（机械制造及其自动化专业论文）k3型休闲车车架的静动态分析与优化设计.pdf

k 3 型休闲车车架的静动态分析j 优化设计 摘要 k 3 型旅游休闲车是某汽车有限公司自行设计的轻型车，该车型适用于旅游风 景区的浏览观光运输。由于样机在测试过程中出现行车架竖直弯曲变形过大，发 动机仓的支撑横梁断裂、车尾顶部外包梁支撑骨架脱焊等问题，影响了汽车的安 全行驶。 本文旨在将计算机辅助设计与计算机辅助分析引入汽车车架设计中，进一步 完善k 3 型旅游休闲车的设计，让车架的结构性能达到最优。文中首先介绍了k 3 型旅游休闲车的工作概况，然后利用计算机辅助设计技术建立汽车车架的三维数 字模型，用有限元分析法通过c a e 程序m s c p a t r a n n a s t r a n 对车架进行了 静力分析，得出关键部位的应力及应变，分析车架结构是否满足强度和刚度条件。 然后进行了车架的静态试验，验证了有限元静力分析的合理性与正确性；其次， 对车架进行了模态与瞬态响应分析，得到车架的各阶固有频率和固有振型以及车 架在路面激励下的位移响应和应力响应，并对结果进行分析，找出汽车在使用中 存在问题的原因；最后，利用优化设计理论，以车架轻量化为目标，以车架最大 变形为约束条件，利用m s c n a s t r a n 的优化模块，对车架大梁进行尺寸优化设 计，同时对车架进行了结构改进，并对优化改进结果进行较详细的应力应变分析 以及瞬态响应分析，以验证优化结果的合理性，提出结构改进方案。 通过优化设计，把车架大梁截面尺寸由原来的7 5 x5 0 2 5 ，改成11 8 4 5 2 5 后，变形满足厂家的允许设计值；并对汽车的局部位置增加支撑骨架结构。通过 改造的车型推向市场后，用户反应良好，达到了预期的市场效果。 关键词：车架；有限元分析；瞬态响应；模态分析；试验；结构优化 i i 高校教师硕i ：学位论文 a b s t r a c t t h ek 3t r a v e l i n gl e i s u r ev e h i c l ei st h el i g h tv e h i c l ew h i c hs o m ea u t o m o b i l e l i m i t e dc o m p a n yi n d e p e n d e n t l yd e s i g n s t h i st y p eo fv e h i c l ei ss u i t a b l ef o rb r o w s i n g s i g h t s e e i n gt r a n s p o r t a t i o na tt h et r a v e l i n gs c e n i cs p o t a sar e s u l to ft h eo r i g i n a l d e s i g ne x i s t e n c ef l a w , t h ep r o t o t y p ep r e s e n t st h ef r a m e sv e r t i c a lb e n d i n gs t r a i ni s o v e r s i z e di nt h et e s t p r o c e d u r e ，a n dt h ef r a m e s c r o s s m e m b e rt os u p p o r te n g i n e b r e a k ，a n dt h es k e l e t o nt os u p p o r tt a i l s t o c kc r o w no u t s o u r c i n gb e a mp r e s e n t st h e u n s o l d e r i n ga n ds oo n t h e s eq u e s t i o n sh a v ea f f e c t e da u t o m o b i l e ss e c u r i t yo fs e r v i c e t h i sa r t i c l ei sf o rt h ep u r p o s eo fi n t r o d u c i n gt h ec o m p u t e ra i d e dd e s i g na n dt h e c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n gi n t h e d e s i g n o fa u t o m o b i l ef r a m et of u r t h e r c o n s t m a m a l et h ek 3t r a v e l i n gl e i s u r ev e h i c l e sd e s i g na n dt oe n a b l et h ef r a m e s s t r u c t u r ep e r f o r m a n c et oa c h i e v es u p e r i o r l y f i r s t ，i ti n t r o d u c e st h ek 3t r a v e l i n g l e i s u r ev e h i c l e sw o r ks u r v e yi nt h ea r t i c l e i tu s e st h ec o m p u t e ra i d e dd e s i g nt o e s t a b l i s h m e n ta u t o m o b i l ef r a m e st h r e ed i m e n s i o n a ln u m e r i c a lm o d e l ，a n de a r r y so n t h es t a t i c a la n a l y s i sw i t ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y t i cm e t h o dt h r o u g hc a ep r o c e d u r e m s c p a t r a n n a s t r a nt ot h ef r a m e a n do b t a i n st h ee s s e n t i a ls p o t st h es t r e s sa n dt h e s t r a i n ，a n da n a l y z e st h ef r a m es t r u c t u r ew h e t h e rt os a t i s f yt h ei n t e n s i t ya n dt h e r i g i d i t yc o n d i t i o n t h e ni th a sc a r r i e do nt h ef r a m e ss t a t i ct e s t i n g ，a n dh a sc o n f i r m e d t h ef i n i t ee l e m e n ts t a t i c a la n a l y s i s sr a t i o n a l i t ya n da c c u r a c y n e x t ，i th a sc a r r i e do n t h ea n a l y s i so ft h em o d a l i t ya n dt h et r a n s i e n tr e s p o n s eo ft h ef r a m et oo b t a i nf r a m e s v a r i o u s s t e p sn a t u r a lf l e q u e n c ya n dt h ei n h e r e n tm o d eo fv i b r a t i o na n df r a m e s d i s p l a c e m e n tr e s p o n s ea n ds t r e s sr e s p o n s eu n d e rr o a ds u r f a c ed r i v e ，a n dc a r r i e so nt h e a n a l y s i st ot h er e s u l t ，a n dd i s c o v e r st h er e a s o nw h i c he x i s t si nt h eu s co ft h e a u t o m o b i l e n e x t ，i tc a r r i e so nt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no fs i z et ot h ef r a m es i d e m e m b e ri no r d e rt om a k et h ef r a m ew e i g h tl i g h t e ra n dt os a t i s f yt h ef r a m e sb i g g e s t d i s t o r t i o nc o n d i t i o nb yu s i n gt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g n t h e o r ya n dt h eo p t i m i z e d m o d u l eo fm s c n a s t r a n a n dh a sm a d et h es t r u c t u r ei m p r o v e m e n tt ot h ef r a m e ，a n dt o c a r r yo nad e t a i l e ds t r e s ss t r a i na n a l y s i sa n dt h et r a n s i e n tr e s p o n s ea n a l y s i st ot h e r e s u l t so fo p t i m a ld e s i g ni no r d e rt od e m o n s t r a t et h ev a l i d i t yo ft h eo p t i m i z a t i o n r e s u l t f i n a l l y ，i tp r o p o s e st h ep r o g r a m t oi m p r o v et h es t r u c t u r eo ft h ef l a m e a f t e rt h e o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，t h e f r a m e ss e c t i o ns i z eh a sa l t e r e dt o 1 1 8 x 4 5 x 2 5b yo r i g i n a l7 5 5 0 x2 5 ，a n dt h es t a b i l i t yo ft h em o v e m e n th a sb e e n i m p r o v e d ，a n dt h ev a l u eo fb e n d i n gs t r a i ni ss m a l l e rt h a nt h ep e r m i s s i o nd e s i g nv a l u e i i i k 3 型休闲车车架的静动态分析与优化设计 o ft h ef a c t o r y a n dt h e s u p p o r t i n gs k e l e t o n i sa d d e dt ot h ef r a m e s p a r t i a l p o s i t i o n a f t e rt op u s ht h et r a n s f o r m a t i o nt y p eo fv e h i c l et ot h em a r k e t ，t h eu s e r s r e s p o n s ei sg o o d ，a n di th a sa c h i e v e dt h ea n t i c i p a t e dm a r k e t se f f e c t k e yw o r d ：f r a m e ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；t r a n s i e n tr e s p o n s e ；m o d a l i t y a n a l y s i s ；e x p e r i m e n t ；t h es t r u c t u r eo p t i m i z e s 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：译净炙 日期： 2 o 。7 年 月z 尹日 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，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 不保密囵。 ( 请在以上相应方框内打”) 作者签名：平淘莛刀日期： 别磴轹匆仍日期： 日 日 缈乃 月 月 争广 年产 令，d o口 二 高校教师硕一仁学位论文 1 1 课题背景及目的 第1 章绪论 本课题来源于某车辆厂自行研制的休闲车，该车主要用于旅游风景区的交通 运输，该车型车架为边梁整体式车架，也就是用金属制成坚固的车身，再将发动 机、悬架等机械零部件直接安装在车身上。这个车身承受所有的载荷，充当车架。 下车体由两根位于两边的纵梁和若干根横梁组成，用铆接或焊接方式将纵梁和横 梁联接成坚固的刚性结构。该车型第一批产品生产投入使用后，用户反馈出现大 梁变形过大、发动机仓的支撑横梁断裂、车尾顶部外包梁支撑骨架脱焊等问题。 本课题就是关于k 3 型休闲车车架的结构分析与优化改进设计。汽车是人类重要的 交通工具，汽车工业发展至今，不论是品种还是规模，都极大满足了国内外市场的需要， 也已经成为我国国民经济的支柱产业。随着国民经济的快速发展，汽车工业也得到了飞 速发展，因此要求设计出更多更好的结构轻、性能好、质量高、用途广、安全可靠的汽 车【l 】。车架是汽车的主要组成部分，作为汽车的承载基体，为货车、中型以及以下客车、 中高级轿车以及高级轿车所使用，支撑着发动机、离合器、变速器、转向器、非承载车 身和货箱等所有簧上机件的重量【2 】。所以车架设计在汽车总体设计中显得非常重要，车 架设计的优劣将直接影响汽车的行驶和安全性能。在市场竞争日益激烈的今天， 各汽车厂家都在寻求能提高产品质量、性能、耐久性，还能缩短开发周期的设计 方法。各汽车厂家对车架开发研究的最终目标是以最短的研发周期做成结构合理、 机械性能好、安全可靠、制造成本低的产品。 车架按其总体结构型式，可分为框架式、脊梁式和综合式三种，而框架式又 可分为边梁式和周边式。现在，大部分车架采用边梁式车架【3 】。 边梁式车架一般由纵梁和横梁联接组成。纵梁是车架的主要承载元件，其长 度大致接近整车长度，一般为轴距的1 4 1 7 倍【4 1 。纵梁的形状应力求简单，断 面沿长度不变或少变化，这样可以简化工艺。如果要求纵梁各处断面的应力接近， 则可通过改变纵梁的高度使其中部断面大，两端断面小。横梁的主要作用是连接 左右纵梁而构成一框架，从而保证车架有足够的抗扭刚度。此外，横梁还有支承 汽车各主要总成的作用。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。 边梁式车架结构简单，工艺要求低，制造容易，使用广泛。但由于粗壮的大 k 3 型休闲下乍架的静动态分析与优化设计 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。这些问题对小客 车、轿车是缺点，对于越野车可能就是优点，因为越野车要求有很强的通过性， 行驶崎岖路面时要有一定大的离地间隙，而非常颠簸的道路会令车体大幅扭动， 只有带刚性车架的承载式车身结构才能抵御这种冲击力。 由于车架要承受承受汽车各总成的质量和有效载荷，并承受汽车行驶时所产 生的各种力和力矩，如果车架刚度不足会引起振动和噪音，会使汽车的舒适性、 平稳性、操纵稳定性及某些机件的可靠性下降。在设计和使用时对汽车车架的要 求是【5 j ： ( 1 ) 具有足够的强度，保证在汽车大修里程内，车架的主要零部件不因受力 而破坏； ( 2 ) 具有足够的抗弯刚度，最大弯曲挠度应小于1 0 m m ，以免车架上的总成 因变形过大而发生早期损坏； ( 3 ) 车架要有合适的扭转刚度，希望车架两端的扭转刚度大些，而中间一段 小些；否则将使车架和悬架系统的载荷增大并使得汽车轮胎的的接地性变差，使 得通过性变坏。通常在使用中其轴间扭转角度约为1 0 。m 【6 j ； ( 4 ) 在保证强度和刚度的前提下车架的自身重量尽可能小，以便减少整车质 量。客车车架质量约为整车质量的1 1 0 ； ( 5 ) 从被动安全性考虑，乘用车架应具有易于吸收撞击能量的特点，此外车 型设计时还应该考虑车型系列化及改装车等方面的要求1 7 j 。 本课题的研究目的是：旨在利用计算机辅助设计技术建立汽车车架的三维数 字模型，利用有限元分析法，对车架进行静动态分析，得出关键部位的应力及应 变情况，分析车架结构是否满强度和刚度条件，并对求解结果进行分析，找出车 架存在过大变形甚至局部开裂的原因，利用最优化设计理论对关键结构进行优化 设计，提出改进方案。 1 2 车架结构的国内外研究历史与现状 国外从6 0 年代中后期就开始了对车架的有限元法( f e a ，f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ) 静态分析，十分重视利用有限元方法对车架结构进行计算分析，并随 着计算机技术的发展，在车架结构设计中大量引入计算机进行辅助设计与分析 ( c a d c a e ) i s 】。可以说，国外在使用有限元法进行汽车的结构分析方面的技术 相对已经比较成熟，并取得了大量的研究成果。在对汽车车身及其组成部件对整 2 高校教师硕十学位论文 车刚度的贡献的研究中，分析得出车架的贡献达到6 0 以上【9 】。 国外对车架的c a e 研究应用有以下特点： ( 1 ) 应用范围广。主要包括如下几个方面：结构分析、最优化分析、零部件及 整车的n v h 分析、机构运动分析、碰撞分析、流体分析等。其中结构分析主要 有静态刚度分析、静应力与疲劳寿命分析、耐久性分析、塑性变形分析、热传导、 热应力分析及部分结构分析( 如接头分析) 。最优化分析包括结构最优化、特性最 优化等【1 们。 ( 2 ) 模型细化度高。不仅是网格多，而且对结构细部的研究也相当深入。 ( 3 ) 自动化程度高。国外各大汽车公司充分利用现有的c a e 软件，并结合各 自的c a d 系统进行开发，达到了高度自动化，使得过去需要用人力很长时间建 立的有限元网格很快就能自动生成，大大提高了工作效率。 由以上国外c a e 应用的现状可见，c a e 在国外已经发展得相当成熟。 我国由于汽车开发工作起步较晚，c a e 技术及f e m 方法的研究应用相对落 后。早期，国内的汽车结构设计主要依赖于经验，采用试验方法，设计和试验交 叉进行，是串行组织的，c a e 应用得较少。这阶段的汽车结构设计主要是应用在 大客车及货车上，进行粗略的静态强度和刚度分析。早期的车架结构分析计算是 通过将车架简化成两根纵梁，进行弯曲强度校核。这种计算方法至今还在沿用， 但它显然满足不了汽车车架的设计要求。 为车架抗弯曲刚度比抗扭转刚度大很多， 后来提出的车架扭转强度计算方法，认 进而假设车架在扭转时整个结构都不发 生弯曲。这种方法避免了求解车架高次超静定方程的困难，但只能计算纯扭转工 况，不能考虑车架的实际工况。计算和试验结果的对比分析表明，这种认为车架 工作时只扭转不弯曲的理论是有失偏颇的。并且这种计算方法比较复杂，计算量 大，在当时的实际运用中也存在着很大的困难。 在国内，一些专家首先采用杆系有限元法求解了车架结构分析问题。他们将 汽车车架结构简化为一组离散单元的集合体，这些单元通过各自的端点联接起来， 用以代替真实的车架结构。然后用位移法，根据节点的平衡和连续条件，用虚位 移原理建立位移法基本方程，求解得到位移解，最后根据位移求出各个单元内力 和应力【1 1 1 。在二十世纪8 0 年代末，国内已经有专家针对客运大客车的车身结构 强度，采用了二力杆、空间梁、空间可变断面薄壁梁、剪切板、空间膜等单元组 合的有限元模型以及采用空间刚架结构的梁单元，对超重型汽车车架静应力进行 了有限元分析、对汽车车架结构参数进行了优化计算、利用车架模态分析结果直 接对结构动态特性进行评价的方法。但是与国外的车架结构设计中c a e 技术的应 k 3 型休闲车乍架的静动态分析与优化设计 用状况相比，国内的车架结构c a e 分析技术仍存在如下不足： ( 1 ) 计算机辅助分析仍主要面向试件或成品，而面向设计，特别是面向早期设 计的研究较少，因而不能发挥c a e 技术缩短产品开发周期的潜力。 ( 2 ) 从分析的内容来看，往往只分析一项指标，并据此进行修改，而不考虑或 未能全面考虑对其它指标的影响。 这些不足也正是本论文所研究课题的意义所在。 目前，应用有限元法对车架进行结构分析的研究逐渐多起来，运用有限元法 对车架结构分析计算不仅有静力分析，还包括动态特性分析。同时，随着大量引 进的有限元软件的使用，车架的有限元法的计算精度也越来越高。现在，采用有 限元法对车架进行结构分析正在逐渐成为车架设计的主要手段。今后，可以预计 运用有限元法对汽车结构进行仿真计算将会成为汽车设计的主流。 1 3 车身车架结构分析的方法简介 早期的汽车结构分析主要是对汽车结构的经验判断和试验模拟，应用经典的 力学方法进行零部件的材料强度和刚度计算。而对汽车车身这样的复杂的大型连 续弹性体来说，经典的解决方法对如此庞大的计算分析就显得十分费力，依靠简 化的力学模型和手工的求解，几乎不可能得到有意义的理论分析结果。现代汽车 车身车架结构分析方法包括数值模拟与试验分析方法，其中数值模拟分析方法主 要是有限元分析方法【l2 1 。 1 3 1 有限元法在车架结构分析中的应用 1 有限元法的发展及特点 在汽车c a d c a e 技术中，有限元分析方法和软件技术占据了一个极其重要 的位置。对于汽车这样复杂的结构，进行动力学性能的研究及优化设计，有限元 方法被证明是一种最为成功，应用最广泛的分析方法。工程实际中对复杂结构的 分析，常常很难得到解析解。有两种方法可以克服这个困难：一种方法是对复杂 的问题进行种种简化，提出许多假设，回避一些难点，最终简化为一个能够用传 统计算方法解决的问题。但由于有太多的假设和简化，所得出的结果的准确度和 可信度很差；另一种方法是尽可能保留问题的各种实际情况，尝试寻求近似的可 以满足工程实际需要的数值解，放弃封闭形式的解析解。后一种方法的计算工作 量十分庞大，用传统计算方法不可能实现，但是在计算机和计算技术迅速发展的 今天，后者成为比较现实和有效的选择【l 引。 4 高校教师硕l 学位论文 有限单元法是近四十年随计算机的发展而发展起来的用于各种结构分析的数 值计算方法。有限元方法最基本的出发点是将分析对象的结构或实体划分为有限 个微小单元体，这些微元体称为“单元 ，两相邻单元间只通过节点相连接。将作 用在结构体上的外载荷按静力等效原则分解为等效节点载荷向量，以这些单元体 的集合替代原来的连接结构实体，这一过程称为连续体的离散化。有限单元法的 基本思想一一离散化概念，早在上世纪4 0 年代就已经提出来，由于当时计算条件 的限制，没有引起重视。十年以后，英国航空工程教授阿吉里斯( a r g y r i s ) 和他的 同事运用网格思想成功地进行了结构分析。与此同时，美国克劳夫( r w c l o u g h ) 教授运用三角形单元对飞机结构进行了计算，并在1 9 6 0 年首次提出了“有限单元 法”这个名称。在以后十年中，有限元法在国际上得到蓬勃发展。二十世纪6 0 年代中后期，国外数学家开始介入对有限元法的研究，使有限元的发展有了坚实 的数学基础。1 9 6 5 年，津基威茨( o c z i e n k i e w i e z ) 和同事y k c e u n g 宣布，有 限元法适用于所有能按变分形式进行计算的场问题，有限元法的应用被推广到了 更广阔的范围。有限元法最先应用到航空工程领域，后来迅速推广到机械与汽车、 造船、建筑等各种工程技术领域，并从固体力学领域拓展到流体、电磁场、振动 等各学科。 在工程技术领域，有限元法可对几何形状不规则、载荷和支撑情况复杂的各 种结构及零部件进行变形计算和应力分析，这是经典力学所不能及的。由于有限 元这一无可比拟的优越性，有限元法在飞机、船舶、汽车和拖拉机等机械产品的 设计中都得到了广泛的应用。在这些工程实践中，有限元法的应用可分为三大类： ( 1 ) 静态分析。也就是求解不随时间变化的系统平衡问题。 ( 2 ) 模态分析和稳定性分析。它是平衡问题的推广，可以确定一些系统的特征 值或临界值【l4 1 ，如结构稳定性分析及线弹系统的固有特性的分析等。 ( 3 ) 瞬时动态分析。求解一些随时间变化的传播问题，如弹性连续体的瞬时动 态分析( 动力响应) 和流体力学等。 有限元分析离不开计算程序，计算程序一般分为三类：大型通用程序、专用 程序和自编程序。所谓通用程序，它的特点就是“通用性。单元库内一般常用单 元齐全，如杆单元、梁单元、膜单元、板单元、轴对称单元、实体单元、边界元 等。功能库内分析模块众多，有静力分析、固有特性分析、动态响应分析等，应 用范围广泛，可涉及连续体分析、流体分析、热传导分析、电磁场分析，以及线 性与非线性分析、弹塑性分析、复合材料分析等【l5 1 ，并且一般都有较方便的前后 处理功能。 5 k 3 型休闲下车架的静动态分析与优化设计 有限元法的优点是解题能力强，可以比较精确地模拟各种复杂的曲线或曲面 边界，网格的划分比较随意，可以统一处理多种边界条件，离散方程的形式规范， 便于编制通用的计算机程序，在固体力学方程的数值计算方面取得巨大的成功。 2 有限元法在车架结构分析中的应用 c a e 软件能够显著提高产品设计的科学性，减少盲目性，提高设计效率，其 最大优点是可以在产品设计初期，即图纸阶段，通过建立基本的计算机分析模型， 对所设计的产品进行强度、寿命及性能预测，使产品设计指标得到保证，有效地 提高设计产品的可靠性，缩短设计周期。 在汽车设计工程中，几乎所有的强度设计，都可以用有限元方法计算，以评 价其强度指标。目前世界上技术先进的汽车厂家已把有限元计算工作列为设计常 规，取得了很大的技术经济效益。汽车车身在整个汽车结构中，不论就重量而言 还是就成本而言，都占整车的相当大比重。同时它的制造用工和模具成本都很高， 改型比较困难。用有限元方法在设计初期对车身结构及其零部件进行计算，评估 它的强度和寿命，对产品开发、试制的意义重大。因此，车身结构有限元方法格 外受到国内外汽车厂家的重视。就车身构造而言，虽然车身构造千差万别，但是， 从力学结构的角度加以分类，大体上可以分为骨架式结构( 如骨架式大型客车车 身) 、板壳式与骨架混合式结构( 如某些箱式车车身、驾驶室) 和板壳式结构( 如承载 式小客车车身) 。对于这些不同类别的车身结构，在c a e 分析计算中往往以相应 的力学构件模拟，所以有限元分析在车身结构设计中占有很大的比重，将c a e 技术应用到汽车设计的许多方面，可取得很好的效果【l6 1 。 3 有限元法典型分析步骤如图1 1 所示。 1 3 2 车架的试验分析法 车架是汽车的关键部件，其质量和性能的好坏，直接影响到整车的性能，如 平顺性、舒适性、安全性和经济性等。虽然现代设计方法，如c a d 、优化设计、 有限元等，已能解决车架设计的许多问题，但由于车架尺寸比较大、结构和受力 情况比较复杂，理论设计计算的结果还需要通过实验不断修正。 汽车车架的研究和工程中包含大量的试验工作，通过试验来检验设计思想是 否正确，如对新设计结构和新材料的检验等。由于车身结构复杂，涉及的技术领 域广泛，许多问题的理论研究可靠性还不高，需要通过试验验证来检验分析模型 的是否合理。 车架试验可以从不同角度予以分类，按试验对象可以分为物理试验和模型， 6 高校教师硕j ：学位论文 按照试验目的可分为研究性试验、试制检验性试验和抽样试验。按试验方式可分 为整车试验和零部件试验，按照失效类型和理论分为静态强度和刚度试验、动态 强度试验等。 汽车车架结构的静态强度和刚度试验研究车架结构在静载荷作用下的强度和 刚度特性，包括应力分布和主要刚度参数。汽车车架结构的静态强度和刚度试验 规范比较成熟，其试验工况主要模拟汽车在实际使用中车身承受的弯曲和扭转情 况。汽车车架结构的静态强度和刚度试验是汽车车架结构的动态强度和模态试验 的基础。 汽车车身结构动态强度试验的目的在于测定车身结构在实际行驶过程中所承 受的最大动应力或应变。汽车车身结构动态强度试验一般由道路试验来完成，包 括鹅卵石路面、山区路面等典型路面。汽车工程中也常常采用路障试验方法代替 汽车车身结构动态强度试验，路障试验方法也称典型凸块试验方法，这种方法可 以简单、快速、有效地测定车身结构最大动应力和应变。 图1 1 有限元法分析流程图 7 k 3 型休闲乍乍架的静动态分析与优化设计 1 4 本论文的主要研究内容 本篇论文主要有几个研究部分，包括车架的有限元静力分析、车架的静态试 验验证、车架动态特性分析、车架的结构优化改进等五部分。它是在有限元法的 基础上，利用m s c p a t r a n 瓜a s t r a n 软件建立了车架三维数字模型，以及车 架有限元计算模型，对该车架在载荷作用下的应力和变形进行了分析计算，并进 行了模态分析与瞬态响应分析，找出了导致大梁变形过大、发动机仓的支撑横梁 断裂、车尾顶部外包梁支撑骨架脱焊的问题成因，为车架的结构改进提供依据。 同时进行了车架的变形试验，并对试验结果和计算结果进行了比较，得到了车架 应力、变形规律及动力特性，并对下车体大梁的结构尺寸进行优化。 论文研究方案流程见图1 2 ： 1 5 本章小结 图1 2 研究方案流程图 本章首先介绍了论文的来源、意义，阐述了车架设计的发展及现状，确立了 本论文的研究方向是采用有限元法及试验验证法，对k 3 型休闲车车架进行结构 分析与改进。最后介绍了本论文的研究方法和研究内容，分析需要研究和解决的 关键问题。 8 高校教师硕一仁学位论文 第2 章车架的有限元静力分析仿真 造成车架过大变形甚至开裂现象的原因是多方面的，如车架刚度不足，材料 选择不恰当，车架结构焊接角度设计不合理等都可能是造成问题的原因。其中车 架刚度不足往往是导致的车架过大变形的主要因素。 以往国内的汽车厂家对车架的结构分析偏重于强度指标，以结构强度指标作 为关键指标进行产品定型，忽略了刚度指标，而国外汽车企业则将汽车的刚度也 作为产品定型的关键指标之一。当按满足刚度准则的要求来确定结构时，则可以 同时满足强度准则。 汽车车架刚度主要是指弯曲刚度和扭转刚度。弯曲刚度可用在铅垂载荷作用 下产生的挠度大小来描述，也可以用单位轴距长度最大挠度量评价。扭转刚度可 以用车身在扭转载荷作用下产生的扭转角大小来描述，也可以用单位轴距长度轴 间相对扭转角评价。 本章利用有限元法，对车架进行静力分析计算车架的在静载荷下的挠度，进 一步分析车架的刚度情况。 2 1k 3 型休闲车架静力分析所用软件介绍 利用计算机运算速度快，适合多次重复叠代计算的特点，人们编制了多种计 算程序用于有限元分析。随着计算机存储能力和运算能力的不断提高以及各种算 法的不断发展，有限元的计算程序不断完善，并且逐渐从巨型机、大型机平台扩 展到小型的工作站和p c 机平台。计算程序一般分为三类：大型通用程序、专用 程序和自编程序。所谓通用程序，它的特点就是“通用性”。单元库内一般常用单 元齐全，功能库内分析模块众多，应用范围广泛，并且一般都有较方便的前后处 理功能。各大汽车公司几乎均采用通用有限元程序进行设计计算，结合实际情况 作一些二次开发。目前在汽车行业应用比较广泛的通用程序主要有n a s t r a n 、 a n s y s 、 a d i n a 、m a r c h y p e r w o r k s 等。通用有限元程序( 如n a s t r a n 、a n s y s 、 h y p e r w o r k s 等) 一般都能提供与c a d 软件( 如p r o e n g i n e e r 、u g 、c a t i a 等) 的接 口，将c a d 模型自动转换为适于有限元分析的模型。本文在有限元分析的过程中 采用了m s c p a t r a n n a s t r a n 软件【l _ 7 l 。 m s c p a t r a n 是m s c 公司推出的一款c a e 前后处理器软件，能够进行几何模型 9 k 3 型休闲车车架的静动态分析与优化设计 的读取、几何模型的建立、有限元模型的建立、材料的加载、载荷边界条件的加 载、求解器的调用和结构的后处理，是一款功能非常强大的软件。 m s c n a s t r a n 是m s c 公司的核心产品，是c a e 业界求解器的标准，在c a e 业 界占据第一的位置。n a s t r a n 具有强大的求解能力，可以进行线性、非线性、动 力学、声学、优化等多个方面的求解计算。求解范围广，求解结果经过了无数的 工程实践证明。 作为著名的有限元前、后处理系统，m s c p a t r a n n a s t r a n 具有以下特点： 1 开放的工程分析框架结构。 2 强大的几何造型功能。 3 c a d 几何模型的直接访问。 有限元分析模型可从c a d 几何模型上快速地直接生成，用精确表现真实产 品设计取代以往的近似描述，进而省去了在分析软件系统中重新构造几何模型的 传统过程。 4 强有力的网格生成能力。 m s c p a t r a n 提供了针对不同分析目的的多种网格处理器，帮助设计人员快速 生成分析用的有限元网格。 5 逼真的结果可视化功能。 6 开放的软件开发环境。 m s c p a t r a n n a s t r a n 为用户提供了全功能计算机编程语言一p c l 语言。p c l 语言具有c 语言的几乎全部功能。不仅能自如地进行字符串处理、动态内存分 配，还可以方便地编制m s c p a t r a n n a s t r a n 风格特色的界面，允许用户读写 m s c p a t r a n n a s t r a n 数据库中的全部信息。因此，m s c p a t r a n n a s t r a n 是结合 不同领域用户的特点，进行专用软件二次开发的强有力的软件。 使用m s c p a t r a n n a s t r a n 进行工程分析，般流程为：建立几何模型一选择 分析程序一建立分析模型一递交分析一评价分析结果。在建立几何模型时，可以 从c a d 软件中读取，也可以直接在m s c p a t r a n n a s t r a n 中构建，或先从c a d 软 件中读取，再到m s c p a t r a n n a s t r a n 中进行简化、修改。建立分析模型时可以 分四步进行：网格划分一创建材料一指定单元特性一施加载荷及约束条件。在递 交分析阶段，可以根据实际情况确定分析类型是静力、动力、非线性、疲劳、热 分析等等，再生成与对应分析程序相应的数据文件，以便分析时使用。最后，评 价分析结果。通过r e s u l t 、i n s i g h t 两套后处理工具，m s c p a t r a n n a s t r a n 为用 户提供了实时动画、等值线、x y 曲线图、云图等强大的后处理功能。 1 0 高校教师硕 学位论文 本文的模型构建以及仿真分析就是遵循这一流程进行的。利用有限元软件进 行模型的分析计算，传统的做法为：首先在三维建模软件中构建几何模型，再根 据分析类型不同，对模型结构进行适当简化，最后被有限元前处理软件进行调用， 并进一步生成有限元模型i 本文采取的是：通过结构分析，直接在有限元软件中 构建简化后的几何模型，并根据该几何模型进一步生成有限元模型以及计算模型。 其优点在于：避免了在三维建模软件中进行几何建模再简化的过程，而是直接根 据分析的需要，在有限元前处理软件中构建简化后的几何模型，节省了时间，提 高了效率。 2 2 车架有限元静力分析基本方程 用有限元法对车架进行静力分析是将连续体分离成单元，然后对单元进行分 析，得到以节点位移为未知数的大型线性方程组，用消元法或迭代法求出位移的 近似值，以求出各节点的应力值。这种先分后合，以有限的单元代替连续的弹性 体的方法，便是有限元法的基本思想【1 引。 2 2 1 位移应变关系 根据弹性力学理论，车架结构单元的应变分量与位移分量之间有一定的几何 关系，如果只考虑微小的变量和位移，不记它们的二次幂和更高次幂，则关系式 为： 口w 占12 ：一 警a ( 2 1 ) 抛加 、_ 一7 ，= 一+ 码 如j 叔 锄跏 比2 _ + 二一 o zo x 加伽 2 瓦+ 瓦 分量s ，占y ，e y 称为正应变，7 拶、坛称为剪应变【1 9 1 。 三个位移分量和六个应变分量的组合描述了车架单元的运动学特性。 加一知加一砂 = = t q k 3 型休闲车乍架的静动态分析| j 优化设计 2 2 2 本构方程 车架结构单元的应力分量和应变分量通过材料定律相联系。在材料具有工程 意义的较大范围内，应力分量和应变分量具有线性关系。 p ) = 【e 】( p ) - 8 0 ) ) + k ) ( 2 2 ) 其中，p 。) 为热应变，p 。 为初始应力，【e 】弹性系数矩阵。材料特性与方向 无关的各向同性材料具有两个独立的材料常数，通常称为工程常数：弹性模量或 杨氏模量e 和泊松比。 根据实验，各向同性材料的正应变与正应力间有如下关系： q = 吉【巳一。k + 吒捆 f ，= 仃，一d p ：+ 仃，) ( 2 3 ) q 2 i 【仃y d p z + 仃，j i z j j 乞= i 1 _ o ( c r x + q ) 翦应变为。 其中剪切模量： 2 2 3 刚度矩阵 g = e ( 2 ( 1 - i - ) )( 2 5 ) 对于自由度总数为1 1 的空间结构整体刚度矩阵【k 】是刀刀的方阵，它是由单元 刚度矩阵 k 】集合而成的。如果单元有d 个节点，那么【k 】可用子矩阵表示： r 1 一 r 、j 3 d x 3 d k m m 】3 3 = k l d k 2 d k k 4 d k 三k 三k 三l k 嚣k 篇k = l k 三k 二k 三i 1 2 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 4 q 锄 印 勿 一g lg一g = = = k 高校教师硕 ：学位论文 式中：( 聊，n = l ，2 ，d ) 如同二维问题一样，【k 】同样是单元节点力列阵扩e 捌和节点位移列阵 p ) ；捌之间的转换矩阵，是应用虚功原理导出的，其形式为： 扩。= k 】3 扪d p 3 。 ( 2 8 ) 公式中 其子矩阵为： k 1 3 棚。= 召7 d 】陋伽 ( 2 9 ) k 。k d = j 阪墨。【d 】6 。b 】6 。，咖 ( ， ，玎= 1 , 2 ，d ) 上式在自然坐标下积分，得： l1l k 】3 踟d = f 肛r p 】 b d e t p d d d , ( 2 1 0 ) 一l 一1 一l 由于 明是( m ，刀，) 的隐函数，式( 2 1 0 ) 重积分必须采用数值积分法 求解，通常采用高斯方法。 单元刚度 圈矩阵求得以后，便可以求得整体刚度矩阵【k 】： 医】= ( 【c r ) r 医】【c r ( 2 1 1 ) 式中【c 】c 是单元选择矩阵。 2 2 4 最小位能原理 结构总位能： ：丢盼) 7 k 】p - p 7 r ( 2 1 2 ) 如果物体受力后处于平衡状态，系统的总位能达到最小值： 荔一。 通过对式( 2 1 2 ) 求偏导，可得节点位移的线性方程组： k 】p ) = r ( 2 1 3 ) 通过解上面线性方程组，可求得结构上各节点位移 万) ，求出各节点位移分 量，进而可得出单元的应力分量，从而可分析结构的强度。 k 3 型休闲下下架的静动态分析+ j 优化设计 2 3 车架有限元模型的建立 2 3 1 车架三维模型的建立 该旅游休闲车车架是边梁式车架结构，由下车体和车身支撑架组成。下车体 由左右分开的两根长纵梁、两根短纵梁和六根横梁组成，下车体骨架采用标准的 矩型管型材焊接而成；车身支撑架为圆钢管焊接而成。横梁将左右纵梁联在一起， 构成一完整的车架。 根据有关设计图纸资料，车架长4 2 米，宽1 4 米，纵横梁板厚均为2 5 毫米。 该汽车车架是一个复杂的空间薄壁结构，这样一个复杂结构若全部如实地考 虑是很困难的，因而必须对其模型进行简化。 有限元计算模型的建立( 即模型化) 是有限元法的一个重要步骤。模型化的 主要工作是确定节点并选择单元类型，也就是将结构离散化或单元的划分过程。 模型化的基本原则是在忠实地反映结构主要力学特性的前提下，尽量使用较少的 单元和选取简单的单元类型，以达到合理、经济的目的。因此，在建立模型时， 不必仅仅追求局部几何形状的模拟。总之，在模