向载荷的变动，从而产生平均应力 的变化。另外，由于构件几何造型结构产生的力矩，也会使平均应力级发 生变动。f j 者往往比较小，而后者随构件的不同将会有很大值。 3 1 3 特殊载荷 特殊载荷是指除了上述两种载荷以外的、从汽车使用本来目的来看， 完全是由于偶然因素造成的载荷，如驾驶差错、碰撞等造成的载荷，以及 由于自然环境影响，对汽车构件所造成的附加载荷等。( 由于本文不涉及这 些方面的载荷，故不详细论述) 西华大学硕士学位论文 3 _ 2 车辆载荷影响因素分析 车辆行驶时所承受的载荷种类繁多，情况复杂，有的是由于路面凹凸 不平和驾驶人员的操作引起的，有的是由于构件系统的共振引起的。而且， 在通常情况下，车辆的实际载荷又是以各种载荷的组合形式作用的。另外， 车辆在使用过程中，有各种各样的使用方法和使用环境，如路面状况的好 坏、载货量的多少、行驶速度的高低等，这些条件都直接影响着车辆载荷 的确定。 3 2 1 载荷量和乘员人数 载货量和乘员人数的变动，将引起静止时车轮垂直载荷的增减，这是 很显然的。但是这种静止时载荷的增减，将导致车辆在行驶过程中，车轮 垂直反力平均级的增减。载货量和乘员的增减，将导致弹簧上质量的增减， 从而引起弹簧上下振动情况的改变。垂直载荷的性质，取决于路面谱和悬 架在垂直方向上的传递函数，但是由于弹簧上质量的增减，传递函数也将 因此发生变化，从而作用在行走系上垂直方向的动载荷也将发生变化。通 常，垂直方向的动载荷随着载货量和乘员的增加而增大。 3 2 2 行驶速度 车速对载荷平均级的变化几乎没有影响，只是对动载荷有影响。在一 般情况下，随着车速的增加，大载荷发生的频率也将增加。但是，由于路 面的性质在某一特定的车速下，载荷发生的频次往往是急剧增加的。 3 2 3 路面状况 路面的凹凸不平是车辆载荷的重要影响因素之一。关于把载荷和路面 相关联的思想，主要是根据功率谱理论来研究的。根据此理论，路面状况 和载荷的关系如下： 在铺筑的路面上，动载荷比非铺筑的路面要小，从对疲劳强度的影响 西华大学硕士学位论文 来看，往往可以忽略不计。但是，随着现代车辆的高速化，在高速公路上 行驶时产生的横向载荷是不容忽视的。 在一般的公路非铺筑路面上，动载荷的频次可以认为是和车辆的加速 度有关，根据乘员所感受到的加速度的大小，可以对路面的好坏加以某种 程度的划分。 车辆在宏观上均匀的路面上行驶，遇到极少有的大的凹凸时，将对车 辆构件产生极大的影响。 3 2 4 驾驶操作 由于汽车的起动、制动以及转弯等工况，也将使车身构件承受附加载 荷。当汽车起动或制动时，由于产生纵向加速度，将使车身结构的垂直载 荷及纵向载荷增加。由于转弯，将使车辆产生横向加速度，从而引起垂直 载荷和横向载荷的增加。 3 - 3 车架受力情况模拟 就载荷性质而言，车架所受到的主要载荷为弯曲、扭转、侧向载荷和 纵向载荷等。弯f | ；f 载荷是由车架自身质量和外加质量产生的载荷。外加质 量包括乘车人员和货物的质量、底盘各总成及发动机质量、附加物( 如蓄 电池、备胎、油箱、水箱) 等品质。扭转载荷是由于路面不平度对车架的 非对称支承而产生的载荷。侧向载荷是由汽车转向时离心力产生作用的载 荷。纵向载荷是由汽车加速、制动时的惯性力作用产生的载荷。车架载荷 按作用性时可分为动载荷和静载荷。 3 3 1 静栽荷 汽车静止时，车架只承受钢板弹簧以上部分的载荷，它由于车身和车 架的自身质量、车架上各总称与附件质量及有效载荷组成，其总和称之为 静载荷。 西华大学硕士学位论文 在本设计中主要考虑行驶载荷的作用。对载荷处理时，车架自身重量 可以通过施加垂直方向上的重力加速度( 9 8 m s2 ) 进行施加；外加质量、 底盘各总成、发动机以及附加物质量等，可以简化为作用在各支承点的集 中载荷；载货汽车的货物载荷一般处理为均布载荷；可以将乘客处理成集 中载荷，也可以处理成均布载荷p “，通常以每个乘客6 5 k g 进行计算。 由于客观条件的限制，在本文分析车架应力时，只施加了部分作用在 车架上的载荷，其中包括发动机总成5 6 0 0 n ，水箱6 0 0 n ，驾驶室及乘员 5 9 0 0 n ，车厢以及货物载荷6 0 0 0 0 n 。其中发动机总成和水箱引起的重力载 荷以集中力的形式按照安放点的实际位置及各个位置所分担的重力施加到 相应节点上，而驾驶室+ 乘员和车厢+ 货物以均布载荷的形式加到纵梁的相 应部位。 3 3 2 动载荷 行驶中的汽车主要受动载荷作用，动载荷又可分为对称的动载荷和非 对称的动载荷。当汽车在平坦的道路上，以较高车速行驶时，产生对称的 动载荷，它的大小不仅取决于作用在车架的静载荷及其在车架上的分布， 还取决于静载荷作用处的垂直加速度，受这种载荷作用，车架会产生弯曲 变形。当汽车行驶在崎岖不平的路面上时，前后几个车轮可能不在同一平 面，因而产生非对称动载荷，它的大小取决于道路不平程度，以及车身、 车架和悬架的刚度，受这种载荷作用，车架会产生扭转变形。车架除受纯 弯曲、纯扭转外，还受弯曲和扭转的复合变形。 动载荷和静载荷对车架的作用不相同，在以后的分析中会采用不同的 简化形式，但作用力的分布与静载荷相同。 西华大学硕士学位论文 第4 章车架的静态分析 强度是机械零件正常工作必须满足的最基本的要求。机械零件在工作 时，不容许出现结构断裂或塑性变形，也不容许发生表面损坏。强度是指 零件抵抗这类失效的能力。零件的强度分体积强度和表面强度，前者是拉 伸、压缩、剪切、扭转等涉及零件整个体积的强度，后者是指挤压、接触 等涉及零件表层的强度。在体积强度和接触强度中，又可以分为静强度和 动强度。依据上章建立的有限元模型，本章将对载货汽车车架进行静态有 限元分析。 4 1 静强度分析 静强度是指在静应力时的强度。车架的静强度分析一般仅考虑纯弯曲 工况和弯曲扭转工况( 简称弯扭工况) 。其中纯弯曲工况是车辆的四个 车轮在同一水平面时的静力工况：弯扭工况是车辆的四个车轮不在同一水 平面时的静力工况，其中左前轮和右后轮同时抬起时的静力工况是一种比 较恶劣的弯扭联合工况。 4 1 1 纯弯曲工况 研究车辆满载( 5 0 0 0 k g ) 静止在水平面时车架的抗弯特性。利用有限 元分析软件将前面所得的有限元模型进行分析计算，计算时约束四个车轮 垂直方向的位移，约束左前轮的纵向、横向位移，右前轮的纵向位移，左 后轮的横向位移。经处理得到车架总体应力、位移分布云图如图所示： i ；! l i 华大学硕士学位论文 f i 斟1s t r e s so f p u r eb e n d i n g 图4 1 纯弯曲工况车架应力分布云图 f i 鲜2d i s p l a c e m e n to f p u r eb e n d i n g 图4 2 纯弯曲工况车架位移图 西华人学硕 学位论文 由车架的应力分布云图可以看出：货车车架总体应力偏小，只是在力 的施加点处应力值稍大，但仍然比材料的强度极限小得多。应力最大值出 现在后桥在车架纵梁竖直投影点处，最大值为1 4 1 m p a ，小于车架材料的屈 服极限。实际上当车辆静止在水平面对其进行受力分析时，应该约束车轮 垂直方向的位移，由于在本文中省略了钢板弹簧的作用而在计算时直接约 束了前后桥在车架纵梁上的竖直投影点的垂直位移，这是造成最大应力 值出现在此的主要原因。其次，在后钢板弹簧前横梁和后横梁之间的车架 纵梁上应力值也很大，其应力值范围为3 4 m p a - - 9 4 m p a 。在发动机后悬置 支架和横梁处应力值也比较大，其值为4 5 7 m p a 。在驾驶室后悬置横梁和 后钢板弹簧前横梁之间的纵梁区域应力值为l5 m p a u 4 69 m p a 。现将应力 值比较大的几个点的值列表如下： 表4 1 节点的应力值 t a b l e 4 11 i | l es t r e s so f n o d e s 节点号 3 3 83 4 0 1 6 4 71 6 8 01 7 1 9 应力值4 6 35 0 08 6 12 0 85 3 8 ( m p a ) 节点号 1 7 2 4 2 6 2 93 5 8 53 6 1 l3 9 9 8 应力值 8 0 72 4 64 5 04 0 14 5 8 ( m p a ) 如果不约束前、后桥在纵梁上的投影点，而把约束点加在纵梁与钢板 弹簧的连接处，其应力云图如下： 曲华火学硕十学位论文 f 1 9 4 3s t r e s so f p u r eb e n d i n g 图4 3 纯弯曲： 况车架应力分布云图 从上面的应力云图可以看出，应力主要集中在发动机后悬置横梁与纵 梁的连接处，和承载货物的纵粱处。在发动机后悬置横梁与纵梁的连接处 的应力值最大，最大值为7 3 2 m p a 。其次，在承载货物的后纵梁处应力值 比较大，并且应力值分布比较均匀，值在1 6 m p a 3 2 5 m p a 之问。采用这 种约束方法比较贴近实际的车架约束情况，分析出来的结果也比较接近真 实结果。但是，在进行动强度分析时，施加约束比较复杂。虽然通过约束 前、后桥在纵梁上的投影点进行车架约束，容易在投影点处出现应力集中， 但是从客观上来说，还是能反映出车架的应力状态，并且实际上在投影点 处不可能出现应力集中所以考虑投影点处的应力值没有什么实际意义。 将用两种约束法约束车架出现的应力值比较大的两个区域进行比较时，可 以看到第一种约束法的应力值偏大些，但是值相差无几，如果采用第一种 两华大学硕士学位论文 约束法分析出来的车架满足设计要求，那么第二种约束方法进行约束同样 能满足要求。故本文采用第一种方法进行约束，忽略投影点应力值，主要 考虑发动机后悬置横梁与纵粱连接处的应力值和后纵粱的应力值。 该车架材料为1 6 m n ，根据材料性质可知，其屈服极限为3 5 0 m p a ，抗 拉强度极限为5 1 0 m p a - - - 6 6 0 m p a 。根据计算可以得知：在直接约束前、后 桥在纵梁投影点时，该车架所受静强度低于材料的强度极限，满足车架的 性能要求。 根据车架的位移图我们不难看出，车架在纯弯曲工况时的最大位移点 出现在后横梁处，最大值为3 2 5 m m 。在驾驶室后悬置横梁处的位移量也比 较大，其值为2 m m 左右。部