燕山大学车能学院二级项目设计-救护车车架设计与性能仿真分析

.车辆与能源学院二级项目设计题目 救护车车架设计与性能仿真分析作者姓名 李同学 李学同 王同 罗同学 王学 专 业 车辆工程指导教师 梁 晨 陈俊云 董国疆 崔亚平 王建国2017年12月燕山大学车辆与能源学院二级项目任务书学院：车辆与能源学院 专业(方向)： 车辆工程 交通运输工程序号学号姓名班级项目分工1140113030059李同学 (组长）车辆3班整体规划、前期调研工作、三维图元宝梁的建立、车架横梁有限元分析、整体说明书的完善修改、实验室测量考察、方案优化。（19%）2140113030058李学同车辆3班前期调研工作、二维图的设计建立、三维图整体装配的建立、整体有限元分析、接头的有限元分析、第一章说明书的编写、优化。（22%）3140113030057王同车辆3班前期调研工作、三维图车架横梁的建立、保险杠的有限元分析、第四章说明书的完善、方案二二维图的建立、方案优化、总结。（18%）4140113030067罗同学车辆3班前期调研工作、二维图的设计建立、三维图后保险杠的建立、纵梁的有限元分析、PPT的制作、第二章说明书的编写、方案优化。（22%）5140113030056王学车辆3班前期调研工作、截面力学性能分析、三维图纵梁的建立、元宝梁的有限元分析、接头的有限元分析、第三章说明书的编写、优化。（19%）题目选题方向车架设计与性能仿真分析题目救护车车架设计与性能仿真分析主要内容(1) 调研与方案论证。查阅文献资料，给出项目实施思路、实施流程及初步设计方案。了解典型车辆车架在不同工况下的承载条件，以及总体布置设计方法；调研并进行产品对标，明确关键的性能指标。(2) 车架总布置设计与3D模型建立。结合车辆特点和需求，车架总布置主要包括：发动机变速器布置悬置点及连接方式、转向系统连接位置及方式、电瓶位置、与车身连接的悬置点位置及连接方式、备胎位置及连接方式等；根据载荷设计主要纵横梁结构断面形状和尺寸；确定车架各个组成零件连接方案；绘制车架总布置方案草图；建立车架纵横梁的三维几何模型，装配车架。(3) 性能分析与评价。根据目标车辆的典型工程需求和法规要求，应用有限元软件分析车架的整体扭转刚度、弯曲刚度，并分析接头刚度。结果分析，考虑制造成本、制造对环境的影响等因素，提出改进方案，对车架总体结构进行优化再设计。(4) 制造工艺论证与成本评估。对车架零件冲压、焊装工艺流程进行分析论证，评估制造成本。(5) 撰写研究报告，制作答辩PPT，进行小组汇报与答辩。基本要求(1) 项目应由小组成员共同完成，组员要分工明确，采用调研和讨论等方式，充分了解所设计系统与其他子系统的内在联系和制约关系，并作为影响因素考虑到设计中。(2) 项目设计过程中应综合考虑经济、环境、法律、安全、健康等制约因素，并体现一定的创新意识。(3) 提交设计综合报告、方案设计2D草图、车架设计3D模型和有限元模型，以及PPT汇报材料。时间节点17周 完成调研与方案论证，形成调研报告18周 完成车架总布置设计2D草图，建立车架3D模型。19周 完成车架性能分析与评价，提出优化方案。20周 完成制造工艺论证与成本评估。撰写研究报告，进行小组汇报与答辩。整体参数总长（mm）总宽（mm）保险杠宽度（mm）厚度（mm）纵梁（mm）第三横梁（mm）元宝梁长宽厚长宽厚长宽厚6321.4511561667.74138.558906571070.28271149218.77指导教师：梁 晨 陈俊云 董国疆 崔亚平 王建国2017 年12月15日目录目录目 录第1章 车架调研及方案论证11.1 国内外技术进展11.1.1 车架结构与设计技术进展11.1.2 车架性能分析技术进展41.1.3 车架制造工艺技术进展41.2 车架设计与制造中的存在问题51.3车架总布置设计方案61.3.1 方案一61.3.2 方案二71.4 车架总布置方案论证81.4.1 使用性能分析81.4.2 制造工艺分析121.5 参考文献13第2章 车架结构设计与三维建模142.1 车架结构设计142.1.1 梁截面结构设计162.2.2接头结构设计182.2 车架三维建模192.2.1 纵梁几何模型建立192.2.2 保险杠几何模型建立192.2.3 横梁几何模型建立212.2.4 接头几何模型建立222.2.5 车架整体装配23第3章 车架有限元模型建立与性能仿真分析243.1有限元模型建立要点技术说明243.1.1删除细节243.1.2减维243.2零部件性能仿真分析253.2.1 纵梁性能仿真分析253.2.2 保险杠性能仿真分析263.2.3 横梁性能仿真分析283.2.4 接头性能仿真分析333.2.5 车架总体结构性能仿真分析35第4章 车架制造工艺可行性分析394.1关于制造工艺过程中的讨论394.1.1关于“车架纵横梁连接方式的确定”的讨论394.1.2关于“冲压工艺的确定及其对环境的影响”的讨论394.1.3关于“焊装工艺的确定及其对环境的影响”的讨论404.2零件冲压工艺可行性分析404.2.1车架整体设计说明：404.2.2横纵梁成型工艺414.2.3保险杠成型工艺424.3总体装焊工艺可行性分析444.3.1装焊工艺对环境的影响444.3.2 装焊流程454.4车架总体制造成本评估484.4.1材料费的计算：484.4.2模具费的计算：494.4.3冲压费的计算：494.4.4机加工费的计算：504.4.5焊接费的计算：504.4.6 机器磨损费及其他费用：504.4.7总费用的计算：50总 结52第1章 车架调研及方案论证第1章 车架调研及方案论证1.1 国内外技术进展国内外车架整体朝着轻量化、大梁式和承载式车架是占绝大多数的主流车架形式，但它们都分别有着显著的缺点，即笨重和刚度不足。于是近年出现了融合这两者优点和车架设计方案，在承载式结构的车厢底部增加了独立的钢框架，可以认为是简化的大梁结构，从而在保证刚度的同时，重量和重心又比大梁式结构大为下降。由于对性能要求很高，而车身的刚度不足的汽车，在承载式车架的底部加焊了类似大型横梁的补强结构，从而增强了刚度。今后这种“杂交”车架的形式肯定会更层出不穷。1.1.1 车架结构与设计技术进展1.1.1.1车架整体结构车架主要由纵梁、横梁、发动机支架、离合器支架及其他附件组合而成。车架按照工艺的不同又分为焊接车架、铆接车架、铆/焊接的车架。中重型卡车主要采用铆接车架。车架按结构的不同来分类主要结构型式有：边梁式车架、X型车、无梁式车架、中梁式车架（或称脊骨式车架）和综合式车架。其中以边梁式车架应用最广。边梁式车架由两根位于两边的纵梁和若干根横梁组成，用铆接法或焊接法将纵梁与横梁连接成坚固的刚性构架。通常用低合金钢板冲压而成，断面形状一般为槽形，也有的做成Z字形或箱形断面。其结构特点是便于安装驾驶室、车厢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。被广泛采用在载货汽车，皮卡和大多数的越野汽车上。近代轿车为了保证良好的整车性能，尽量降低中心和有利于前后悬架的布置，把结构需要放在第一位，兼顾车架加工工艺性，所以车架形状设计的比较复杂而实用，具体形式见图1-1。图1-1 边梁式车架无梁式车架用车身兼做车架。汽车的所有零部件、总成都安装在车身上，载荷也由车身来承受如具体形式见图1-2所示。车身底板用纵梁和横梁加固，车身刚度较好，质量较轻，但制造要求高。目前广泛用于轿车和客。 图1-2 无梁式车架X型车架由两根纵梁以及X梁组成，如图1-3，实际上是边梁式车架的改进，有一定的抗扭刚度，X横梁能将转矩转变为弯矩，对短而宽的车架，这种效果最明显。图1-3 X车架中梁式车架只有一根位于中央而贯穿汽车全长的纵梁，亦称为脊骨式车架，具体形式见图1-4。中梁式车架有较好的抗扭转刚度和较大的前轮转向角，在结构上允许车轮有较大的跳动空间，便于装用独立悬架，从而提高了汽车的越野性；与同吨位的载货汽车相比，其车架轻，整车质量小，同时质心也较低，故行驶稳定性好；车架的强度和刚度较大；脊梁还能起封闭传动轴的防尘罩作用。但是制造工艺复杂，精度要求高，总成安装困难，维护修理也不方便，故目前应用较。 图1-4 中梁式车架综合式车架的前后部分相似于边梁式车架，以便分别安装发动机和驱动桥，中部为一短脊梁管，传动轴从短管内通过，具体形式见图1-5。是边梁式和脊梁式的综合，中部的抗扭刚度合适，但中部地板凸包较大，制造工艺复。 图1-5 综合车架1.1.1.2车架设计技术进展由于车架的结构和受力的复杂性，手工计算是无法完成的。自20世纪80年代以来，随着CAD/CAE技术的发展和推广以及计算机软硬件的发展，国内汽车行业已开始将CAD/CAE应用于汽车车架的设计计算中。运用大型通用软件进行汽车车架零件CAD建模，采用构件装配方法建立了车架三维模型。利用ideas对某车型车架进行有限元建模，对车架按5个静态工况进行计算分析，同时对车架进行了动态分析，并对实验结果和计算结果进行了比较分析。分析后得到车架应力和变形的数值及规律，从而设计和改善车。 1.1.2 车架性能分析技术进展早期汽车车架的结构分析方法采用的是试验方法、设计和试验交叉这两种。通过将车架简化成两根纵梁,再对其进行弯曲强度校核,显然满足不了汽车车架的设计要求早期多采用梁单元进行结构离散化。分析的初步结果是令人满意的，但由于梁单元本身的缺陷，例如梁单元不能很好的描述结构较为复杂的车架结构，不能很好的反应车架横梁与纵梁接头区域的应力分布，而且它还忽略了扭转时截面的翘曲变形，因此梁单元分析的结果是比较粗糙的，而板壳单元克服了梁单元在车架建模和应力分析时的局限，基本上可以作为一种完全的强度预测手段，逐渐被应用到汽车车架结构分析中，使分析精度大为提。从60年代起就开始运用有限元法进行汽车车架结构强度和刚度的计算。1970年美国宇航局将NASTRAN有限元分析程序引入汽车结构分析中，对车架结构进行了静强度有限元分析，减轻了车架的自重，是最早进行车架轻量化的分析。当前国外各大汽车公司利用有限元软件进行车架结构静态分析、模态分析的技术已经非常成熟，其工作重心已转向瞬态响应分析、噪声分析、碰撞分析等领域。而我国大约是在七十年代末才把有限元法应用于车架的结构强度设计分析中。在有限元法对汽车车架结构的分析中，早期多采用梁单元进行结构离散化。近十年来，由于计算机软件与硬件的飞速发展，板壳单元逐渐被应用到汽车车架结构分析中，使分析精度大为提高，由过去的定性或半定量的分析过度到定量阶段，当前国内对于有限元法应用于车架结构分析的研究只是限于车架或车架结构在静态扭转、弯曲载荷以及几种极限工况载荷作用下的分析，得出车架结构的静态应力分布，并对其进行了局部的修改，由于软硬件对计算模型规模的限制，模型的精细化程度不够，因而结构的刚度、强度分析的结构还比较粗略，计算结果多用来进行结构的方案比较，离虚拟实验的要求还有相当大的差距。1.1.3 车架制造工艺技术进展（1）加工方式的进展车架是重要承载件，多用模压成型工艺，故要求材料有较高的强度、塑性、疲劳耐久性、碰撞能量吸收能力和焊接性等，一般选用成型性能较好的高强度钢板、超细晶粒钢板和超高强度板。传统制造方法分为热加工和冷加工，热加工包括铸造、锻压、焊接、热处理、表面改性等。冷加工包括切削、冲压、特种加工等。现代制造技术以机械为主，交叉融合了光、电、声、材料、管理等学科的综合。（2）选材方面的进展车架选材方面，汽车大梁不但承受较大的静载荷，而且要承受一定的冲击、振动等，故要求钢板有一定强度、耐疲劳性能、冲压性能和冷弯性能。目前在汽车制造中，汽车车架使用最多的是优质低碳合金钢16Mn厚钢板制造横纵梁等结构件。这种钢板具有良好的塑性加工性能、冲压性能、冷弯性能、拼焊性能，强度和刚度也能满足汽车车架使用要求。（3）加工工艺流程的进展车架焊接一般经历下列几个工程，加热熔化冶金反应结晶固态相变形成接头。目前国内车架一般加工工艺流程已经发展为：纵梁准备纵梁横梁装配支撑板装配横梁铆接翻转铆接零部件补装零部件铆接翻转、打印流水号车架调整调运转涂。 1.2 车架设计与制造中的存在问题（1） 结构设计方面1) 车架轻量化问题 通过加厚车架板件能够很好地提高其刚度，但是这会增加车架质量，降低汽车燃油经济性。为了保证汽车具有足够的刚度和燃油经济性，车架轻量化成为载货汽车的发展趋势。 2） 车架受激励产生振动的问题 现代汽车绝大多数都具有车架，用于支承闻结汽车的各零部件，并承受来自车内外的各种载荷。汽车车架受到来自路面和车桥的激励产生振动，因某些结构设计不合理，由于振动而产生弯曲，扭转等变形，会造成某些部件疲劳破坏，甚至断裂。 （2）性能分析方面1）车架总体碰撞性能能否达到要求对于非承载式车身结构的车辆来说,车架是汽车碰撞中最主要的吸能元件,50%以上的撞击能量均为车架所吸收,因此研究车架的碰撞特性有着重要意义。2）车架碰撞恢复性能问题汽车碰撞后车架可修复的能力。3） 由于有限元分析法等技术的缺陷引发的问题有限元方法仅把车架简化为理想的模型，所加载的力和所处工况并不能全面体现车架实际使用时的复杂条件下的形式。（3）制造工艺方面车架涂装问题我国车架涂装水平相差比较悬殊，大批量生产总体上好于小批量生产。存在的共性问题是，锐边、焊缝及缝隙部位涂漆不完全，即使采用阴极电泳，由于结构限制及工序间锈蚀导致前处理不良，也不能避免这些质量缺陷。与国外相比，我们最好的水平与日本和韩国相当，但不及欧美。1.3车架总布置设计方案1.3.1 方案一采用边梁式车架，动力装置采用前置后驱，见图1-6。 图1-6 总布置一优点：1.操控性好。后轮负责驱动，令前轮可专注于转向工作，因此转向时的车辆反应更加敏捷；2.因为一些组件从车辆前部移至后部，使整车的前后配重比可以接近或达到50：50的完美比例，大大提升了车辆行驶的平衡性和稳定性，所以操控性更加优异，这就是为什么大多数跑车采用后轮驱动的原因；3.起步加速表现好，舒适度高。车辆汽车起步、加速或爬坡时重心后移，后轮作为驱动轮抓地力增强，有利于车辆起步、加速或爬坡，提供更好的行驶稳定性和舒适度；4.维修容易，前置后驱的安排使发动机、离合器和变速器等部件更接近驾驶室，简化了操纵机构的布局和转向机构的结构，便于车辆的保养和维修。缺点：传动路线长，动力损耗大，传动效率低，结构复杂，成本增加，不利于车辆的燃油经济性。 将运用有限元分析法对车架的静动态特性进行分析，进而对其结构进行设计、改性和优化。将从车架的使用性能、制造工艺进行分析。1.3.2 方案二采用中梁式车架，中梁式车架只有一根位于中央贯穿前后的纵梁，因此亦称为脊梁式车架，见图1-7，多用于越野车。图1-7 总布置二优点：这种结构对于横向弯曲及其水平菱形扭动有很好的抵御作用。缺点：制造工艺复杂，维修不便。1.4 车架总布置方案论证1.4.1 使用性能分析1.4.1.1碰撞安全性车架碰撞变形主要有5种类型：左右弯曲变形、上下弯曲变形、断裂变形、菱形变形、扭转变形。图1-8、图1-9、图1-10所示为车架碰撞变形图。图1-8 车架前后部的左右弯曲变形 图1-9 车架前后部的上下弯曲变形图1-10 车架扭曲变形方案一：由以上分析可以看出，车架纵梁的主要变形发生在纵梁的拱形处。拱形凸起处是纵梁结构的薄弱环节，针对这种情况，我们在设计时，在前后纵梁端部增加一段波纹加工过的碰撞吸能区，如图1-11，并将该吸能区用螺栓连接在纵梁上，在碰撞时可以充分吸收碰撞能量。图1-11 车架吸能区示意图边梁式车架的纵梁在其最大宽度处支撑着车身，在车身受到侧向冲击时可以为乘员提供保护，在正面碰撞时，可以吸收大部分能量，在侧向碰撞中，由于中心梁靠近前面地板边侧构件，使乘坐室受到保护，同时因乘坐室地板低，从而质心降低，具体布置见图1-12。图1-12 边梁式车架示意图在纵梁内部增加防撞梁可以有效避免碰撞，布置如图1-13。 图1-13 前后保险杠示意图方案二：碰撞时对于横向弯曲及其水平菱形扭动有较好的抵御作用。传动轴由中梁内孔通过，主减速器壳通常固定在中梁尾端。中梁式车架的结构特点是中梁的断面可做成管形或箱形，中梁式车架有较大的扭转刚度并使车轮有较大的运动空间，便于采用独立悬架，车架较轻，减轻了整车质量，重心也较低，行驶稳定性好。但整体碰撞性能不如边梁式车架。1.4.1.2强度方案一：边梁式车架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结构。方案二：中梁式车架只有一根位于中央贯穿前后的纵梁，中梁的断面可以做成管型或者箱型。这种结构的车架有较大的扭转刚度，使车轮有较大的运动空间。1.4.1.3成本 车架的使用性能成本主要体现在保养与故障维修方面。方案一：边梁式车架出现的主要故障及其解决方法有：（1） 车架总成变形的校正，其解决办法为：用两根导链栓住某一个固定位臵,用千斤顶将车架宽度最小的位臵用力往外顶,顶出超出车架宽度的尺寸,停留半小时后在把千斤顶松掉进行检测车架的宽度是否符合尺寸的要求即可。（2） 弯曲变形，其解决方法为：用一个导链栓住纵梁离地面高的一端固定在地桩上,用千斤顶顶住离地面低的一端,用力往上顶超出另一端的高度5-10CM停留半小时后松掉进行检测,左右离地面高度在公差范围内即可。（3） 车架各部位铆钉松动脱落的维修，其解决方法为：车架总成原使用的铆钉松动脱落可用10.9级的高强度螺栓紧固.平衡轴悬挂横梁下边的铆钉松动脱落必须用高强度螺栓自锁螺母紧固,并使用螺纹紧固胶。方案二：中梁式车架的维护，其解决方法有：（1）按期清洗车架上的泥垢，清洗时，只能用水冲或用毛刷子洗刷，而不能用铁片铲刮。（2）带拖车时，起步应缓慢，以免挂钩或牵引钩断裂或车架变形。拉杆不可弯曲，要能灵活移动,可用机油加以润滑。（3）车架上的漆如脱落，应及时补好，以防锈蚀。（4）在进行一级维护时，应仔细检查车架的铆钉是否松动，纵横梁有无裂纹和弯曲之处。（5）进行二级维护时，应全面检查车架是否弯曲、扭转、断裂、开焊或铆钉松动。1.4.1.4法规 设计车架符合标准编号：QC/T 457-2013 救护车、标准编号：WS/T 292-2008 救护车、标准编号：GB17354-1998 汽车前、后端保护装置1.4.2 制造工艺分析1.4.2.1成本 方案一汽车结构的轻量化对汽车节能和环保具有重要意义，对汽车进行减重，可以节约原材料的使用，使汽车的制造成本随之下降，同时重量轻的汽车也意味着较低的燃油消耗，有利于节能环保。由于车架重量占汽车重量的比重较大，所以减轻车架重量又成为车辆轻量化研究中的重点。槽型梁主要工序为折弯，成本低。边梁式车架结构简单，较为容易制造出。横纵梁之间采用铆接，易加工，成本低。方案二：中梁式车架要求精度较高，与同吨位的载货汽车相比，其车架轻，整车质量小，采用的制造方法多为较精细的方案，加工难度高，总成安装困难，维护修理也不方便，目前应用较少。1.4.2.2法规 设计车架符合标准编号：QC/T 457-2013 救护车、标准编号：WS/T 292-2008 救护车、标准编号：GB17354-1998 汽车前、后端保护装置1.4.2.3环境保护不管是方案一还是方案二，装配过程中都有可能用到焊接的装配方法，焊接对环境的主要危害有： （1）焊接操作者面临随时可能发生的着火、爆炸、触电、灼烫、高处坠落和急性中毒等危险，以及弧光、电焊烟尘、有毒气体、高频电磁辐射、射线、噪声和热辐射等有害因素的影响，容易发生工伤事故和职业危害，并造成环境污染。 （2）焊接烟尘： 焊接烟尘粒子小，烟尘呈碎片状，粒径为1m左右,粘性大。 有害气体：焊接时高温电弧下产生的，主要有臭氧、氮氧化物、一氧化碳、氟化物及氯化物等。 （3）高频电磁辐射：氩弧焊接和等离子焊接的扩大应用产生的。当等离子焊和氩弧焊采用高频振荡器引弧时，振荡器要产生强烈的高频振荡，击穿钨极与喷嘴之间的空气隙，引燃等离子弧。另外，又有一部分能量以电磁波的形式向空间辐射，形成了高频电磁场，对局部环境造成污染。 （4）光辐射:各种明弧焊、保护不好的隐弧焊以及处于造渣阶段的电渣焊，都要产生外露电弧，形成光辐射。光辐射的强度取决于以下因素：焊接工艺参数，焊接方法，距施焊点的距离以及相对位置，防护方法。综上所述，经过综合考虑，选择方案一进行设计。1.5 参考文献1 黄天泽，黄金陵.汽车车架结构与设计J. 北京：机械工业出版社，1996 2 王永伦.汽车制造工艺基础J. 机械工业出版设,2012-01-013 汽车构造M. 机械工业出版社 , 李晶华主编, 20064 陈家瑞 汽车构造 下册 北京：人民交通出版社 2002.25 谷安涛,常国振.汽车车架设计计算的有限元法J. 汽车技术,1977(6):54-656 张宏伟. 客车车身结构有限元分析，大连理工大学硕士论文，2005.127 王永伦.汽车制造工艺基础J. 机械工业出版设,2012-01-018 汽车制造工艺基础 谢永东 机械工业出版社 2008-1-19 有限元法应用于汽车车架结构分析中的几个问题 黄金陵 吉林工业大学学报 1980年01期.59第2章 车架结构设计与三维建模第2章 车架结构设计与三维建模2.1 车架结构设计（1）功能和可靠性 车架设计首先要保证的就是产品的功能和可靠性，并且要保证产品有良好的工艺性。车架设计是一项创造性劳动，新颖的设计要求有新的构思，对此设计人员一方面应大胆的采用新理论和新结构，另一方面也要总结经验采用原有的成功的技术和结构。车架设计涉及到工程技术的各个领域，主要基本要素有：材料、强度、挠度、刚度、稳定性；摩擦、磨损、润滑；形状、尺寸、表面加工、体积、重量、风格；温度、噪声、腐蚀；可靠性；控制；使用、安全、价格；以及维修等。（2）强度计算 车架属于整车中的关键件，其中强度不够产生的断裂直接影响着整车可靠性和安全性。因此在设计车架时强度时零件的基本要求。设计人员应当尽可能精确地确定作用在零件上载荷地性质、大小、方向和作用点。由于在设计中一方面很难确定载荷的全部要素；而且即使同一种材料做成的试样对载荷、温度、环境等条件 所显示地抵抗能力也会出现差异。这样，计算的结果就不能准确的表示实际的承载能力。为此，在车架设计中常做出各种假设，以便对产品进行力学计算和强度分析。假设既要反映实际情况，又要便于计算。一般这种假设都偏于保守，也有考虑不周而失效的。所以对于车架的设计必须要通过试验和试用，证明该产品的设计是成功的。车架一般设计流程如图2-1所示图2-1 设计流程图注释说明：1）需要设计输入的参数有如下内容：整车总体尺寸参数、货箱尺寸参数、轴距布置尺寸、整车前后悬尺寸、整车最大承载量等2）影响车价宽度的尺寸确定的参数有：整车宽度、车桥轮距、转向桥的最大转向、悬架弹簧中心跨距、发动机外廓尺寸等3）车架材料确定需考虑的参数有：纵梁截面尺寸范围、加工制造工艺可能性、Benchmark、车辆承载范围等4）确定车技纵梁截面尺寸需要考虑的指标有：纵梁截面抗弯强度5）确定车架横梁结构需要考虑的指标有：加工制造工艺可能性、Benchmark、车架抗扭强度、动力传动总成的布置情况、是否带牵引钩等6）车架布置需要考虑的因素有：动力传动总成布置情况、取力器或减震器的布置、悬挂布置7）车架FEA分析按国家标准或企业标准8）车价零件工程设计输出的数据有：零件详细三维数模、零件详细工程图纸、零件材料、零件重量、零件加工公差要求9）车架台架测试方法：车架台架疲劳试验根据设计惯例、各项标准及要求，拟选用边梁式车架，主要由两根纵梁和7根横梁铆接而成。横梁也用钢板冲压成槽形，以增强车架的抗扭强度。前横梁上装置冷却水散热器，第二根横梁作为发动机的前悬置支座。为了尽可能降低发动机的位置，以改善驾驶员的视野，因此该横梁做成下凹形。两根纵梁和所有横梁铆接后，其前后宽度有相应变化，避免纵梁宽度转折处应力集中，提高车架的使用寿命。车架前端装有横梁式的缓冲件保险杠。当汽车突然受到障碍物的冲击时，它可以保护翼子板和散热器，使之不受损伤。2.1.1 梁截面结构设计纵梁用钢板冲压成槽形。其特点是容易成型，弯曲刚度大、强度高，零件安装与紧固方便。纵梁断面尺寸确定应依据车型的最大承载量、用途和使用工况来确定。首横梁即第一横梁，一般为通用槽型横梁。元宝梁整体形状设计为U型，一方面可以避开发动机和变速箱的干涉，另一方面可以增加发动机、变速箱部位车架的强度和抗扭刚度，减少安装在车架上的动力传动系统悬置的振动幅度。第三横梁则应避开与变速箱传动轴等部件的干涉的同时，还要考虑平台之间车架的通过性，而且要尽量靠前，改善元宝梁的受力状态。对于单后桥车型，后悬架为钢板弹簧结构，在后悬与车架的前后支架点处各布置一横梁，以承受后桥传来的载荷，同样采用槽型梁结构。前后保险杠统一采用吕型截面纵梁、横梁、保险杠截面设计草图如图2-2所示，其中a、c为横梁，d为纵梁，b为保险杠。 a b c d图2-2 各梁及保险杠截面所选材料依据建议的类型（形状、高度）以及材料厚度可以满足材料应力极限，一般情况下，通过计算后可得到的应力值是材料屈服极限的三分之一，被认为是安全的。衡量截面校核：截面形状校核,将纵梁简化为简直梁，应用平行移轴定理和图乘法计算当挠度为1mm时纵梁所承受的载荷，图2-3为图乘法力矩图。图2-3 图乘法力矩图求得F=404kN，载重满足要求2.2.2接头结构设计铆接的主要特点是：工艺简单、联接可靠、抗振、耐冲击。相对螺栓联接而言，铆接更为经济、重量更轻，适于自动化安装。纵梁与横梁连接接头采用铆接，如图2-4所示。图2-4 铆接接头元宝梁与横梁连接采用电阻点焊。电阻点焊具有的采用内部热源、热量集中、热影响区小、产品变形小，能获得较好地表面加工质量、易操作、不使用外加焊接耗材等特点，如图2-5所示。图2-5 焊接接头2.2 车架三维建模2.2.1 纵梁几何模型建立纵梁使用CATIA多截面曲面功能，在纵梁首尾两端截面建立截面的草图，并以纵梁空间曲线为引导线，建立多截面曲面，如图2-6所示。图2-6 纵梁-多截面曲面然后使用加厚曲面功能，双向偏移生成实体，如图2-7所示。图2-7 纵梁几何模型2.2.2 保险杠几何模型建立使用CATIA扫掠功能，轮廓为保险杠截面，引导曲线为能反映保险杠形状的草图曲线，如图2-8所示。图2-8保险杠-扫掠然后使用加厚曲面功能，双向偏移生成实体，如图2-9所示。图2-9 保险杠几何模型吸能盒则用凸台建立，如图2-10所示。图2-10 吸能盒几何模型最后得到完整保险杠几何模型如图2-11所示。图2-11 保险杠与吸能盒几何模型2.2.3 横梁几何模型建立横梁几何模型建立与保险杠相似，均是以扫掠功能为基础，然后使用加厚曲面得到的。包括元宝梁在内，一共7根横梁，如图2-12所示。图2-12 横梁几何模型2.2.4 接头几何模型建立接头几何模型建立与吸能盒相似，通过建立凸台生成，接头模型如图2-13所示图2-13-a 接头几何模型图2-13-b 全部接头几何模型2.2.5 车架整体装配简述车架整体装配过程，并给出车架几何、物理信息，包括质心、重量、惯量等。按照统一坐标系建立各零件模型，将各Part导入同一Product，即可自动装配。使用应用材料命令，分别将钢和铝应用给车架和保险杠，得到渲染图，再使用测量惯量命令，即可得出质心、重量、惯量等物理量，如图2-14所示。图2-14渲染图及惯量测量第3章 车架有限元模型建立与性能仿真分析第3章 车架有限元模型建立与性能仿真分析3.1有限元模型建立要点技术说明将实际结构转换为有限元分析模型时，一般需考虑下面几点：(1) 结构对称性的利用；(2) 删除细节；(3) 减维（选取合适的单元类型）；(4) 有限元网格划分；(5) 边界条件的处理；(6) 建立节点载荷。对于具体对称性的结构，可利用对称性来减少计算的规模。3.1.1删除细节实际结构往往是复杂的，在建立力学模型时常常将构件或零件上的一些细节加以忽略而删去，例如构件的小孔、浅槽等。删除细节的基本思想是“着眼于整体特征而不及其余”，因为这些细节对问题求解的影响很小，因而可以忽略。从几何上看，细节的某些尺寸与分析对象的总体尺寸相比是很小的，而且对问题的影响可以忽略；但尺寸细小是一个必要的条件而不是充分条件，例如有一个小孔横向贯穿于轴，这个小孔对轴的刚度也许没有多大影响，但是对于疲劳强度和应力集中却不一定能予以忽略。所以，细节可否删除，要多方面考虑，诸如分析的目标、载荷与约束情况等等，需要具体问题具体分析。3.1.2减维任何构件或零部件都是三维的，但是当其某一个方向或某两方向的尺寸远小于其他方向的尺寸时，就可以简化为杆或板，这种简化称为减维。如果构件在两个方向的几何尺寸为同一数量级，则往往简化为二维板件。通常，这种构件的厚度至少应小于长、宽最小尺寸的1/51/8，根据受力特点，分别用模单元、板单元或壳单元来模拟。本次分析的车架使用壳单元模拟。3.2零部件性能仿真分析3.2.1 纵梁性能仿真分析1) 几何条件：槽形截面，厚度为7mm；2) 物理条件：采用16Mn制造，弹性模量E=210000MPa，泊松比=0.3；3) 边界条件：在前后悬与纵梁连接处设置约束，前悬处约束x，y，z方向滑动和绕x，z的转动；后悬处约束y，z方向滑动和绕x，z方向转动。4) 加载条件：利用对称性，经过简化，在单根纵梁的正中间选取几个点加载所设计车辆的一半载重量，如图3-1所示。图3-1 纵梁约束与载荷的加载纵梁如上述加载约束和载荷后，进入Hyperview查看计算结果，其中纵梁变形如图3-2所示，纵梁在此工况下的应力状况如图3-3所示。图3-2 Hyperview纵梁变形分析图图3-3 Hyperview纵梁应力分析图3.2.2 保险杠性能仿真分析1) 几何条件：吕字形截面，与纵梁螺栓连接，厚度为7mm；2) 物理条件：采用铝合金制造，弹性模量E=70000MPa，泊松比=0.3；3) 边界条件：在两边设置全约束；4) 加载条件：经过简化，在保险杠的正中间选取几个点加载挂钩所施加的载荷，如图3-4所示。图3-4 保险杠约束与载荷的加载保险杠如上述加载约束和载荷后，进入Hyperview查看计算结果，其中保险杠变形如图3-5所示，保险杠在此工况下的应力状况如图3-6所示。图3-5 Hyperview保险杠变形分析图图3-6 Hyperview保险杠应力分析图3.2.3 横梁性能仿真分析3.2.3.1 元宝梁1) 几何条件：槽形截面，与纵梁焊接，厚度为7mm；2) 物理条件：采用16Mn制造，弹性模量E=210000MPa，泊松比=0.3；3) 边界条件：在其两端与纵梁连接处设置全约束；4) 加载条件：利用对称性，经过简化，在其正中间选取几个点加载所设计发动机的重量，如图3-7所示。图3-7 元宝梁约束与载荷的加载元宝梁如上述加载约束和载荷后，进入Hyperview查看计算结果，其中纵梁变形如图3-8所示，纵梁在此工况下的应力状况如图3-9所示。图3-8 Hyperview元宝梁变形分析图图3-9 Hyperview元宝梁应力分析图经过对元宝梁变形和应力的分析，得出结论：目前所用方案可以被进行进一步优化。于是将其厚度改为5mm。再次使用Hyperview分析：其中纵梁变形如图3-10所示，纵梁在此工况下的应力状况如图3-11所示。图3-10 Hyperview优化后元宝梁变形分析图图3-11 Hyperview优化后元宝梁应力分析图优化后的元宝梁较之前既能达到使用需求，又节省了材料，使得整车重量减轻。3.2.3.2 第三横梁1) 几何条件：槽形截面，与纵梁铆接，厚度为7mm；2) 物理条件：采用16Mn制造，弹性模量E=210000MPa，泊松比=0.3；3) 边界条件：两端与纵梁连接处设置全约束。4) 加载条件：利用对称性，经过简化，在横梁的一侧选取几个点加载所设计油箱重量，如图3-12所示。图3-12 第三横梁约束与载荷的加载第三横梁如上述加载约束和载荷后，进入Hyperview查看计算结果，其中纵梁变形如图3-13所示，纵梁在此工况下的应力状况如图3-14所示。图3-13 Hyperview第三横梁变形分析图图3-14 Hyperview第三横梁应力分析图经过对变形和应力的分析，得出结论：目前所用方案可以被进行进一步优化。于是将其厚度改为3mm。再次使用Hyperview分析：其中纵梁变形如图3-15所示，纵梁在此工况下的应力状况如图3-16所示。图3-15 Hyperview优化后第三横梁变形分析图图3-16 Hyperview优化后第三横梁应力分析图优化后的第三横梁较之前既能达到使用需求，又节省了材料，使得整车重量减轻。3.2.4 接头性能仿真分析3.2.4.1弯曲刚度分析1) 几何条件：采用铆接,横梁、纵梁、接头厚度均为7mm；2) 物理条件：采用16Mn制造，弹性模量E=210000MPa，泊松比=0.3；3) 边界条件：在接头两边设置全约束；4) 加载条件：在目标横梁上加载4000N的载荷，如图3-17所示。图3-17 接头弯曲刚度测量约束与载荷的加载图3-18 接头弯曲刚度测量变形分析图接头刚度计算：3.2.4.2 扭转刚度分析1）几何条件：采用铆接, 横梁、纵梁、接头厚度均为7mm；2）物理条件：采用16Mn制造，弹性模量E=210000MPa，泊松比=0.3；3）边界条件：在接头两边设置全约束；4）加载条件：在目标横梁上加载的载荷，如图3-19所示。图3-19 接头扭转刚度测量约束与载荷的加载图3-20 接头扭转刚度测量变形分析图接头扭转刚度计算：进行优化，将横梁厚度改为3mm，纵梁厚度为7mm，接头厚度改为3mm。优化后的接头刚度计算：3.2.5 车架总体结构性能仿真分析3.2.5.1 弯曲刚度分析1) 几何条件：除元宝梁为焊接外，其余部位连接均采用铆接，横梁厚度为 7mm，纵梁厚度为7mm； 2) 物理条件：采用16Mn制造，弹性模量E=210000MPa，泊松比=0.3；3) 边界条件：在前后轴处设置全约束；4) 加载条件：在纵梁前后承重位置上加载总和为40000N的载荷，如图3-21 所示。图3-21 整体弯曲刚度测量约束与载荷的加载图3-22 整体弯曲刚度测量Z向变形分析整体弯曲刚度计算：3.2.5.2 扭转刚度分析1) 几何条件：除元宝梁为焊接外，其余部位连接均采用铆接，横梁厚度为 7mm，纵梁厚度为7mm；2) 物理条件：采用16Mn制造，弹性模量E=210000MPa，泊松比=0.3；3) 边界条件：在后轴处设置约束，约束XYZ三轴的滑动；4) 加载条件：在纵梁前承重位置上扭矩为10840000Nmm的扭矩，如图 3-23所示。图3-23 整体扭转刚度测量约束与载荷的加载图3-24 整体扭转刚度测量Z向变形分析整体扭转刚度计算：经过对整体弯曲扭转工况下刚度的计算，得出结论：目前所用方案可以被进行进一步优化。于是如前部分优化所示，将横梁厚度改为3mm，元宝梁厚度改为5mm，纵梁厚度为7mm。再次使用Hyperview分析：其中整体弯曲变形如图3-25所示，整体扭转变形如图3-26所示。图3-25 优化后整体弯曲刚度测量Z向变形分析图3-26 优化后整体扭转刚度测量Z向变形分析优化后整体弯曲刚度计算：优化后整体扭转刚度计算：综上所述：优化后的整体车架较之前既能达到使用需求，又节省了材料，使得整车重量减轻。第4章 车架制造工艺可行性分析第4章 车架制造工艺可行性分析4.1关于制造工艺过程中的讨论4.1.1关于“车架纵横梁连接方式的确定”的讨论讨论时间：2018年1月4日 本次讨论就车架纵横梁连接方式的问题展开，经查阅资料可知车架有三种连接方式，分别为焊接，铆接和螺纹连接，本次讨论要确定出哪种连接方式更适合本次项目中的车架。李学同同学提出观点，她认为焊接工艺更为适合我们的车架，因为焊接工艺适应性很广泛，可以适用于任何材料。罗同学同学进行了补充，他赞同地说，除了适应性广泛之外，焊接工艺成本低廉，比起铆接和螺纹连接工艺，焊接工艺更为经济，还可以节省材料，同时可节省划线、钻孔、装配等工艺。王学同学提出了不同的观点，根据他查阅的资料，他认为焊接变形较大，铆接连接变形小，对环境要求低，更占优势。王同同学认为双方观点都有道理，但更偏向于焊接连接，因为焊接的优点更突出。最后组长李同学提出我们可以更为细节化的去确定方案。比如横纵梁连接可以与元宝梁与纵梁的连接区分开来看。最终由于其位置形式不同，将此次二级项目车架纵梁与横梁连接确定为铆接，而元宝梁是插入纵梁槽内的，确定其连接方式为焊接。4.1.2关于“冲压工艺的确定及其对环境的影响”的讨论讨论时间：2018年1月8日本次讨论就冲压工艺展开了讨论，冲压工艺是必不可少的工艺，购进的原材料为钢板，要把他冲压为我们所需要的形状，切断多余的材料。大家查阅出整体要求，车架是整个汽车的基体，用于承载绝大部分重量和固定连接绝大多数零件。工作性质要求车架具有足够的强度和刚度，以承重载荷并且有形状稳定性，同时要求其质量尽可能小。总体冲压工艺流程：原材料入库开卷线大件清洗涂油、小件开卷剪切冲压生产线安装模具、调试首件合格投入批量生产合格件防锈入库所选冲压为冷冲压，包括分离工序和成型工序。操作简单、省时省力、容易掌握，能获得较为复杂的几何形状和尺寸。关于冲压对环境的影响，主要是噪声。集合大家提出的建议，总结为：严格控制工人在噪声车间的工作时间。工厂应建立在远离居民区的位置。设置隔声屏障。优先选用无噪声或低噪声的设备。采取可消减噪声的工艺，尽量避免大负荷。4.1.3关于“焊装工艺的确定及其对环境的影响”的讨论讨论时间：2018年1月9日本次讨论就焊接工艺展开，因车架连接中用到了焊装工艺，焊接对环境影响极大，因此，小组内展开了讨论。考虑到各种焊接方式的优缺点，最终确定为二氧化碳气体保护焊，因为元宝梁是深入纵梁槽内的，二氧化碳气体保护焊对焊接空间要求低，无法采用缝焊和电焊。焊接工艺是工业生产中应用最为广泛的工艺之一，但其本身工作条件恶劣，在焊接过程中，要在高温条件下进行，同时会产生粉尘、锰、臭氧、二氧化氮等有害物质，与此同时，还有噪声的影响。长期工作在焊接环境下，使用锰焊条的作业工人，极易导致慢性的锰中毒。由于工作环境烟尘大量超标，工人的肺功能异常损伤超出平均百分比，严重噪声，密闭环境，使工人听力下降。经讨论分析，虽然工艺上近年已有改进，在规定上也有进步，但恶劣的工作环境还是有待改善，在烟尘、锰、噪声等方面上仍需加大控制力度，减少对健康的损害。4.2零件冲压工艺可行性分析4.2.1车架整体设计说明： 车架是整个汽车的基体，用于承载绝大部分重量和固定连接绝大多数零件。工作性质要求车架具有足够的强度和刚度，以承重载荷并且有形状稳定性，同时要求其质量尽可能小。（具体结构见4-1） 总体冲压工艺流程：原材料入库开卷线大件清洗涂油、小件开卷剪切冲压生产线安装模具、调试首件合格投入批量生产合格件防锈入库所选冲压为冷冲压，包括分离工序和成型工序。操作简单、省时省力、容易掌握，能获得较为复杂的几何形状和尺寸。冷冲压是塑性加工的基本方法之一，它是利用安装在压力机上的模具，在室温下对板料施加压力使其变形和分离，从而获得具有一定形状、尺寸的零件的压力加工方法。金属板料在冲压力的作用下，其应力超过其强度极限而沿一定的轮廓线断裂，成为分离工艺。分离工序又可分为落料、冲孔、切断、切边、剖切、切口和剪切等；金属板料在冲压力的作用下，超过其屈服强度极限但低于强度极限而产生塑性变形，从而获得一定形状和尺寸要求