毕业设计（论文）-履带车辆控制臂轻量化

1、内蒙古科技大学毕业设计手册履带车辆的轻型控制臂摘要本设计采用Ansys软件建立汽车悬架控制臂模型，提出了一种实用可靠的汽车悬架控制臂轻量化优化设计方案。我们主要使用拓扑优化技术。在Ansys软件强大功能的基础上，对履带车辆控制臂的工作状态和应力进行了严格的分析。此外，系统介绍了汽车控制臂、履带车辆悬架系统和应用软件Ansys的开发。经过一系列详细的研究和计算，我得出的结论是，作为一种高强度的工作车辆，本文所设计的控制臂采用轻量化设计，能够完全满足其各种要求，优化后的控制臂在履带车辆中具有很大的工程应用潜力。关键词：履带车辆；悬挂控制臂；拓扑优化；轻量乘用车六速变速器的设计摘要本文利用ANSYS

2、软件建立了汽车悬架控制臂模型，提出了一种实用可靠的汽车悬架控制臂轻量化优化设计方案。我们主要使用拓扑优化技术。在ANSYS软件强大功能的基础上，对履带车辆控制臂的工作状态和应力进行了分析。系统介绍了履带车辆控制臂、悬挂系统和应用软件ANSYS的开发。经过一系列详细的研究和计算，我得出结论：作为一种高强度的工作车，本文所设计的控制臂轻量化完全能够满足其要求，优化后的控制臂在履带车辆中具有很大的工程应用潜力。关键词：履带式车辆；悬挂控制臂；拓扑优化；轻量级选手28目录履带车辆的轻型控制臂I摘要一履带车辆控制臂的轻量化设计2抽象2第一章文献综述41.1主题意义41.2课题4的研究现状1.3学科发展趋

3、势51.4本设计的主要工作内容5第二章Ansys软件介绍62.1 ANSYS 6的发展历史2.2 ANSYS 6的功能和应用第三章履带车辆轻型控制臂总体方案选择103.1控制臂103.2轻型设计的主要基础16第四章履带车辆控制臂主要参数的选择和计算174.1履带车辆控制臂17的操作条件4.2控制臂19的应力第五章轻型控制臂的设计215.1 21型控制臂的处理5.2控制臂22的网格划分5.3控制臂22的静态分析5.4拓扑优化伪密度图235.5拓扑优化后的模型处理245.6控制臂最终优化形状.25结论26参考文献27谢谢你30第一章文献综述1.1主题意义汽车零部件的轻量化设计意义重大，因为汽车各主

4、要零部件的质量降低很少，所以只能从每个小零部件进行优化，这样可以减轻整车重量，提高汽车的燃油经济性。中国汽车工业发展相对较晚，在人才、技术等方面存在很大不足，自主研发和设计的很多方面都无法与发达国家相比。控制臂是汽车悬架的重要组成部分。悬架的主要功能是连接车身和车轮。控制臂在悬架中起支撑作用。减震器和保险杠安装在它和悬架上。因此，在路况不好的道路上行驶时，汽车不会感到太颠簸。控制臂将车轮上的力矩传递给车身，以确保车轮沿某一轨道行驶，并减弱路面的冲击力。控制臂是车身上的簧下质量。减小控制臂的质量可以提高车辆的承载性能，对于提高车辆的操纵稳定性具有十分积极的意义。因此，控制臂的轻量化设计一直是汽车

5、底盘设计和开发中的一个非常重要的方面，各种汽车行业从未停止过它们的研发。1.2公共关系的研究现状随着汽车工业的快速发展，人们对汽车的性能也提出了更高的要求。如今，汽车市场上的跑车越来越多。作为运动车辆悬架的重要组成部分，许多汽车制造厂已经开始关注汽车控制臂的研究。当车辆工作时，控制臂将承受许多冲击，例如车身振动和路面激励，因为它与车轮相连。悬架连接到车身和车轮上。控制臂是悬架的主要受力部件。后副车架和转向节连接到悬架上。两者通过衬套连接到控制臂上。汽车最重要的性能是安全和可靠。在设计履带车辆的轻型控制臂时，我在工作中充分考虑了控制臂的各种受力和载荷情况，在满足车辆正常行驶要求的同时，最大限度地

6、降低了控制臂的质量，将生产成本降到最低，从而最大限度地提高了燃油经济性。通过模态仿真分析和模态试验测试，陈东等人1成功地将前副车架减轻了2.3公斤。他们设定了汽车悬架材料的优化目标。优化后的汽车悬架性能非常好，完全达到了预期的效果，但唯一的不足是强度没有经过检查和验证。有限元方法广泛应用于汽车制造领域。于勇军2等人应用了有限元法。通过有限元分析，得到了控制臂零件的优化配置。这种新的控制臂可以减少自身质量至少19%。然而，李成3采用拓扑优化技术和单目标方法将麦弗逊悬架下控制臂的重量减轻了1.1千克。经过轻量化设计后，控制臂的模态性能得到了显著提高。然而，它的方案有很大的局限性。他在优化中只考虑了

7、一个目标，而没有同时考虑模态性能、强度性能和重量性能。然而，黄鹤4等人提出的轻量化设计方案尚未经过试验验证，可行性较低，但该方案优化后的控制臂质量可降低32.2%，优化后的控制臂各项性能也能满足车辆的要求，这都依赖于有限元强度和模态仿真分析。在结构优化和工程应用领域，许多国家的著名汽车制造商都加大了研发力度和资金投入，因为所有制造商都在想方设法将汽车制造成本控制在最低水平，以获取最大利润，这从侧面极大地促进了汽车行业的健康竞争和自主创新。结构优化设计源于对麦克斯韦理论和米歇尔桁架的研究5。现代人在购买汽车时非常注重汽车的平稳行驶能力和稳定操纵能力。众所周知，决定汽车平顺性和操纵稳定性的汽车系统

8、是悬架，控制臂是汽车悬架系统的重要传力导向部件。因此，设计车辆的控制臂是非常重要的，以确保它不影响正常使用，并可以大大降低质量和节省空间。为了确保车辆的正常行驶能力，必须考虑车轮接触的各种路况和接收的各种负载，同时必须实现增强动力、稳定控制、减少轮胎磨损、节能减排的目标6。由于汽车制造起源于国外，国外各种汽车系统和零部件的研究历史更长。悬架系统作为汽车的重要组成部分，自然是他们的主要研究目标。在汽车行驶性能 7一书中，德国工程师亚当左本介绍了悬架的运动特性，包括其对车辆行驶性能的影响以及对车辆操纵稳定性的影响。在美国工程师托马斯圣吉莱斯皮的汽车动力学基础 8一书中，从汽车舒适性、稳态转向特性、

9、加速性能、制动性能、悬架系统等方面详细介绍了动力学问题。并对通用悬架KC的性能进行了研究。从理论上解释了其变化规律对底盘运动性能的影响，为汽车系统动力学学者提供了必要的研究数据。德国工程师哈斯佩特维拉米特、德国工程师沃尔夫冈马切斯基(Wolfgang Matchesky)和日本学者安倍晋三(Masato Abe)的著作系统而深入地讨论和分析了车辆悬架的KC特性及其对车辆操纵稳定性的影响。德国雷根斯堡大学的Giger Riel博士写了汽车动力学模拟及其方法 12，美国曼哈顿大学的Reina Jason写了汽车悬架 13，全面系统地讨论了悬挂系统和底盘。这是对汽车系统动力学领域的一次非常深入的探索

10、，对我国悬架系统的研究也很有帮助。1.3话题发展趋势环保、节能和减排已经成为当今时代的主流。主要汽车制造商也在尽最大努力制造车身，以获得更大的市场份额，赢得更多消费者的青睐。几乎所有的汽车制造商都专注于控制臂轻量化设计的材料、结构和工艺三个方面14。吉林大学的丛乐田在控制中国的体重方面做得很好。他对下控制臂进行了拓扑优化、形状优化和相应的改进设计。最重要的是，他没有影响控制臂的性能，同时降低了控制臂的质量15。同样，为了降低控制臂的质量，Soo-lyong Leea将铝合金材料应用于控制臂的结构设计，他的设计也是轻量化设计的重要手段16。另一方面，汉尼斯富克斯选择从技术方面着手。他首先找到了各

11、种不同制造技术的控制臂，并对不同技术下控制臂的性能进行了对比分析。他得出的结论是，压制成型的控制臂在控制成本和降低质量方面具有明显的优势和更好的性能17。控制臂的研究始于汽车悬架的研究。由于控制臂是悬架的重要组成部分，对汽车控制臂进行优化是提高悬架优化设计水平的一个必不可少的步骤。此外，在当今社会，履带式车辆由于其强大的通过能力、承载能力和阻力，在军事、工程和特种车辆等许多方面发挥着越来越重要的作用。因此，对控制臂的研究和开发具有重要意义。我们不仅要保证优化后的控制臂能最大限度地降低质量，还要保证其原有性能不受影响，甚至提高性能。控制臂的材料、制造工艺和结构会影响控制的最终优化结果，其中最重要

12、的是结构形状的优化。科学的结构不仅可以节省材料和重量，还可以节省大量空间。因此，控制臂的结构优化研究和开发已成为提高控制臂轻量化水平的主要途径18。目前，只有少数汽车制造商将结构优化技术应用到控制臂的轻量化设计中，所以在本研究中，我们的主要目标是优化控制臂的结构，优化其尺寸，从而达到轻量化的目的。1.4本次设计的主要工作内容利用ANSYS软件对汽车悬架控制臂进行了轻量化设计。包括以下研究内容：(1)分析控制臂的应力。(2)在ANSYS软件中，对控制臂的形状进行了优化，优化目标不超过45公斤。(3)对优化后的控制臂进行强度计算和模态分析，检验优化方案的可行性。研究方案：使用三维模型设计软件或直接

13、在ANSYS软件中建立控制臂的初始模型，如图所示，然后在ANSYS中给控制臂模型添加根据设计规范给出的边界条件：(1)球节处的应力：Fz=-0.96kN，Fx=-18.24kN，FY=-1.57 kN。(2)减震器上的力为Fz=0，Fx=1.139KN千牛，FY=8.63千牛；(3)缓冲器冲击部分的力：动载荷下FZ=0；Fx=32KN。fy=-167千牛顿；(4)车体端部的铰链沿轴线转动，转动角度为16(臂体下部折边5处于初始位置)；(5)材料：钢42CrMo，b=1080 MPa，s=930 MPa，许用应力840Mpa。对优化后的控制臂进行强度计算和模态分析，使控制臂的自振频率和结构强度同

14、时满足要求。最后，从已经完成轻量化设计的汽车控制臂的3D模型中导出二维绘图。第二章介绍Ansys软件2.1 ANSYS的发展历史美国的约翰斯旺森博士于1963年创建了ANSYS。他的工作是在美国的西屋公司。工作方向是火箭推进的方向。火箭是一个极其精确的推进器，里面充满了大量的推进剂，包括核反应推进剂。医生负责核反应火箭的应力分析。由于现有仪器难以有效捕捉核反应产生的应力，而且核反应是危险的，为了获得最准确的结果，斯旺森博士精心编制了一个新程序来计算结构应力和位移的加载温度和压力。由于威尔逊博士原来的有限元法热传导程序已经相当强大，他直接将自己的程序添加到现有的成熟程序中，使系统能够在原来有限元程序的基础上大大发展三维分析领域。三维场包括板壳、非线性、塑性、蠕变和动态全过程等。新完善的程序被命名为stasys(结构分析系统)。事实上，Ansys这个名字没有特殊的含义。一开始，只需要考虑不侵犯任何公司的版权。1970年底，商业软件ANSYS正式进入市场。它一经推出，就引起了极大的关注，并迅速在所有制造业中流行起来，受到了主要应用公司的青睐。斯沃森博士曾经工作过的