载重载货汽车-开题报告

车辆工程学院车辆工程学院 毕业设计 论文 开题报告毕业设计 论文 开题报告 毕业设计 论文 题目 载重载货汽车车架有限元分析载重载货汽车车架有限元分析 学 生 姓 名 指导教师姓名 专 业 2012 年 03 月 20 日 一 一 课题名称 载重载货汽车车架有限元分析 二 二 课题研究背景 汽车工业随着国民经济发展和交通运输体系的全面建立得到了飞速的发展 汽车车架作为汽车总成的一部分 承受着来自道路和装载的各种复杂载荷的作 用 并且汽车上许多重要总成件都是以车架为载体 因而车架的强度和刚度在 汽车总体设计中起了非常重要的作用 在汽车行业中 有限元法广泛应用于各 大汽车总成 包括车架 车身 车桥 离合器 轮胎 壳体等零部件以及驾驶 室噪声的分析 大大提高了汽车设计水平 正在成为设计计算的强有力工具之 一 三 三 课题研究意义 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己经实现 了全方位综合发展 车架的设计是一项严谨而细致的工作 这不仅需要设计人 员不断探索车架在整车工作过程中的具体状况 寻求更符合车架实际工作状况 的设计方法 还需要工程技术部门不断积累已有技术能力和设计经验 形成自 己小而准确的设计程序 车架的设计工作常常围绕以下几个方面开展 车架的静 态 动态设计计算 车架性能的实验验证 车架及整车的成本预算 车架对整车性 能的预测与实验仿真 车身结构的轻量化对汽车节能和环保具有重要意义 据 统计客车 轿车和多数专用汽车车身的质量约占整车自身品质的 40 一 60 随着计算机技术的发展 有限元分析在车架结构设计中得到了广泛的应用 采 用有限元法对车架进行静态与动态的强度分析 设计出满足强度和刚度且质量 又轻的车架 这样不仅节约了原材料 降低了汽车的生产成本 还降低了燃油 消耗 有利于环保 并且用有限元法进行分析设计 可以节省开支 缩短开发 周期 提高精度 四 四 文献查阅概况 车架的功用 车架可以比作是人体的骨架 起到支撑汽车零部件的作用 是汽车的装配 基体和承载基体 其功用是支承连接汽车的各总成或零部件 同时承受着传递 的各种力和力矩 载重货车对车架的要求 1 有足够的强度 以保证其有足够的可靠性和寿命 使纵梁等主要零件 在使用期内不应有严重变形和开裂 刚度是机器或零件抵抗弹性变形的能力 机器或零件的刚度不够 将改变其正常几何位置及形状 从而改变受力状态及 影响正常工作 简单的说 车架所要求的刚性 其实就建构在车架的抗变形能 力上 也就是指车架对于受外力影响而弯曲或扭转的抗力 一旦车架刚性不足 操控性便会受到影响 试想前轮因车架变形 而导致转向时出现时间差 或是 轮胎与路面的接地性不良 而影响到循迹性与抓地力等 肯定都会使操纵性无 法发挥出原有的水准 2 有足够的弯曲强度 以保证汽车在各个复杂受力的使用条件下 安装 在车架上的各总成不致因为车架的变形而早期损坏或失去正常的工作能力 通 常重型载重汽车的最大弯曲挠度应小于10 mm 弯曲载荷工况 能够模拟车满载 时在良好路面上四轮着地平稳行驶 此时位移边界条件为八处支承同时约束 车架承受基本载荷 3 有适当的扭转刚度 当汽车行驶于不平路面时 为了保证汽车对路面 的不平度的适应性 提高汽车的平顺性和通过能力 要求具有合适的扭转刚度 通常要求底盘两端的扭转刚度大些 而中间部分的扭转刚度适当小些 尽量减小 质量 在保证强度 刚度的前提下 车架自身的质量要尽量小 以减小整车的 质量 汽车车架结构分析的历史和现状 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 初期的车架结构分析计算是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 1 直到20 世纪60年代 因计 算机技术和有限元法的发展 给车架的结构分析计算带来了广阔的前景 运用 有限元法对车架结构分析的计算不再局限于静力分析 还开始考虑动态特性 通过有限元法计算车架静力学和动力学问题 不需要对车架进行严格的简化 既可以考虑各种计算要求和条件 也可以计算各种工况 而且原理简单 设计 人员和工程人员很容易掌握 计算精度相对以前的研究来说大大提高 目前 采用有限元法对车架的结构分析正在逐渐成为车架设计的主要手段 首先使用 CAD软件Unigraph ics 简称UG 建立了车架的三维模型 通过数据接口 将此模 型导入有限元分析软件ANSYS进行分析 根据车架的实际情况和分析要求 选择 基于杆系 板壳混合结构的计算模型 建立车架的有限元模型 ANSYS助力分析汽车车架动态特性 现代汽车的轻量化和高速化设计 使得汽车结构的振动问题日益突出 汽 车车架作为一个弹性承载体 在汽车的高速行驶过程中 会受到显著的动载荷 作用 车架在外部激励作用下所产生的弯曲 扭转振动不但会造成车架的疲劳 破坏 在其内部产生很大的动应力 致使结构破坏或产生不允许的变形 而且 还影响车辆的舒适性和行驶平顺性 因此 深入研究其动态特性 合理进行结 构的动态修改 是设计的一个重要环节 现代C A E技术为实现这一目标提供了 极大的方便 A N S Y S软件作为C A D C A E C A M行业的佼佼者 在产品的 设计 分析及制造方面发挥了重要作用 有限元建模及自振特性分析 车架作为连续弹性体 具有无限自由度 为能对其进行有效地分析 常将 其划分为有限个单元体 用有限元法来求解 在有限元法分析中 计算模型的 建立及边界约束条件的模拟与实际结构的相符合程度是分析的关键 它直接决 定了分析的正确性 车架动力分析模型采用四节点四边形壳单元 有少量三角 形单元比例 单元尺寸6 8m m 单元数共计144 943个 节点数151 124个 点 焊依据工艺流程规定的位置布置 车架模型中共有4458个焊点 材料属性依据 企业提供的参数设置 E 203G P a 7 89 10 6k g m m3 0 31 车架的有限元自由模态分析 现代汽车绝大多数都具有车架 用于支承汽车的各零部件 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从而产生弯曲 扭转等变形 因某些结构设计不合理 会造成某些部件疲劳破坏 甚至断裂 振动不仅影响汽车的平顺性 还将影响汽车的使用寿命 过去对汽车进行结构 设计和修理时 主要是靠经验 哪个部件损坏 就在哪里采取措施 哪个部件 出现断裂 就加固哪个部件 这种补救方法带有盲目性 不仅没有从根本上解 决问题 还使汽车的自重增加 影响汽车的其它性能 原因主要是对汽车及其 零部件的振动规律缺乏了解 用模态分析方法对汽车车架或车身进行强度校核 故障诊断 是研究解决上述问题的一种有效手段 车架静强度分析 在车身骨架的有限元分析中 被广泛应用的梁单元算法存在三个问题 其 一 杆的连接被处理成一个节点使应力集中现象无法描述 其二 忽略连接处 的几何形状使复杂梁的截面特性无法确定 其三 计算精度只能满足一般估算 要求 板单元用来模拟板件受垂直 平行于板平面的载荷产生弯曲的情况 但 实际情况下车架的纵梁和横梁等结构除了承受以上力外 还存在扭转状况 所 以使用板单元也不能有效地模拟车架实际工况中的变形 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 基于ANSYS 的汽车车架的建模与模态分析 通过直接在ANSYS 中建立车架实体模型进行有限元分析 并进行结构调整 保证了模型的完整性 避免了数据丢失 提高了分析结果的准确性 从动力学 角度出发 通过调整车架某些部位的刚度 改变了车架某些谐次的固有频率 达到了使发动机的常用工作频率介于车架的两个固有频率之间的目的 有效的 避免了共振 基于ANSYS 二次开发的载货车车架 ANSYS 是一个广泛应用于众多工业领域 集多学科于一体以有限元为基础 的大型通用CAE 分析软件 2 虽然ANSYS 自身带有参数化设计语言APDL 但由 于APDL 语言本身功能有限并且不提供图形化界面输入 3 给初学者以及使用者 带来了一定的困难 4 而VB 采用面向对象的设计方法 从应用领域内的问题着 手 以直观自然的方式描述客观世界的实体 以其快捷方便受到很多程序设计 者的青睐 因此得到了越来越广泛的应用 5 王鹏程 王又刚 柴山在文献 6 提出的载货车参数化建模方法的基础上 以载货车为研究对象 对车架参数进 行了分析提取了载货车车架横梁 纵梁 加强板 铆接孔等所有特征 用VB 和 UIDL 语言开发了一个载货车车架专用参数化建模系统 并以某型载货车车架为 例 建立了一个车架几何模型 基于CAD CAE的汽车车架仿真分析 汽车车架不仅要承担安装在其上的各种装置的质量 而且要承受所运输的 人和货物的质量 并且还要受到在行驶过程中由于道路凹凸不平造成的复杂的 冲击载荷 所有这些将直接影响汽车的安全性能和舒适性能 因此在设计和使 用上 车架应具有足够的强度 抗弯刚度 扭转刚度 并具有一定的固有频率 基于Hyperworks的汽车车架有限元建模及刚度分析 汽车结构性能依靠实验手段和研究人员的经验来实现是很困难的 有限元方 法和软件技术在汽车结构分析中占据了非常重要的地位 例如以某越野车车架 为例 利用Hyperw orks建立以壳单元为基本单元的车架有限元网格模型 然后 在N astran软件下进行计算求解 得出与实验极为相符的车架在静态载荷下弯 曲位移数值曲线图 为其结构的改进设计提供了理论依据 通过计算机仿真结 果与试验结果的对比可以看出 此方法的高效和准确 可广泛应用于车架的结 构设计工程 随着社会的发展 汽车已经逐渐走入千家万户 汽车无论是从数量还是质量 都比以前有了很大的提高 但是汽车被动安全性问题始终是无法回避的现实 早期汽车结构性能和各种安全约束保护系统性能的检测几乎都依靠实验手段和 研究人员的经验来实现 需要经历很长的周期和花费大量的资金 7 而在现代 汽车的设计 改进 开发过程中 降低成本与缩短时间始终是关注的核心问题 这就需要能够尽快 用尽可能小的代价了解汽车的碰撞规律 提高汽车的结果 性能 8 但是用理论分析的手段来解决汽车的结构性能问题几乎是不可能的 而采用有限元方法FEA finite element analysis 进行计算机模拟计算是一 种行之有效的方法 9 HyperW orks是一个优秀的网格前处理和拓扑优化分析 软件 但是对零件刚度的分析功能不是很强 所以本文利用此软件建立高质量 的网络有限元模型 然后通过N astran软件对该模型的刚度进行求解 从而得 出很好的分析结果 通过有限元建模流程 网格分圆画法可以得到高质量网格 有限元模型 采用壳体单元网格对车架离散化 一维单元来处理各装配零件网 格模型之间的连接 利用Nastran求解器对车架进行了刚度求解分析 得出车架 在静态弯曲工况下与实验极为相近的位移分布云图和相对位移曲线图 为车架 的设计改进提供了必要可靠的数据 从而避免了网格质量不好导致模拟结果不 准确 单纯依靠研究人员经验和实验周期长等缺点 为CAE 有限元法在汽车各 方面应用的更准确打下了坚实的基础 矿用汽车车架结构分析 矿用汽车适用于大型露天煤矿 露天金属矿 水电工程 大型建设项目 水泥矿 石料矿及其它土方和松散物料的运输 车架是矿用汽车的重要组成部 分 是各总成安装的基体 它承受各总成的质量和载荷以及各工况下的动载荷 特别是由于矿用汽车作业环境非常恶劣 造成车架长期经受冲击载荷 扭转载 荷和交变载荷的作用 因此 车架必须具有足够的强度 刚度及抗疲劳性 矿用汽车车架结构分析 中通过应用现代先进设计软件进行矿用汽车车架的 力学分析 以此了解车架的力学特性 解析车架设计的合理性 并得出结论 对矿用汽车车架这样复杂的大型超静定结构的刚度 强度分析 10 和优化设计 有限元法是一种有效的方法 其结果准确直观 分析结果还可以为后期车架强 度试验提供指导选择应力测试点的依据 同时 通过早期的强度分析可以在设 计初期发现设计问题 及时解决 使设计问题解决在设计初期 矿用汽车车架的结构形式 郑州宇通重工有限公司生产的某型号矿用汽车采用边梁式车架 车架主要 结构左右对称 由两根相互平行的主梁和5根横梁焊接在一起构成复杂空间结构 主梁采用压形槽钢内侧加封板结构 在与横梁焊接处加有加强板 前横梁采用 压形槽钢结构 两端与主梁焊接 中间两根横梁分别是管形和箱形结构 两端 与主梁焊接 平衡轴处的横梁是箱形结构 与主梁连接处用箱形结构加强 平 衡轴连接座焊接在主梁下翼板上 后尾梁是箱形结构 贯通穿过主梁并与之焊 接 变速器下方有一压形梁与主梁下翼板螺纹连接 应用ANSYS 对汽车车架进行结构优化设计 车架是汽车上各部件的安装基础 其中边梁式车架仍是汽车车架的重要结 构形式 在设计中 在满足强度和刚度的条件下应尽可能减轻重量 因此设计 出重量轻而各方面性能又达到要求的车架是一项重要的工作 传统的汽车车架 的结构设计凭借设计者的经验或采用类比方法设计出产品的初始结构方案 然 后进行结构静态 动态分析 如果不符合要求 再修改设计方案 最终结果是 整体强度分布不均 而局部强度过大 材料强度特性得不到充分利用 将拓扑优 化理论和结构参数优化方法综合应用于车架结构优化设计中 在结构设计的初 始阶段引入结构选型和布局拓扑优化理论 先对结构进行布局优化 以获得较 合理的初始结构方案 在结构拓扑优化设计完成后 用参数优化方法进行结构 尺寸优化设计 结构优化设计 11 12 大致可分为3 类 即拓扑优化 尺寸优化和 形状优化 重型自卸车车架有限元分析及改进设计 重型自卸汽车的车架支撑连接着发动机 传动系 行驶系和车身等各大总 成 并承受汽车内外的各种载荷 因此 车架的优劣直接影响整车的性能 同 时也反映了整车的技术水平 汽车在崎岖不平的道路上行驶时 车架可能产生 扭转变形及在纵向平面内的弯曲变形 当一侧车轮遇到障碍时 还可能使整个车 架扭曲成菱形 目前 依靠传统的经验和方法对车架进行强度校核在我国车辆 设计中仍发挥着主要作用 13 由于经验设计带有一定的盲目性 车架的每次设 计改进都不会有明显突破 且设计周期长 无法适应现代化生产的需要 同时 经验设计不能对车架的应力分布及刚度分布做定量分析 因此存在强度分配不 合理现象 某些部位因强度不足易引起事故 某些部位又因强度富裕而造成浪 费 达不到车架优化设计的目的 有限元法在结构分析和优化设计中发挥着巨 大的作用 国外将有限元法引入到车架强度计算比较早 14 16 我国大约在20 世纪70 年代末才刚刚起步 早期多采用梁单元进行结构离散化 由于梁单元本 身的缺陷 如无法详细分析车架应用集中问题 不能很好地模拟车架纵 横梁 的连接状况 并且忽略了扭转时截面的翘曲变形 因此分析结果比较粗糙 在 实际工程中 车架是由一系列薄壁件组成的 故文中采用板壳单元对车架进行 离散化 克服了梁单元的局限性 提高了分析结果的精度 使车架强度分析由 定性或半定量分析阶段过渡到定量分析阶段 5 主要参考文献 1 刘惟信 汽车制动系的结构分析与设计计算 M 北京 清华大学出 版社 2004 2 龚曙光 谢桂兰 ANSYS 操作命令与参数化编程 M 北京 机械工 业出版社 2004 3 The APDL Programmer s Guide M ANSYS Inc 1994 4 童昕宏 夏永明 叶云岳 卢琴芬 基于 VB 和 ANSYS 的参数化设计 及其在电机磁场分析中的应用 J 微电机 2006 8 31 33 5 高荣慧 张岩 罗辉 基于 VB 和 ANSYS 的塔式起重机臂架参数化设 计 J 机械工程与自动化 2008 1 12 13 16 6 王友刚 王鹏程 李丽君 刚宪约 柴山 载货车车架参数化建模技 术的研究 J 农业装备与车辆工程 2010 4 7 潭继锦 汽车有限元法 M 北京 人民交通出版社 2005 8 hen C J U sm an M D esign op tmi ization for au tomot ive app licat ion J