（车辆工程专业论文）基于结构优化和高强度钢应用的重型自卸车轻量化研究.pdf

武汉理。t ：人学硕十学位论文 摘要 本文主要研究了重型自卸车货厢和主、副车架的轻量化问题，通过对 货厢进行结构优化设计以及对货厢与车架进行高强度钢板强度等代设计， 取得了很好的轻量化效果；并推导出了高强度钢板强度等代设计中的钢板 壁厚替换计算公式，验证了该公式的实用性以及使用方便性。 首先，对重型自卸车轻量化的研究背景进行了介绍，阐述了本课题的 研究意义；并根据国内外轻量化发展概况以及研究现状，提出了采用有限 元技术和应用新型材料的轻量化研究方法。 其次，在对重型自卸车货厢和主、副车架的结构特点进行分析后，以 企业所提供的图纸为依据来建立货厢和主、副车架组合几何模型。采用板 壳单元对货厢和主、副车架主体结构划分网格，采用实体单元对它们的局 部结构进行离散。考虑到货厢在举升瞬间即刚刚离开副车架时的受力状况 是最恶劣的，因此，在利用a n s y s 分析时选取举升瞬间工况来进行计算。 该工况下的货厢整体应力分布和货厢的变形情况均可以通过计算分析求 得，得出的结果可以为项目委托企业在开发设计产品时提供一个参考。 再次，由于货厢的整体应力水平不高，而且应力集中现象比较严重， 本文分别对货厢底架、两边侧板结构进行了结构局部改进设计，不仅使应 力集中现象在很大程度上有所减弱，甚至消除了某些局部应力集中现象， 而且也使得它们的应力分布变得更为合理，最后的优化结果让货厢重量得 到大幅度下降，使货厢的质量减小了8 2 0 4 3 k g 。 然后，在货厢结构改进后的基础上，再利用结构尺寸参数优化方法对 货厢进行轻量化研究，在保证货厢装载能力不降低的前提下，使货厢整体 质量又减少了2 4 4 k g ；通过采用这两种结构优化轻量化方法，货厢重量下 降了2 4 5 。 最后，采用结构改进后的货厢模型和建立的主、副车架模型进行高强 钢强度等代设计，在过程中利用推导出的高强钢壁厚替换公式对其构件进 行壁厚替换，给货厢与主、副车架的高强钢强度等代设计带来很大方便。 通过最后圆整后的数据计算，货厢质量减轻了1 0 9 9 4 2 k g ；主副车架重量 减少了2 8 6 6 8 k g ，降幅为1 5 1 3 。 关键词：重型自卸车，轻量化，优化设计，高强度钢 武汉理j ：人学硕十学位论文 a bs t r a c t t h i sr e s e a r c hm a i n l ys t u d i e do nt h el i g h t w e i g h to ft h ed u m pt r u c kb o xa n dt h ef r a m e t h ee f f e c to fz i g h t w e i g h tw a sg o o db ys t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o na n dt h ee q u i v a l e n td e s i g no f h i g h - s t r e n g t hs t e e l t h ef o r m u l ao ft h i c k n e s sr e p l a c e m e n tw a sd e r i v e d , a n di t sp r a c t i c a l i t y a n du s e r - f r i e n d l i n e s sh a v eb e e nv e r i f i e d f i r s to fa l l ，t h el i g h t w e i g h tr e s e a r c hb a c k g r o u n do ft h eh e a v yt r u c kw a si n t r o d u c e d , a n d t h es i g n i f i c a n c eo ft h i sr e s e a r c hw a se x p l a i n e d a c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o na th o m ea n d a b r o a d , t h er e s e a r c hm e t h o d so ft h ef i n i t ed e m e n tt e c h n o l o g ya n dt h ea p p l i c a t i o no fn e w m a t e r i a l sw e r ep u tf o r w a r d s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h ea n a l y z i n gt h es t r u c t u r a lo ft h ed u m pt r u c kb o xa n dt h ef r a m e ， t h ed u m pt r u c kb o xa n df r a m eg e o m e t r i cm o d e lw e r eb u i l to nt h eb a s i so ft h ed r a w i n g p r o v i d e db yt h ec l i e n t t h em a i ns t r u c t u r eo f t h ed u m pt r u c kb o xa n d 缸n ew a sm e s h e db y s h e l l 6 3e l e m e n t s ，a n ds o l i d 4 5e l e m e n t sw e r eu s e dt om e s ho t h e rs t r u c t u r e c o n s i d e r i n gt h e i n s t a n tl i f t i n gc o n d i t i o n si nw h i c ht h ed u m pt r u c kb o xs u f f e r e dt h em o s td i f f i c u l tm o m e l l t ，i t w a sc h o s e na st h ec o n d i t i o nt oc a l c u l a t e s t r e s sa n dd i s p l a c e m e n to ft h ed u m pt r u c kb o x w e r eo b t a i n e d , w h i c hc a np r o v i d ear e l i a b l er e f e r e n c et ot h ep r o d u c td e s i g n i n gp r o c e s so f t h ee n t e r p r i s e n e x tw a st h es t r u c t u r a li m p r o v e m e n t c o n s i d e r i n gt h es i t u a t i o no fl o ws t r e s sl e v e l , a c c o r d i n gt ot h es e r i o u ss t r e s s c o n c e n t r a t i o np h e n o m e n o n , 1 1s e r i e so fs t r u c t u r a l i m p r o v e m e n tm e a s u r e sw e r et a k e nt ot h eb o t t o ma n db o t hs i d e so ft h ed u m pi r u c kb o x c o n s e q u e n c e l y , t h es e r i o u ss t r e s sc o n c e n t r a t i o np h e n o m e n o nw a se l i m i n a t e d a tt h es a m e t i m e , t h ed i s t r i b u t i o no f s t r e s sb e c a m em u c hm o r er e a s o n a b l e a n d t h eq u a l i t yo f t h ed u m p m i c kb o xr e d u c e d 8 2 0 4 3 k g t h e n , o nt h eb a s i so ft h es t r u c t u r a li m p r o v e db o x , as i z eo p t i m i z a t i o nr e s e a r c hw i t s c a r r i e dt ot h ed u m pt r u c kb o x c o n s e q u e n c e l y , t h eb e a r i n gc a p a c i t yw a sn o td e c l i n e d , a n d t h eb o x w e i g h tw a sr e d u c e d2 4 4 k g i naw o r d , t h em a s so f t h ed u m pl r u c kb o xw a sr e d u c e d 1 0 6 4 4 3 k g , w h i c hw a s2 4 5 o f t h ef o r m e rb o x a tl a s t , t h ee q u i v a l e n td e s i g no f h i g h - s t r e n g t hs t e e lw a sc a r r i e dt ot h es t r u c t m a li m p r o v e d b o xa n dt h ef l a m e t h et h i c k n e s so fs h e l lw a sr e p l a c e db yt h ef o r m u l ao ft h i c k n e s s r e p l a c e m e n t f i n a l l y , t h el i g h t w e i g h tr e s e a r c ha c h i e v e dg o o dr e s u l t s t h eb o xw e i g h tw a s r e d u c e d10 9 9 4 2 k 吕t h eq u l i t yo ft h ef l a m er e d u c e d2 8 6 6 8 k g , w h i c hi s15 13 o ft h e f o r m e rf r d m e k e y w o r d s ：h e a v yd u m pt r u c k , l i g h t w e i g h 乞o p t i m i z a t i o n , i - i i g h - s t r e n g t hs t e e l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下独立进行研究的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理 工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：面垒硷 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生躲细么逊新签 日期：狸! 皇：至：梦 武汉理f ：人学硕十学位论文 1 1 引言 第一章绪论 目前，自卸汽车应用相当广泛，长途货运、短途货运、矿山、建筑工地、路 桥施工都能看到自卸车的身影。随着我国建设速度加快，城镇基础设施建设和大 型工程项目的不断上马，对自卸汽车的需求量越来越大，自卸汽车的种类也越来 越多，为自卸车发展创造了契机。 与牵引车、载货车相比，自卸车用户主要行驶路面为国道、省道等高级公路 和乡镇普通公路，以及砂石土路，极少行驶高速公路。因此，在乡镇公路上自卸 车就非常多见。目前国内自卸车载重量较大，6 x 4 重型自卸车车载质量一般在 2 5 - 4 0 t ，8 x 4 自卸车车载质量一般在3 0 - - - 5 0 t ，又由于各自卸车生产企业为了增加 销量而去生产满足客户超载需要的自卸车，继而导致路面受损【l 】。近年来，市场 对自卸车的要求越来越高，其中就包括载荷吨位越来越大、价格低廉以及使用成 本低。与此同时，国家对“超载 的治理也在不断深入。在2 0 0 7 年至2 0 0 8 年期 问，燃油价格攀升，国际钢材价格飞涨。在此背景下，对重型自卸车生产企业来 说，要从国家角度和用户使用角度综合考虑，所生产的重型自卸车既要进一步提 高对各种恶劣工况的适应能力，又要对保护公路和环境做出积极贡献，而且还要 提高车辆的安全性以及实现操作人性化f 2 】。所以，生产企业要通过提高研发水平， 采用国际先进技术对其车辆进行优化设计。 1 2 研究背景和研究意义 安全、能源和公害一直是近十多年来世界汽车工业面临的三大问题【3 】。显而 易见，全球石油消耗的重要一部分来源于车辆燃油，目前，全球汽车保有量预计 到2 0 2 0 年全球汽车保有量将达到1 2 亿辆，主要增幅来自发展中国家。国际能源 机构( i e a ) 预计到2 0 2 0 年交通用油占全球石油总消耗的6 2 以上。美国能源 部预测，2 0 2 0 年以后，全球石油需求与常规石油供给之间将出现净缺口，2 0 5 0 年的供需缺口几乎相当于2 0 0 0 年世界石油总产量的两倍。与此同时，交通能源 消耗也是局部环境污染和全球温室气体排放的主要来源之一。在不降低汽车性能 的情况下，为了应对可能的能源危机，降低汽车油耗具有重要的现实意义。从环 境方面讲，每年有多达4 0 亿吨的二氧化碳量由汽车向大气中排放，占世界全部 二氧化碳排放量的2 5 ，而其它汽车排放物( 如氮化物、硫化物、微粒物等) 也构成了大气污染的重要因素之一。因而，能源保护、废气排放、噪声和安全的 相关法令法规相继在世界各国出现。 武汉理i ：人学硕+ 学位论文 围绕这三大问题进行研究是现代汽车技术发展的主要方向，其中作为汽车工 业发展与变革动力的能源问题尤其突出。轻量化、环保回收及节约能源已成为全 球汽车产业发展的趋势。在汽车技术的飞速发展过程中，汽车轻量化的发展对整 个汽车业的发展起到了非常重要作用，主要有以下三个方面： ( 1 ) 汽车轻量化可以降低燃油消耗。 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。汽车行驶 方程式为： f = g f + g s i n c t + 6 朋口+ 0 a - 1 ，2 2 1 1 5 式中：，为汽车行驶阻力；g 为汽车重力；厂为滚动阻力系数；口为道路坡度； 万为汽车旋转质量换算系数；m 为汽车质量；e 为风阻系数；a 为迎风面积；v 为汽车速度【4 j 。 根据经验数据，空气阻力大约是行驶阻力的2 5 。采用流线型车身、全粘 接挡风玻璃、隐蔽式雨刮器、下地板全封装等这些方法是目前减少空气阻力的常 用措施，这些措施能将e 降低到0 3 。但是，要把它进一步减小的可能性已遇到 瓶颈现象，除非目标是那些更为流畅低矮的车身。这样就需要巨大的技术与资金 的投入，更不适用于要求空间宽敞的同常用车，所以通常不会花费很大精力去考 虑空气阻力因素。由上式可知，滚动阻力、爬坡阻力和加速阻力均与汽车质量成 正比，而且它们一起要占行驶阻力的7 5 ，因此，减轻汽车质量就减轻了行驶 阻力，从而也就成为节约燃油的一个重要措施。 2 ) 汽车轻量化有利于改善汽车的运动性能( 如行驶、加速、制动、转向等) 和排气性能等多方面的性能。例如，一辆汽车重量为1 5 4 3 k g ，若整车重量减轻 2 5 ，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【5 1 。 发动机的轻量化可以改善前轮荷重分担率，从而汽车的操纵稳定性可得到改 善，还可为降低噪声、振动、实现大功率化创造条件。同时部件振动可得到减轻， 噪声也可降低，舒适性能得到提高。某些承载件所承载的重量减轻后，有利于降 低元件疲劳，提高耐久性。 ( 3 ) 由于汽车各部分的质量是相互关联的，汽车轻量化具有波及效果。 发动机质量的减轻，同时可减轻有关底盘部分，所以汽车整车减少的质量会 大于发动机减少的质量；车身零部件的轻量化，可减小支承它的行驶系统( 如车 架、车桥、车轮和悬架等) 负荷，尺寸和质量即可适当减小，随之也可相应减小 和减轻发动机和制动器【6 j 。 近几年，国民经济的快速发展，使得自卸车成为市场热点，其产销量大幅度 增长。据统计，中重型自卸车在专用车市场需求量上约占百分之四十的份额，成 为专用车市场的兵家必争之地。 2 武汉理i ：人学硕十学位论文 我国自卸车的发展向重型化和轻型化两极发展。2 0 0 9 年上半年，国内重型 自卸车市场增长远远好于年初的预期。国家的政策支持直接导致3 、4 月份工程 重型自卸车走俏；8 月份，重型自卸车销售5 6 8 万辆，同比增长5 9 3 。2 0 0 9 年汽车全行业销售1 2 4 7 万辆，同比增长3 3 左右；其中，重型自卸车销售5 7 万辆，同比增长5 5 。随着重型自卸车销量快速回升，全年销量略有增长，利 润增长主要来自毛利率的提高。2 0 1 0 年行业将完全恢复正常，预计销量增长幅 度在1 5 左右，从而带动利润的持续增长。 2 0 0 8 年底，国务院推出了拉动内需的4 万亿投资计划，其中大部分资金投 向了基础设施建设领域。政府提出的十项规划中强调要加快保障性安居工程建 设、加快农村基础设施建设、加快铁路及公路和机场等重大基础设施建设、加快 地震灾区灾后重建等要求。这些项目的建设将需要相当数量的重型自卸车，这对 于重型自卸车来说，产生了明显的拉动作用。 随着2 0 0 9 年基础建社的开工和灾后重建工作的逐步完工，对重型自卸车的 需求是逐月增加。2 0 0 9 年虽然重型货车总销量前5 个月出现以3 月为最大值， 开口向下的抛物线状，但是重型自卸车逐月不降反升，对重型货车的贡献度是逐 月增大。 由于良好的宏观经济环境刺激，我国自卸车的年需求量近几年快速增长，“十 一五”期间更是进入高速增长期。市场对自卸车的需求不仅体现在数量上，也体 现在质量上。目前我国有重型自卸车生产企业9 0 多家，主要的生产企业仅有十 多家，这十多家企业占据着市场8 5 的份额，我国的重型自卸货车品牌主要集中 在福田、东风等前1 2 个品牌上，这1 2 个品牌占据着该行业8 0 以上的市场份额， 其余品牌占据着市场不到2 0 的市场份额。 本课题的研究对企业自身、用户以及整个社会都有着重大意义。 ( 1 ) 减少原材料的消耗，降低企业的生产成本。 一般情况下，对客车和载货车而言，车架骨架部分要占整车总质量的6 0 左右；轿车的车身质量约占整车总质量的2 5 ，而重型自卸车的车身和车架占整 车总质量的比例要远远大于前面的车辆。通过对重型自卸车结构的轻量化，可以 节省能源和减少原材料的消耗，进而实现企业生产成本的降低和利润的提高。 ( 2 ) 提高企业的设计水平和研发能力。 c a d c a e 技术在现代汽车设计之中已被广泛应用，许多大型商业软件已经 集成了优化设计模块，采用大型商业软件对产品进行设计是一个非常先进的方 法。c a d c a e 是支持从研究开发到产品检测整个生产过程的计算机系统，包括 分析、计算和仿真在内的一切研发活动。在现代汽车工业中，实现汽车的轻量化 设计和制造可以运用c a d c a e 技术。对汽车总体结构进行分析和优化是汽车轻 武汉理：i ：人学硕十学位论文 量化的手段之一，有效精简汽车零部件，并且能使汽车零部件整体化和轻质化。 通过本课题的研究，生产企业的设计水平和研发能力可以得到提升，从而提高生 产企业的竞争力。 ( 3 ) 提高用户的运输效率，降低用户的运输成本。 近年来，世界石油资源紧张，油价不断上涨。对汽车工业和汽车运输业来说， 降低燃油消耗量成为关键。汽车自身质量的大小是影响燃油消耗的重要因素之 一，所以汽车设计轻量化成为发展趋势。对重型自卸车用户而言，减轻自身质量 还提高了有效运载质量，即增加了质量利用系数，从而提高运输效率，降低运输 成本。 ( 4 ) 对于节能和环保具有现实意义。 据统计，目前行驶在各国的汽车仍以汽油、柴油等石油产品为主要燃料，年 消耗石油一百多亿桶，超过了全球石油总消耗量的一半以上，巨量石油资源被消 耗的同时，汽车排放出的废气也产生了极大的空气污染。随着世界能源消耗量的 增加，正面临着地球的矿物能源枯竭，导致环境问题也不得不受到关注。随着可 持续发展的提出，现代汽车工业发展的主题也就成为了节能与环保，减少排放是 最有效措施之一从而就需要降低能源消耗，继而车辆轻量化就被广大社会所倡 导。根据有关数据，汽车每减少整车总质量的1 0 ，就可以降低6 0 o , 8 的油耗， 同时还能有效减少车辆尾气排放总量。因此，汽车轻量化正成为2 l 世纪汽车技 术的前沿和热点，对于目前能源紧缺问题的缓解和环保型社会的建立，本课题的 研究有着积极的作用。 ( 5 ) 提高生产企业运用先进设计方法的意识，有利于追赶国外先进的研究水 平。 我国自卸车产品种类日益丰富，技术不断升级，新产品的技术水平正在与国 际接轨。个别企业在设计中采用先进的设计方法，能够提高产品的市场占有率， 其他生产企业也会为了提高本企业的效益而学习这种先进的设计方法，所以对整 个行业来说具有很大带动作用，可以提高行业中使用先进技术的意识【7 】。我国轻 量化研究是从8 0 年代末才开始，相比欧美国家起步较晚，虽然近年来发展迅速， 与国外相比较，还是存在着很大的差距。我们必须密切关注和跟踪世界先进技术 的研究、应用和发展，本课题研究对国内追赶国外先进设计水平起到重要作用。 1 3 轻量化技术发展概况 轻量化技术涉及了基础理论、工程设计、工厂制造、实践验证等课题，由于 它的内容丰富、涉及广泛，探索过程颇为艰难。经过努力，在不远的将来汽车要 引导新一代的潮流，将以清洁、强大、轻量的崭新形象亮相。 4 武汉理1 ：人学硕十学位论文 1 3 1 结构轻量化研究 不断发展计算机辅助集成技术和结构分析等技术，通过不断提高结构优化和 零部件的模块化设计水平来达到轻量化的目的，如采用前轮驱动、高刚性结构和 超轻悬架结构等。 在汽车的前期概念设计阶段已经融合进了轻量化的结构设计和分析。目前， 由于计算机技术的飞速发展，为了实现汽车的轻量化设计和制造可以采用 c a d c a e c a m 一体化技术【8 1 。对于各种实用程序来说，有关理论和软件的不断 发展进步便计 算机辅助分析过去 功能强大，使计 廿一 算规模、计算容 目刖 量以及计算速 度不再是主要 将来 问题，计算机辅 助分析技术未来 ( c a e ) 的作用 将对汽车工生k 图1 1c a e 及优化技术在汽车开发中的作用变化 的发展越来越重要 9 1 。如图1 1 、图1 2 反映出了计算机辅助结构优化设计分析 技术在汽车开发设计中的地位和作用。它不仅大大缩短了汽车开发的周期，大量 减少了研发成本，而且还能开发出更为优秀可靠的产品。 1 9 9 1 年，m a t s u l n o t 等人建立了摩托车车架的有限元模型，选取梁的截面尺 寸和梁的位置为设计变量，在保持原刚度不变的情况下，以车架总质量为优化目 图1 2 汽车开发过程中的变化趋势 标对其进行优化设 计，经过结构优化后 使得车架质量明显减 轻，优化效果显著 i l o l 。同年，s a r e e n 等 人建立了b e l la h i g 直升机的车身结 构有限元模型，应用 基于非线性规划技术编制的优化程序对机身进行了轻量化研究，主要目的是减轻 机身重量、减小机身振动和提高结构的疲劳寿命，结果取得了良好减重效果1 1 1 。 通用汽车公司的r r m a y e r 、密西根大学的n k i k u c h i 和r a s c o t t 应用拓 扑优化技术以碰撞过程中最大吸收能量为目标对零部件进行优化设计，优化后使 5 武汉理一l ：人学硕十学位论文 零件呈蜂窝结构，在提高安全性的同时也减轻了结构的重量【l 到。 早在1 9 9 4 年，东j x l 汽车公司技术中心为实现e q l 0 9 0 e 汽车后桥壳轻量化， 在该后桥壳改进设计初期，用有限元分析的方法选择较优设计方案，预测后桥壳 最高应力水平，后桥壳的应力集中区域、后桥壳静力强度断裂和疲劳损坏的可能 位置，为该后桥壳减轻质量8 k g 提供了依据【l3 1 。2 0 0 0 年，在早期的车架有限元 研究中，郑州工业大学的王伟等人应用有限元方法对s j z 6 3 0 型汽车车架进行了 静态强度分析，在对车架进行有限元划分时，采用的是梁单元模型【l4 1 。应用梁单 元模型的优点在于建模简单，单元数目少，计算速度快，可以得到较好的变形结 果，但其应力分析的能力却是有限的。梁单元不能很好的描述较为复杂的车架结 构，不能很好的反映横梁与纵梁接头区域的应力分布，且忽略了扭转时截面的翘 曲变型，因而其分析结果是粗糙的。同年，湖南工程学院的陈华光对电动轮自卸 车车架结构分别用板单元计算模型和梁单元计算模型进行了模态分析【l5 1 。板单元 在其节点处只有三个自由度，是用来模拟板件受垂直、平行于板平面的载荷产生 弯曲的情况，但在实际工况中，车架横梁和纵梁的腹板等结构除了承受以上力外， 还存在扭转、剪切等状况，所以使用板单元也不能有效的模拟车架受载时的各种 变形。而板壳单元除了有弯扭变形外，还存在中面对拉、压和剪切变形，更接近 于车架受力的真实状态。最初由于采用板壳单元前处理工作量太大，计算时间太 长而很少采用，但是随着计算机技术的不断发展，这个问题已经得到了很好的解 决，因此在此后的研究中大量出现了以板壳单元建立车架有限元模型进行研究的 例子。2 0 0 8 年9 月，陈华光再次对电动轮自卸车车架结构进行有限元分析，在 对实际结构进行研究分析后，将车架简化为以板单元为主的有限元计算模型，通 过计算结果，为车架结构的优化设计奠定了基础【l 6 1 。 2 0 0 5 年，徐有忠和高新华针对在汽车车身轻量化设计中遇到的技术难点， 对如何将成熟的c a d c a e 优化技术应用于车身减重的方法进行了深入探讨，提 出了几种确定优化目标的思路，并阐述了汽车车身轻量化设计中进行n v h ( 主 要包括模态和静态刚度) 优化与碰撞优化的理念与方法【l7 1 。2 0 0 7 年3 月，于庆 豪等人应用计算机辅助设计和有限元网格划分的技巧和方法建立s g a 3 7 2 3 矿用 汽车货箱三维实体单元有限元模型，有效解决矿用汽车货箱结构和尺寸庞大的问 题，对矿用汽车货箱进行了强度分析【1 3 】。2 0 0 6 年，北京科技大学的杨锁望等人 建立了s g a 3 5 5 0 型矿用汽车驱动桥壳及a 形架的有限元模型，选择极限工况对 其进行了结构强度和刚度分析，在保证足够的强度和刚度的条件下将该桥壳的厚 度由原来的3 0 m m 减为2 0 m m ，改进后的桥壳质量更小，最大应力也大幅减小，且 应力分布更为合理【1 9 】。2 0 0 9 年2 月，湖南大学汽车车身设计制造试验室的张勇 等人利用多目标遗传算法对整车模型进行优化，使得车身前部吸能部件的板厚和 6 武汉理1 ：入学硕十学位论文 材料得到合理配置，在满足c m v d r 2 9 4 安全法规的同时，也在一定程度上减小 了整车质量【2 们。 国内在自卸车举升机构的仿真分析及优化设计方酝的研究已比较成熟，相关 方面的论文也层出不穷。2 0 0 5 年3 月，张毅等人以举升过程中工作油缸最大推 力最小为优化目标，对举升机构的各铰接点位置布置进行了优化设计，使油缸最 大推力下降了2 7 ，为举升机构布置位置的设计提供了参考【2 1 1 。于2 0 0 6 年7 月， 朱品昌等人在考虑前后悬架刚度和阻尼及整车质量参数的情况下研究了在举升 过程中车辆自激震动时的油缸推力的变化规律，为举升机构的动态设计提供了参 考【2 2 】。同年，赵永辉等采用拓扑优化技术对某自卸车举升机构三角臂进行了拓扑 优化设计，使得优化后结构相对于原结构质量减轻约2 0 ，同时刚度大大增强， 为三角臂的优化设计提供了参考【2 3 1 。文献 2 4 利用a d a m s 软件中参数化建模与 分析功能，建立了自卸车举升机构的柔性连接模型，分析出三角臂所受拉力和扭 矩，对举升机构的设计具有指导意义。2 0 0 8 年8 月，乔嫒媛等三人利用a d a m s 建立了考虑运动干涉的t 式自卸车举升机构参数化模型，开发出能够进行干涉检 查的t 式举升机构设计模樊2 5 】。 综上所述，可以看到结构轻量化研究主要可分为三点： 【1 ) 采用现代优化技术对部件进行拓扑优化、形状优化和尺寸优化，从而得 到新的轻量化结构，并采用先进的制造工艺来生产出产品。 ( 2 ) 利用硬件优势，大量考虑动态过程( 如碰撞、振动过程) 中的各种约束， 对尺寸参数进行优化而得到轻量结构，主要强调安全性。 ( 3 ) 应用现代优化算法如遗传算法、蚁群优化算法和人工神经网络算法等对 结构进行轻量化设计。 1 3 2 新型材料开发 在汽车上应用的轻质材料有铝、镁、高强度钢、复合材料、塑料等，它们不 仅在前期与结构设计融为一体，而且还与相应的装配、制造、防腐、连接等工艺 的应用相联系。 面对其他竞争材料的上升态势，为了应对日益严格的环保挑战，1 9 9 4 年在 国际钢铁协会的倡议下，全世界1 8 个国家的3 5 个钢铁公司联手成立了超轻刚车 体计划u l s a b ( u l t r al i g h ts t e e l a u t ob o d y ) ，其重点是研究车身部分的轻量化， 以寻求开发用于汽车车身的钢材料以及提高钢材性能的可能性【2 6 】。其目标是向世 界表明，钢材在减轻车重、降低成本和提高安全性等方面仍是最合适的材料。此 后，在1 9 9 8 年u l s a b 试制的b i w 车身总质量与对比车的平均值相比降低了 2 5 ，同时扭转刚度提高8 0 ，弯曲刚度提高5 2 ，一阶模态频率提高5 8 ，在 7 武汉理人学硕十学他论文 满足了碰撞安伞性璺求的同时成本比对比车身造价降低1 5 【2 7 1 。韩国汉阳大学 的j - ks h i n ，k - hl e e ，g - 【s o n g 和g - jp a r k 应用u l s a b 的设计理念和组合 钢板的工岂，对轿车前车门内板进行了结构优化，采用了拓扑优化与尺寸优化、 形状优化相结合的优化策 略，成功地使前车门内板的 质量减重8 7 2 1 2 ”。1 9 9 7 年 5 月启动的超轻覆盖件 u l s a c ( u l t r al i g h ts t e e l a u t oc l o s u r e s ) 项目和超轻 悬挂件u l s a s ( u l t r al i g h t s t l a u t os u s p e n s i o n ) 项目， 作为u l s a b 的后续项目，也 图1 - 3 钢材能像手风琴一样吸收碰撞的能量 ( 幽片来源丁参考文献【l 剐) 在轻量化研究上取得很大成绩t 驯。u l s a c 项目主要目标是在不降低车身抗冲击 安全性的情况下对离强度刚制造的车身和车门的覆盖件进行轻量化设计结果与 对比车辆相比，质量降低了3 3 。以汽车的悬挂件为对象进行轻量化研究作为 u l s a s 项目的主要目的，通过铸造件的锻造化、实一1 1 , 部件的钢管化等加工方法 的改变及部件结构的最佳化实现了高强度与高耐久性与对比车的钢制悬挂件 相比。在同等成本下可减轻2 0 0 旷3 0 ，与铝制悬挂件相比在同等重量下可削 减成本3 0 t “j 。 表1 - i 减重目标 c 纽午p n g v 级车 项目( 西欧)( 北美) 柴油汽油紫油汽油 9 9 89 5 51 0 7 71 0 3 4 整车重量慨 ( + 2 5 尸( + 2 5 ) 。 ( 十2 妒( + 2 5 1 。 1 1 4 71 4 7 0 参考车重量，k g ( f o c u s )( p n g v ) 一1 0 2 4 3 6 减重吣 ( + 2 5 ) ( + 2 5 ) 减重率脚1 6 7 2 96 为满足2 0 0 4 年新的碰撞标准而增加的总最 高强钢的其中一种钢板 即双相铜( d p 钢) 的制造和 加_ i = 技术在国外已经非常成 熟，在j 9 9 9 年】月正式成立 的超轻钢汽车研究后继项目 u l s a b - a v c ( u l t r al i g h t s t e e la u t ob o d y a d v a n c e d v e h i c l ec o n c e p t ，以下简称 a v c ) 计划中，双相钢在其两 种概念车车身材料中位居主 要地位，均达7 4 t ”l 。以北美 为例，在先进汽车概念车身的 研究方面，北美开发的 p n g v 4 ：l a s s 轿车，在其使用的钢材中又以双相钢为最多。据文献 3 2 报道当采 用0 7 m m 厚的d p s 0 0 钢代替o8 m m 的b t c a ：1 0 钢板生产车门外板时，通过c a e 分 武汉理 ：人学硕十学何论文 析及实际试验表明，在其质量减少1 2 5 的同时，抗凹陷性能提高约1 5 。随着 科技的不断进步，在d p 钢的基础上又开发出了一系列既具有高强度又有优良塑 性的高强钢，可以承受很大的变形而不断裂。如具有相变诱发塑性特性的t d p 钢，被世界各国汽车行业一致看好。如图1 3 所示，车身变形可以吸收碰撞的能 量，而钢材自身的迅速强化，又减少了车身的变形。 a v c 与上述三个项目的主要区别在于，上述三个项目仅仅研究汽车的一部 分，而a v c 则是对整车进行研究，充分利用高效钢材和最新技术，通过整车结 构的高效化、轻量化设计，达到动力的高效化，同时在安全方面达到更高要求1 3 3 1 。 a v c 项目将以上三个项目的研究成果进行了整合、优化，并在此基础上有所发 展。通过高效钢材的使用和制造技术的创新进行结构优化，从而减轻车体重量， 表1 1 为a v c 项目在满足2 0 0 4 年出台的更为严格的碰撞标准要求下实现的减重 目标t 3 4 1 。开展a v c 项目证明了钢铁工业只要通过技术创新就完全能够为汽车工 业生产安全、廉价和环境友好的汽车提供满意的材料，而且钢铁材料仍然是汽车 优先选择的材料。 表1 2 欧美采用镁合金制造的部分汽车零件 汽车厂家用镁合金制造的部分汽车零件 气缸盖、滤油器、空气滤清器壳、配电器、挡泥板支 架、烟灰盒门、转向盘柱、前久灯罩、前久灯托架、发 通用 动机罩格栅、进气格栅中心座、前大灯框架、配电器、 挡泥板支架、离合器壳、制动器 福特离合器踏板托架、转向柱定位机构、分动器壳 克莱斯勒变速器壳体 大众曲轴箱、变速器壳体、增压器壳、正时齿轮、离合器壳 沃尔沃节气门连杆、手制动连杆、车门外把手 奔驰座椅架 奥迪仪表板 保时捷风扇、风扇架、车轮 如表1 2 所示，在西方工业发达国家，开发与应用铝基、镁基的金属基复合 材料已达到产业化阶段。 铝的密度只有钢铁的1 3 ，它具有良好的机械性能，机械加工性能要比铁高 9 武汉理i ：人学硕十学位论文 出4 5 倍，具有抗腐蚀和导热性好的特点，而且其合金还具有强度高、方便回收 和吸能性好等优点【3 5 】。 铸造铝合金和形变铝合金在汽车工业中利用最多。但是，在运用铝合金方面 还存在着一些难题，例如，铝合金加工难度要比钢材高，成型性也没有钢材好； 铝合金因铝的导热性好导致焊接难度高；也不能像钢板那样采用磁力搬运等【3 6 1 。 关键问题还是成本，目前铝价还比较高，在运用铝合金时，还应重视成本控制。 镁合金与铝合金性能相似，镁和铝的密度之比为1 8 ：3 ，可见镁的密度要更 低，镁是当前最理想、重量最轻的金属结构材料，因而成为汽车轻量化的首选材 料，但它铸造比较困难，后处理工艺繁琐，成本非常昂贵旧。我国的镁资源丰富， 储存量居全球范围首位。但是，国内使用量很少，尤其汽车行业使用量稀少，因 此作为汽车轻量化的新型材料镁的运用前景会非常广阔。 塑料和复合材料与相同结构性能的钢材相比一般可以减轻部件3 5 左右的 重量【3 8 】。低密度与超低密度片状成型复合材料在重量减轻与强度方面达到甚至超 过了铝，而且材料成本往往更是低廉，所以这种复合材料发展潜力非常大。 复合材料又叫作纤维增强塑料，由增强纤维和塑料复合而成，作为汽车材料 常用到的是玻璃纤维和热固性树脂的复合材料。复合材料密度小、设计灵活和美 观、容易设计成整体结构，而且还具有抗腐蚀、隔热和隔电、抗冲击、抗振等优 点【3 9 1 。目前，欧美车系应用玻璃钢复合材料就比较广泛。 继金属、塑料之后发展起来的第三大类材料就是精细陶瓷。虽然发展史仅仅 2 0 年左右，但具有非常优良的力学性能，如强度和硬度非常高，抗腐蚀性好， 抗磨损性强等；精细陶瓷的化学性能也极为优良，如抗热冲击性强，抗氧化、蠕 变等。精细陶瓷作为新型轻量化材料被用于汽车零件，轻量化效果明显，更由于 它强大的抗热性、抗腐蚀性和抗磨性，汽车发动机燃烧室以及热交换器等零件可 采用这种材料，提高了功率，很大程度降低了油耗，从节能角度看则间接地起到 轻量化效果【柏】。目前，应用在汽车上的实例少有听闻，但随着应用研究的不断发 展以后会得到广泛运用。 1 3 3 新型加工技术应用 汽车轻量化促使汽车制造业在成形方法和联接技术上不断创新。专用焊接技 术、专用机械紧固元件等新型制造加工技术已经得到广泛应用。 早在1 9 8 5 年奥迪汽车公司就将激光焊接用于轿车底板。德国某公司采用c 0 2 激光焊接ll m 的焊缝，使其焊接处强度提高5 0 1 4 1 1 。与传统的电阻焊接相比， 采用激光焊接和切割使部件结构受力更合理，提高结构刚度和安全性，可以最合 理的使用不同级别、厚度和性能的钢板，减少零件和模具数量，从而减少了材料 1 0 武汉理l ：人学硕十学位论文 浪费，降低制造成本，并且使结构更轻。激光焊接技术已经成为工程车辆制造生 产中的最主要焊接方法之一。德国为了丌发激光在汽车行业的应用，组织了“结 构轻型化 、“激光感应焊接技术”、“激光和m i g 混合焊接技术 、“激光拼焊板 等一系列科研项目【4 2 】。 在不断开发新型制造材料的同时，世界各地的汽车生产企业也在发展先进的 制造工艺。国外某些汽车厂家采用t a i l o r e db l a n k ( 泰勒法) 工艺制造车身零件， 用这种工艺冲压的车门，各处厚度可以不相等。 1 4 汽车轻量化发展面临的问题 汽车轻量化的方法、技术、新型替代材料颇多，各有各的特点，那么使用现 有技术和材料，汽车到底能做到多轻呢? 由美国通用汽车公司设计的一辆完全手 工制造出来的超轻型概念汽车质量只有1 4 0 k g ，它的质量只是美国家用汽车平均 质量的1 2 ，耗油量也仅仅只是美国家用汽车平均耗油量的2 5 【4 3 1 。该超轻型 概念汽车的研制使用了多项降低重量和提高燃油效率的技术。 不过它作为一辆概念车，现实意义不够大，它的数据也只具有某种指导意义， 因此汽车轻量化前景没有想象中那么乐观。若把眼光拉近到现实中，可以看到， 汽车轻量化虽然已成为未来潮流，但目前要在全行业广泛应用轻量化技术还为时 尚早，技术还不完善、成本高是主要原因。 下面以取得巨大轻量化成果的奥迪a 8 车 型为例，使用a s f 技术的全铝车身减重 2 0 0 k g ，以每减重1 0 0 k g 油耗减少 0 6 l 10 0 k m 来计算，一辆a 8 车在其行驶寿 命1 0 万公里期间可省油1 2 0 0 l ，但是相比 下来，全铝车身价格不菲，消费者仍然是 得不偿失【删。虽然对整个社会来说，轻量 彳 成 本 成本 材料成本 制造成本 设计成本 一轻量化程度重量 图l _ 4 轻量化程度与成本关系图 化将为能源、环境带来巨大的好处，但是具体到每一个消费者，他们却不得不在 购车时为自己的钱包作打算，需要认真衡量一下轻质汽车的额外高价与省下的油 钱相比哪一项更多。 汽车轻量化必须以昂贵的设计与制造成本为代价。图l - 4 所示反映了汽车轻 量化与设计成本、制造成本以及材料成本之间关系【4 5 1 。生产企业在考虑重量与成 本时二者需要兼顾，图中的阴影区域即为汽车轻量化的最优范围。 汽车轻量化目标的实现不能只依靠汽车工业、汽车厂商自身的开发研究，同 时还需要上下游产业的协作努力，如上游的材料、合金、专业分析模拟软件等技 术，下游的回收、再生技术等，只有这些技术的不断进步与提高，轻量化的目标 武汉理l ：人学硕十学位论文 才能够很快实现m 】。例如，前面有提到采用高强度钢材料既可以满足安全标准又 可以减轻车重，但是以h s l a 为代表的传统高强度低合盒钢因为其屈服强度比一 般都大于0 9 ，难以满足汽车制造过程对成型性的要求【47 1 。钢铁工业需要努力研 制新型的高强度钢( a h s s - - a d v a n c c dh i g hs t r e n g t hs t e e l ) ，以解决高强度与成 型性的矛盾。 虽然面临重重障碍，汽车研发领域的人们仍然没有放弃努力，专业软件的开 发成效越来越好，新型材料技术、新生产技术和新设计方法不断提高，铝、镁、 复合材料和精细陶瓷等新型材料在汽车制造企业中的使用率在逐渐加大。虽然在 目前看来汽车工业近年来不会在减重方向出现历史性进步，但是由于不懈努力， 人们实际上正在逐步靠近制造出轻质量、低价格的新一代汽车的目标。 1 5 课题来源与研究内容 课题来源于我国某专用车生产企业委托的实际科研项目。其研究目的为：在 不降低承载能力的前提下，对企业所提供的典型重型自卸车进行结构改进