（车辆工程专业论文）某重型载货汽车架的设计分析与实验研究.pdf

n u m e r i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d yo i lt h es t r e n g t ho f h e a v yt r u c kf r a m e b y l i uw e i b e ( h e f e iu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 2 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g v e h i c l ee n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rh a nx ua n d s e n i o re n g i n e e rb a i y u n z h i m a y ，2 0 1 1 。湖南大学 、 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： l 、 即文 日期：湖1 年朗，o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版j 允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 气粤 日期：埘 年岁月，o 日 日期：年r 月，o 日 某重型载货汽车车架的设计分析与实验研究 摘要 汽车车架作为重型载重汽车的基体，支撑着发动机、离合器、变速器、转向 器、驾驶室、和货箱等所有簧上质量的有关机件。并且使用条件十分恶劣受力状 况非常复杂，承受着来自车内外的各种力和力矩。强度满足使用要求是车辆设计 阶段的基本要求，尤其是车架的强度对于汽车的安全使用有很大的影响。因而车 架应该有足够的刚度、强度和足够的可靠性与寿命。因此，深入了解车架的静态 特性是车架结构设计、改进和轻量化的基础，也是保证整车性能的关键。 本文所分析的华菱重型载货车是华菱汽车制造厂在原车型的基础上采用新技 术研制的重型载货车。 l 、本文首先使用实车实验的方法对车架进行典型工况下的强度分析，获得其 敏感位置的强度分析结果，来验证车架的强度是否满足设计要求。 2 、以重型载货汽车车架结构为研究对象，建立了车架的有限元模型，然后， 通过与实车实验的对比验证车架有限元模型，并根据对典型工况的车架限元分析， 获得较为全面的车架强度分析结果。最终的计算分析表明，文中所涉及的建模和 分析手段是行之有效的。 本文的研究说明有限元方法为车架的强度分析提供了很好的途径。 关键字：重型载货汽车车架强度分析实车实验 n a bs t r a c t a st h em a t r i xo fh e a v y d u t yt r u c k ，a u t o m o b i l ef r a m ei ss u p p o r t i n ga l lt h er e l e v a n t m e c h a n i c so fs p r u n gm a s ss u c ha st h ee n g i n e ，c l u t c h ，t r a n s m i s s i o n s t e e r i n g ，d r i v e r s c a b ，a n dc a r g ob o xe t c t h ef r a m es u s t a i n se v e r yf o r c ea n d f o r c em o m e n to fv e h i c l e s b o t hi n s i d ea n do u t s i d eu n d e rp o o r u s ec o n d i t i o nw h i l ef o r c e s a r e v e r y c o m p l e x s t r e n g t ht om e e tt h eu s er e q u i r e m e n t i st h a tt h eb a s i cr e q u i r e m e n t so fv e h i c l e d e s i g n ，p a r t i c u l a r l yt h es t r e n g t ho ft h ef r a m ef o rt h es a f e u s eo ft h ec a rh a sag r e a t i n f l u e n c e f r a m es h o u l dh a v es u f f i c i e n ts t i f f n e s s ，s t r e n g t ha n de n o u g hr e l i a b i l i t ya n d l i f ee x p e c t a n c y t h e r e f o r e ，ad e e p e ru n d e r s t a n d i n go ft h ef r a m e ss t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s i sn o to n l vt h eb a s eo fv e h i c l es t r u c t u r a ld e s i g n ，i m p r o v e m e n ta n dl i g h t w e i g h t ，b u ta l s o t h ek e yo fe n s u r i n gt h ev e h i c l ep e r f o r m a n c e t h i sp a p e ra n a l y s e st h ec a m ch e a v yt r u c k sw h i c ha r em a d ew i t hb a s i n g o n o r i g i n a lm o d e la d o p t i n gn e wt e c h n o l o g i e sb yc a m cf a c t o r y 1 、t h i sa r t i c l ef i r s tr o a dt e s tu s i n gt h em e t h o do f f r a m ea n a l y s i so ft h es t r e n g t ho f t y p i c a lw o r k i n gc o n d i t i o n s ，a c c e s st o t h es e n s i t i v ep o s i t i o no fs t r e n g t ha n a l y s i s ，t o v e r i f yt h es t r e n g t ho ft h ef r a m em e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s 2 、t h ep a p e ri n t r o d u c e dah e a v y d u t yt r u c kf r a m e a sar e s e a r c ho b je c t ，t h e e s t a b l i s h m e n to faf i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ef r a m e ，a n dt h e n ，b yc o m p a r i s o nw i t ht h e r e a lv e h i c l et e s t sv e r i f yt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ef r a m e ，a n du n d e rt y p i c a l o p e r a t i n gc o n d i t i o n so ft h ef r a m eo nt h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st oo b t a i nam o r e c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ff r a m es t r e n g t h t h ef i n a lc a l c u l a t i o na n da n a l y s i ss h o w t h a t t h ep r o p o s e dm o d e l i n ga n da n a l y s i si n v o l v e dm e a n si se f f e c t i v e t h i ss t u d ys h o w st h es t r e n g t ho ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da n a l y s i so ft h ef r a m e p r o v i d e sag o o dm e t h o d k e yw o r d s ：h e a v yt r u c k ，f r a m e ，i n t e n s i t ya n a l y s i s ，t e s t i 某重型载货汽车车架的设计分析与实验研究 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 插图索引v i 附表索引v i i 第一章绪论1 1 1 引言l 1 2 研究背景1 1 3 研究意义和目的2 1 4 国内外研究现状4 1 5 研究内容6 第二章实车实验8 2 1 典型极限工况研究和实验方案8 2 2 实验设备9 2 3 应变测点布置方案1 1 2 4 实验数据采集原理1 3 2 5 应力响应数据处理方法1 4 2 6 用实验数据验证车架强度1 5 2 7 本章小结1 7 第三章车架有限元仿真与实验对比分析1 8 3 1 车架有限元模型建模1 9 3 1 1 车架结构分析一1 9 3 1 2 有限元建模流程2 0 3 1 3 有限元模型网格的质量控制2 l 3 1 4 有限元模型边界条件处理2 2 3 2 有限元计算结果与实验对比分析2 3 3 2 1 验证车架有限元模型的准确性2 4 3 2 2 各典型工况车架强度分析2 4 3 3 改进分析2 9 3 4 本章小结3 0 第四章总结与展望3 1 i v 4 1 结论3 1 4 2 展望3 1 参考文献3 2 致谢“3 4 v 某重型载货汽车车架的设计分析与实验研究 = = = ! 兰= 皇= 皇= = ! ! = = = = 詈= = 覃i i i mi i h 苎皇 插图索引 图2 1 实验设备9 图2 2 电阻应变片原理图1 0 图2 3 实验中使用的直角平面应变花1 1 图2 4 应变片布置位置1 2 图2 5 部分应变花贴片后实物图1 3 图2 6 数据采集系统原理框图1 4 图2 7 实车实验l 5 图3 1 车架总成c a d 模型2 0 图3 2 车架的有限元建模流程图一2 0 图3 3 模型简化一2 1 图3 4 车架有限元模型2 2 图3 5 各个工况的应力实验值与仿真值的对比图( x 轴为应变片编号，y 轴为应力值) 2 5 图3 6 满载静态平放工况下的车架变形2 5 图3 7 满载静态平放工况下车架应力2 6 图3 8 满载静态平放工况下车架局部应力2 6 图3 9 车架应力及变形与满载平放工况比较2 7 图3 1 0 车架应力及变形与满载平放工况比较2 7 图3 1 1 车架变形及应力与满载平放工况比较2 8 图3 1 2 车架变形及应力与满载平放工况对比2 8 图3 1 3 车架变形及应力与满载平放工况比较2 9 v i 工程硕士学位论文 附表索引 表2 1 实车实验的典型实验工况9 表2 2 应变片布置方案1 2 表2 3 满载工况下各应变传感器获得的应力值( 单位m p a ) 1 6 表2 4 超载工况下各应变传感器获得的应力值( 单位m p a ) 1 6 表3 1 车架网格壳单元划分标准2 2 表3 2 各种部件施加于车架的载荷值一2 3 表3 3 满载状况下各个工况的应变片贴片位置的应力实验值与仿真值对比2 4 表3 4 改进前后车架强度对比3 0 v i i 工程硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论帚一早珀t 匕 身为汽车行业的一员，我深深的感觉到，企业若要最有成效地提高或扩大预 期的市场占有率和经济效益，提高企业的竞争能力和生存能力，就必须用最短的 时间生产出满足市场要求的、质量好、价格低的产品。影响产品的主要因素是产 品的设计水平与制造水平，而产品的设计水平与制造水平的提高，就必须采用高 科技的设计与制造手段c a d c a e c a m 。汽车的生产过程可简单划分为初步设计、 精确设计、生产准备和生产制造四个阶段。其中初步设计阶段可以进行大致的性 能预测、强度分析等数值模拟工作，以初步确定设计方案。在精确设计阶段可以 利用计算机建立精确的几何模型和有限元模型，并进行精确的性能预测、静动态 分析，最终获得产品的精确设计结果。在精确设计过程中有限元模型是不可缺少 的工具，要在计算机上利用它对载货车的性能进行仔细研究。这样，可以大大减 少为最终验证设计效果而制造样车的数量【1 1 。当前，c a d c a e c a m 正逐步融合， 走向一体化。利用c a d 进行车架的几何建模，为c a e 所用；利用c a e 对车架的几 何模型进行性能分析、强度刚度分析、疲劳分析、动力学分析等数值模拟计算， 其间根据c a e 计算结果不断利用c a d 修改几何模型，最终确定出符合性能、经济 性等方面要求的最优化的合格产品【2 1 。计算机辅助工程( c a e ) 的内容很多，通常包 括有限元法技术、优化设计、仿真技术、可靠性设计等方面，其核心内容之一就 是有限元技术。 1 2 研究背景 华菱汽车股份有限公司，成立于2 0 0 3 年，总资产5 0 亿元，员工2 0 0 0 人，是 国家重点支持企业，首批“国家汽车整车出口基地企业 ，第四批国家创新型试 点企业，是国家倡导发展自主品牌、坚持自主创新的典范。 华菱汽车的第一代原型车是日本的三菱卡车，华菱公司和日本三菱汽车一直 有长期的合作关系，第一代的华菱重卡就是进和吸收了日本三菱卡车的技术，结 合自己的实际和中国的国情，开发研制了第一代华菱重卡。华菱重卡2 0 0 5 年面市， 取得了不错的社会效益和经济效益，为了企业的长期可持续发展，也为了能够和 国外的大型汽车厂在国际市场上有竞争的资本，2 0 0 8 年，公司决定开发第二代全 新车型一星凯马，该车的定位是国际先进水平的高端重卡。在设计之初，驾驶室 部分聘请了意大利都灵设计公司造型设计，整车配置也可与国外奔驰、m a n 、沃尔 某重型载货汽车车架的设计分析与实验研究 沃、依维柯、雷诺等高端重卡媲美：底盘部分，考虑到第一代华菱重卡的成熟可 靠，还有主要成熟总成的通用性，决定在第一代车型车架的基础上，结合目标样 车的结构特点开发第二代车架。由于公司的战略决策的关系，第二代车型的开发 周期较短，这就造成了车架设计缺乏详尽的理论支持和完备的实验数据，仅仅是 采用类比法进行经验设计，这也是该车型的缺点之一。 汽车从诞生到现在，特别是从汽车产品的大批量生产及汽车工业的大发展以 来，汽车为世界经济的大发展、为人类进入现代生活产生了无法估量的巨大影响。 今天，在发达国家，汽车的普及已经达到很高的程度，在美国平均每个家庭拥有 各种汽车2 n 3 辆；虽然中国的汽车人均拥有量远低于发达国家水平，但是由于中 国巨大的市场和国际汽车工业对中国汽车工业的影响，中国汽车工业经过5 0 年的 风雨历程，已形成一个比较完整的工业体系。任何问题都有两面性，汽车工业的 发展为人们带入现代生活的同时也带来了许多问题，例如，一、能源问题，每年 汽车的石油消耗量保持在近1 0 0 亿桶，并每年以一定的速度增加，而世界石油资源 只能开采几十年，煤炭资源也只够开采一百来年，人类面临着严重的能源危机， 节能环保成为工业领域不可避免的课题，汽车工业同样不可避免。二、环境问题， 汽车每年向大气排放大量有害气体，特别是二氧化碳温室效应近年来倾向日趋明 显。 汽车作为现代化社会大工业的产物，在推动人类文明向前跃进并给人类生活 带来了便捷舒适的同时，对大自然生态环境的恶化也有着难以推卸的责任。随着 护的日益重视，以缓解石油资源紧缺所带来的能源危机，节能环保 为广大汽车公司所采用。因此开展汽车结构的强度计算与分析工作， 度和刚度的前提下，合理地进行结构设计，以达到减重和加强的目 计具有重要的意义。随着计算机技术的发展，c a d c a e c a m 一体 ，有限元分析在车架结构分析中得到了广泛的应用。分析内容已从 由部件到整车、由粗略到精确、由通用向专用发展，其应用已经进 口j 。无论是在产品的概念设计阶段的方案分析、在工程设计阶段的校 对既有产品实施精确分析以实现再设计，有限元分析都有其重要的 在设计阶段就可以对载货车的设计和制造过程中的各种问题进行预 缩短设计周期，提高产品的性能质量，节省大量资金。本课题就是 提出的，目的在于研究载货车车架结构使之受力合理，等强度及等 终达到保证载货车在性能和功能不受影响或有所提高的情况下，实 结构的优化设计，提高重卡车架的使用寿命。为相关企业提供一套 析及强度实验方案，提高企业自主研发能力，增强企业竞争力。 义和目的 2 t 程硕士学位论文 随着汽车行业的竞争不断加剧，汽车制造技术越来越先进，作为载货车主要 承载结构的车架，它们的质量和结构形式直接影响车身的寿命和整车性能，如动 力性、经济性、操纵稳定性。车辆设计中，在满足载货车运营中对车架的刚度、 强度及工艺改造等因素要求的同时，应当尽可能减轻它们的质量和降低制造成本。 车架结构设计的主要目的在于确保车架强度、刚度和动态性能的前提下，减轻车 架的质量，由此不仅可以减少钢材和燃油的消耗，减少污染排放，提高车速，改 善汽车起动和制动性能，而且可有效减少振动和噪声，增加汽车和公路使用寿命。 我国的汽车工业存在自己的特殊性：一是引进国外设计，国产化生产：二是 仿制或改装设计，自己独立开发设计的新产品很少。国内许多厂家在载货车的设 计、制造和改进过程中仍主要依靠和沿用传统的手工设计方法和设计理念，从而 造成产品存在缺陷或结构设计的不合理，目前国产载货车普遍存在的问题是整车 协调性较差；局部材料强度余量较大，无法预先判断，造成材料的浪费；在车辆 实际使用过程中出现局部强度不足。所以，产品国产化或改装后，在使用过程中 往往会出现强度、寿命、振动、噪声等方面的问题。这些问题影响了我国载货车 产品质量，造成了使用中的安全隐患。由于缺乏必要的理论分析，我国载货车制 造厂家对有问题的区域往往采取局部加强的方法，这不但需要进行多次全面的实 车实验才能确定其有效性，而且会导致整车整备质量的不断增加：另外，对一些 结构上的改进和优化，由于缺少一定的理论依据，往往得不到很好的实施，因此 开展载货车车架结构强度的计算工作，在满足结构强度和刚度的前提下，合理地 进行结构设计，以达到轻量化的目的、对车架结构设计具有重要意义。此外，为 了加速企业的新产品开发，进一步提高产品的性能和科技含量，必须对现有的车，j 型进行结构强度、刚度分析计算和动态特性分析研究工作，为新车型的研制开发。 提供借鉴和校核方法。随着经济全球化进程的加快，汽车工业的竞争日益加剧， 汽车巨头们都在加紧新车型的设计开发，由于发动机、底盘设计制造技术基本成 熟，新车型便主要体现在电子设备和车架造型的更新上。 为减少新车型的开发成本、缩短新车型的开发周期、提高新产品的市场竞争 力，全球各大汽车公司普遍实施了“平台战略”，车架的开发便是该战略的主要组 成部分。载货车车架是载货车的基体，一般由两根纵梁和几根横梁组成，经由悬 挂装置前桥、后桥支承在车轮上，具有足够的强度和强度以承受汽车的载荷和 从车轮传来的冲击。要评价车架设计和结构的好坏，首先应该清楚了解的是车辆 在行驶时车架所要承受的各种不同的力。然而对车架进行静、动态性能的研究， 用经典力学方法很难得到精确的优化解，为了能够计算出车架的刚度和强度，往 往对车架结构进行较多的假设和简化，计算模型只能构造的比较简单，与实际的 结构形状相差很大。在计算机和计算机技术飞速发展并广泛应用的今天，采用近 似的数值解己成为较为现实又非常有效的选择。实践和实验证明，在众多近似分 某重型载货汽车车架的设计分析与实验研究 析方法中，有限单元法是运用最为成功、最为有效的数值计算方法。在汽车结构 设计中采用有限元法进行分析，是近几十年来发展起来的计算方法和技术。有限 元法的独特优点是能够解决结构形状和边界条件都非常任意的力学问题。早期由 于有限元法所要求解的问题计算规模都比较大，而计算机的速度和容量有限，所 以造成有限元法在使用上的局限性。现在这些问题已经解决，只要注意所建有限 元模型中各种支承、连接关系尽量与实际结构相符，载荷和动态分析中的激励能 反映实际情况，特别是动态载荷的变化曲线的精确获得以及在计算中如何加载， 行驶、制动、转弯工况的载荷和约束如何正确选择等问题，就可以得到满足精度 要求的有限元分析结果。汽车车架结构的静、动态分析的主要目的是查明车架内 部各点的应力、形变和相对位移，找出其固有频率及振型，从静、动两个方面检 验车架结构的合理性。随着有限元技术的成熟和高速计算机的出现，各种通用程 序、专用程序的求解功能都很齐全，前后处理也很方便，汽车结构中绝大部分部 件甚至整车的有限元静、动态分析和固有特性分析等都可应用这些通用程序或专 用程序来分析计算，利用有限元法进行汽车结构的静、动态特性分析已经成为一 种趋势。在西方发达国家的汽车企业中，有限元分柝已经成为其产品设计链中必 须的常规【4 j 。基于我国载货车工业的总体水平仍然落后的现实，在载货车的设计、 制造和改进过程中，引入有限元分析是必要而有意义的。 本文对某重型载货车车架结构进行有限元静态特性分析，并通过测试对车架 性能做出评价，提出改进设计的措施。其思路和方法对载货车车架结构的设计具 有一定的参考和借鉴价值。 1 4 国内外研究现状 国内外对车架的研究方向主要有：刚度、强度分析、n v h 分析、机构 轻量化等，国外的汽车工业已发展了百多年，在车架设计方面积累了 数据和理论分析经验，形成了实用的结构设计数据库、设计改正记录 。轻量化要求己经成为现代汽车设计追求的目标之一【5 】。设计既满足性 又小的车架为车架的优化设计提供了舞台，如何搞好车架结构的优化 架设计急需解决的问题。建立在分析和实验基础上的各种优化方法为 供了多种实用的选择方案，使车架设计从经验设计到优化设计跨出了 关于优化算法方面的研究，国外将遗传算法引入到结构形状优化算法 好的效果。7 0 年代，欧美国家就已经在车架结构分析中采用有限元方 较好的模拟、分析车架动态特性。随着有限元模拟方法的不断发展与 性能越来越高。随着计算机软、硬件水平的发展，出现了大量的有限 ，主要产品有，计算机辅助造型( c a s ) ，计算机辅助设计( c a d ) ，计算 分析( c a e ) ，计算机辅助制造( c a m ) ，计算机集成制造系统( c i m s ) 以及 4 工程硕上学位论文 计算机虚拟现实系统( v r ) 等一大批大型工程通用软件。如i n a s t r a n ，a n s y s ， i - d e a s 等，使得车架结构静动态分析、碰撞的模拟与仿真实验等成为可能【6 j 。国 外已能够用有限元法对结构、材料和形状参数等进行灵敏度分析，并取得了大量 的成果。 国外有限元技术经过几十年的发展与积累，各大汽车公司已建立了高性能的 汽车计算机辅助工程系统，形成了完整的设计、分析方法与实验程序。目前国外 新车型的开发周期已经缩短至1 j 2 4 至3 6 个月，这一发展主要得益于现代结构设计方 法的采用，在新产品的开发中由原来的经验、类比实现向数字模型、静动态分析、 优化设计及虚拟现实设计转变。现代车架结构分析方法的一般流程为：以车架三 维数字模型为基础，构建车架结构三维实体建模与装配，实现有限元网格划分， 并行进行静态设计分析、结构模态分析、碰撞安全分析、流体分析、结构优化分 析等计算分析，并对结果进行整体分析评价，为车架结构的改进提出设计方案， 对结构进行修改，重复上述过程，最终得到合理的车架结构。 国外不少公司、科研机构及高等院校陆续开发了一些通用性很强的大型有限 元结构分析软件程序，这些程序可用来分析任意规模的结构，如整架飞机或整个 汽车的结构。这些有限元软件已发展到成熟的阶段，比较成熟并且普及较广的有 美国加利福尼亚大学伯克利分校研制的s a p 、美国麻省理工学院研制的a d i n a 、 美国国家航空与航天局研制的n a s t r a n 、德国斯图加特大学宇航结构静力学研究 所研制的a s k a 、世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 开发的 a n s y s 软件等等。这些通用程序的研制成功，大大简化了结构分析工作，只要求 使用任意掌握有限元法的基本理论，熟悉建立有限元分析模型的方法和通用程序 的使用方法即可。这些大型商业通用有限元分析软件也像c a d 设计软件一样在汽 车研发过程中得到普及，有实力的汽车厂商甚至为自己的产品开发独立地从事这 些有限元分析软件的二次开发【7 j 【引。 国内在这方面起步较晚，在8 0 年代才开始这方面的研究，但经过众多学者的 研究和探索，已积累了大量的经验。但由于软硬件水平和汽车车架动力学的复杂 性，如何应用有限元方法来解决汽车车架的结构设计和分析已成为目前亟待解决 的课题。目前，国内外对汽车车架结构的研究主要集中在强度和刚度方面。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。对动态应力的研究则是将静应力基础上结合动载荷系数对结构进行 修改，在动态分析上起步较晚。这方面是受到所具备的计算机软、硬件的制约， 另一方面车架建模过程涉及因素多而且复杂，有待进一步研究和探索。在车架设 计上除少数企业外大多还是采用经验与类比的方法，借鉴国外成熟车架结构，结 合中国国内市场现状，实现国产化，采用的大多数还是经验和模拟法，这一方法 某重型载货汽车车架的设计分析与实验研究 下设计的车架结构经常出现车架整体刚度分布不均而导致的车架局部断裂、底盘 与车架的匹配不合理导致的底盘总成的损坏等问题，对这些问题的处理，国内厂 商大多采用局部材料加强或选用强度更大的底盘总成的方法进行修正，这样就导 致整车自身质量不断增加，难以得到车架结构的最优设计。与国外的车架结构分 析相比存在较大差距：( 1 ) 车架结构的开发主要依赖于经验和类比国外进口车型， 进行参照性设计，很少做到设计与分析并行。( 2 ) 由于软硬件对计算模型规模的限 制，模型的细化程度不够，因而分析结果较为粗略，偏差较大。( 3 ) 有限元分析多 应用于强度和刚度分析，在碰撞、振动、噪声等方面的模拟起步较晚，对车架结 构的各项性能指标进行系统分析的实例还未广泛进行。( 4 ) 参考文献中多是单一的 对车架进行分析和改进，很少考虑改进后的车架与相关联的部件的分析，缺少车 架结构的改进对载货汽车的整体影响的研究。 车架轻量化的研究受到能源和环境保护的压力，世界汽车工业很早就开始了 轻量化的研究，虽然应用轻金属现代复合材料是现代车辆轻量化研究的热点之一， 但是这些新材料应用在主要承载部件上的成本较高因此在短时间内很难普及，另 一方面车辆的传统材料钢材由于其强度高成本低工艺成熟并且是最适于回收循环 利用的材料因此利用钢材实现轻量化的可能性备受关注。国外的汽车结构轻量化 研究主要可分为四类： ( 1 ) 提出先进的设计理念，发展先进的制造工艺并通过尺寸参数优化而得到新 对 辆的轻量化都主要集中在车 研究，真正将轻量化应用到 绝大部分质量的专用车辆来 挖掘空间。 度特性，该分析过程以汽车 车的实验方案，结合对实验 d ，能够在强度分析中获得较 提高研发效率，推出更有竟 工程硕士学位论文 本文按照有限元分析的步骤建立车架有限元离散化模型，结合实验工况，对 车架进行有限元强度分析，与车架有限元分析结果与实验的对比获得较为准确的 车架有限元模型，并获得丰富的车架强度分析结果，为该车架的设计改进提供更 好的参考。 7 某重型载货汽车车架的设计分析与实验研究 第二章实车实验 弟一早头牛头叛 实车实验是研究车架强度最为直接有效的方法，本章的主要研究目的是根据 车辆的实际使用工况设计实验并获得真实可靠的分析结果。本章介绍了进行这种 实验的方法步骤以及对实验结果作了分析，验证了该车架的强度是符合设计要求 的。 2 1 典型极限工况研究和实验方案 强度是指零件抵抗失效的能力，是机械零件正常工作必须满足的最基本的要 求。零件的强度分为体积强度和表面强度，前者是指拉伸、压缩、剪切、扭转等 涉及零件整个体积的强度。机械零件在工作时，不容许出现断裂或塑性变形，也 不容许发生表面损坏。货车在行驶时承受着复杂多变的载荷，进行车身结构设计 及分析时，必须考虑到实际使用行驶以外作用的较大以及最大载荷，在这种情况 证不能损坏也不能有较大的塑性变形，并且承受随机载荷时也不能产 劳破坏，即货车车架必须满足一定的静态强度【1 0 】。对货车车架结构进 的目的在于计算结构在最大载荷作用下的变形与应力，以便进行静态 的检验。因此，如何模拟货车承受的载荷是车架结构有限元静态分析 环节。 架部分主要由纵梁、横梁和加强板组成主要承载零件。其所受载荷大， 杂，是实际情况中应力集中最为严重的零件，也是进行强度分析的重 有必要得到车架结构在最大载荷作用下的变形与应力，以便进行强度 验。汽车行驶时会出现匀速直线行驶( 车架弯曲) ，一轮悬空( 车架扭转) ， 急速转弯4 种典型工况。其中弯曲和扭转是对车架结构影响较大的两 载荷主要是由车身自重和货物等质量在重力作用下产生，弯曲工况主 货车满载时在平坦路面匀速直线行驶的情况；扭转载荷主要产生原因 度对车架造成的非对称支承，一般考虑一个车轮悬空而另一个车轮抬 车架上的扭矩作用，在本文的研究中，就针对这两种典型的极限工况， 的实验工况，如表2 1 所示，来检验车架的强度。 工程硕士学位论文 表2 1 实车实验的典型实验工况 2 2 实验设备 本次实验使用华菱h 0 8 重型载货汽车作为实车实验的实验车辆，使用n i 公司 瓤 的p x i 硬件平台和l a b v i e w 数据采集软件组成数据采集系统。如图2 1 ab 图2 1 实验设备 a ) 华菱h 0 8 重型卡车、b ) n i 数据采集系统 面向仪器系统的p c i 扩展是一种基于p c 技术的平台，为测量和自动化系统提 供了高性能、高坚固性、低成本的配置方案。p x i 中将p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n t i n t e r c o n n e c t ，外围组件互连) 电气总线与c o m p a c tp c i 中坚固的、模块化的欧式机 械封装结合在一起，并增加了专门的同步总线和一些关键的软件性能。p x i 还增 加了一些机械、电气和软件方面的性能，定义了用于测试测量、数据采集、生产 制造等应用的完整系统。l a b v i e w 是美国n i 公司推出的一种基于图形编程语言 的虚拟仪器软件开发工具，提供了p c i ，s c x i 等仪器通信总线标准功能函数。基 9 某重型载货汽车车架的设计分析与实验研究 于l a b v i e w 虚拟仪器图形编程语言，大大减少了测试的硬件设备、软件开发的周 期。这种图形化语言已经广泛地应用在测量测试、数据采集、仪器控制及数据处 理分析等领域，虚拟仪器技术具有实时性强、编程和实验操作简单、稳定性和可 靠性好以及适应范围广等特点。使用n i d a q ，可以从2 2 个预配置 m e a s u r e m e n t r e a d y 虚拟通道中进行选择，包括电压、应变、输出电流、脉冲宽度 以及数字端口输出等，可以在实际测量的单元中配置这些虚拟通道，与n i d a q 绑定的d a q 助手，为测量任务及通道的配置、测试及编程提供一个循序渐进的对 话向导。 在实验中使用电阻应变片( 图2 2 ) 采集车架在每个工况下的应变响应。电阻 应变测量技术，是利用粘贴在试件上的应变片测取工件表面的应变，再根据应力 与应变的关系式，确定工件表面应力值的一种实验应力分析方法。电阻应变片由 敏感原件、基底和引线组成，如图所示。 单位为m ；a 为导 引起电阻的变化。 产生微小变形，应 化率与试件的应变 并经过应变仪将电 工程硕士学位论文 压信号放大，用适当的方法和仪器记录下来，和定量的标定值比较，就能确定出 被测点的应变和应力值。 应变片的主要技术参数如下： l 、尺寸：灵敏原件的结合尺寸用基长、基宽来表示； 2 、电阻值：指应变片在没有粘贴，不受外力，在室温下的阻值，目前已趋于 标准化； 3 、敏感系数：当一维应力时，应变片主轴线方向和主轴应力方向一致； 4 、允许电流：受散热条件限制，丝式应变片在静态测量时，为保证精度，一 般规定其允许电流为2 5 m a ，在动态测量时，其允许电流可达到7 5 1 0 0 m a ； 应变片按其技术参数的偏差分为a b c d 四个等级。 在电测中，用三个电阻应变片组成的应变花测定三个选定方向上的线应变， 通过换算可以获得该部件表面的平面主应变的大小和方向。 ab 图2 3 实验中1 更用的直角平面应变花 a ) 应变花实物照片、b ) 应变花结构图 2 3 应变测点布置方案 表2 2 是应变片的布置方案，实验前根据初步的车架有限元模型分析的结果， 同时考虑到实际情况，将测点布置在车架上应力较大且方便贴片的位置，如图2 4 与图2 5 所示。考虑到1 号与二号应变片所在位置所受载荷形式简单，主要是垂 向剪切力，因此布置采集垂向应变的单向应变片，其余位置均采用应变花采集平 面应变。 根据电阻应变片的特点以及车架在静态实验的实际情况，所以本次实验接线 采用四分之一桥连接方案。 某重型载货汽车车架的设计分析与实验研究 表2 2 应变片布置方案 图2 4 应变片布置位置 1 2 工程硕士学位论文 图2 5 部分应变花贴片后实物图 2 4 实验数据采集原理 数据采集( d a q ：d a t a a c q u s i t i o n ) 系统的基本任务是物理信号的产生和测量， 要使计算机系统能够测量物理信号，首先要使用传感器或者应变片把物理信号( 如 本实验中的汽车各结构件在实验过程中由于颠簸产生的振动加速度和变形) 换成 电压或者电流之类的电信号。通常不能把被测信号直接连接到d a q 卡，而必须使 用信号调理辅助电路，先将信号进行一定的预处理。总之，数据采集时借助软件 来控制整个d a q 系统的，包括采集原始数据、分析数据以及给出结果等。 数据采集程序由l a b v i e w 2 0 0 9 的d a q 板块进行编写，图形化程序简单明了， 同时方便调试和修改。d a q 库v i 位于f u n c t i o n 的子模板n im e s a u r e m e n t s 的d a t a a c q u i s i t i o n 里，d a t aa c q u i s i t i o n 模板提供有a n a l o gi n p u t ( 模拟输入) 、a n a l o go u t ( 模拟输出) 、d i g i t a li o 、c o u n t e r 极大功能模块和两个d a q 功能设置模块： c a l i b r a t i o na n dc o n f i g u r a t i o n ( 校准和配置) 和s i g n a lc o n d i t i o n i n g ( 信号调理) 。 在d a q m x 菜单下包含了很多子v i ，包括d a q 读入、d a q 输出、d a q 实时等， 在编程过程中根据实验需要直接调用子v i 。本实验中主要调用的是d a q 助手v i ， 在d a q 助手里可以设定信号输入范围、信号换算单位、采样模式、采样数、采样 率等实验参数。 每一工况测试前，需要通过d a q 的应变片校核程序对实验中的每一应变通道 进行校准，设定好系统的分辨率、系统精度、采集速度和动态范围等性能指标， 保证实验数据的准确性。针对实车实验中应变片传回的信号，选用n is c x i 1 5 2 1 数据采集卡进行数据采集。1 5 2 1 信号调理卡提供了8 通道连续模拟量输入，为应 变电信号提供1 4 、1 1 2 和全桥补偿电路，本实验采用的为1 4 电桥补偿电路。实 验的所有检测仪器都必须安装在汽车的驾驶室里，需要克服驾驶室空间的问题， 以及仪器固定和实验过程中保持稳定的难题。下图2 6 是本实验数据采集系统的原 理框图。 某重型载货汽车车架的设计分析i 实验研究 图2 6 数据采集系统原理框图 2 5 应力响应数据处理方法 本次实验采用的平面应变片可同时测定0 0 、4 5 0 或9 0 0 三个选定方向上的应变。 依据公式计算平面主应力。 首先对应变进行标定，算出应变花各个方向的应力值，如公式( 2 1 ) ： d r 七= 2 0 5 0 0 * h ， 式中k = o 。、4 5 。或9 0 。；气为平放静态测试采集的应变；万的单位为m a p , ( 2 2 ) (