（车辆工程专业论文）重型载货车底盘主要总成的有限元分析研究.pdf

重型载货车底盘主要总成的有限元分析研究 摘要 随着我国经济全球化进程的不断加快，我国对国际能源及原材料市场的依赖程度 在不断加深。国际原油及工业原材料价格的不断攀升，对我国的经济发展造成 了极大的负担。汽车作为能源消耗大户，其节能与否已直接影响到我国整体的能源消 耗水平，国家对此高度重视。由于汽车轻量化对节能增效的巨大意义，国际各大汽车 生产商都在尽可能的情况下减轻车身质量，汽车的轻量化设计技术已经成为目前汽车 研究领域的研究热点之一。 车架作为汽车的承载基体，安装着发动机、传动系、转向系、悬架、驾驶室、货 厢等有关部件和总成，承受着传递给它的各种力和力矩。车架工作状态比较复杂，无 法用简单的数学方法对其进行准确的分析计算，而采用有限元方法可以对车架的静动 态特性进行较为准确的分析，从而使车架设计从经验设计进入到科学设计阶段。 本研究结合工程实例，在介绍了有限元法基本思想、理论和方法后，对车架、车 桥、钢板弹簧悬架进行建模，并对其进行静态刚度和强度分析，了解车架在多种工况 下的应力、位移分布情况。结合整车的动静态测试试验结果，将有限元模型与实际结 构进行了对比分析，并进行了模型修正，提高模型的准确度。 利用修正后的模型对车架进行模态分析，提取出其前十阶非零模态频率和振型， 并对车架的动态性能进行评价。通过对车架进行初步拓扑优化，以了解车架的大致传 力路线，得到车架的局部结构的布置情况，为车架的轻量化设计进一步提供依据。所 有分析结果显示车架的刚度和强度有很大裕量，具有轻量化空间。最后通过类比的方 式，在不改变车架的生产工艺的基础上，提出了两种改进方案，并对改进后模型进行 强度校核，保证车架满足设计要求，实现了车架的重量减轻的目的。 通过本文的研究，较好的解决了该重型载货汽车车架偏重的问题，取得了良好的 经济效益和社会效益，另一方面为企业储备了宝贵的重型载货汽车车架数值模型和相 关技术数据。同时，本文运用了有限元方法，进行了有益的尝试，具有较强的学术和 实用意义。 关键词：车架轻量化h y p e r m e s h 静态分析模态分析 r e s e a r c ho nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fh e a v y - d u t y t r u c kp a r tc h a s s i sa s s e m b l y a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ea c c e l e r a t i n gp r o c e s so fe c o n o m i cg l o b a l i z a t i o n ，0 1 1 1 r e l i a n c eo n i n t e m a t i o n a le n e r g ya n dr a wm a t e r i a lm a r k e td e e p e n sc o n t i n u a l l y , t h ec o n s t a n ts o a r i n go f p r i c eo ni n t e r n a t i o n a lc r u d eo i la n di n d u s t r i a lr a wm a t e r i a l ，w h i c hr e s u l t si ng r e a tb u r d e nt o o u rc o u n t r y se c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，c a r , a saf u e lc o n s u m p t i o nv e h i c l e ，w h e t h e ri t ss a v e o rn o th a sd i r e c t l ya f f e c t e dt h ew h o l ee n e r g y - c o n s u m p t i o nl e v e l ，o u rc o u n t r ya t t a c h e sg r e a t i m p o r t a n c et oi t b e c a u s eo fi t sg r e a ts i g n i f i c a n c e ，c a rm a n u f a c t u r e r sa l lo v e rt h ew o r l dt r y t h e i rb e s tt ol i g h t e nt h ew e i g h to fc a r , t h et e c h n i q u eo fl i g h t - w e i g h td e s i g nh a sb e c a m eah o t t o p i ci nt h er e s e a r c hf i e l d t h ef r a m e ，a sam o s ti m p o r t a n tp a r to fc a r r i e rc a r , s u p p o r t ss o m ea c c e s s o r i e ss u c ha s e n g i n e ，d r i v el i n e ，r u n n i n gg e a r , b o d y , a n dw i t h s t a n d sa l lk i n d so ff o r c e i na d d i t i o n ，t h e w o r kc o n d i t i o no fc a r r i e rc a ri se x t r e m e l yb a d ，a n ds t r e s sc o n d i t i o ni sa l s oc o m p l e x ，i ti s u n a b l et ou s es i m p l em a t h e m a t i c a lm e t h o df o ra c c u r a t ea n a l y s i so ft h ec a l c u l a t i o n ，a n dt h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o dc a nb eu s e dt oa n a l y s et h es t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h e f r a m em o r ea c c u r a t e l y , s ot h a tt h ed e s i g no ff r a m ew i l lg of r o mt h ee x p e r i e n c ed e s i g ni n t o t h es c i e n t i f i cd e s i g ns t a g e i nt h i sp a p e r , w i t he n g i n e e r i n gs t u d yp r a c t i c e ，i n t r o d u c e st h eb a s i ci d e a ，t h et h e o r ya n d m e t h o do ft h ef e m ，t h e ns e t su pt h em o d a lo ff r a m e ，a x l e ，l e a fs p r i n ga n da n a l y s e st h e i r s t a t i cs t i f f n e s sa n ds t r e n g t h ，b yt h e s ew o r k ，k n o w st h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o n u n d e rm a n yw o r k i n gc o n d i t i o n s c o m b i n a t i o nt h et e s tr e s u l t so fs t a t i ca n dd y n a m i ct e s t i n g o fv e h i c l e ，c o m p a r e st h ef e mm o d a lt ot h ea c t u a ls t r u c t u r ea n da m e n d st h em o d a lt oe n s u r e i t sa c c u r a c y u s i n go ft h er e v i s e dm o d e lo ft h ef r a m et oc a r r yo u tm o d a la n a l y s i s ，e x t r a c t so f i t st o p t e nn o n - - z e r o - - o r d e rm o d ef r e q u e n c ya n dv i b r a t i o nm o d ea n de v a l u a t e st h ed y n a m i c p e r f o r m a n c eo ft h ef r a m e b yap r e l i m i n a r yt o p o l o g yo p t i m i z a t i o ni no r d e rt ok n o wt h e a p p r o x i m a t ef r a m et r a n s m i s s i o nr o u t e ，t h el o c a ls t r u c t u r eo ft h ef r a m ea r r a n g e m e n to f t h e s i t u a t i o n ，p r o v i d i n gt h ef u r t h e rb a s i sf o rl i g h t w e i g h td e s i g n a l lt h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s t i f f n e s sa n ds t r e n g t ho ft h ef r a m ei sl a r g em a r g i n ，s ot h e r ei ss p a c ef o rt h el i g h t w e i g h t d e s i g n f i n a l l y , b ya n a l o g y , i nt h ef r a m ed o e sn o tc h a n g et h ep r o d u c t i o np r o c e s s ，p r o p o s e s t w oi m p r o v e dp r o g r a m ，a n dc h e c k st h es t r e n g t ho ft h ei m p r o v e dm o d a lt oe n s u r et h ef r a m e m e e tt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，g e t st h eg o a lo fr e d u c i n gt h ew e i g h to ft h ef r a m e t h er e s e a r c ho ft h ep a p e rn o to n l yr e s o l v e dt h eo v e r w e i g h tp r o b l e mo ft h e 丘锄e ， g a i n e de c o n o m i cb e n e f i t sa n ds o c i a lb e n e f i t si nac e r t a i ne x t e n t ，b u ta l s or e s e r v e sa v a l u a b l en u m e r i c a lm o d e la n dr e l e v a n tt e c h n i c a ld a t af o rt h ef a c t o r y m e a n w h i l e ，t h ep a p e r u s e sf e ms u c c e s s f u l l y s u c ha na t t e m p ti sv a l u a b l eb o t hi na c a d e m i cr e s e a r c ha n di n p r a c t i c a lt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：f r a m e ，l i g h t w e i g h t ，h y p e r m e s h ，s t i f f n e s sa n a l y s i s ，m o d a la n a l y s i s 插图清单 图2 1 平板型矩形壳单元示意图7 图2 2 梁单元示意图9 图2 3 实体单元几何示意图1 1 图2 4h y p e r m s e h 操作窗口界面一1 3 图3 1 车架有限元模型的建立和分析过程1 8 图3 2h y p e r w o r k s 有限元建模流程“2 0 图3 3 对实体零件抽取中面2 1 图3 4 简化几何模型2 l 图3 5 几何拓扑关系几种典型的处理方法一2 2 图3 - 62 d 网格自动划分2 2 图3 72 d 单元质量检查面板”2 3 图3 8 车架的有限元模型2 4 图3 - 9 钢板弹簧简化示意图2 5 图3 。1 0 板簧的理想化模型2 6 图3 1 1 主副车架纵梁截面图”2 7 图3 12 约束和加载后的有限元模型2 8 图3 1 3 前桥有限元模型2 8 图3 1 4 后桥有限元模型2 9 图3 1 5 钢板弹簧有限元模型图3 0 图4 1 模型验证的对比分析模型3 l 图4 2 各测点试验数值与计算数值对比曲线3 2 图4 3 水平弯曲工况下位移云图3 6 图4 4 水平弯曲工况下应力云图3 6 图4 5 水平弯曲工况下的应力云图”3 7 图4 6 水平弯曲工况下的位移云图3 7 图4 7 极限扭转工况下的车架应力分布云图3 8 图4 8 扭转工况下应力集中区域应力分布云图3 8 图4 9 过沟工况下车架的位移云图3 9 图4 1 0 过沟工况下第二前桥处车架应力云图3 9 图4 一1 1 过沟工况下后板簧约束处车架应力云图4 0 图4 。1 2 后桥实际约束和加载情况4 1 图4 1 3 前桥实际约束和加载情况4 1 图4 1 4 后桥静态弯曲工况下变形云图”4 2 图4 1 5 后桥弯曲工况下应力云图4 2 图4 1 6 弯曲工况下前桥变形分布云图4 3 图4 1 7 弯曲工况下前桥应力分布云图4 3 图4 1 8 钢板弹簧满载状态下节点位移图4 4 图4 1 9 钢板弹簧满载时的等效应力云图”4 4 图5 1 第一阶振型( 一阶扭转) ”5 0 图5 2 第二阶振型( 一阶侧向弯曲) - 5 0 图5 3 第三阶振型( 一阶弯曲) 5 0 图5 4 第四阶振型( 二阶侧向弯曲) 5 1 图5 5 第五阶振型( 一阶弯扭组合) 5 1 图5 - 6 第六阶振型( 三阶侧向弯曲) 5 l 图5 7 第七阶振型( 局部振型) 5 2 图5 8 第八阶振型( 二阶弯曲+ 前部局部振型) 5 2 图5 - 9 第九阶振型( 四阶侧向弯曲) 5 2 图5 1 0 第十阶振型( 二阶弯扭组合) 5 3 图5 1 1 激励传递示意图5 3 图6 1 微结构单胞示意图5 6 图6 2 车架拓扑优化前的基结构5 7 图6 3 静态弯曲工况下车架的拓扑结构5 8 图6 4 静态扭转工况下车架的拓扑结构5 8 图6 5 改进后的车架应力云图6 0 图6 6 改进后的车架位移云图”6 0 图6 7 改进后车架位移云图6 1 图6 8 改进后车架应力云图6 l 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表4 一l 表5 1 表5 - 2 表6 一l 插表清单 单元划分检查准则2 3 车架材料属性2 4 整车载荷分布情况2 6 前刚板弹簧规格2 9 各个测点的计算应力与实测应力对照表3 3 模态提取方法对比4 9 车架主要频率和振型4 9 轻量化方案详细描述5 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行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志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得金目曼工些态堂或其他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任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 靴敝储婵：渺乃料醐7 年川阳 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金照王些友堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金目曼王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者繇f 降臼勿 签字日期： 。7 年甲月修日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 名：弓叔昶一 期：呷年年舭日 电话： 邮编： 致谢 岁月如梭! 转眼之间研究生生活即将过去，回顾过去，有太多的感恩。 首先感谢我尊敬的导师张代胜教授，感谢张老师在研究生学习期间对生活上、学 习上无微不至的关怀，是张老师深厚的学术功底、严谨的治学态度指导我完成研究生 学习，他的高尚的人格品质和豁达宽广的胸襟使我受益终生，是我一生学习的榜样。 感谢陈朝阳教授、谭继锦副教授、尹安东副教授在学习上给予的指导和帮助，感 谢徐建中老师、王荣贵老师、杨伟华老师、温千虹老师在项目完成期间给予的指导和 帮助。在研究生阶段的学习中，从各位老师学习到的丰富的理论知识和扎实的实践能 力将是我今后工作中的宝贵财富，各位老师锲而不舍的钻研精神和对人生对事业真诚 和严谨的态度，将是我人生道路上的指路明灯。 感谢我的亲人和朋友，特别是我的父母，是他们不仅给予我物质上的支持，更多 的给我精神上的鼓励，使我能顺利完成研究生的学习，在我迷茫的时候是他们给我支 持和抚慰，在我收获成绩的时候是他们与我一起分享喜悦，鼓励我不断进步。 最后感谢我的同学路瑞刚、李波、芦伟、程小虎、王毅、刘闪闪、毛新星、李超、 张丰利、黄明、鲁爽、尹晓红、熊丹、李强、陆昌年、朱轶、刘丹、邓超、刘钊、卢 利平、柏林、朱清君等，是他们陪伴我度过美好的研究生生活，感谢他们在几年里给 予我的关心和帮助。 把最真的感谢送给所有关心我、爱护我的人! 作者：怀自力 2 0 0 9 年3 月 1 1 选题背景 第一章绪论 论文选题以某企业重型载货汽车轻量化研究的横向项目为依托，该厂生产 的重型载货汽车，与竞争厂家的相同或相近车型相比，有汽车自身质量过大的 问题，并且在工作时出现过车架局部断裂情况，厂家为了解决这些问题，迫切 需要对整车结构的强度和刚度进行全面分析，了解现有汽车的承载能力，同时 通过对车架及底盘部分总成进行结构改进，以实现汽车质量轻量化。 随着计算机技术的不断发展，有限元技术成熟利用于汽车各个总成的设计 与开发当中，这样不仅大大提高了汽车的设计水平，而且缩短了汽车产品的开 发周期，从而降低了汽车开发成本在汽车生命周期所占的比例，成为汽车设计 发展的必然趋势。通过该项目的开发研究，将有限元分析的理论运用到实际汽 车结构设计中去，实现理论与实践的结合。 1 2 选题的目的与意义 随着经济全球化进程的不断发展，国际社会对能源的争夺在不断加剧。我 国作为一个发展中国家，正处于对原材料和能源大量消耗的发展阶段，总体来 说自然资源储备丰富，但由于人口众多，人均水平远远低于世界平均水平，由 自身国情的制约，我国对海外能源及原材料市场的依赖程度在不断加深。汽车 业的能源消耗量在能源总体使用构成中占主要位置，如何减少在汽车制造和使 用过程中对能源的消耗具有重大意义l j j 。 汽车制造业作为我国高速发展产业，其对比如电子、化工、材料等相关行 业的影响在不断加强，其发展的程度已经成为一个国家综合国力的衡量标准之 一，然而无论是汽车生产过程还是使用过程都将消耗大量的原材料和能源，并 产生大量污染物。目前，世界上各种汽车的保有量超过6 亿辆，每年新生产的 各种汽车约3 5 0 0 万辆，汽车每年的石油消耗量约占世界每年石油产量的一半以 上。随着我国城市建设速度的加快，国家对基础设施投入的加强，使得作为重 要运输工具的重型载货车，在我国的保有数量呈逐年上升趋势。截至0 8 年6 月底，我国机动车保有量超过了1 亿6 千5 百万辆，其中重型载货车保有量超 过了1 1 0 0 万辆。重型载货汽车的发动机的主要靠燃烧矿物燃料来提供必动力。 当前，经济的快速发展使得人类对矿物燃料的依赖度逐渐增大，而矿物燃料作 为非可再生能源，其数量却在逐年减少，在开发新能源汽车的同时，如何减少 现有汽车的燃油消耗也是十分必要的。面对全球环境不断恶化的严峻形势，世 界各国都不断加强汽车的环境法规标准，如何减少汽车污染物的排放，不仅涉 及维护地球环境，还涉及到汽车市场的开拓。面对燃料的逐年减少和汽车排放 严重破坏地球环境的现实威胁，努力减轻汽车重量、节约燃耗、减少排放污染 物已成为汽车技术进步研究的重要课题p j 。 节能和环保是当今社会发展的主题，坚持科学发展观，选择可持续发展方 向，成为我国发展的基本国策。而汽车轻量化是实现汽车节能环保的有效手段 之，减轻汽车质量首先可减少汽车制造时钢材的消耗，降低厂家的生产成本， 其次汽车质量的减少，能有效提高汽车燃油经济性，减少汽车尾气的排放，据 有关文献显示，汽车的自身质量每降低1 0 ，燃油的消耗可降低6 8 3 1 。总之， 汽车轻量化研究具有良好的经济效益和社会效益，有很好的发展前景，已成为 汽车研究领域的热点之一。 随着汽车设计计算机辅助工程的发展，有限元法在车身结构分析中得到了 广泛的应用。汽车结构的轻量化对汽车节能和环保都具有重要的意义。据统计， 车身质量约占整车自身质量的4 0 - 6 0 4 1 ，因此，车身轻量化在整车轻量化中 占重要地位。减轻汽车车身的质量一方面节约了原材料，降低了生产成本；另 一方面能有效提高整车的动力性、经济性，降低燃油消耗，减少污染排放，有 利于环保，车架轻量化具有很好的经济效益和社会效益。 1 3 车架有限元技术的发展现状及趋势 车架作为载货汽车的主要承载结构，其刚度和强度性能及动态性能直接关 系到载货汽车的载货性能，车架是各个底盘总成的集合载体，总成之间的合理 布置关系到整车的动力性、安全性、舒适性、操作性等性能。因此，各个汽车 公司很早就开始了对汽车车架的研究，目前国外的发展明显高于国内发展。 1 3 1 国外发展现状 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法，并能够较好 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完善，产品性 能越来越高。随着计算机软、硬件水平的发展，出现了大量的有限元软件系统， 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 ) ，计算机辅助工程 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 ) 以及计算机虚拟 现实系统( v r ) 等一大批大型工程通用软件。女【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、碰撞的模拟与仿真试验等成为可能。国外己能够用有 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 5 - 1 1 j ，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、分析方法与试验程序。 目前国外新车型的开发周期已经缩短到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 1 2 - 1 s j ， 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、 2 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。国外车架设计方法的主要特点是： ( 1 ) 设计与分析并行。从早期以满足一定性能要求为目标的机构选型、结构 设计，到具体设计方案的比较及确定，车架结构设计的各个阶段均与结构分析 相结合，这样确定的结构设计方案基本为定型方案，由此类方案设计出的样车 只需一定验证使用即可定型，大大缩短了车架开发的周期。 ( 2 ) 结构优化的思想贯穿整个设计过程。轻量化要求和舒适性安全性要求的 不断提高，使车架结构设计的难度不断加大，为了满足这些要求，必须在设计 的开始阶段就引入优化设计的思想，并将其贯穿整个设计阶段 1 9 - 2 2 j 。比如从最 初的概念设计阶段考虑结构用拓扑优化得到车架的拓扑结构，为形成基础结构 提供依据，在基础结构上采用一系列的优化设计方法，比如形状优化、形貌优 化、尺寸优化等来得到最终设计结构。 ( 3 ) 采用虚拟试验代替实物试验。虚拟试验不仅可以在没有实物的条件下进 行，而且实施迅速、信息量大 2 3 - 2 4 j ，一方面可以在多个设计方案中选择最优， 减少设计的盲目性。另一方面可以及早在设计中发现问题，减少设计成本，缩 短设计周期。 1 3 2 国内发展现状 国内起步较晚，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 2 5 - 2 6 j 。 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。 1 4 论文主要研究内容 根据项目的具体要求，结合国内外对车架研究的现状与条件，本课题开展 了以下内容： ( 1 ) 通过整体分析，对整车车架及底盘主要总成( 主要是车桥) 的质量分布 进行初步了解，与市场上的竞争车型进行对比分析，为后续的轻量化提供理论 基础。 ( 2 ) 研究车架及其底盘总成有限元模型建立的方法，结合厂方提供的车架及 其底盘部分总成的三维u g 模型，建立有限元分析模型，为今后的研究积累经验。 ( 3 ) 利用建立的有限元模型，根据该重型载货车的承载特点和行驶工况，对 车架进行有限元静态分析，主要是满载弯曲工况、满载扭转工况、过沟工况等。 ( 4 ) 对整车进行静动态电测试验，进一步了解车架及底盘主要总成的应力分 布情况，为整车设计提供实际依据，同时验证有限元模型的合理性，并对模型 进行必要的修正。 ( 5 ) 对车架进行模态分析，提取车架的前1 0 阶固有频率和振型，了解车架 的振动性能。 ( 6 ) 结合车架的静动态分析，对车架进行优化设计，主要是拓扑优化，为车 架的轻量化提供进一步的依据。 ( 7 ) 通过上述分析，提出车架轻量化方案，并对改进后车型进行分析，与改 进前进行对比，保证车架的设计满足刚度和强度要求以及动态要求。 1 5 本章小结 本章从课题的选题背景、选题的目的与意义、车架有限元技术的发展现状 及趋势等方面全面说明了研究领域的工程实践意义和发展前景，最后并简要介 绍了本文的研究内容，对论文的研究内容进行整体概括。 4 2 1 前言 第二章有限元方法基本理论及软件介绍 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，简称f e m ) ，也称有限单元法，这一概 念首先出现于1 9 4 3 年柯朗( c o u r a n t ) 和1 9 5 6 年特纳( t u r n e r ) 等人的论文中。在2 0 世纪5 0 年代，建立了平面问题的有限单元法，并用于航空结构的分析。1 9 6 0 年 克劳夫( c 1 0 u g h ) 提出了有限单元法的名称。2 0 世纪6 0 年代起，有限单元法广泛 地用于各种力学问题和非线性问题，成为分析大型、复杂工程结构的强有力手 段刚。 有限元的应用最初开始于航空领域，美国航天局于1 9 7 0 年将他们建立于一 般目标用途的有限元分析程序( f e a ) 共开发放使用，即后来众所周知的n a s t r a n 软件包，此外还有a n s y s ，s a p 等。这种设计过程中的分析方法迅速推广到汽车 行业，在1 9 7 4 年和1 9 7 7 年，美国汽车工程师协会就召开过两次“车辆结构力学 国际会议”，集中讨论了有限单元法在车辆设计中的应用问题，由有关公司编制 了车辆结构计算的各种通用程序，并出版了文集。我国汽车行业的有限元计算 工作起步于1 9 7 5 年，到7 0 年代末期已取得初步实效，随着计算机条件的改善和 国外大型商业软件的引进，汽车有限元计算技术有了很大进步，促进了汽车设 计水平的提高。近2 0 年来，有限元方法以它高的计算精度、广阔的解算能力、 简单的应用方法、低的设计成本1 12 1 ，成功地为各工程结构问题提供极为优秀的 成果而深受工程界的欢迎，目前已普遍用于噪声、振动、强度、碰撞分析方面， 是c a e 的重要组成部分，也是工程界公认为最有效的强度计算分析方法。 近3 0 多年来，有限元法的应用范围己从杆、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。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 2 8 】等机械设计中 都得到了广泛的应用。 有限元法的基本思想是 2 9j ：将求解区域离散为一组有限个、且按一定方式 相互连接在一起的单元的组合体，既是用一组离散化的单元组集来代替连续体 结构进行分析，将一个表示机构或连续体的求解域离散为若干个子域( 单元) ， 并通过它们边界上的结点相互结成为组合体，各个单元通过它们的角结点相互 联结。有限元法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 构及零部件进行变形计算和应力分析，而车架不论形状，还是载荷都很复杂， 所以有限元法是计算车架的一种有效而实用的工具。 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。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。 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 3 0 j ，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。 本论文计算车架为边梁式，由两根平行的纵梁和若干根横梁组成，该车架 的纵梁和横梁由一系列薄壁件组成，且形状复杂，在建模时采用板壳单元进行 模拟，在进行弹性原件一一钢板弹簧模拟时，采用了弹性梁单元和弹簧单元； 在对车桥进行建模时，采用的是实体单元。下面分别对这几种单元类型的有限 元理论进行研究。 2 2 有限元方法的基本理论 2 2 1 壳体单元理论一一s h e l l 6 3 单元特性 板壳单元模型是采用板壳单元进行离散，车架的纵、横梁及连接板是由一 系列薄壁件组成的结构，而且形状复杂，比较适合离散成板壳单元的组集，用 板壳单元的厚度描述零件的厚度。这种结构单元准确的描述了形状复杂的车架 结构，大大提高了有限元分析的精度，能够处理连接部位的应力问题；可以避 免梁单元模型的缺陷。但是这种结构的几何形状和变形现象都很复杂，控制方 程的求解相当困难，有限元法自然就成为壳体结构分析的有力工具。其基本的 理论假设是：薄壳发生微小变形时，忽略沿壳体厚度方向的挤压变形，且认为 直法线假设成立，即变形后中面法线保持为直线且仍为中面的法线，与薄板不 同的是，壳体变形时中面不但发生弯曲，而且也将产生面内伸缩变形。采用有 限元法分析壳体时，主要有三种类型：平板型壳单元、曲面型壳单元和退化型 壳单元。如图2 1 为平板型矩形壳单元示意图。 6 图2 1 平板型矩形壳单元示意图 ( 1 ) 局部坐标系 在局部坐标系下，与面内变形有关的情况，其单元的刚度方程可表示成： f p = k p a p ( 2 1 ) 其中，f ，为节点力向量，以p 为节点位移向量，k p 为单元刚度矩 阵。与弯曲变形有关的情况，其单元的刚度方程可写为： f 6 ：k 6 a 6( 2 - 2 ) 其中，f 6 为节点力向量，a 6 为节点位移向量，k 6 为单元刚度矩阵。根据 前述假定，平面应力状态下的节点力与弯曲应力状态下的节点位移互不影响， 因此很容易将两部分单元刚度方程和矩阵拼合起来得到矩形壳单元的刚度方程 如下： f 。= k 8 a 8( 2 - 3 ) 式中，k 。为以上两种情况的单元刚度矩阵拼合后的单元刚度矩阵。 ( 2 ) 整体坐标系 在列节点平衡方程时，需要将单元刚度方程变换到统一的整体坐标系下。 局部坐标与整体坐标之间的关系为： 阱 c o s ( x ，x ) c o s ( x ，) ，) c o s ( x ，z ) c o s ( y ，石) c o s ( y ，夕) c o s ( y ，z ) c o s ( z ，x )c o s ( z ，y )c o s ( z ，z ) 誊 其中，矽为局部坐标系x y zx 寸整体坐标系x 歹三的方向余弦矩阵。 显然，节点i 的位移分量在不同坐标系下有如下关系： 7 ( 2 - 4 ) = a ( 2 - 5 ) 搠= 醐； 不难看出，单元节点位移变换公式为 口。= 丁口。( 2 - 6 ) 其中，丁为变换矩阵。 同理有单元节点力变换公式 f e ：丁声( 2 7 ) 将式( 2 - 6 ) 和式( 2 - 7 ) 代入式( 2 3 ) ，可得整体坐标系下的单元刚度方 程 产：露a e ( 2 8 ) 其中，整体坐标系下单元刚度矩阵为 k 。：丁r k 8 t( 2 9 ) 2 2 2 空间梁理论一一b e a m l 8 8 单元特性 空间梁单元是有限元中的常用单元，梁单元的优点是：结构单元和节点数 目少，计算量小计算速度快；但是计算精度低，而且不能处理应力集中问题。 本文中车架板簧采用空间梁单元。该梁单元为b e a m l 8 8 ，每个节点有六个位 移分量如图2 - 2 所示，即沿三个单元坐标方向的线位移 、v 、w 和绕三个轴的 转角色、g 、见。可将任一节点f 的线位移分量用照) 表示，三个角位移分量用 移) 来表示，由于每个梁单元都含有两个节点，则单元i ，歹的节点位移向量为： 溉) 。= u ；v ；w ；&铭 u jv jw ju j 。v j ，w j ：r ( 2 一i 0 ) 其对应的节点力为： f ) 。= u iv iw it i m y i m z i u jv jw jt jm 巧mz j 】 ( 2 11 ) 一一一氏一一巳 蚝钆铊 单元刚度方程为： f ) 。= 【k 】ep ；) 。 其中单元刚度矩阵k r 见式( 2 1 3 ) 。 删 ， 幽 z 型l 户( 1 + 毋，j ! 墅 户( 1 + 谚) 旦 对称 q7 ( 4 + 谚嵫 产( 1 + 硅) d 1 + 礁) ，、 1 4 + 秀臃 硼可万 1 戤 7 网 缸f 硐 1 戤 3 0 + 谚z ) 觚 产o + 缱) g v ， 6 瓯 ，2 0 + 谚) ( 2 一缱心 l ( i + 缱) 尉 ， 叫 1 趔 百丽硐 ( 2 一吮邋 砸+ 彘) 匝f 2 ( 1 + 萌0 竺l 户( 1 + 谚) 旦 q7 ( 4 + 橱q( 4 + 嘲 ，2 0 + 嘘)d 1 + 谚) 图2 2 梁单元示意图 9 ( 2 1 2 ) ( 4 + 哆应l 可可j ( 2 一1 3 ) 热 嘭= 券丸= 誊 x 7 、y 、z 一为单元坐标系； ，、屯一对y 和z 轴方向的剪切影响系数； g 、e 一剪切模量和拉伸弹性模量； 彳，、彳：一截面在y 7 和z 方向的有效抗剪面积； z 。、j ，一截面对y 和z 轴的惯性矩； 以一截面对工7 轴的扭转惯性矩； j 一单元长度； 彳一梁单元横截面面积； 若记l - f 为整体坐标系下的单元刚度矩阵，则整体坐标系下单元的节点力向 量伊f 与位移向量仿f 之间的关系为： 仁广= 医r 侈广 式中 阱i t 7 业 。i t 而 p 】= 防 为单元坐标变换矩阵。 阢】0 0 阢】 00 00 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 2 2 3 实体单元理论一s o l i d 4 5 单元特性 实体单元是一种最能表达实际零件信息的单元。因为实体单元不但可以表 达零件的质量、惯性、材料等特性，而且实体单元可以从空间的角度来真实地 逼近实体几何形状，尤其是基于几何的有限元模型，几乎能反映全部的几何变 化。其缺点是对计算机硬件要求较高。 实体单元种类很多，这里介绍s o l i d 4 5 。s o l i d 4 5 可用于实体结构的3 d 建模， 单元有8 个结点，每个结点有6 个自由度，即沿x ，y ，z 的平动自由度和沿x ，y ，z 轴的转动自由度。s o l i d 4 5 的几何描述、节点位置、坐标系等参见图2 - 4 。该单 元由8 4 结点组成，有各向异性或者正交各向异性材料特性。通过节点