摘 要
车架作为汽车的承载集体,安装着发动机、转向系、悬架、驾驶室、货厢等有关部件和总成,承受着传递给它的各种力和力矩。车架工作状态十分复杂,根本无法用简单的数学方法对其进行准确的分析计算,而采用有限元方法可以对车架的静态特征进行较为准确的分析,从而经验设计进入到科学设计阶段。
本文对该轻型货车车架进行结构设计,并运用有限元方法对其进行静态分析。
首先通过计算,对车架的材料、主要参数、结构形式等进行选择,并根据车架的主要技术参数,计算车架的刚度、挠度、扭转角等。其次,针对该车架运用Pro/E软件进行有限元模型的建立。在忠于主要力学特性的前提下,对车架结构进行必要的简化。建立有限元模型时考虑了若干问题,比如:结构简化的处理,单元的选取,单元数量的控制,单元质量的检查,网格的布局,还有连接方式的模拟等。对车架有限元模型进行静态分析,并从中得出结论。
文中阐述了车架结构设计的基本方法及建立车架有限元模型的基本原则。通过对车架进行结构设计、有限元分析,从而使车架的承载能力提高,实现结构轻量化。
关键词:车架;结构设计;Pro/E;有限元模型;有限元分析
ABSTRACT
The frame ,as a most important part of carrier car,supports some accessories such as engine,drive line,running geer,body,and withstands all kinds of force.In addition ,the work condition of carrier car is extremely bad,and stress condition is also complex ,it is unable to use simple mathermatical method for accurate analysis of the calculation,and the finite element method can be used to analyse the staic and dynamic performance of the frame more accurately,so that the design of frame will go from the experience design into the scientific design stage.
This article carries on the structural design to this pickup truck frame, and carries on the static analysis using the finite element method to it.
First the computation that it is in order to complete the frame material, the main parameter, the structural style which carry on the choice, and according to the frame main technical parameter, calculates the frame the rigidity, the amount of deflection, the angle of torsion and so on.Next, carries on the finite element model in view of this frame using the Pro/E software the establishment.In is loyal to under the main mechanics characteristic premise, carries on the essential simplification to the frame structure.When establishment finite element model has considered certain questions, for instance: The structure simplifies processing, unit selection, unit quantity control, unit quality inspection, grid layout, but also has the connection way simulation and so on.Carries on the static analysis to the frame finite element model, and draws the conclusion.
At last the paper introduced the basic method of frame structure design and finite element model is established the basic principles of the frame. Through the frame structure design and finite element analysis, so as to improve the bearing capacity of the frame structure, realize the lightweight.
Key words: Frame;Physical design;Pro/E;Finite element model;Finite element analysis
目 录
摘要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 货车研究的目的和意义 1
1.3 车架国内外研究状况 2
1.4 主要研究内容 3
第2章 轻型货车的车架设计 4
2.1 车架概述 4
2.1.1 车架的设计要求 4
2.1.2 车架的类型 4
2.1.3 车架的制造工艺及材料 7
2.2 车架的结构设计 8
2.2.1 车架的挠度计算 9
2.2.2 车架的弯矩及弯应力计算 10
2.2.3 车架的扭矩及扭转角计算 12
2.3 本章小结 13
第3章 车架三维模型的建立 14
3.1 Pro/E软件介绍 14
3.2 三维模型的建立 15
3.3 本章小结 20
第4章 车架有限元分析 21
4.1 ANSYS软件介绍 21
4.2 轻型货车有限元模型的处理 26
4.2.1 车架几何数据处理 27
4.2.2 网格划分的基本原则 27
4.2.3 网格的质量控制 27
4.3 车架弯曲工况分析 29
4.3.1 弯曲工况下的约束与载荷 29
4.3.2 弯曲工况结果分析 29
4.4 车架扭转工况分析 31
4.4.1 扭转工况下约束与载荷 31
4.4.2 扭转工况结果分析 31
4.5 车架制动工况分析 32
4.5.1 车架制动工况下约束与载荷 32
4.5.2 制动工况结果分析 32
4.6 本章小结 33
结论 34
参考文献 35
致谢 36
附录 37
第1章 绪 论
1.1 研究背景
汽车作为交通运输工具之一,发挥着非常重要的作用。随着国民经济的快速发展,汽车工业得到了飞速发展,因此要求提供更多更好的结构轻、性能好、质量高、用途广、安全可靠的汽车。车架作为汽车的承载基体,为货车、中型及以下的客车、中高级和高级轿车所采用,支承着发动机、离合器、变速器、转向器、非承载式车身和货箱等所有簧上质量的有关机件,承受着传给它的各种力和力矩[1]。因而,车架的强度和刚度在汽车总体设计中显得非常重要。
但同时也应该考虑以下几点:
(1)机构之间的相对位置及车身变形;
(2)可靠性和使用寿命;
(3)振动和噪声;
(4)乘坐舒适性、操纵稳定性和通过性[2]。
车架工作状态十分复杂,根本无法用简单的数学方法对其进行准确的分析计算,以往设计时大多采用经验公式进行验算,不能准确地计算出车架各个部件的应力和变形,而以样车进行试验并根据试验结果进行修正成本较高。随着计算机的出现与飞速发展,车架作为一个大型复杂结构对其进行有限元分析计算已广为应用。有限元法的基本思路就是将复杂结构视为由简单的基本的有限元单元所组成,是一种离散化数值计算方法,借助于矩阵方法与计算机相结合,可以进行复杂结构的应力分析[3]。现今阶段多采用Pro/E软件进行模型建立,再通过ANSYS软件对其进行分析,这样大大的节省了车架设计所需要的时间,方便了车架设计者。
采用有限元方法可以对车架静态特性进行较为准确的分析,因而使车架设计提升到了一个新的高度,从经验设计进入到科学设计阶段。
1.2 货车研究的目的和意义
车架是一种复杂的超静定结构。车架不仅要承担安装在其上面的部件和运载货物的载荷,而且还要承受行驶时路面不平带来的随机激励,以及动力传动系扭转振动的影响,这给车架的结构分析带来很大的困难。而对于载货汽车来说,增大车辆承载能力,实现结构轻量化,提高车辆的使用寿命,是载货车辆设计的首要任务[4]。车架作为整个车辆的核心总成,其结构性能对车辆的整体性能有着很大的影响。
早在五六十年代,车架刚强度设计是经验设计方法,即利用材料力学、结构力学和弹性力学的经验公式对简化的车架结构进行分析设计。这种根据组合梁的刚强度理论来实现的方法简单易行但是对结构做了大量的简化。因此不可避免的会造成车架各部分强度不合理的现象。
随着现代汽车设计要求的日益提高,将有限元法运用于车架设计已经成为必然的趋势,主要体现在:
(1)运用有限元法对初步设计的车架进行辅助分析将大大提高车架开发、设计、分析和制造的效能和车架的性能;
(2)车架在各种载荷作用下,将发生弯曲、偏心扭转和整体扭转等变形。传统的车架设计方法很难综合考虑汽车的复杂受力及变形情况,有限元法能够很好的解决这一问题;
(3)通过对车架结构的优化设计,可以进一步降低车架的重量,在保证车架性能的前提下充分的节省材料,对降低车架的成本具有重要的意义[5]。
综上所述,有限元法已经成为现代汽车设计的重要工具之一,在汽车产品更新速度快,设计成本低、轻量化和舒适性要求越来越高的今天,对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能力具有重要意义[6]。
1.3 车架国内外研究状况
在国外,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。特别是随机激励响应分析备受青睐,主要是因为它可用来进行车的强度、刚度、振动舒适性和噪声等方面的分析[7]。
国外将有限元法引入到车架强度计算比较早,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。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,不能很好的反映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。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[8]。随着计算机软、硬件技术的发展,特别是微机性能的大幅提高及普及,在微机上进行有限元分析已不再是很困难的事,同时有限元分析的应用得以向广度和深度发展。
综合分析这些文献可知,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对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,离虚拟试验的要求还有相当大的差距。
1.4 主要研究内容
结合相关参考文献和实际设计要求,再参考以往的研究成果以及国内外发展的现状,确定主要研究内容如下:
(1)针对轻型货车车架为研究对象,进行简单的结构设计,以及刚度、挠度、扭转角等校核计算;
(2)研究应用有限元法静态分析所用软件基础;
(3)以该轻型货车车架为研究对象利用Pro/E软件建立车架有限元模型;
(4)以该车架有限元模型为研究对象导入ANSYS,利用ANSYS软件对车架有限元模型进行静态有限元分析。



