基于结构优化和高强度钢应用的重型自卸车轻量化研究_百度

1、武汉理工大学硕士学位论文基于结构优化和高强度钢应用的重型自卸车轻量化研究姓名：高金玲申请学位级别：硕士专业：车辆工程指导教师：马力20100401摘要本文主要研究了重型自卸车货厢和主、副车架的轻量化问题，通过对货厢进行结构优化设计以及对货厢与车架进行高强度钢板强度等代设计，取得了很好的轻量化效果；并推导出了高强度钢板强度等代设计中的钢板壁厚替换计算公式，验证了该公式的实用性以及使用方便性。首先，对重型自卸车轻量化的研究背景进行了介绍，阐述了本课题的研究意义；并根据国内外轻量化发展概况以及研究现状，提出了采用有限元技术和应用新型材料的轻量化研究方法。其次，在对重型自卸车货厢和主、副车架的结构特点

2、进行分析后，以企业所提供的图纸为依据来建立货厢和主、副车架组合几何模型。采用板壳单元对货厢和主、副车架主体结构划分网格，采用实体单元对它们的局部结构进行离散。考虑到货厢在举升瞬间即刚刚离开副车架时的受力状况是最恶劣的，因此，在利用分析时选取举升瞬间工况来进行计算。该工况下的货厢整体应力分布和货厢的变形情况均可以通过计算分析求得，得出的结果可以为项目委托企业在开发设计产品时提供一个参考。再次，由于货厢的整体应力水平不高，而且应力集中现象比较严重，本文分别对货厢底架、两边侧板结构进行了结构局部改进设计，不仅使应力集中现象在很大程度上有所减弱，甚至消除了某些局部应力集中现象，而且也使得它们的应力分布

3、变得更为合理，最后的优化结果让货厢重量得到大幅度下降，使货厢的质量减小了。然后，在货厢结构改进后的基础上，再利用结构尺寸参数优化方法对货厢进行轻量化研究，在保证货厢装载能力不降低的前提下，使货厢整体质量又减少了；通过采用这两种结构优化轻量化方法，货厢重量下降了。最后，采用结构改进后的货厢模型和建立的主、副车架模型进行高强钢强度等代设计，在过程中利用推导出的高强钢壁厚替换公式对其构件进行壁厚替换，给货厢与主、副车架的高强钢强度等代设计带来很大方便。通过最后圆整后的数据计算，货厢质量减轻了；主副车架重量减少了，降幅为。关键词：重型自卸车，轻量化，优化设计，高强度钢，缸，吕，：，乞，独创性声明本人声

4、明，所呈交的论文是我个人在导师指导下独立进行研究的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。研究生签名：面垒硷关于论文使用授权的说明本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）研究生躲细么逊新签日期：狸！皇：至：梦

5、武汉理：人学硕十学位论文引言第一章绪论目前，自卸汽车应用相当广泛，长途货运、短途货运、矿山、建筑工地、路桥施工都能看到自卸车的身影。随着我国建设速度加快，城镇基础设施建设和大型工程项目的不断上马，对自卸汽车的需求量越来越大，自卸汽车的种类也越来越多，为自卸车发展创造了契机。与牵引车、载货车相比，自卸车用户主要行驶路面为国道、省道等高级公路和乡镇普通公路，以及砂石土路，极少行驶高速公路。因此，在乡镇公路上自卸车就非常多见。目前国内自卸车载重量较大，重型自卸车车载质量一般在，自卸车车载质量一般在，又由于各自卸车生产企业为了增加销量而去生产满足客户超载需要的自卸车，继而导致路面受损【】。近年来，市场

6、对自卸车的要求越来越高，其中就包括载荷吨位越来越大、价格低廉以及使用成本低。与此同时，国家对“超载的治理也在不断深入。在年至年期问，燃油价格攀升，国际钢材价格飞涨。在此背景下，对重型自卸车生产企业来说，要从国家角度和用户使用角度综合考虑，所生产的重型自卸车既要进一步提高对各种恶劣工况的适应能力，又要对保护公路和环境做出积极贡献，而且还要提高车辆的安全性以及实现操作人性化】。所以，生产企业要通过提高研发水平，采用国际先进技术对其车辆进行优化设计。研究背景和研究意义安全、能源和公害一直是近十多年来世界汽车工业面临的三大问题【】。显而易见，全球石油消耗的重要一部分来源于车辆燃油，目前，全球汽车保有量

7、预计到年全球汽车保有量将达到亿辆，主要增幅来自发展中国家。国际能源机构（）预计到年交通用油占全球石油总消耗的以上。美国能源部预测，年以后，全球石油需求与常规石油供给之间将出现净缺口，年的供需缺口几乎相当于年世界石油总产量的两倍。与此同时，交通能源消耗也是局部环境污染和全球温室气体排放的主要来源之一。在不降低汽车性能的情况下，为了应对可能的能源危机，降低汽车油耗具有重要的现实意义。从环境方面讲，每年有多达亿吨的二氧化碳量由汽车向大气中排放，占世界全部二氧化碳排放量的，而其它汽车排放物（如氮化物、硫化物、微粒物等）也构成了大气污染的重要因素之一。因而，能源保护、废气排放、噪声和安全的相关法令法规相

8、继在世界各国出现。武汉理：人学硕学位论文围绕这三大问题进行研究是现代汽车技术发展的主要方向，其中作为汽车工业发展与变革动力的能源问题尤其突出。轻量化、环保回收及节约能源已成为全球汽车产业发展的趋势。在汽车技术的飞速发展过程中，汽车轻量化的发展对整个汽车业的发展起到了非常重要作用，主要有以下三个方面：（）汽车轻量化可以降低燃油消耗。汽车行驶阻力包括滚动阻力、爬坡阻力、加速阻力和空气阻力等。汽车行驶方程式为：朋口，式中：，为汽车行驶阻力；为汽车重力；厂为滚动阻力系数；口为道路坡度；万为汽车旋转质量换算系数；为汽车质量；为风阻系数；为迎风面积；为汽车速度【。根据经验数据，空气阻力大约是行驶阻力的。采

9、用流线型车身、全粘接挡风玻璃、隐蔽式雨刮器、下地板全封装等这些方法是目前减少空气阻力的常用措施，这些措施能将降低到。但是，要把它进一步减小的可能性已遇到瓶颈现象，除非目标是那些更为流畅低矮的车身。这样就需要巨大的技术与资金的投入，更不适用于要求空间宽敞的同常用车，所以通常不会花费很大精力去考虑空气阻力因素。由上式可知，滚动阻力、爬坡阻力和加速阻力均与汽车质量成正比，而且它们一起要占行驶阻力的，因此，减轻汽车质量就减轻了行驶阻力，从而也就成为节约燃油的一个重要措施。）汽车轻量化有利于改善汽车的运动性能（如行驶、加速、制动、转向等）和排气性能等多方面的性能。例如，一辆汽车重量为，若整车重量减轻，可

10、使该车加速到的时间从原来的秒减少到秒【。发动机的轻量化可以改善前轮荷重分担率，从而汽车的操纵稳定性可得到改善，还可为降低噪声、振动、实现大功率化创造条件。同时部件振动可得到减轻，噪声也可降低，舒适性能得到提高。某些承载件所承载的重量减轻后，有利于降低元件疲劳，提高耐久性。（）由于汽车各部分的质量是相互关联的，汽车轻量化具有波及效果。发动机质量的减轻，同时可减轻有关底盘部分，所以汽车整车减少的质量会大于发动机减少的质量；车身零部件的轻量化，可减小支承它的行驶系统（如车架、车桥、车轮和悬架等）负荷，尺寸和质量即可适当减小，随之也可相应减小和减轻发动机和制动器【。近几年，国民经济的快速发展，使得自卸

11、车成为市场热点，其产销量大幅度增长。据统计，中重型自卸车在专用车市场需求量上约占百分之四十的份额，成为专用车市场的兵家必争之地。我国自卸车的发展向重型化和轻型化两极发展。年上半年，国内重型自卸车市场增长远远好于年初的预期。国家的政策支持直接导致、月份工程重型自卸车走俏；月份，重型自卸车销售万辆，同比增长。年汽车全行业销售万辆，同比增长左右；其中，重型自卸车销售万辆，同比增长。随着重型自卸车销量快速回升，全年销量略有增长，利润增长主要来自毛利率的提高。年行业将完全恢复正常，预计销量增长幅度在左右，从而带动利润的持续增长。年底，国务院推出了拉动内需的万亿投资计划，其中大部分资金投向了基础设施建设领

12、域。政府提出的十项规划中强调要加快保障性安居工程建设、加快农村基础设施建设、加快铁路及公路和机场等重大基础设施建设、加快地震灾区灾后重建等要求。这些项目的建设将需要相当数量的重型自卸车，这对于重型自卸车来说，产生了明显的拉动作用。随着年基础建社的开工和灾后重建工作的逐步完工，对重型自卸车的需求是逐月增加。年虽然重型货车总销量前个月出现以月为最大值，开口向下的抛物线状，但是重型自卸车逐月不降反升，对重型货车的贡献度是逐月增大。由于良好的宏观经济环境刺激，我国自卸车的年需求量近几年快速增长，“十一五”期间更是进入高速增长期。市场对自卸车的需求不仅体现在数量上，也体现在质量上。目前我国有重型自卸车生

13、产企业多家，主要的生产企业仅有十多家，这十多家企业占据着市场的份额，我国的重型自卸货车品牌主要集中在福田、东风等前个品牌上，这个品牌占据着该行业以上的市场份额，其余品牌占据着市场不到的市场份额。本课题的研究对企业自身、用户以及整个社会都有着重大意义。（）减少原材料的消耗，降低企业的生产成本。一般情况下，对客车和载货车而言，车架骨架部分要占整车总质量的左右；轿车的车身质量约占整车总质量的，而重型自卸车的车身和车架占整车总质量的比例要远远大于前面的车辆。通过对重型自卸车结构的轻量化，可以节省能源和减少原材料的消耗，进而实现企业生产成本的降低和利润的提高。（）提高企业的设计水平和研发能力。技术在现代

14、汽车设计之中已被广泛应用，许多大型商业软件已经集成了优化设计模块，采用大型商业软件对产品进行设计是一个非常先进的方法。是支持从研究开发到产品检测整个生产过程的计算机系统，包括分析、计算和仿真在内的一切研发活动。在现代汽车工业中，实现汽车的轻量化设计和制造可以运用技术。对汽车总体结构进行分析和优化是汽车轻量化的手段之一，有效精简汽车零部件，并且能使汽车零部件整体化和轻质化。通过本课题的研究，生产企业的设计水平和研发能力可以得到提升，从而提高生产企业的竞争力。（）提高用户的运输效率，降低用户的运输成本。近年来，世界石油资源紧张，油价不断上涨。对汽车工业和汽车运输业来说，降低燃油消耗量成为关键。汽车

15、自身质量的大小是影响燃油消耗的重要因素之一，所以汽车设计轻量化成为发展趋势。对重型自卸车用户而言，减轻自身质量还提高了有效运载质量，即增加了质量利用系数，从而提高运输效率，降低运输成本。（）对于节能和环保具有现实意义。据统计，目前行驶在各国的汽车仍以汽油、柴油等石油产品为主要燃料，年消耗石油一百多亿桶，超过了全球石油总消耗量的一半以上，巨量石油资源被消耗的同时，汽车排放出的废气也产生了极大的空气污染。随着世界能源消耗量的增加，正面临着地球的矿物能源枯竭，导致环境问题也不得不受到关注。随着可持续发展的提出，现代汽车工业发展的主题也就成为了节能与环保，减少排放是最有效措施之一从而就需要降低能源消耗

16、，继而车辆轻量化就被广大社会所倡导。根据有关数据，汽车每减少整车总质量的，就可以降低，的油耗，同时还能有效减少车辆尾气排放总量。因此，汽车轻量化正成为世纪汽车技术的前沿和热点，对于目前能源紧缺问题的缓解和环保型社会的建立，本课题的研究有着积极的作用。（）提高生产企业运用先进设计方法的意识，有利于追赶国外先进的研究水平。我国自卸车产品种类日益丰富，技术不断升级，新产品的技术水平正在与国际接轨。个别企业在设计中采用先进的设计方法，能够提高产品的市场占有率，其他生产企业也会为了提高本企业的效益而学习这种先进的设计方法，所以对整个行业来说具有很大带动作用，可以提高行业中使用先进技术的意识【】。我国轻量

17、化研究是从年代末才开始，相比欧美国家起步较晚，虽然近年来发展迅速，与国外相比较，还是存在着很大的差距。我们必须密切关注和跟踪世界先进技术的研究、应用和发展，本课题研究对国内追赶国外先进设计水平起到重要作用。轻量化技术发展概况轻量化技术涉及了基础理论、工程设计、工厂制造、实践验证等课题，由于它的内容丰富、涉及广泛，探索过程颇为艰难。经过努力，在不远的将来汽车要引导新一代的潮流，将以清洁、强大、轻量的崭新形象亮相。结构轻量化研究不断发展计算机辅助集成技术和结构分析等技术，通过不断提高结构优化和零部件的模块化设计水平来达到轻量化的目的，如采用前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等。在汽车的前期概念设计

18、阶段已经融合进了轻量化的结构设计和分析。目前，由于计算机技术的飞速发展，为了实现汽车的轻量化设计和制造可以采用一体化技术【。对于各种实用程序来说，有关理论和软件的不断发展进步便计算机辅助分析过去功能强大，使计廿一算规模、计算容目刖量以及计算速度不再是主要将来问题，计算机辅助分析技术未来（）的作用将对汽车工生图及优化技术在汽车开发中的作用变化的发展越来越重要。如图、图反映出了计算机辅助结构优化设计分析技术在汽车开发设计中的地位和作用。它不仅大大缩短了汽车开发的周期，大量减少了研发成本，而且还能开发出更为优秀可靠的产品。年，等人建立了摩托车车架的有限元模型，选取梁的截面尺寸和梁的位置为设计变量，在

19、保持原刚度不变的情况下，以车架总质量为优化目图汽车开发过程中的变化趋势标对其进行优化设计，经过结构优化后使得车架质量明显减轻，优化效果显著。同年，等人建立了直升机的车身结构有限元模型，应用基于非线性规划技术编制的优化程序对机身进行了轻量化研究，主要目的是减轻机身重量、减小机身振动和提高结构的疲劳寿命，结果取得了良好减重效果。通用汽车公司的、密西根大学的和应用拓扑优化技术以碰撞过程中最大吸收能量为目标对零部件进行优化设计，优化后使零件呈蜂窝结构，在提高安全性的同时也减轻了结构的重量【到。早在年，东汽车公司技术中心为实现汽车后桥壳轻量化，在该后桥壳改进设计初期，用有限元分析的方法选择较优设计方案，

20、预测后桥壳最高应力水平，后桥壳的应力集中区域、后桥壳静力强度断裂和疲劳损坏的可能位置，为该后桥壳减轻质量提供了依据【。年，在早期的车架有限元研究中，郑州工业大学的王伟等人应用有限元方法对型汽车车架进行了静态强度分析，在对车架进行有限元划分时，采用的是梁单元模型【。应用梁单元模型的优点在于建模简单，单元数目少，计算速度快，可以得到较好的变形结果，但其应力分析的能力却是有限的。梁单元不能很好的描述较为复杂的车架结构，不能很好的反映横梁与纵梁接头区域的应力分布，且忽略了扭转时截面的翘曲变型，因而其分析结果是粗糙的。同年，湖南工程学院的陈华光对电动轮自卸车车架结构分别用板单元计算模型和梁单元计算模型进

21、行了模态分析【。板单元在其节点处只有三个自由度，是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，但在实际工况中，车架横梁和纵梁的腹板等结构除了承受以上力外，还存在扭转、剪切等状况，所以使用板单元也不能有效的模拟车架受载时的各种变形。而板壳单元除了有弯扭变形外，还存在中面对拉、压和剪切变形，更接近于车架受力的真实状态。最初由于采用板壳单元前处理工作量太大，计算时间太长而很少采用，但是随着计算机技术的不断发展，这个问题已经得到了很好的解决，因此在此后的研究中大量出现了以板壳单元建立车架有限元模型进行研究的例子。年月，陈华光再次对电动轮自卸车车架结构进行有限元分析，在对实际结构进行研究分析后

22、，将车架简化为以板单元为主的有限元计算模型，通过计算结果，为车架结构的优化设计奠定了基础【。年，徐有忠和高新华针对在汽车车身轻量化设计中遇到的技术难点，对如何将成熟的优化技术应用于车身减重的方法进行了深入探讨，提出了几种确定优化目标的思路，并阐述了汽车车身轻量化设计中进行（主要包括模态和静态刚度）优化与碰撞优化的理念与方法【。年月，于庆豪等人应用计算机辅助设计和有限元网格划分的技巧和方法建立矿用汽车货箱三维实体单元有限元模型，有效解决矿用汽车货箱结构和尺寸庞大的问题，对矿用汽车货箱进行了强度分析【】。年，北京科技大学的杨锁望等人建立了型矿用汽车驱动桥壳及形架的有限元模型，选择极限工况对其进行了

23、结构强度和刚度分析，在保证足够的强度和刚度的条件下将该桥壳的厚度由原来的减为，改进后的桥壳质量更小，最大应力也大幅减小，且应力分布更为合理【】。年月，湖南大学汽车车身设计制造试验室的张勇等人利用多目标遗传算法对整车模型进行优化，使得车身前部吸能部件的板厚和武汉理：入学硕十学位论文材料得到合理配置，在满足安全法规的同时，也在一定程度上减小了整车质量【们。国内在自卸车举升机构的仿真分析及优化设计方酝的研究已比较成熟，相关方面的论文也层出不穷。年月，张毅等人以举升过程中工作油缸最大推力最小为优化目标，对举升机构的各铰接点位置布置进行了优化设计，使油缸最大推力下降了，为举升机构布置位置的设计提供了参考

24、【。于年月，朱品昌等人在考虑前后悬架刚度和阻尼及整车质量参数的情况下研究了在举升过程中车辆自激震动时的油缸推力的变化规律，为举升机构的动态设计提供了参考【】。同年，赵永辉等采用拓扑优化技术对某自卸车举升机构三角臂进行了拓扑优化设计，使得优化后结构相对于原结构质量减轻约，同时刚度大大增强，为三角臂的优化设计提供了参考【。文献利用软件中参数化建模与分析功能，建立了自卸车举升机构的柔性连接模型，分析出三角臂所受拉力和扭矩，对举升机构的设计具有指导意义。年月，乔嫒媛等三人利用建立了考虑运动干涉的式自卸车举升机构参数化模型，开发出能够进行干涉检查的式举升机构设计模樊】。综上所述，可以看到结构轻量化研究主

25、要可分为三点：【）采用现代优化技术对部件进行拓扑优化、形状优化和尺寸优化，从而得到新的轻量化结构，并采用先进的制造工艺来生产出产品。（）利用硬件优势，大量考虑动态过程（如碰撞、振动过程）中的各种约束，对尺寸参数进行优化而得到轻量结构，主要强调安全性。（）应用现代优化算法如遗传算法、蚁群优化算法和人工神经网络算法等对结构进行轻量化设计。新型材料开发在汽车上应用的轻质材料有铝、镁、高强度钢、复合材料、塑料等，它们不仅在前期与结构设计融为一体，而且还与相应的装配、制造、防腐、连接等工艺的应用相联系。面对其他竞争材料的上升态势，为了应对日益严格的环保挑战，年在国际钢铁协会的倡议下，全世界个国家的个钢铁

26、公司联手成立了超轻刚车体计划（），其重点是研究车身部分的轻量化，以寻求开发用于汽车车身的钢材料以及提高钢材性能的可能性【】。其目标是向世界表明，钢材在减轻车重、降低成本和提高安全性等方面仍是最合适的材料。此后，在年试制的车身总质量与对比车的平均值相比降低了，同时扭转刚度提高，弯曲刚度提高，一阶模态频率提高，在满足了碰撞安伞性璺求的同时成本比对比车身造价降低【。韩国汉阳大学的，【和应用的设计理念和组合钢板的工岂，对轿车前车门内板进行了结构优化，采用了拓扑优化与尺寸优化、形状优化相结合的优化策略，成功地使前车门内板的质量减重”。年月启动的超轻覆盖件（）项目和超轻悬挂件（）项目，作为的后续项目，也图

27、钢材能像手风琴一样吸收碰撞的能量（幽片来源丁参考文献【剐）在轻量化研究上取得很大成绩驯。项目主要目标是在不降低车身抗冲击安全性的情况下对离强度刚制造的车身和车门的覆盖件进行轻量化设计结果与对比车辆相比，质量降低了。以汽车的悬挂件为对象进行轻量化研究作为项目的主要目的，通过铸造件的锻造化、实一，部件的钢管化等加工方法的改变及部件结构的最佳化实现了高强度与高耐久性与对比车的钢制悬挂件相比。在同等成本下可减轻旷，与铝制悬挂件相比在同等重量下可削减成本“。表减重目标纽午级车项目（西欧）（北美）柴油汽油紫油汽油整车重量慨（尸（）。（十妒（。参考车重量，（）（）一减重吣（）（）减重率脚为满足年新的碰撞标准

28、而增加的总最高强钢的其中一种钢板即双相铜（钢）的制造和加技术在国外已经非常成熟，在年】月正式成立的超轻钢汽车研究后继项目（，以下简称）计划中，双相钢在其两种概念车车身材料中位居主要地位，均达”。以北美为例，在先进汽车概念车身的研究方面，北美开发的：轿车，在其使用的钢材中又以双相钢为最多。据文献报道当采用厚的钢代替的：钢板生产车门外板时，通过分析及实际试验表明，在其质量减少的同时，抗凹陷性能提高约。随着科技的不断进步，在钢的基础上又开发出了一系列既具有高强度又有优良塑性的高强钢，可以承受很大的变形而不断裂。如具有相变诱发塑性特性的钢，被世界各国汽车行业一致看好。如图所示，车身变形可以吸收碰撞的能

29、量，而钢材自身的迅速强化，又减少了车身的变形。与上述三个项目的主要区别在于，上述三个项目仅仅研究汽车的一部分，而则是对整车进行研究，充分利用高效钢材和最新技术，通过整车结构的高效化、轻量化设计，达到动力的高效化，同时在安全方面达到更高要求。项目将以上三个项目的研究成果进行了整合、优化，并在此基础上有所发展。通过高效钢材的使用和制造技术的创新进行结构优化，从而减轻车体重量，表为项目在满足年出台的更为严格的碰撞标准要求下实现的减重目标。开展项目证明了钢铁工业只要通过技术创新就完全能够为汽车工业生产安全、廉价和环境友好的汽车提供满意的材料，而且钢铁材料仍然是汽车优先选择的材料。表欧美采用镁合金制造的

30、部分汽车零件汽车厂家用镁合金制造的部分汽车零件气缸盖、滤油器、空气滤清器壳、配电器、挡泥板支架、烟灰盒门、转向盘柱、前久灯罩、前久灯托架、发通用动机罩格栅、进气格栅中心座、前大灯框架、配电器、挡泥板支架、离合器壳、制动器福特离合器踏板托架、转向柱定位机构、分动器壳克莱斯勒变速器壳体大众曲轴箱、变速器壳体、增压器壳、正时齿轮、离合器壳沃尔沃节气门连杆、手制动连杆、车门外把手奔驰座椅架奥迪仪表板保时捷风扇、风扇架、车轮如表所示，在西方工业发达国家，开发与应用铝基、镁基的金属基复合材料已达到产业化阶段。铝的密度只有钢铁的，它具有良好的机械性能，机械加工性能要比铁高出倍，具有抗腐蚀和导热性好的特点，而

31、且其合金还具有强度高、方便回收和吸能性好等优点【】。铸造铝合金和形变铝合金在汽车工业中利用最多。但是，在运用铝合金方面还存在着一些难题，例如，铝合金加工难度要比钢材高，成型性也没有钢材好；铝合金因铝的导热性好导致焊接难度高；也不能像钢板那样采用磁力搬运等【。关键问题还是成本，目前铝价还比较高，在运用铝合金时，还应重视成本控制。镁合金与铝合金性能相似，镁和铝的密度之比为：，可见镁的密度要更低，镁是当前最理想、重量最轻的金属结构材料，因而成为汽车轻量化的首选材料，但它铸造比较困难，后处理工艺繁琐，成本非常昂贵旧。我国的镁资源丰富，储存量居全球范围首位。但是，国内使用量很少，尤其汽车行业使用量稀少，

32、因此作为汽车轻量化的新型材料镁的运用前景会非常广阔。塑料和复合材料与相同结构性能的钢材相比一般可以减轻部件左右的重量【】。低密度与超低密度片状成型复合材料在重量减轻与强度方面达到甚至超过了铝，而且材料成本往往更是低廉，所以这种复合材料发展潜力非常大。复合材料又叫作纤维增强塑料，由增强纤维和塑料复合而成，作为汽车材料常用到的是玻璃纤维和热固性树脂的复合材料。复合材料密度小、设计灵活和美观、容易设计成整体结构，而且还具有抗腐蚀、隔热和隔电、抗冲击、抗振等优点【。目前，欧美车系应用玻璃钢复合材料就比较广泛。继金属、塑料之后发展起来的第三大类材料就是精细陶瓷。虽然发展史仅仅年左右，但具有非常优良的力学

33、性能，如强度和硬度非常高，抗腐蚀性好，抗磨损性强等；精细陶瓷的化学性能也极为优良，如抗热冲击性强，抗氧化、蠕变等。精细陶瓷作为新型轻量化材料被用于汽车零件，轻量化效果明显，更由于它强大的抗热性、抗腐蚀性和抗磨性，汽车发动机燃烧室以及热交换器等零件可采用这种材料，提高了功率，很大程度降低了油耗，从节能角度看则间接地起到轻量化效果【柏】。目前，应用在汽车上的实例少有听闻，但随着应用研究的不断发展以后会得到广泛运用。新型加工技术应用汽车轻量化促使汽车制造业在成形方法和联接技术上不断创新。专用焊接技术、专用机械紧固元件等新型制造加工技术已经得到广泛应用。早在年奥迪汽车公司就将激光焊接用于轿车底板。德国

34、某公司采用激光焊接的焊缝，使其焊接处强度提高。与传统的电阻焊接相比，采用激光焊接和切割使部件结构受力更合理，提高结构刚度和安全性，可以最合理的使用不同级别、厚度和性能的钢板，减少零件和模具数量，从而减少了材料浪费，降低制造成本，并且使结构更轻。激光焊接技术已经成为工程车辆制造生产中的最主要焊接方法之一。德国为了丌发激光在汽车行业的应用，组织了“结构轻型化、“激光感应焊接技术”、“激光和混合焊接技术、“激光拼焊板等一系列科研项目【】。在不断开发新型制造材料的同时，世界各地的汽车生产企业也在发展先进的制造工艺。国外某些汽车厂家采用（泰勒法）工艺制造车身零件，用这种工艺冲压的车门，各处厚度可以不相等

35、。汽车轻量化发展面临的问题汽车轻量化的方法、技术、新型替代材料颇多，各有各的特点，那么使用现有技术和材料，汽车到底能做到多轻呢？由美国通用汽车公司设计的一辆完全手工制造出来的超轻型概念汽车质量只有，它的质量只是美国家用汽车平均质量的，耗油量也仅仅只是美国家用汽车平均耗油量的【。该超轻型概念汽车的研制使用了多项降低重量和提高燃油效率的技术。不过它作为一辆概念车，现实意义不够大，它的数据也只具有某种指导意义，因此汽车轻量化前景没有想象中那么乐观。若把眼光拉近到现实中，可以看到，汽车轻量化虽然已成为未来潮流，但目前要在全行业广泛应用轻量化技术还为时尚早，技术还不完善、成本高是主要原因。下面以取得巨大

36、轻量化成果的奥迪车型为例，使用技术的全铝车身减重，以每减重油耗减少来计算，一辆车在其行驶寿命万公里期间可省油，但是相比下来，全铝车身价格不菲，消费者仍然是得不偿失【删。虽然对整个社会来说，轻量彳成本成本材料成本制造成本设计成本一轻量化程度重量图轻量化程度与成本关系图化将为能源、环境带来巨大的好处，但是具体到每一个消费者，他们却不得不在购车时为自己的钱包作打算，需要认真衡量一下轻质汽车的额外高价与省下的油钱相比哪一项更多。汽车轻量化必须以昂贵的设计与制造成本为代价。图所示反映了汽车轻量化与设计成本、制造成本以及材料成本之间关系【。生产企业在考虑重量与成本时二者需要兼顾，图中的阴影区域即为汽车轻量

37、化的最优范围。汽车轻量化目标的实现不能只依靠汽车工业、汽车厂商自身的开发研究，同时还需要上下游产业的协作努力，如上游的材料、合金、专业分析模拟软件等技术，下游的回收、再生技术等，只有这些技术的不断进步与提高，轻量化的目标才能够很快实现】。例如，前面有提到采用高强度钢材料既可以满足安全标准又可以减轻车重，但是以为代表的传统高强度低合盒钢因为其屈服强度比一般都大于，难以满足汽车制造过程对成型性的要求【。钢铁工业需要努力研制新型的高强度钢（），以解决高强度与成型性的矛盾。虽然面临重重障碍，汽车研发领域的人们仍然没有放弃努力，专业软件的开发成效越来越好，新型材料技术、新生产技术和新设计方法不断提高，铝

38、、镁、复合材料和精细陶瓷等新型材料在汽车制造企业中的使用率在逐渐加大。虽然在目前看来汽车工业近年来不会在减重方向出现历史性进步，但是由于不懈努力，人们实际上正在逐步靠近制造出轻质量、低价格的新一代汽车的目标。课题来源与研究内容课题来源于我国某专用车生产企业委托的实际科研项目。其研究目的为：在不降低承载能力的前提下，对企业所提供的典型重型自卸车进行结构改进和轻量化设计。课题的研究内容根据企业的实际需要和国内外研究分析概况来确定，主要的研究内容包括以下几点：（）重型自卸车轻量化总体方案的研究轻量化总体研究方案在整个研究过程中起着主导性作用，它引导着以后的整个研究过程。因此，只有先确定了先进并易于实

39、现的总体方案再进行研究，才能更颐利的完成该课题。（）用高强度钢板替代普通钢板时强度理论分析及构件壁厚的等效计算研究在利用高强度钢板进行自卸车构件强度等代设计时钢板壁厚的确定问题，推导出在保证原结构强度不降低的情况下，用高强度钢板替代普通钢板时钢板壁厚的计算公式，对重型自卸车利用高强度钢板进行轻量化设计提供良好的理论依据。（）分析典型重型自卸车特点，建立重型自卸车整车分析模型在科学有效的整体研究方案确定之后，建立合理良好的重型自卸车整车分析模型尤为重要，它会对计算分析结果产生重要影响。建立重型自卸车整车有限元分析模型，包括几何模型的建立、有限元模型的简化、整车力学特性分析、正确选择单元与合理划分

40、网格等。（）对整车模型进行精细化研究，建立重型自卸车轻量化模型通过分析模型找到质量过大的原因，只有建立了精确合理的重型自卸车轻量化模型，才可以在此基础上进一步对重型自卸车进行轻量化设计。（）对自卸车进行轻量化设计，提出轻量化设计方案验证轻量化方案的合理性和可行性，提出的重型自卸车轻量化设计方案对降低现有产品的质量应该效果显著，实现课题的研究目标，为生产企业改进重型自卸车研究工作提供一定依据。本课题的研究方案如图所示。研究总体方案确定高强雩要勰方法分析及公式推导基于整车模型研究货厢与车架分析模型建立基于举升机构的动力学仿真计算分析模型精细化研究；基于结构参数轻量化研究基于高强钢结构轻量化研究面向

41、结构优化和高强钢结构应用的综合研究方案提出总结分析结果及轻量化结果图课题研究方案路线武汉理：人学硕学位论文第二章结构优化的基本方法及理论引言根据汽车的整体构造，车身、发动机、底盘、内外装备等占汽车总质量比重的相当大一部分。这样看来，车身、底盘、发动机等部件的轻量化研究对减轻汽车总质量存在很大潜力。利用结构分析技术进行优化设计汽车的结构，对零部件进行结构和工艺改进，采用薄壁零部件，并且使之中空化、小型化、复合化等，尽可能地让零部件的重量降到最小【引。利用技术实现汽车轻量化有着以往设计手段不可超越的先进性。组成汽车的最小单元就是零件，所以汽车零件是汽车轻量化首先应该考虑到的。在汽车设计过程中，技术

42、主要用于方案设计、建立模型、进行工程分析、方案评价和详细设计等阶段【。在汽车轻量化设计中，技术主要应用于以下几方面：（车身强度、刚性和空气动力学特性分析采用技术设计车身结构和布局，接着分析汽车各构件的形状、配置以及板材厚度等的变化，在观察变形量、应力变形结果的同时，反复进行模拟，由于汽车结构对碰撞特性起着决定性的作用，所以采用碰撞模拟分析技术模拟汽车正面局部碰撞、侧面碰撞等各种碰撞，再通过运用满足车身强度和刚度的高强度铝合金、镁合金材料，努力寻求最合理的设计方案【。（）发动机性能分析利用技术分析运用铝、镁合金材料制成的发动机气缸的进气流，从为实现理想的燃烧状况的气缸、进气歧管、气门形状、配气正

43、时等众多因素中，选择出最合适的条件，同时可模拟发动机气缸内燃烧现象，对燃油消耗率的降低、排放污染的减少和节能型发动机的开发都具有巨大作用。（）设计稚局分析采用技术分析运动件的运动干涉和固定件的布局干涉，在汽车轻量化过程中，一定不能忽略的步骤就是要利用三维数据检查汽车复杂零部件是否存在相互干涉。务必要考虑到并要保证零部件的可维修性，这是在寻求合理布局的同时格外需要注意的情况。（）振动、噪声分析运动零件的轻量化设计可使汽车的噪声和振动减轻，利用有限元法进行结构解析，以对话方式输入与图面尺寸相应的零件形状参数，自动地作成有限元模型。对各部应力、刚性进行高精度预测，减重的极限设计快速完成，通过实施有效

44、方武汉理一：人学硕十学位论文法，使各部位的振动和噪声尽可能地减到最小。总之，采用和结构解析技术进行优化设计是汽车轻量化的主要途径，通过采取有效措施实现零部件的精简、轻质、整体性和合理化，同时以高强度轻质材料代替传统的钢铁材料，最终使得质量减轻、燃油消耗率降低以及排放污染减少。技术概述技术（，即计算机辅助工程）将计算机技术和工程分析技术相结合，是一项以有限元法和数值分析方法为理论基础的逐步发展而成的先进技术。有限元法的基本思想是将连续的求解区域划分为一组有限个、且按一定方式相互连结在一起的单元的组合体。由于单元本身又可以有不同形状，因此可以采用几何形状复杂的求解域来进行模拟。数值分析方法是研究实

45、际可行、理论可靠、计算复杂性好的并适合于在计算机上使用的数值计算方法，近半个世纪以来，得到迅猛发展的数值分析已经逐步形成为数学科学中一门独立的学科筘¨。的核心技术为有限元技术与虚拟样机的运动动力学仿真技术。主要任务是采用计算机的方式分析工程或产品的性能以及安全可靠性，模拟工程或产品未来的工作状态和运行行为，确保设计缺陷能够及早被发现，并对工程或产品的未来性能的可用性与可靠性进行证实。参考文献扩展了的定义，将解释成为是集成分析、计算和仿真于一体的一切研发活动，所以它是一个从产品研究开发到产品检测整个生产过程都能支持的计算机系统。软件是一种综合性、知识密集型信息产品，涉及到有限元法、数值

46、分析、优化设计、图像处理、工程管理学、人机智能工程等多种技术领域，较为常用的软件有、等【】。进入新世纪以后，软件版本正在不断更新中，在各方面取得了进一步完善，比如其功能、性能、前后处理能力、单元库、解法库、材料库等方面都有很大提升，又由于已具有了趋于发展成熟的用户界面和数据管理技术，很多理论分析无法解决而实际工程又需要解决的复杂问题可以得到完善解决。按照研究对象的物理属性进行分类，分为静力计算、动力计算、运动（干涉）计算、疲劳计算、热分析、流体分析、塑性分析及噪声分析等；根据分析目标的不同，技术分为静态分析、动态分析、可靠性分析和优化分析髀】。软件简介集成了结构、热、流体、电磁、声学等课题，于年由美国武汉理人学硕士学位论文公司开发，属于一种大型通用有限元分析（）商业软件。公司自成立以来，在其创始人教授的领导下，不断吸取世界最先进的计算方法和计算机技术，引领着世界有限元分析软件的发展】。软件技术先进，应用可靠，并且更是开放实用，目前在全球工业界已被广泛应用。的理论基础和分析思路的理论基础是有限单元法，其分析的基本思路是：将结构体看成是由有限个离散而成的单元组成的整体，求解出单元结点的位移，并以此为基本的未知量。下面大致介绍了有限元法的整个分析过程：（）单元类型和离散结构的选择。首先分析结构物的几何形状和受力特点，再以此为依据选