（机械设计及理论专业论文）重型载货汽车车驾的有限元分析及优化设计.pdf

一 哆 i l 广西大掌硕士掌位论文 重型载货汽车车架的有限! 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所里交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相关知识产权 属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容。除已注明 部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内 容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：逍文饼 卫年肛月】殳日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布f ，解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：皿蜥翩签名：沈冲良川年l 工月z 日 + 利用节点耦合的办法来模拟平衡悬架与车架的联接，目前有关模拟平衡悬 架的报导还不多见。 通过对车架在各种工况下的静态分析，得出载荷作用下车架的四个大 应力区，这些区域与车架在实际使用过程中曾发生过破坏的位置相吻合。 对车架进行动态特性分析得出车架的各阶固有频率及振型。确定了路面不 平度及发动机的激励频率范围，计算在此激励下车架的响应，得出大应力 点在外界激励时其应力响应幅值较大的结论。 在分析车架破坏的主要原因基础上，提出改进车架结构的若干方案， 通过对各方案进行分析对比，得出通过增高车架纵梁的高度以及加长车架 长度的方法，可以明显改善车架的受力及变形情况；v 型弯管梁比u 型弯 管梁受力更合理，在弯管梁与联接板处加支撑板可以大大降低联接处的应 力值；第四横梁下片与腹板联接可以大大降低联接处的应力值；联接板采 广西大掌硕士掌位论文 型载货汽车车架的有限j 苌分析及优化设计 钆 j 用角板结构把纵梁下翼面与腹板联为一体，结构更合理。这些改进大大地 降低了车架大应力区的应力值，也为同类产品的设计提供了理论依据。 采用a n s y s 软件提供的子问题近似法，首先对车架的局部结构进行优 化，然后针对整个车架提出十个方案，分别进行优化计算，解决了通用软 件不能同时进行结构改进及优化的难题，通过分析对比选出最优方案，优 化后车架质量降低了1 0 4 3 ( o 2 2 t ) 。 对样车进行静、动态试验，并与有限元分析结果相比较，吻合较好( 除 个别测点外，应力最大相差1 8 ) ，验证了车架的计算模型、边界条件及模 拟方法等的正确性。 在车架的一般计算中，不考虑货箱的加强作用。本文通过有无货箱时 的计算值及实测值的比较，得出对于车架上不同的部位，货箱对其应力的 影响也是不同的( 平均应力下降2 9 8 ) ，在初步的设计中可以把货箱对车 l ：轧架的影响按3 0 来考虑。为其他车型车架的设计提供了参考。 将子模型分析技术引入车架的分析中来，对平衡轴处的局部结构进行 了分析，通过与测试结果的比较，说明利用子模型结构可以得到局部更精 确的结果。该方法为车架局部的精细研究提供了新思路。 关键词：车架有限元静态分析动态分析结构改进优化设计货箱 子模型试验 、； 幸 气 l t i 0 广西大掌硕士学位论文 e 蓥芝载货汽车车架的有，瓦元分析及优化设计 f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n d0 p t i m i z a t i o n o fah e a v yt r u c kf r a m e a b s t r a c t i nt h i s s t u d y , t h es t a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i sw e r ep e r f o r m e dt oat r u c k f r a m ew h i c hw a sd e s t r o y e di nt h ea c t u a lu s ep r o c e s s ，u s i n ga n s y sf e a s o f t w a r e t h ep r i m a r yc a u s eo ff r a m ed e s t r u c t i o nw a sf o u n db ya n a l y s i so ft h e f r a m e t h e ni m p r o v e m e n tp r o j e c t sw e r ep r o p o s e d ，a l s ot h eo p t i m i z a t i o nw a s c a r r i e do u ta n dh a sv a l i d a t e dt h ef e a s i b i l i t yo fi m p r o v e m e n t p r o je c t e t h em a i n c o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： e s t a b l i s ht h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ef r a m ea n dt h eb a l a n c es u s p e n s i o n a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so ff r a m e ，t h em o d e lo ft h ef r a m ew a s e s t a b l i s h e db ya p p l y i n gs h e l le l e m e n t b yu s i n gc o m b i n 14a n dm p c18 4 e l e m e n ta n da p p l y i n gn o d ec o u p l i n gm e a n ss i m u l a t e dt h ej o i n to ft h eb a l a n c e s u s p e n s i o na n dt h ef r a m e a tp r e s e n t ，t h er e p o r ta b o u tt h es i m u l a t i o no fb a l a n c e s u s p e n s i o ni sf e w b y t h ef r a m es t a t i ca n a l y s i su n d e re a c hk i n do fo p e r a t i n gm o d e ，o b t a i n e d f o u rb i gs t r e s sa r e a sw h i c hw e r ea c c o r d a n tt ot h e s er e g i o n st h a th a dd e s t r u c t e di n t h ea c t u a lu s ep r o c e s s c a r r i e do nt h ed y n a m i ca n a l y s i st ot h ef r a m et oo b t a i n t h ef r e q u e n c ya n dm o d es h o ea n da l s oc a l c u l a t e dt h es t r e s sa n d d i s p l a c e m e n t r e s p o n d so ft h ef r a m eu n d e rr o a ds u r f a c ea n de n g i n ed r i v e ，h a dac o n c l u s i o nt h a t t h es t r e s sr e s p o n d sv a l u eo f b i gs t r e s sp o i n ti sl a r g eu n d e ro u t s i d ed r i v e b a s e do nt h ep r i m er e a s o n so ft h ef r a m ed e s t r u c t i o n ，i m p r o v e m e n tp r o je c t s w e r ep r o p o s e d t h r o u g hc a r r i e do nt h ea n a l y s i sa n dc o n t r a s tt ov a r i o u sp l a n s ， o b t a i n e dt h a tv p i p ec r o s s m e m b e ri sb e t t e rt h a nup i p ec r o s s m e m b e r ；t h e f o r t hc r o s s - m e m b e rt h a tj o i n e dw i t hw e bp l a t ec a nr e d u c et h es t r e s sv a l u eo f i l i ： l 一 l 0 声| 1 0 广西大学硕士掌位竺奎! 兰竺竺兰苎兰竺竺! ! 苎墨兰竺垒堡兰兰兰 - - _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ - - 一一 j o i n e da r e a ；t h ec o m e rj o i n e dp l a t ei sm o r e r e a s o n a b l et h a nw e bp l a t es t r u c t u r e t h e s ei m p r o v e m e n tp r o j e c t sn o to n l yr e d u c e dt h es t r e s sv a l u e ，b u ta l s op r o v i d e d t h et h e o r yb a s i sf o rt h es i m i l a rp r o d u c td e s i g n f i r s t l y , t h ec o m p o n e n to ft h ef r a m ew a so p t i m i z e db yu s i n gs u b - p r o b l e m n l e t h o di na n s y s ，a n dt h e nt h ee n t i r ef l a m ew a so p t i m i z e d ，a f t e rt h e n ，t h e w e i g h to ff r a m ew a sd e c r e a s e d10 4 3 ( 0 2 2 t ) w ec a r r i e do nt h es t a t i ca n dd y n a m i cf i e l dt e s t t h ea c c o r d a n c ew i t ht h et e s t r e s u l ta n dt h ec a l c u l a t er e s u l th a sv a l i d a t e dt h ef e a s i b i l i t yo f t h em o d a lo ft h e f r a m e ，b o u n d a r yc o n d i t i o na n ds i m u l a t i o nm e t h o d i i lt l l ef r a m eg e n e r a lc o m p u t a t i o n ，d o e sn o t c o n s i d e rt h ee n h a n c e m e n t f u n c t i o no ft h ef r e i g h tp l a t f o r m t h r o u g hc o m p a r i s o nt h es t r e s sv a l u e o fw h e t h e r c o n d i e r i n g t h ei n f l u e n c et h ef r e i g h tp l a t f o r m , o b t a i n e dt h a tr e g a r d i n g t h e d i f f e r e n ts p o to nt h ef r a m e ，t h ef r e i g h tp l a t f o r mt oi t ss t r e s sc o n t r i b u t i o ni sa l s o d i f f e r e n t ( m a n yi s 30 ，e q u a l l yi s2 9 8 ) i nt h ep r e l i m i n a r yd e s i g n c a n c o n s i d e rt h a tt h ec o n t r i b u t i o no ff r e i g h tp l a t f o r mt ot h ef l a m ei s30 w h i c hh a s p r o v i d e dt h er e f e r e n c ef o ro t h e rv e h i c l ef r a m ed e s i g n t h es u b m o d e lt e c h n o l o g yw a si n t r o d u c e dt ot h ef r a m ea n a l y s i sa n da p p l i e d t oa n a l y s et h el o c a lo ff r a m e e q u i l i b r a t o rp a r t c o m p a r i n gt ot h et e s tr e s u l t ， i n d i c a t e dt h a tu s i n gt h es u b m o d e lt e c h n o l o g yc a no b t a i nm o r ep r e c i s er e s u l t t h i sm e t h o dh a sp r o v i d e dt h en e wm e n t a l i t yf o r t h ef l a m ep a r t i a ls c r u t i n y k e yw o r d s ：f l a m e ；f i n i t ee l e m e n t ；s t a t i ca n a l y s i s ；d y n a m i ca n a l y s i s ； s t r u c t u r ei m p r o v e m e n t ；o p t i m i z a t i o n ；f r e i g h tp l a t f o r m ；s u b m o d a l ；t e s t i v 膏 声l 参芝载货汽车车架的有p 置元分析及优化设计 目录 第一章绪论1 1 1 课题的背景及研究意义l 1 2 国内外研究的现状及存在问题1 1 3 本课题研究的内容4 第二章车架有限元模型的建立5 2 1 车架结构简介5 2 2 模型的简化，实体模型的建立6 2 2 1 模型简化的基本原则6 2 2 2 实体模型的建立7 2 3 车架有限元模型的建立8 2 3 1 单元的选择8 2 3 2 材料的物理参数及承受载荷8 2 3 3 有限元网格的划分9 2 4 悬架部分的数值模拟1 1 2 5 本章小结1 3 第三章车架的静力分析1 4 3 1 结构静力分析的有限单元法概述1 4 3 2 车架结构的设计要求1 5 3 3 静弯曲工况下的计算1 6 3 3 1 计算载荷1 6 3 3 2 边界条件1 7 3 3 3 计算结果、1 7 3 3 4 结果分析1 9 3 4 弯扭组合工况下的计算1 9 3 4 1 计算载荷及边界条件1 9 3 4 2 弯扭工况下的计算结果，2 0 3 4 3 结果分析2 2 3 5 本章小结2 3 第四章车架的动态特性分析2 4 4 1 模态分析2 4 4 1 1 模态分析的理论及主要方法2 4 4 2 2 模态分析结果2 6 4 2 谐响应分析2 7 4 2 1 谐响应分析的理论及主要方法2 7 4 2 2 分析结果2 8 4 3 本章小结3 0 第五章车架改进结构的对比分析3 2 v s i 7 ， 0 广西大学硕士掌位论文 盟载货汽车车架的有限元分析及优化设计 5 1 车架的破坏原因分析3 2 5 2 三个方案的结构对比3 3 5 3 方案二和方案三的静力分析及结果对比3 6 5 3 1 载荷的计算3 6 5 3 2 弯曲工况下的分析及结果对比3 7 5 3 3 弯扭组合工况下分析及应力值对比3 9 5 4 三种方案动态特性的分析对比4 4 5 4 1 方案二、方案三的模态分析及结果对比4 4 5 4 1 方案二、方案三的谐响应分析及结果对比4 6 5 5 本章小结4 8 第六章优化设计4 9 6 1 优化理论4 9 6 1 1 优化设计的数学描述4 9 6 1 2 优化设计的方法5 l 6 2 弯管梁结构方案讨论5 2 6 3 第四横梁局部优化5 4 6 3 1 建立优化模型5 4 6 3 2 优化结果及分析5 5 6 3 3 优化后的结果验证5 5 6 4 车架整体结构的优化5 6 6 4 1 优化模型的建立5 6 6 4 2 优化结果及分析5 7 6 4 3 优化后的模型分析5 9 6 5 本章小结6 0 第七章试验样车有限元计算与测试结果分析对比6 1 7 1 弯曲工况( 不考虑货箱) ，6 1 7 1 1 载荷的计算及约束的施加6 1 7 1 2 测点的选取6 3 7 1 2 计算结果6 4 7 1 3 小结6 8 7 2 弯曲工况( 考虑货箱) 6 9 7 2 1 计算模型的简化6 9 7 2 2 载荷的计算6 9 7 2 3 计算结果7 0 7 2 4 小结7 3 7 3 弯扭工况7 4 7 3 1 约束的施加7 4 7 3 2 计算结果7 4 7 3 3 小结7 5 7 4 分析中影响车架受力的两个因素的讨论7 6 7 4 一副纵梁和货箱对车架受力的影响7 6 7 4 2 发动机对车架受力的影响7 7 7 4 3 小结，7 9 v i 、 e 型载货汽车车架的有限炭。扩析履优化设计 7 5 子模型的分析( 局部分析) 7 9 7 5 1 子模型技术简介8 0 7 5 2 平衡轴处的局部分析8 1 第八章结论与展望8 4 8 1 论文得出的主要结论j 8 4 8 2 论文不足之处8 5 8 3 展望8 6 参考文献，8 7 致谢9 0 攻读学位期间发表的学术论文目录9 1 v n 广西大掌硕士掌位论文c 型载货汽车车架的有f 艮元分析及优化设计 符号说明 符号术语单位 e弹性模量m p a 弘泊松比 g载荷集度m p a m质量船 g重力加速度 m s 2 s面积 m m 2 时间频率h z v 车速确| h 疗空间频率1 m f发动机的冲程数 z发动机的缸数 吒 屈服极限m p a k 刚度矩阵 v i l l e 型载货汽车车架的有限元分析及优化设计 1 1 课题的背景及研究意义 第一章绪论 随着现代工业与城市的发展，大型基础项目建设、现代物流业以及高速公路网的迅 速崛起，促使重型汽车中、长途公路运输效益大大提高。公路运输市场也将逐步趋向集 约化、集装箱化、专用化，从而大大提高了大吨位、大马力的重型卡车市场的需求量。 某重型载货汽车是某重型汽车厂的主销车型之一，产品投放市场后，一度出现供不 应求的局面。但是由于在设计、制造及使用等方面的不足，致使车架大梁在行使1 2 万 公里左右发生明显的弯曲变形，弯管梁与联接板联接处、第四横梁与纵梁下翼面联接处 及平衡轴与纵梁联接处等部位出现裂纹甚至断裂，这严重影响了该公司的声誉和效益， 阻碍企业今后的发展。该公司采取了许多临时的措施，都未能彻底解决问题。鉴于以上 原因，该公司特将此问题作为科技攻关项目，并与广西大学机械工程学院签订了科研合 作合同，联合攻关，以期利用现代化的手段及科学的分析方法解决问题。 针对以上问题，我们决定以该货车车架为研究对象，利用有限元方法分析车架的结 构强度及动态特征，找出车架断裂的原因，提出合理的改进方案并对该车架进行优化设 计，降低车架自重。最后，运用应变电测技术进行现场的静、动态试验。一方面，能够 增强公司的市场竞争能力，提高经济效益；另一方面也为重型汽车车架的设计提供理论 依据和现代设计方法，；这对提高企业自主创新设计水平具有重大意义。 1 2 国内外研究的现状及存在问题 汽车车架是发动机、底盘和车身各总成的安装基础，是汽车的关键承载部件。因此 车架的设计在汽车总体设计中非常重要。车架是一个复杂的空间薄壁结构，实际使用中 的载荷情况也很复杂，采用经典力学的计算方法往往有很大的局限性。而有限元方法的 发展和应用，为其带来了一种可靠的计算方法。有限元分析己成为计算机辅助设计中不 可缺少的重要环节，融入到每一辆汽车的设计中。它包括从结构的物理模型抽象为有限 元计算的数学模型，各种复杂结构及装配的数值模拟方法，计算程序的选择或修改，以 及计算前后大量信息数据的处理等过程i i 儿引。 对于这方面的研究，国外较早，从7 0 年代起，欧美国家就已经在车架结构分析中采 【型载货汽车车架的有限元分析及优化设- t l 用有限元方法，r j m e l o s h ，k k i r i o k a 和t h i r a t a 等人在美国s a e 杂志发表了一系列 介绍汽车有限元模型的文章。1 9 7 7 年长春汽车研究所的谷安涛、常国振在汽车工程 上发表了“汽车车架设计计算的有限元方法”，揭开了中国汽车工业计算机辅助设计的 序幕【2 1 。有限元法在车架的应用，是从静态分析来研究汽车车架的结构强度【3 】- 【8 1 开始的。 美国福特汽车公司用板梁单元进行车身的静态分析，找出高应力区，并改进应力分布p j 。 河北工业大学周志革等对某轻型货车车架进行了强度分析，并通过实验的方法证明了计 算模型的正确【4 1 。文献【7 】中，作者针对某矿用自卸车车架局部开裂的问题，对车架进行 了有限元强度分析，并进行了改进设计。清华大学的桂良进等对“长安之星 微型客车 进行了刚度分析并通过实验台进行弯曲和弯扭组合实验，为同类车型开发、改型提供了 技术手段和依据【8 】。 随着计算机软硬件技术的飞速发展及计算方法的创新，有限元模型建立的技术和方 法日趋丰富和完善，模型的规模也从最初的几十、几百个简单单元发展到如今的几万甚 至几十万个混合单元，分析对象已由静态应力到动态响应、噪声、碰撞和优化设计。马 迅等人为某概念设计阶段的车架建立有限元模型，计算出其前五阶固有频率、振型及弯 曲和扭转刚度，并以总质量为目标，在动静刚度许可的范围内对其纵梁的截面尺寸进行 了优化设计 9 1 。文献【1 0 】中作者利用梁单元建立有限元模型，考虑汽车运行的主要工况 所受到的不同冲击载荷，对边梁式车架进行优化，同时进行了静态和模态分析，确定最 终的优化方案。桂良进等对某载货车车架结构进行了应力分析且进行了静态的实验验证 和优化设计，提出了合理的轻量化的方案。河北客车厂的冯国胜对某车架进行了有限元 动态分析和模态分析，通过分析所提供的信息，对某客货车在使用中发生的故障进行了 诊断，提出了相应的改进措施【1 2 】。文献【1 3 】中作者通过u n i g r a p h i e s 建立车架结构的c a d 模型，并通过a n s y s 对其进行分网和模态分析，获得车架的模态参数。李德信等对s x 3 6 0 自卸车车架进行了随机振动的分析【1 4 l 。杨波，刘文涛等人对路面谱开展了研究，并用功 率谱分析了在路面激励下模型的响应【15 】【1 6 1 。 与此同时，一些大公司更是利用自己雄厚的资金及技术优势，挖掘有限元技术在汽 车方面的运用潜能，缩短开发周期，提高产品性能。日本五十菱将有限元法应用到设计 的各个阶段，从最初设计阶段的粗略模型到设计中、后期的细化模型，分析的范围包括 强度、刚度、振动、疲劳、碰撞及形状和重量的优化【i7 1 。美国通用汽车公司在通用有限 元程序的基础上自主开发了后处理程序，将发动机和道路激励载荷集成到数据库中，进 【型敢货汽车车架的有限元分析及优化设计 行汽车对发动机和道路激励的响应分析和改进，极大地简化了分析过程【1 8 】。另外，各大 汽车公司几乎采用通用有限元程序进行设计计算，并结合实际情况作一些二次开发 【1 8 】1 1 9 】【2 0 l 。 车架作为整车一个重要部件，对其进行结构分析与研究具有重要意义，而悬架机构 的模拟是建立有限元模型的关键。汽车的车架系统是与悬架系统一起工作的，不同的悬 架系统对车架的强度和刚度影响很大。在车架的分析中，常把悬架结构作为车架的支承， 采用等效模拟的方式建立模型。北汽福田的陆波，根据板簧的结构和受力特点，提出了 三种不同的模拟方案，并从计算效率及计算精度两方面进行了讨论【2 l 】。在文献 2 2 中， k w p o h ，p h d a y a w a n s a ，a w d i c k e r s o n ，i r t h o m a s ，用有限元方法对自卸式 矿用卡车进行了分析，采用两个垂直的弹簧单元模拟悬架系统，收到了较好的效果。另 外罗开玉等对独立悬架的模拟进行了探讨和研究，并给出了不同工况下悬架的约束处理 田】 o 在目前的分析中，车架结构中各部分的搭接关系，多视为刚性联接来处理，对于柔 性联接的处理尚在探讨阶段。湖南大学的夏平利用接触算法，研究了轻型载重车铆接车 架的模拟【硼；另外张铁山等在文献 2 5 】中也考虑了搭接处的柔性联接，采用梁单元模拟 铆钉，对车架进行了静动态分析。c i c e kk a r a o g l u , n s e f ak u r a l a y 在对某卡车车架的应力 分析中也考虑了铆钉的联接【2 6 1 。 在实际的结构中，副车架和货箱是一起承载的，但对车架的有限元分析中往往不考 虑货箱。为探讨货箱对车架受力的影响，清华大学的历辉、李成琼曾制作了货箱一车架 模拟试验装置，通过实验和理论分析，研究副纵梁及货箱对车架受力的贡献【2 7 1 。另外上 海内燃机研究所、春兰研究院石常青等也做了这方面的研究，研究表明货箱的结构形式 对车架的受力影响显著【2 引。文献【2 9 】中，作者通过对货箱底部纵梁影响的模拟，同样表 明，副纵梁及货箱对车架受力时的贡献不可忽视。 综上分析可知，有限元作为一种强有力的科学的计算方法，已成为计算机辅助设计 中的不可缺少的重要环节，融入到汽车的设计中。使得车架的设计从以前的经验设计到 有限元法的使用和数值模拟技术的引入，对其进行动静态特性分析、优化设计等更科学 更高效更精确的设计方法，使车架的设计水平有很大的提高，取得了一定的研究成果， 但仍存在以下问题：1 对板簧的数值模拟方法研究较多，对平衡悬架的研究几乎没有； 2 对货箱对车架受力的影响方面有一定的探讨，但对发动机的影响的研究却很少。3 对车架的静态分析及动态特性的研究较多，对路面激励尤其是发动机激励的响应分析较 ，c 型载货汽车车架的有p 良元分析及优化设- i t 少；4 子模型技术在车架研究中的应用几乎为零。 1 3 本课题研究的内容 为了分析某重型车车架在使用过程中出现的弯曲、开裂等现象的原因，提出合理的 改进方案，并进行轻量化的优化设计，需对车架进行动静态特性分析及响应分析和优化 设计，最后进行实验验证，具体内容如下： 1 以某重型载货汽车为研究对象简化实体模型，建立车架有限元模型。 2 悬架及平衡轴的模拟是分析的关键，结合悬架及平衡轴的实际结构及受力特点 找出合理的模拟方案，并确定约束和载荷。 3 模拟各种危险工况，对车架进行静态分析和动态特性的分析及车架在路面和发 动机激励下的响应分析。并根据以上分析及实际使用中出现变形、断裂等情况，分析车 架破坏的原因。 4 针对车架的破坏部位及原因分析，提出不同的结构改进方案，对各方案进行分 析对比。针对结构较合理的方案进行结果优化设计，降低车架自重。 5 根据优化结果，生产样车，对样车进行静、动态实验，并将实验结果与计算结 果进行对比分析，验证计算模型、边界条件、模拟方法等的正确性。 6 探讨货箱和发动机对车架受力的影响。 7 将子模型技术应用到车架的分析中，利用其对车架大应力区进行局部的精细分 析。 本文主要研究车架的有限元分析及优化设计部分。 型载货汽车车架的有限元分析及优化设计 第二章车架有限元模型的建立 有限元模型的建立是进行分析的首要步骤，也是分析结果正确与否的关键，其建立 主要包括结构的简化、单元的选取、网格的划分、边界条件的确立、材料的物理特性以 及其它用来表现这个物理系统特征的给定。本章主要讨论了模型简化及有限元网格划分 的原则，确定车架的受力情况和材料的物理性能参数，建立车架的有限元模型。同时针 对平衡悬架系统的具体结构及工作原理讨论了其模型的简化并建立其有限元模型，为进 一步的分析打下基础。 2 i 车架结构简介 车架是整个汽车结构的基体，汽车绝大多数的部件都是通过车架固定其位置的，除 了支承连接汽车的各零部件，如发动机、传动系、悬架、驾驶室、货箱等机构，它还是 车内外的各种载荷的主要承受体。 车架作为汽车的联接及主要承载部件，其结构形式基本上有三种：边梁式、中梁式 ( 或称脊骨式) 和综合式。中梁式车架只有一根位于中央贯空前后的纵梁，这种车架的 制造工艺复杂，精度要求高，为保养和修理造成诸多不便。综合式车架是前部为边梁式， 而后部为中梁式的车架，它同时具有中梁式和边梁式车架的特点，前期多为轿车采用， 目前使用较少。边梁式车架应用最广泛，它由两根位于两边的纵梁和若干横梁组成，用 铆接法或焊接法将纵梁与横梁连接成坚固的刚性构架。边梁式车架的结构特点是便于安 装驾驶室、车箱及一些特种装备和布置其它总成，有利于改装变型车和发展多品种汽车， 因此被广泛应用于载货汽车和大多数的特种汽车上1 3 们。 本文分析的车型为普通重型载货车，设计承载为1 0 8 t 。车架采用边梁式结构，长 1 1 1 5 9 m ，宽0 8 6 5 m ，由两根纵梁和1 1 横梁组成，纵梁和横梁采用铆接法连接成坚固的 构架。纵梁采用非等断面槽形钢制成，高3 0 0 r a m ，翼面前后不等宽由7 0 r a m 渐变为8 0 r a m ， 两根纵梁如两根平形线一样布置，并且采用铆接的形式叠加有相同形状的内衬梁来增加 纵梁的横截面，提高整个车架的强度和刚度。对应力较大的部位( 平衡轴附近的纵梁) ， 在纵梁上铆接上、下联接板及耳轴垫板，连接平衡轴并局部加强车架结构。 根据断面形状的不同，车架横梁可分为槽形横梁、礼帽箱形横梁、对接箱形横梁、 管形横梁、叠槽形横梁等。本文分析的车型，第一横梁和后横梁均采用槽形横梁，第二 型载货汽车车架的有限元分析及优化设计 横梁采用管形横梁，第四到第八横梁均采用对接箱形横梁，其剖面形状见图2 1 。 o凸 ( a ) 槽形( b ) 管形( c ) 对接箱形 ( a ) o r o o v e d ( b ) t u b u l a r - s h a p e d ( c ) b o xs h a p e 图2 1 车架横梁的剖面形状 f i 9 2 一lt h e s e c t i o ns h a p eo fc r o s s m e m b e r s 另外，龙门支架、板簧支架、燃油箱支架、电瓶箱支架及备胎架等分别采用铆接的 方式固定到纵梁上。 2 2 模型的简化，实体模型的建立 2 2 1 模型简化的基本原则 车架的结构及零部件形状各异，支承及连接形式多样，载荷及传递复杂，因此，建 立有限元计算模型必然要做一定的简化，这种简化又使得计算模型只能近似的反映车架 的实际结构。一般来讲，这种简化所带来的误差要比有限元方法本身的计算误差大得多， 简化不合理还可能造成粗差，所以车架结构有限元法分析结果的精确性主要取决于计算 模型精确性【3 。 因此，模型建立时要充分合理地考虑结构的构造特点。几何建模时并不是完全照 搬结构的实际形状，而是应根据形状和受力特点对结构进行必要的简化、变换和处理。 一些相对尺寸很小的几何细节对结构的强度和刚度影响不大，但大大影响网格划分的质 量，应忽略。但若细节处于高应力区，这种细节常常引起应力集中，细节的几何尺寸和 形状对应力大小有很大影响，这类细节是不容忽视的。 另外，模型的简化程度也应充分考虑分析的类型和精度要求，动态分析时，由于 结构的固有频率和模态振型主要取决于质量分布和刚度，细小的几何尺寸影响不大，与 静力分析相比，可采用较为近似的几何模型，划分相对较粗糙的单元网格；另外在设计 初期方案选择阶段，可选取较简单的、近似程度较大的模型，而在设计开发后期，就要 查明结构细部应力和变形，需选取较精确的模型。 对于规模较大的模型，可分成几个部件分别建模，充分利用子模型技术、超单元 c 型载货汽车车架的有限元分析及优化设童4 - 技术等程序功能。 归结起来，建立模型时应遵循两个原则：一是要保证计算结果的精度：二是要适当 控制模型的规模。精度和规模是一对相互矛盾的因素，建模时应根据具体的分析对象、 分析要求和分析条件权衡考虑。保证精度是必需的，通过减小规模来降低精度将使分析 失去意义。在保证精度的前提下，减小模型规模是必要的，它可在有限的条件下使有限 元计算更好、更快地完成【3 2 1 。 2 2 2 实体模型的建立 车架在工作过程中的受力状态取决于多方面的因素，在建模的过程中假设车架材料 是各向同性材料，密度分布均匀，并且认为车架始终在材料的弹性范围内工作：假定车 架为理想状态，即不考虑材料的缺陷及焊接、加工、装配过程中形成的残余应力。 利用a n s y s 软件建立有限元模型，有两种建模方法：一是利用实体造型功能中的自 顶向下建模方法建立实体模型，然后再在实体模型的基础上进行网格划分，完成有限元 模型：二是直接生成有限元模型。本次分析把两种建模方法相结合，车架纵梁、横梁及 一些附件支架的模型建立采用第一种建模方法，对于前后悬架的模拟采用第二种建模方 法。 整个车架的纵梁和横梁由大量的薄壁件组成，这里提取中性面建立实体模型，纵梁 和横梁之间采用刚性联接。车架的左右纵梁上有大量的装配用孔，并且各部件不可避免 地存在过渡圆角，这些小的几何细节对车架的强度和刚度影响不大，却增加了模型的规 模，影响单元质量从而降低计算精度，因此，在模型简化过程中，忽略了这些几何细节。 车架附件形状和结构较复杂，考虑到对车架的应力贡献，作了适当的简化。建立的实体 模型，如图2 2 。 、 图2 2 车架实体模型 f i g2 - 2 t h es o l i dm o d e lo fat r u c kf r a m e 广西大掌硕士掌位论文 型载货汽车车架的有p 艮元分析及优化设计 2 3 车架有限元模型的建立 把实体模型划分为一定数量的微小单元，并把实际结构的物理特性赋予这些单元， 这样的模型称之为有限元模型( 数学模型) ，其建立包括选择单元、定义材料特性、划 分网格等步骤。正确建立结构的力学模型，是分析工作的第一步。 2 3 1 单元的选择 在单元类型上，早期的有限元分析模型大多采用梁单元模型【3 3 j 【3 6 1 ，其优点是划分 的单元数目和节点数目少，计算速度快。但是梁单元模型难以模拟车架的某些构件，难 以反映焊接、铆接等连接形式，而且也无法分析车架的应力集中问题。 薄壳单元也是分析中常常采用的单元【4 】【5 】【8 】【1 4 】【3 7 1 。薄壳单元模型的精度高于梁单元， 它避免了梁模型连接点的不易确定问题，可以反映连接点位置变化、局部加强板、各种 附属支架等情况，而且非常形象，其精度被实验证明是较高的。建模时可以取车架纵横 梁截面的中面为代表，对局部加强部分的板可以近似加在中面板的两侧。但薄壳单元模 型所占的空间要远远大于梁单元，前处理的工作量比较大而且计算时间也比较长。为此， 许多学者和研究者进行了多种探索，后来发展成用梁单元和薄壳单元混合建模【3 】。 最能体现实体几何原型的单元是实体单元。实体单元基于几何结构生成，从理论上 讲，只要构成的c a d 图形足够精确，实体单元尺寸足够小，建成的有限元模型就可无 限接近实际模型。但一个不容忽略的事实是，这种有限元模型占用的硬件空间最大，计 算时间较长。在用作模态分析时，往往存在刚性过大现象【3 。 综合考虑三种单元的特点及车架在各种工况下所受应力和变形情况，本次分析中采 用a n s y s 提供的壳单元s h e l l 6 3 对实体模型进行网格划分，建立有限元模型。 2 3 2 材料的物理参数及承受载荷 分析车型的纵梁、内衬梁、横梁以及其它零部件所用材料及相应的材料特性如表 2 1 【3 引。 e 互已载货汽车车架的有限元分析及优化设计 表2 1 车架材料特性表 弹性模量 密度 屈服极限 强度极限 牌号对应零件名称泊松比 ( m 咿a ) ( k g m m 3 ) ( 口a )( m 咿a ) 1 6 m r l l车架、内衬梁、横梁3 4 55 1 0 6 1 0 0 9 s i l 第一横梁3 4 55 l o 6 l o 2 0 g b 厂1 7 l l 第二横梁加强筋2 1 ) i 1 0 5 o 3 7 8 x 1 0 62 4 54 1 0 q 2 3 5 a第二横梁连接板2 3 53 7 5 5 0 0 1 0 ( 热轧管)第二横梁2 0 53 3 5 车架除承受载重量以外，作为主要的联接件，还承受驾驶室、发动机、油箱、电瓶 箱等附件的重力所带来的载荷，具体数值详见列表2 2 。 表2 - 2 车架承受载荷列表 参数名称数值 加载方式 前左：2 3 8 7 前右：2 3 8 7 驾驶室各支撑处的支反力( 加 后左：2 3 8 7 后右：2 3 8 7 动力总成各支撑处