客车车架结构的优化设计开题报告.doc

客车车架结构的优化设计1、选题目的：车架是汽车各总成的安装基体，它将发动机、地盘和车身等总成连成一个有机的整体，即将各总成组成为一辆完整的汽车。同时，车架还承受各种静载荷和动载荷。作为汽车重要组成部分的车架则是汽车的“骨骼”，是汽车所有总成零部件“生存”的载体。车架受力复杂，通过行走系和车身的力都作用于车架上，车架结构的好坏及载荷分配是否合理是汽车设计成功与否的关键之一。设计合理的车架结构对汽车有着十分重要的意义。特别对客车底盘，在设计过程中不但要考虑各总成零部件的合理布置以及其方便维修性、可靠性和工艺性，还要充分考虑最大限度地满足车身对底盘的特殊要求，如纵梁的结构、横梁和外支架（牛腿）的位置及连接方式、行李箱大小、地板高度和通道宽度、驾驶区及座椅布置、车门数量和位置等。对同样型号的客车底盘，不同的用户对车架的要求不尽相同，甚至有较大的差异。2、研究意义：现代汽车绝大多数都具有作为整车骨架的车架，其功用是支撑链接汽车的各零件部件，并承载来自车内外的各种载荷。车价是整个汽车的基础，汽车绝大多数不见和总成都是通过车架来固定其未知的。车架的结构形式首先应满足汽车总体布置要求。当汽车在复杂的行驶过程中，固定在车架上各总成和部件之间不应该发生干涉，当汽车在崎岖不平的道路上行驶时，车架在载荷作用下可能产生扭转变形及在纵向平面内的弯曲变形，当一边车轮遇到障碍时，还可能使整个车架变成菱形。因此，车架还应具有足够的强度和适当的刚度，同时还要求其质量尽可能的小，车架应布置的离地面近些等。因而，如何判断车架结构的合理性及静动态特性的优劣，并对车架结构设计进行优化，是一项十分重要的工作。客车车架的结构复杂，用经典力学方法不可能得到精确解。特别是在设计的初期，因无法实测数据，只能依靠经验和类比设计，因而缺乏建立在力学分析基础上的科学依据。客车车架的设计与制造是开发新车型最重要的组成部分。由于受各种条件的限制，目前我国基本上还在沿用传统的手工计算方法和连接时的设计与制造过程。在汽车结构设计中，设计人员的重要任务之一是确定零部件的强度和刚度，保证零部件能够达到一定的使用时间。由于客车是复杂的空间结构，车架又是客车种结构和受力情况都比较复杂的部件，而且不少厂家进凭经验或进行类比设计，往往导致结构强度过剩或强度不足。强度过剩，带来结构的粗笨和材料的浪费吗；强度不足又会引发早期失效，甚至酿成事故。一个合理的设计应该是使其在不正常的恶劣运行条件下偶尔出现故障，在长长条件下不发生严重实效。客车车架分析的目的在于提高其承载能力和抗变形能力、减轻其自身重量并节省材料。另外，就整车而言，当车架的重量降低之后自然会改善整车的动力性和经济性等性能，因此探讨车架的分析方法是很有实际意义的。通过有限元和三维软件的结合使用，对车辆车架结构的优化设计，使其结构更合理，提升车架自身的安全系数，从而提升车辆整体的安全系数和使用性能。1、研究现状：随着国际社会逐渐提高了撞击事故安全防护标准，凸显出车架安全性与合理性的重要。由于汽车车架结构优化设计对节能与汽车性能的巨大意义，国际各大汽车生产商都在尽可能的情况下对车身和车架进行优化设计。车架有边梁式、钢管式等形式，其中边梁式是采用最广泛的一种车架。边梁式车架由两根长纵梁及若干根短横梁铆接或焊接成形，纵梁主要承负弯曲载荷，一般采用具有较大抗弯强度的槽形钢梁。也有采用钢管，但多用于轻型车架上。一般纵梁中部受力最大，因此设计者一般将纵粱中部的截面高度加大，两端的截面高度逐渐减少，这样一来可使应力分布均匀，同时也减轻了重量。横梁有槽形、管形或口形，以保证车架的扭转刚度和抗弯强度。横梁还用以安装发动机、变速器、车身和燃油箱等。为适应不同的车型，横梁布置有多种型式，如为了提高车架的扭转刚度采用X型布置的横梁。边梁式结构简单，工艺要求低，制造容易，使用广泛。但由于粗壮的大梁纵贯全车，影响整车布置和空间利用率，大梁的横截面高度使车厢离地距离加大，乘客上下车不方便，另外重量也大，整车行驶经济性变差。2、发展趋势：汽车车架结构的优化设计技术已经成为目前汽车研究领域的研究热点之一。如何设计出满足使用要求的车架成了一项具有挑战性的工作。有限元法已经成为现代汽车设计的重要工具之一，与传统的设计方法相比，它的优势在于提高汽车产品的质量、降低产品开发与生产制造成本，提高汽车产品在市场上的竞争力。为了促进车架设计水平的提高，保证整车在市场上的竞争能力，必须将车架有限元分析技术提高到战略的高度上来。现代汽车向清洁、节能、安全和智能方向发展，夹在质量和成本间的汽车设计数据空间越来越少。这就提出了精益设计等一系列课题，主要表现是：1、电子和电器产品比重不断加大。新的电磁产品（如电喷、ABS、安全气囊开启等控制系统核心都是电磁产品）。汽车机电一体化速度加快。汽车电子产品工作条件恶劣，同时对产品性能和可靠性的要求又极为严格，产品一旦失效，将造成对安全的威胁，所以汽车的电磁分析及电磁兼容性（EMC）研究一提到了议事日程。EMC研究设计点-磁-热-流体-压电-结构的多学科交叉分析。在设计中，采用场-路结合的方法模拟点击电磁场分析，取得不见磁场分析。例如：气息磁场、转子力矩、空载及负载的热性帮助产品设计。2、非线性进入实用化。世界事物的本质是非线性的，传统设计中常常简化为线性，是因为过去非线性分析往往无法实现。现在，精益设计呼唤非线性分析。3、系统分析成广泛应用。汽车结构是以复杂的系统，相关部件间的在和传递，一般无明确的规范，仅单零部件的工况明确。现在为汽车业提供的解决方案允许将分析对象扩大至总成系统、直至整车，从而绕过了零部件内部复杂的受力关系这一难题，似的分析结果更加符合实际。4、动力学分析和弹性体分析结合。传统上动力学分析对象只是刚体，应力分析的弹性体只能是被约束的。现在不需要对各机构部件钢化，可以再考虑结构弹性的同时分析器运动情况和工作时间的应力响应，可以大幅度提高分析精度。客车设计应趋势发展向着，轻量化，合理化等方向发展。作为汽车的机体的车架，使用寿命的长短决定了整个汽车寿命长短，而客用车辆的使用特殊性，要求车架更加结实可靠寿命长，结构简单和重量轻。因此，对于客车设计来说，车架设计是至关重要的。3、研究方法：本文利用ANSYS软件建立车架结构的实体单元模型，对汽车车架结构进行静应力和动应力分析，继而对车架进行结构优化设计的研究。首先，对ANSYS进行了简要的介绍，为车架结构进行有限元分析做好准备工作；其次，以某大型客车汽车车架结构为研究对象，利用ANSYS建立了车架结构有限元的实体单元模型，对车架建模过程进行了研究；再次，对车架结构的静、动态特性进行深入研究，对车架进行性能分析评价；最后，建立车架结构简单的梁单元优化模型，以车架纵梁截面尺寸作为设计变量，以车架总体积为设计目标，运用ANSYS优化模块对车架结构的轻量化设计进行初步的探讨。 4、应用领域：主要应用于各种客车、越野车。1、研究的基本内容，拟解决的主要问题 1）车架设计方法和步骤。2）确定车架布置方案和结构形式。3）确定车架的总体尺寸和结构参数，进行结构设计。4）利用UG绘制车架的三维模型，并用ANSYS软件进行分析，优化结构。2、研究步骤、方法及措施 1）查阅有关客车方面的资料，掌握客车车架设计方法和步骤；2）综合考虑ZK6708DH型车架的布置；3)初步给出车架的尺寸； 4)利用UG来设计，绘制车架，并用ANSYS软件分析，利用强度校核来最终确定车架各尺寸。1 付本国,管殿柱.UGNX6.0三维机械设计M.械工业出版社，2012.2 王新荣,陈永波.有限元法基础及ANSYS应用M.科学出版社，2008.3 刘涛.汽车设计M.北京大学出版社，2008 . 4 刘惟信.汽车设计M.清华大学出版社，2001.5（德）B.克莱恩.陈力禾.轻量化设计计算基础与构件结构M.机械工业出版社，2010.6 高卫民,王宏雁.汽车结构分析有限元法J.汽车研究与开发,2000.7 马迅,赵幼平.轻型客车车身结构刚度与模态的有限元分析J.机械设计与制造,2002.8 陈传颖. 汽车车架设计理论研究M.湖北科技出版社，2001.9 龚培康.有限单元法及其在汽车工程中的应用M.重庆大学出版,1993.10刘齐茂.汽车车架的结构优化设计J.机械设计与制造.2005.（4）：1-3.11赵韩，钱德猛.基于ANSYS的汽车结构轻量化设计J.农业机械学报，2005.36（6）：12-15.12 James A . An optimization capability for automotive structures . SAE790972.13FentonJ. Truck chassis designJ.Automotive Engineer. 1978.3(4):26-3