基于ProE及ANSYS的輕型載貨汽車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與靜力學(xué)分析設(shè)計(jì)(畢業(yè)論文+全套CAD圖紙)(答辯通過)

下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 下載文檔送全套 CAD 圖紙 扣扣 1304139763 摘 要 車架工作狀態(tài)比較復(fù)雜，無法用簡單的數(shù)學(xué)方法對其進(jìn)行準(zhǔn)確的分析計(jì)算，而采用有限元方法可以對車架的靜動態(tài)特性進(jìn)行較為準(zhǔn)確的分析，從而使車架設(shè)計(jì)從經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)入到科學(xué)設(shè)計(jì)階段。 首先確定輕型貨車的總體布置形式，在此基礎(chǔ)上選擇各總成的相關(guān)參數(shù)。然后初選車架橫、縱梁的尺寸參數(shù)，運(yùn)用材料力學(xué)對車架進(jìn)行強(qiáng)度與剛度校核。經(jīng)過優(yōu)化完成對車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 其次，運(yùn)用 Pro/E 軟件建立車架三維模型。在滿足結(jié)構(gòu)力學(xué)特征的前提下，對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了保留主要承載橫梁的簡化。 最后，使用有限元分析軟件 ANSYS 12.0 從彎曲 和扭轉(zhuǎn)兩大方向?qū)嚰苓M(jìn)行強(qiáng)度、剛度分析。結(jié)合車架工作實(shí)際，對其進(jìn)行了滿載、前側(cè)偏載、單側(cè)偏載和單側(cè)扭轉(zhuǎn)、雙側(cè)扭轉(zhuǎn)等工況的分析及對比，保證了車架結(jié)構(gòu)滿足實(shí)際使用要求。 關(guān)鍵詞 ：車架； Pro/E； ANSYS； 強(qiáng)度；剛度 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 下載文檔送全套 CAD 圖紙 扣扣 1304139763 ABSTRACT In addition, the work condition of carrier car is extremely bad, and stress condition is also complex, it is unable to use simple mathematical method for accurate analysis of the calculation, and the finite element method can be used to analyze the static 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. Firstly, the overall layout of LGV is determined, on this basis, selected parameters of every assembly. Then beams and stringers dimensions of the frame are selected, the strength and stiffness on the frame are checked by Mechanics of Materials. After all, the frame is designed after feedback. Secondly, the 3D model is created used Pro/E. In faithful of the structures mechanical characteristics, it is necessary to simplify the geometry. Finally, on two directions of the bending and the reverse to analyze the strength and stiffness on the frame used ANSYS 12.0. With the frames actual work characteristics, the frame is analyzed under the full, the front side of the partial load, the unilateral partial load and the unilateral reverse, the reverse sides conditions, guarantee the frame structure meet the mechanical requirements. Key words： Frame； Pro/E； ANASYS ； Strength； Stiffne下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 目 錄 摘要 I Abstract II 第 1 章 緒論 1 1.1 研究的目的和意義 3 1.2 研究背景 5 1.3 車架有限元法國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 6 1.4 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 8 第 2 章 車架結(jié)構(gòu)方案的選擇 9 2.1 車架的設(shè)計(jì)要求 9 2.2 車架的結(jié)構(gòu)型式 9 2.3 橫梁、縱梁及其聯(lián)接型式 13 2.4 車架的制造工藝 15 2.5 本章小結(jié) 16 第 3 章 車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16 3.1 車架橫、縱梁設(shè)計(jì) 16 3.2 車架的彎矩及彎曲應(yīng)力計(jì)算 17 3.3 車架的撓度計(jì)算 20 3.4 縱梁鋼板彈簧跨度計(jì)算 22 3.5 本章小結(jié) 22 第 4 章 車架三維模型的建立 23 4.1 Pro/E 軟件介紹 23 4.2 三維模型的建立 24 4.3 本章小結(jié) 28 第 5 章 車架靜態(tài)有限元分析 29 5.1 有限元概述 29 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 5.2 ANSYS Workbench 12.0 概述 33 5.3 車架有限元模型的建立 35 5.4 車架彎曲工況分析 37 5.4.1 滿載工況分析 37 5.4.2 前側(cè)偏載工況分析 38 5.4.3 單側(cè)偏載工 況分析 39 5.5 局部分析 40 5.6 車架扭轉(zhuǎn)工況分析 41 5.6.1 單側(cè)扭轉(zhuǎn)工況分析 41 5.6.2 雙側(cè)扭轉(zhuǎn)工況分析 43 5.7 各工況分析結(jié)果總結(jié) 44 5.8 本章小結(jié) 44 結(jié)論 45 參考文獻(xiàn) 46 致謝 47 附錄 48 附錄 A 48 附錄 B 54 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 1 買文檔送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 2 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 3 緒 論 1.1 研究的目的和意義 在汽車制造市場競爭日益激烈的今天，汽車制造技術(shù)越來越先進(jìn)，作為載貨汽車主要承載結(jié)構(gòu)的車架，它們的質(zhì)量和 結(jié)構(gòu)形式直接影響車身的壽命和整車性能，如動力性、經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性。汽車的輕量化，就是在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。實(shí)驗(yàn)證明，汽車質(zhì)量降低一半，燃料消耗也會降低將近一半。當(dāng)前，由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車的輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流。輕量化是 21世紀(jì)整車發(fā)展趨勢之一，減輕汽車質(zhì)量意味著節(jié)約了能源和材料。車輛設(shè)計(jì)中，在滿足載貨汽車運(yùn)營中對車架的剛度、強(qiáng)度及工藝改造等因素要求的同時，應(yīng)當(dāng)盡可能減輕它們的質(zhì)量和降低制造成本。 車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的在于確保車架強(qiáng)度、剛度和動態(tài)性能的前提下，減輕車架的質(zhì)量，由此不僅可以減少鋼材和燃油的消耗，減少污染排放，提高車速，改善汽車起動和制動性能，而且可有效減少振動和噪聲，增加汽車和公路使用壽命。但我國的汽車工業(yè)存在自己的特殊性：一是引進(jìn)國外設(shè)計(jì)，國產(chǎn)化生產(chǎn)；二是仿制或改裝設(shè)下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 4 計(jì)，自己獨(dú)立開發(fā)設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品很少。國內(nèi)許多廠家在載貨汽車的設(shè)計(jì)、制造和改進(jìn)過程中仍主要依靠和沿用傳統(tǒng)的手工設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)理念，從而造成產(chǎn)品存在缺陷或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理，目前國產(chǎn)載貨汽車普遍存在的問題是整車協(xié)調(diào)性較差；局部材 料強(qiáng)度余量較大，無法預(yù)先判斷，造成材料的浪費(fèi)；在車輛實(shí)際使用過程中出現(xiàn)局部強(qiáng)度不足。所以，產(chǎn)品國產(chǎn)化或改裝后，在使用過程中往往會出現(xiàn)強(qiáng)度、壽命、振動、噪聲等方面的問題。這些問題影響了我國載貨汽車產(chǎn)品質(zhì)量，造成了使用中的安全隱患。由于缺乏必要的理論分析，我國載貨汽車制造廠家對有問題的區(qū)域往往采取局部加強(qiáng)的方法，這不但需要進(jìn)行多次全面的實(shí)車試驗(yàn)才能確定其有效性，而且會導(dǎo)致整車整備質(zhì)量的不斷增加。另外，對一些結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)和優(yōu)化，由于缺少一定的理論依據(jù)，往往得不到很好的實(shí)施，因此開展載貨汽車車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算工作， 在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的前提下，合理地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以達(dá)到輕量化的目的、對車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義。此外，為了加速企業(yè)的新產(chǎn)品開發(fā)，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的性能和科技含量，必須對現(xiàn)有的車型進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度分析計(jì)算和動態(tài)特性分析研究工作，為新車型的研制開發(fā)提供借鑒和校核方法 1。隨著經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程的加快，汽車工業(yè)的競爭日益加劇，汽車巨頭們都在加緊新車型的設(shè)計(jì)開發(fā)，由于發(fā)動機(jī)、底盤設(shè)計(jì)制造技術(shù)基本成熟，新車型便主要體現(xiàn)在電子設(shè)備和車架造型的更新上。同時，為減少新車型的開發(fā)成本、縮短新車型的開發(fā)周期、提高新產(chǎn)品的市場競 爭力，全球各大汽車公司普遍實(shí)施了“平臺戰(zhàn)略”，車架的開發(fā)便是該戰(zhàn)略的主要組成部分。 載貨汽車車架是載貨車的基體，一般由兩根縱梁和幾根橫梁組成，經(jīng)由懸掛裝置。前橋、后橋支承在車輪上，具有足夠的強(qiáng)度和剛度以承受汽車的載荷和從車輪傳來的沖擊。要評價車架設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)的好壞，首先應(yīng)該清楚了解的是車輛在行駛時車架所要承受的各種不同的力。然而對車架進(jìn)行靜、動態(tài)性能的研究，用經(jīng)典力學(xué)方法很難得到精確的優(yōu)化解，為了能夠計(jì)算出車架的剛度和強(qiáng)度，往往對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行較多的假設(shè)和簡化，計(jì)算模型只能構(gòu)造的比較簡單，與實(shí)際的結(jié)構(gòu)形狀相差很 大。在計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展并廣泛應(yīng)用的今天，采用近似的數(shù)值解己成為較為現(xiàn)實(shí)又非常有效的選擇。實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)證明，在眾多近似分析方法中，有限單元法是運(yùn)用最為成功、最為有效的數(shù)值計(jì)算方法。在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用有限元法進(jìn)行分析，是近幾十年來發(fā)展起來的計(jì)算方法和技術(shù)。有限元法的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是能夠解決結(jié)構(gòu)形狀和邊界條件都非常任意的力學(xué)問題。早期由于有限元法所要求解的問題計(jì)算規(guī)模都比較大，而計(jì)算機(jī)的速度和容量有限，所以造成有限元法在使用上的局限性?，F(xiàn)在這些問題已經(jīng)解決，只要注意所建有限元模型中各種支承、連接關(guān)系盡量與實(shí)際 結(jié)構(gòu)相符，載荷和動態(tài)分析中的激勵能反映實(shí)際情況，特別是動態(tài)載荷的變化曲線的精確獲得以及在計(jì)算中如下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 5 何加載，行駛、制動、轉(zhuǎn)彎工況的載荷和約束如何正確選擇等問題，就可以得到滿足精度要求的有限元分析結(jié)果。汽車車架結(jié)構(gòu)的靜、動態(tài)分析的主要目的是查明車架內(nèi)部各點(diǎn)的應(yīng)力、形變和相對位移，找出其固有頻率及振型，從靜、動兩個方面檢驗(yàn)車架結(jié)構(gòu)的合理性。 隨著現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)要求的日益提高，將有限元法運(yùn)用于車架設(shè)計(jì)已經(jīng)成為必然的趨勢，主要體現(xiàn)在： （）運(yùn)用有限元法對初步設(shè)計(jì)的車架進(jìn)行輔助分析將大大提高車架開發(fā)、設(shè)計(jì)、分析和制造的效 能和車架的性能。 （）車架在各種載荷作用下，將發(fā)生彎曲、偏心扭轉(zhuǎn)和整體扭轉(zhuǎn)等變形。傳統(tǒng)的車架設(shè)計(jì)方法很難綜合考慮汽車的復(fù)雜受力及變形情況，有限元法能夠很好的解決這一問題。 （）利用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，可以得到車架結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。從設(shè)計(jì)上避免車架出現(xiàn)共振的現(xiàn)象。 （）通過對車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步降低車架的重量，在保證車架性能的前提下充分的節(jié)省材料，對降低車架的成本具有重要的意義。 綜上所述，有限元法已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)的重要工具之一，在汽車產(chǎn)品更新速度快，設(shè)計(jì)成本低、輕量化和舒適性要求越來 越高的今天，對于提高汽車產(chǎn)品的質(zhì)量、降低產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)制造成本，提高汽車產(chǎn)品在市場上的競爭能力具有重要意義 2-3。 1.2 研究背景 汽車問世百余年來，特別是從汽車產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)及汽車工業(yè)的大發(fā)展以來，汽車為世界經(jīng)濟(jì)的大發(fā)展、為人類進(jìn)入現(xiàn)代生活產(chǎn)生了無法估量的巨大影響。今天，在發(fā)達(dá)國家，汽車的普及已經(jīng)達(dá)到很高的程度，在美國平均每個家庭擁有各種汽車 23輛；雖然中國的汽車人均擁有量遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家水平，但是由于中國巨大的市場和國際汽車工業(yè)對中國汽車工業(yè)的影響，中國汽車工業(yè)經(jīng)過 50 年的風(fēng)雨歷程，已形成一個比較完整 的工業(yè)體系。 任何問題都有兩面性，汽車工業(yè)的發(fā)展為人們帶入現(xiàn)代生活的同時也帶來了許多問題 4-5。 例如，一、能源問題，每年汽車的石油消耗量保持在 100 億桶，并每年以一定的速度增加，而世界石油資源只能開采幾十年，煤炭資源也只夠開采一百來年，人類面臨著嚴(yán)重的能源危機(jī)，節(jié)能環(huán)保成為工業(yè)領(lǐng)域不可避免的課題，汽車工業(yè)同樣不可避免。二、環(huán)境問題，汽車每年向大氣排放大約幾億噸的有害氣體，占大氣污染物的 60 以上，被認(rèn)為大氣污染的“頭號殺手”。汽車尾氣中 C02、 CO、 HC 是大氣污染的主要有害氣體，特別是 C02 溫室效應(yīng)近年 來傾向日趨明顯。 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 6 汽車作為現(xiàn)代化社會大工業(yè)的產(chǎn)物，在推動人類文明向前躍進(jìn)并給人類生活帶來了便捷舒適的同時，對大自然生態(tài)環(huán)境的惡化也有著難以推卸的責(zé)任。隨著人們對環(huán)境保護(hù)的日益重視，以緩解石油資源緊缺所帶來的能源危機(jī)，節(jié)能環(huán)保技術(shù)越來越多為廣大汽車公司所采用。汽車輕量化是汽車節(jié)能環(huán)保關(guān)鍵技術(shù)之一，各國和相關(guān)的汽車公司投入大量資金和人力進(jìn)行相關(guān)研究，研究涉及汽車材料、汽車設(shè)計(jì)思想和汽車相關(guān)的材料成型技術(shù)，從而促進(jìn)了相關(guān)汽車設(shè)計(jì)理念、制造工藝、汽車零部件成型技術(shù)迅速發(fā)展。 汽車自身質(zhì)量的大小是影響燃油消耗的重要因 素之一，所以汽車設(shè)計(jì)輕量化成為發(fā)展趨勢。近年來，世界石油資源緊張，油價不斷上漲，對汽車工業(yè)和汽車運(yùn)輸業(yè)來說，降低燃油消耗量成為關(guān)鍵。隨著中華人民共和國道路交通安全法、新版汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策以及在全國開展車輛超載、超限治理工作的實(shí)施方案的出臺，這些都為加快汽車輕量化給予了政策支持和動力。實(shí)現(xiàn)汽車輕量化、降低燃油消耗、增加載質(zhì)量、提高運(yùn)輸效率對約占我國汽車產(chǎn)量 30 的載貨汽車是至關(guān)重要的，也是各有關(guān)汽車制造廠商關(guān)注的焦點(diǎn)。 因此開展汽車結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算與分析工作，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的前提下，合理地進(jìn)行 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以達(dá)到輕量化的目標(biāo)，對汽車設(shè)計(jì)具有重要的意義。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， CAD/CAE/CAM 一體化進(jìn)程的加快，有限元分析在車架結(jié)構(gòu)分析中得到了廣泛的應(yīng)用。分析內(nèi)容已從靜態(tài)向動態(tài)、由部件到整車、由粗略到精確、由通用向?qū)Ｓ冒l(fā)展，其應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段。無論是在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段的方案分析、在工程設(shè)計(jì)階段的校驗(yàn)分析，還是對既有產(chǎn)品實(shí)施精確分析以實(shí)現(xiàn)再設(shè)計(jì)，有限元分析都有其重要的作用。它使得在設(shè)計(jì)階段就可以對載貨汽車的設(shè)計(jì)和制造過程中的各種問題進(jìn)行預(yù)測仿真，從而縮短設(shè)計(jì)周期，提高產(chǎn)品的性能質(zhì)量，節(jié)省大量資 金。 本課題就是在上述背景下提出的，目的在于研究載貨汽車車架結(jié)構(gòu)使之受力合理，等強(qiáng)度及等壽命設(shè)計(jì)。最終達(dá)到保證載貨汽車在性能和功能不受影響或有所提高的情況下，實(shí)現(xiàn)載貨汽車車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，減輕載貨汽車車架質(zhì)量。為相關(guān)企業(yè)提供一套汽車有限元分析及強(qiáng)度試驗(yàn)方案，提高企業(yè)自主研發(fā)能力，增強(qiáng)企業(yè)競爭力。 1.3 車架有限元法國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 現(xiàn)代汽車絕大多數(shù)都具有作為整車骨架的車架，車架是整個汽車的基體。汽車絕大多數(shù)部件和總成都是通過車架固定其位置的，如：發(fā)動機(jī)、傳動系統(tǒng)、懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、駕駛室、貨廂和有關(guān)操縱機(jī)構(gòu)。車架 的功用是支撐連接汽車的各零部件，并承受來自車內(nèi)外的各種載荷。 在有限元法對汽車車架結(jié)構(gòu)的分析中，早期多采用梁單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散化。分析下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 7 的初步結(jié)果是令人滿意的，但由于梁單元本身的缺陷，例如梁單元不能很好地描述結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的車架結(jié)構(gòu)，不能很好地反映車架橫梁與縱梁頭區(qū)域的應(yīng)力分布，而且它還忽略了扭轉(zhuǎn)時截面的翹曲變形，因此梁單元分析的結(jié)果是比較粗糙的。而板殼單元克服了梁單元在車架建模和應(yīng)力分析時的局限，基本上可以作為一種完全的強(qiáng)度預(yù)測手段。近十年來，由于計(jì)算機(jī)軟件與硬件的飛速發(fā)展，板殼單元逐漸被應(yīng)用到汽車車架結(jié)構(gòu)分析 中，使分析精度大為提高，由過去的定性分析或半定量的分析過渡到定量階段。隨著計(jì)算機(jī)軟件、硬件技術(shù)的發(fā)展，特別是微機(jī)性能的大幅提高和普及，在微機(jī)上進(jìn)行有限元分析已不再是很難的事，同時有限元分析的應(yīng)用得以向廣度和深度發(fā)展。 在國外，從 60 年代起就開始運(yùn)用有限元法進(jìn)行汽車車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的計(jì)算。而我國大約是在 70 年代末才把有限元法應(yīng)用于車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析中。 國外大型汽車公司經(jīng)過近百年的汽車設(shè)計(jì)制造，在車架設(shè)計(jì)方面積累了豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析經(jīng)驗(yàn)，形成了實(shí)用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫、設(shè)計(jì)改正記錄和設(shè)計(jì)規(guī)范。目前應(yīng)用 于車架開發(fā)上比較成熟的方面主要有：剛度、強(qiáng)度分析 (應(yīng)用于整車、大小總成與零部件分析以實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì) )， NVH 分析 (各種振動、噪聲，包括摩擦噪聲、風(fēng)噪聲等 )、機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析等；建立在分析和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的各種優(yōu)化方法為車架設(shè)計(jì)提供了多種實(shí)用的選擇方案，使車架設(shè)計(jì)從經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)到優(yōu)化設(shè)計(jì)跨出了一大步。在關(guān)于優(yōu)化算法方面的研究，國外將遺傳算法引入到結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化算法中并獲得良好的效果?？偟目磥?，國外輕量化研究主要有以下幾個方面：（）提出先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，發(fā)展先進(jìn)的制造工藝并通過尺寸參數(shù)優(yōu)化而得到新的輕量化結(jié)構(gòu)；（）將拓?fù)鋬?yōu) 化和形狀優(yōu)化引入到結(jié)構(gòu)輕量化過程中；（）提出新的現(xiàn)代優(yōu)化方法，并進(jìn)入到結(jié)構(gòu)輕量化中；（）利用硬件優(yōu)勢，大量考慮動態(tài)過程中的各種約束，對尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化而得到輕量化結(jié)構(gòu)。 在國內(nèi)，高等院校對基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的車輛輕量化研究發(fā)展也很多，但由于沒有完備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫和設(shè)計(jì)規(guī)范，有時只能按解剖進(jìn)口車結(jié)構(gòu)來進(jìn)行參照性設(shè)計(jì)。具體在車架結(jié)構(gòu)分析方面，車架的剛度分析對結(jié)構(gòu)分析的重要性近些年已受到廣泛的重視。從分析類型上看，仍以車架結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析為主。虛擬試驗(yàn)場整車分析正在著手研究，此外還有焊裝模擬分析、噴涂模擬分析等。其中 ，車架剛度、強(qiáng)度分析，碰撞模擬分析，空氣動力特性分析。金屬板件拉延成形特性分析等已步入實(shí)用化階段，為車架的全面優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。 國內(nèi)目前的輕量化研究主要集中在汽車一般零部件、底盤車架結(jié)構(gòu)等的改形設(shè)計(jì)方面，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段引入有限元法對車架輕量化設(shè)計(jì)的研究很少。與國外相比，國下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 8 內(nèi)關(guān)于在輕量化設(shè)計(jì)過程中引入新的現(xiàn)代優(yōu)化算法的研究比較匱乏，輕量化設(shè)計(jì)過程中的分析規(guī)模較小， CAD/CAE一體化在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)階段的應(yīng)用還不成熟以至于汽車生產(chǎn)廠家很少采用。概括起來與國外輕量化研究的主要差距有： （）汽車結(jié)構(gòu)開發(fā)工作主 要還是依賴經(jīng)驗(yàn)和解剖進(jìn)口結(jié)構(gòu)進(jìn)行參照性設(shè)計(jì)的，多用來解決樣車試驗(yàn)以后出現(xiàn)的設(shè)計(jì)問題，設(shè)計(jì)與分析未能真正做到并行。 （）由于軟硬件對計(jì)算模型規(guī)模的限制，模型的細(xì)化程度不夠，因而結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度分析的結(jié)果還比較粗略。計(jì)算結(jié)果多用來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的方案比較，離虛擬試驗(yàn)的要求還有相當(dāng)大的差距。 （）有限元分析主要應(yīng)用在結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度分析方面，在碰撞、振動、噪聲、外流方面的模擬計(jì)算才剛剛起步，對車架結(jié)構(gòu)或部件的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)分析研究的實(shí)例還未廣泛進(jìn)行。 同時，國內(nèi)外不少公司、科研機(jī)構(gòu)及高等院校陸續(xù)開發(fā)了一些通用 性很強(qiáng)的大型有限元結(jié)構(gòu)分析軟件程序，這些程序可用來分析任意規(guī)模的結(jié)構(gòu)，如整架飛機(jī)或整個汽車的結(jié)構(gòu)。這些有限元軟件已發(fā)展到成熟的階段，比較成熟并且普及較廣的有美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校研制的 SAP、美國麻省理工學(xué)院研制的 ADINA、美國國家航空與航天局研制的 NASTRAN、德國斯圖加特大學(xué)宇航結(jié)構(gòu)靜力學(xué)研究所研制的ASKA、世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國 ANSYS開發(fā)的 ANSYS軟件等等。這些通用程序的研制成功，大大簡化了結(jié)構(gòu)分析工作，只要求使用任意掌握有限元法的基本理論，熟悉建立有限元分析模型的 方法和通用程序的使用方法即可。這些大型商業(yè)通用有限元分析軟件也像 CAD設(shè)計(jì)軟件一樣在汽車研發(fā)過程中得到普及，有實(shí)力的汽車廠商甚至為自己的產(chǎn)品開發(fā)獨(dú)立地從事這些有限元分析軟件的二次開發(fā)。 1.4 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 本設(shè)計(jì)通過參考國內(nèi)外輕型載貨汽車車架的結(jié)構(gòu)及工作原理的基礎(chǔ)上，對車架進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和校核，利用 Pro/E 建模并應(yīng)用 ANSYS 軟件對車架進(jìn)行有限元分析，主要設(shè)計(jì)內(nèi)容如下： 1、選擇車架結(jié)構(gòu)型式、材料和加工工藝，確定車架參數(shù)，對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對車架進(jìn)行校核。 2、建立 Pro/E 零件模型，并完成正確的裝配。 3、將建立好的 Pro/E 模型導(dǎo)入有限元軟件 ANSYS 中，完成車架在各種工況下的靜力分析。 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 9 第 2 章 車架結(jié)構(gòu)方案的選擇 2.1 車架的設(shè)計(jì)要求 車架作為汽車的承載基體，為貨車、中型及以下的客車、中高級和高級轎車所采用，支承著發(fā)動機(jī)、離合器、變速器、轉(zhuǎn)向器、非承載式車身和貨箱等所用簧上質(zhì)量的有關(guān)機(jī)件，承受著傳給它的各種力和力矩。為此，車架應(yīng)有足夠的彎曲剛度，以使裝在其上的有關(guān)機(jī)構(gòu)之間的相對位置在汽車行駛過程中保持不變并使車身的變形最??；車架也應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，以保證其有足夠的可靠性與壽 命，縱梁等主要零件在使用期內(nèi)不應(yīng)有嚴(yán)重的變形和開裂。車架剛度不足會引起振動和噪聲，也使汽車的乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性及某些機(jī)件的可靠性下降。貨車車架的最大彎曲撓度通常應(yīng)小于10mm。但車架扭轉(zhuǎn)剛度又不宜過大，否則將使車架和懸架系統(tǒng)的載荷增大并使汽車輪胎的接地性變差，使通過性變壞。通常在使用中其軸間扭角約為 1/m。在保證強(qiáng)度、剛度的前提下車架的自身質(zhì)量應(yīng)該盡可能減小，以減小車身質(zhì)量。貨車車架質(zhì)量一般約為整車整備質(zhì)量的 1/10。此外，車架設(shè)計(jì)時還應(yīng)考慮車型系列化及改裝車等方面的要求。 2.2 車架的結(jié)構(gòu)型式 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 10 根 據(jù)縱梁 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，車架可分為以下幾種結(jié)構(gòu)型式： 1、周邊式車架 周邊式車架用于中級以上的轎車。如圖 2.1（ a） 所示，在俯視圖上車架的中部寬、兩端窄。中部寬度取決于車身門檻梁的內(nèi)壁寬；前端寬度取決于前輪距及前輪最大轉(zhuǎn)角；后端寬度則有后輪距確定。左右相關(guān)縱梁由橫梁連接。其最大特點(diǎn)是前后兩段縱梁系經(jīng)所謂的緩沖臂或抗扭盒與中部縱梁焊接相連。前緩沖臂位于車廂前圍板下部傾斜踏板前方；后緩沖臂位于后座下方。其結(jié)構(gòu)形狀容許緩沖臂有一定的彈性變形，可吸收來自不平路面的沖擊和降低車內(nèi)噪聲。此外，車架中部加寬既有利于提高汽車的橫向穩(wěn)定 性，又減短了車架縱梁外側(cè)裝置件的懸伸長度。在側(cè)視圖上，與其他型式的轎車車架類似，在前方車輪處縱梁向上彎曲以讓出前后獨(dú)立懸架或非斷開式后橋的運(yùn)動空間。采用這種車架時車身地板上的傳動軸通道所形成的鼓包不大，但門檻較寬，見圖 2.2（ a）。 （ a）周邊式車架 （ b） X 形車架 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 11 （ c）梯形車架 圖 2.1 轎車車架 2、 X 形車架 如圖 2.1（ b）所示，這種車架為一些轎車所采用。車架的中部為位于汽車縱向?qū)ΨQ平面上的一根矩形斷面的空心脊梁，其前后端焊以叉形梁，形成俯視圖上的 X 形狀。 前端的叉形梁用于支承動力 -傳動 總成，而后端則用于安裝后橋。傳動軸經(jīng)中部管梁通向后方。中部管梁的扭轉(zhuǎn)剛度大。前后叉形邊梁由一些橫梁相連，后者還用于加強(qiáng)前、 后懸架的支承。管梁部分位于后座乘客的腳下位置且在車寬的中間，因此不妨礙在其兩側(cè)的車身地板的降低，但地板中間會有較大的縱向鼓包。門檻的寬度不大，見圖 2.2（ b），雖然從被動安全性考慮，要求門檻有足夠的強(qiáng)度和剛度。 3、梯形車架 梯形車架又稱邊梁式車架，是由兩根相互平行的縱梁和若干根橫梁組成。其彎曲剛度較大，而當(dāng)承受扭矩時，各部分同時產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)。其優(yōu)點(diǎn)是便于安裝車身、車廂和布置其他總成 ，易于汽車的改裝和變型，因此被廣泛的采用在載貨汽車、越野汽車、特種車輛和用貨車底盤改裝的大客車上。在中、輕型客車上也有所采用，轎車則較少采用。用于轎車的梯形車架，見圖 2.1（ c），為了降低地板高度，可局部減小縱梁及橫梁的斷面高度并相應(yīng)地加大其寬度，但這使縱梁的制造工藝復(fù)雜化且其車身地板仍比采用其他車架時為高，當(dāng)然地板上的傳動軸通道鼓包也就不大了，見圖 2.2（ c）。 如果也包括固定車身的支架，則上述三種轎車車架的自身質(zhì)量差別不大。無論哪一種轎車車架，在前、后橋處均要求有較大的扭轉(zhuǎn)剛度，為此，相關(guān)的縱、橫梁可采用封閉式斷面，這種封閉式斷面可由相配的一對且以垂向面為開口的沖壓成型的槽型梁相互插入并用電弧焊焊接而成。對于不承受扭矩的車架元件、用于固定動力總成的橫梁以及車架兩端位于基本橫梁以外的縱梁，均采用沖壓成型且具有開口的槽型斷面。 載貨汽車的梯形車架如圖 2.3 所示，由兩根相互平行且開口朝內(nèi)、沖壓制成的槽下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 12 型縱梁及一些沖壓制成的開口槽型橫梁組合而成。通常，縱梁的上表面沿全長不變或局部降低，而兩端的下表面則可根據(jù)應(yīng)力情況，適當(dāng)?shù)叵蛏鲜湛s。既縱梁中部相當(dāng)長的范圍內(nèi)具有最大高度和寬度，而兩端可根據(jù)應(yīng)力情況相應(yīng)的縮小。車架寬 度多為全長等寬。車架寬度的標(biāo)準(zhǔn)化有利于產(chǎn)品的三化，例如可使車架橫梁、前后橋及駕駛室、貨箱等進(jìn)行互換。車架等寬也簡化了縱梁的沖壓工藝且在縱梁上不會產(chǎn)生附加扭矩。有時根據(jù)設(shè)計(jì)要求需將車架前、后端的寬度做得窄些或?qū)捫涑叽缗c限定的汽車 輪廓寬 2.5m相適應(yīng)。車架的長度大致接近整車長度，約為軸距的 1.41.7 倍。 4、脊梁式車架 如圖 2.4 所示脊梁式車技由一根位于汽車左右對稱中心的大斷面管形梁和某些懸伸托架構(gòu)成，猶如一根脊梁。管梁將動力 -傳動系連成一體，傳動軸從其中間通過，故采用這種結(jié)構(gòu)時驅(qū)動橋必須是斷開式的 并與獨(dú)立懸架相匹配。與其他類型的車架比較，其扭轉(zhuǎn)剛度最大。容許車輪有較大的跳動空間，使汽車有較好的平順性和通過性。但車架的制造工藝復(fù)雜，維修不便，僅用于某些平順性、通過性要求較高的汽車上。 5、綜合式車架 系綜合上述脊梁式和邊梁式兩種型式而成，如圖 2.5 所示。這時，主減速器與脊梁相固定，該驅(qū)動橋應(yīng)為斷開式的且獨(dú)立懸架相匹配。其實(shí)，圖 2.1（ b）所示的 X 形車架也應(yīng)歸于這一類型，但該車架可與非斷開式驅(qū)動橋及非獨(dú)立懸架相匹配。 （ a） 采用周邊式車架時； （ b） 采用 X 形車架時； （ c） 采用梯形車架時 1.傳動軸通道 ； 2.地板 ； 3.門檻 ； 4.車架 圖 2.2 采用不同車架時的車身底板 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 13 圖 2.3 載貨汽車的梯形車架 圖 2.4 具有脊梁式車架的汽車底盤 圖 2.5 綜合式車架 2.3 橫梁、縱梁及其聯(lián)接型式 縱梁是車架的主要承載元件，也是車架中最大的加工件，其形狀應(yīng)力求簡單。載貨汽車的車架縱梁沿全長多取平直且斷面也不變或少變，以簡化工藝；為使縱梁各斷面的應(yīng)力接近，可通過改變其斷面高度即使其中部斷面高、兩端較低來達(dá)到。載貨汽車縱梁的斷面形狀多為開口朝內(nèi)的槽形，也有 Z 形、工字形的；脊梁式車架的縱梁則多為管狀的；轎車車架的縱梁 則為箱形斷面。槽型斷面梁的扭轉(zhuǎn)剛度及強(qiáng)度均好?？v梁多為沖壓件，超重型汽車的縱梁則常采用焊接結(jié)構(gòu)或軋制的成型材。 橫梁將左右縱梁聯(lián)接在一起，構(gòu)成一完整的車架，并保證車架有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度，限制其變形和降低某些部位的應(yīng)力。橫梁還起著支承某些總成的作用。汽車車架常有下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 14 4 6 根橫梁，其分布于有關(guān)總成、駕駛室、貨箱或車身的支承位置有關(guān)。當(dāng)發(fā)動機(jī)的前支點(diǎn)位于左右縱梁上時，前橫梁則可減小寬度并采用槽型或 Z 形斷面。中橫梁常做成拱形以留出傳動軸的跳動空間。貨車在后鋼板彈簧前、后支承附近也分別設(shè)置一根橫梁。 橫梁的斷面形狀與縱梁的 聯(lián)接形式如圖 2.6 和圖 2.7 所示。選擇橫梁的斷面形狀時既要考慮其受載情況又要考慮受其支承總成的支承方便。腹板直立的槽形斷面橫梁和由兩槽形組成的工字形斷面橫梁的彎曲剛度及強(qiáng)度均好，常用于后鋼板彈簧的支架處；帽形斷面梁因其斷面高度較小，較易做成大彎度梁，宜于用于需向下凹的前橫梁和拱形的中橫梁；封閉形斷面梁和管梁的扭轉(zhuǎn)剛度大，宜用于需加強(qiáng)扭轉(zhuǎn)剛度處，但貨車多采用扭轉(zhuǎn)剛度不大的非封閉形斷面的鋼板沖壓橫梁。 轎車車架的縱、橫梁采用焊接方式聯(lián)接，而貨車則多以鉚釘聯(lián)接（見圖 2.7）。鉚釘聯(lián)接具有一定彈性，有利于消除峰值應(yīng) 力，改善應(yīng)力狀況，這對于要求有一定扭轉(zhuǎn)彈性的貨車車架具有重要意義。 當(dāng)縱、橫梁以它們的上、下翼緣均分別聯(lián)接時，由于聯(lián)接跨度大，剛度亦較大，這時其扭轉(zhuǎn)剛度及扭轉(zhuǎn)應(yīng)力均較大。當(dāng)橫梁與縱梁的腹板相連接時則情況會相反，這時應(yīng)注意不使其聯(lián)接跨度和聯(lián)接剛度太小，以免影響對縱梁的局部扭轉(zhuǎn)的必要約束。橫梁在與縱梁的連接處往往應(yīng)力較高，故常將其端部翼緣加寬或采用較厚及尺寸較大的聯(lián)接板；也可使其中部的斷面尺寸適當(dāng)縮小，或在其腹板上加設(shè)一些較大的孔，以降低橫梁連接處的應(yīng)力。 圖 2.6 橫梁的斷面形狀及其與縱梁的聯(lián)接 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 15 1 橫梁； 2 縱梁 圖 2.7 縱、橫梁的鉚釘聯(lián)接方式 2.4 車架的制造工藝 車架縱梁和其他零件的制造，多采用鋼板的冷沖壓工藝在大型壓力機(jī)上沖孔及成形；也有采用槽型鋼、工字鋼、管料等型材制造的。轎車車架的組裝多采用二氧化碳保護(hù)焊、塞焊和點(diǎn)焊，設(shè)計(jì)時應(yīng)注意對焊接規(guī)范、焊縫布置及焊接順序的選擇；貨車車架的組裝多采用冷鉚工藝，必要時也可采用特制的放松螺栓聯(lián)接。為保證車架的裝配尺寸，組裝時必須有可靠的定位和加緊，特別應(yīng)保證有關(guān)總成在車架上的定位尺寸及支承點(diǎn)的相對位置精度。 車架材料應(yīng)具有足夠高的屈服極限和疲勞極限，低的應(yīng)力集 中敏感性，良好的冷沖壓性能和焊接性能。低碳和中碳合金鋼能滿足這些要求。車架材料與所選定的制造工藝密切相關(guān)。拉伸尺寸較大或形狀復(fù)雜的沖壓件需采用沖壓性能好的低碳鋼或低碳合金鋼 08、 09MnL、 09MnREL 等鋼板制造；拉伸尺寸不大、形狀又不復(fù)雜的沖壓件常采用強(qiáng)度稍高的 20、 25、 16Mn、 09SiVL、 10TiL 等鋼板制造。強(qiáng)度更高的鋼板在冷沖時易開裂且沖壓回彈較大，故不宜采用。有的重型貨車、自卸車、越野車為了提高車架強(qiáng)度，減小質(zhì)量而采用中碳合金鋼板熱壓成形，再經(jīng)熱處理，例如采用 30Ti鋼板的縱梁經(jīng)正火后抗拉 強(qiáng)度即由 450MPa（ HB156）提高到 480 620MPa（ HB170）。用30Ti鋼板制造縱橫梁也可采用冷沖壓工藝。 鋼板經(jīng)冷沖成形后，其疲勞強(qiáng)度要降低，靜強(qiáng)度提高、延伸率小的材料的降低幅度更大。常用車架材料在沖壓成形后的疲勞強(qiáng)度約為 140 160MPa。 轎車車架縱梁、橫梁的鋼板厚度約為 3.0 4.0mm，貨車根據(jù)其裝載質(zhì)量的不同，輕、中型貨車沖壓縱梁的鋼板厚度為 5.0 7.0mm，重型貨車沖壓縱梁的鋼板厚度為7.0 9.0mm。且槽形斷面縱梁上、下翼緣的寬度尺寸約為其腹板高度尺寸的 35%40%6。 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 16 2.5 本章小結(jié) 本章通過一系列的圖例對車架的結(jié)構(gòu)型式、縱橫梁及其聯(lián)接、車架的制造工藝及材料做了詳盡的介紹。綜上所述，因?yàn)樘菪诬嚰鼙阌诎惭b車身、車廂和布置其他總成，易于汽車的改裝和變型，所以設(shè)計(jì)對象選為梯形車架?？v、橫梁采用 16Mn 鋼板沖壓制造，鉚釘聯(lián)接。 第 3 章 車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 車架橫、縱梁設(shè)計(jì) 1、車架長度大致接近整車長度，約為軸距的 1.4 1.7 倍，取車架長度為 5542mm，在縱梁的全長范圍內(nèi)具有相等的高度和寬度?？v、橫梁均由 6mm厚的 16Mn 鋼板沖壓而成（輕、中型貨車沖壓縱梁 的鋼板厚度為 5 7mm。）槽型斷面縱梁上、下翼緣的寬度尺寸約為其腹板高度尺寸的 35% 40%，縱梁槽形斷面如圖 3.1 所示 。 圖 3.1 車架橫截面 2、 鉚釘?shù)倪x擇 7 根據(jù) GB/T 867-1986 選擇半圓頭鉚釘，如圖 3.2。 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 17 （ 1） d=10mm，kd=17.35mm， k=6.24mm， R 9mm。 （ 2） d=16mm，kd=29.42mm， k=10.29mm， R 15.5mm。 圖 3.2 鉚釘 3、為保證機(jī)動性，左右轉(zhuǎn)向輪處于最大轉(zhuǎn)角時，前外輪的轉(zhuǎn)彎半徑值在汽車軸距的 22.5 倍范圍內(nèi)（小值適于大軸距汽車，而大值適于小軸距汽車）。 圖 3.3 汽車轉(zhuǎn)彎示意圖 已知前輪距為： 1600mm。 根據(jù) GB 516-89，輪胎 7.00-16 的外直徑為 806mm。 依據(jù)圖 3.3 和相關(guān)數(shù)據(jù)可以確定車架橫梁寬度為 1184mm，并確定腹板高度：176mm，翼緣寬度： 75mm。 3.2 車架的彎矩及彎曲應(yīng)力計(jì)算 以下數(shù)據(jù)為參考車型解放賽虎的相 關(guān)參數(shù)： 表 3.1 解放賽虎相關(guān)參數(shù) 基本信息 驅(qū)動形式 42 軸距 /mm 3260 車身長度 /mm 5998 車身寬度 /mm 2095 車身高度 /mm 2405 輪距 /mm 前輪距： 1600 后輪距： 1540 整車質(zhì)量 /kg 2760 額定載質(zhì)量 /kg 3895 后橋質(zhì)量 /kg 1525 準(zhǔn)乘人數(shù) 3 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 18 貨廂參數(shù) 長度 /mm 4200 寬度 /mm 2000 高度 /mm 400 型式 /mm 欄板式 發(fā)動機(jī) 型號 玉柴 YC4F115-30 質(zhì)量 /kg 320 變速器 型號 WLY535 質(zhì)量 /kg 100 當(dāng)車架縱梁承受的是均勻分布的載荷（見圖 3.4）時，車架的簡化計(jì)算可按下述進(jìn)行，但需要一定的假設(shè)。即認(rèn)為縱梁為支承在前、后軸上的簡支梁；空車是簧上負(fù)荷sG( 24 貨車可取 3/20 gmG s ，0m為汽車整備質(zhì)量 )均布在左、右縱梁的全長上，滿載時有效載荷eG則均布在車廂長度范圍內(nèi)的縱梁上；忽略不計(jì) 局部扭矩的影響 6。圖 3.4 貨車車架上均布載荷的分布情況 在圖 3.4 中，fR為一根縱梁的前支承反力，由該圖可求得： )2()2(41 2ccGebLGlR sf （ 3.1） 在駕駛室的長度范圍內(nèi)這一段縱梁的彎矩為： 2)(4 axLGRM sfx （ 3.2） 駕駛室后端至后周這一段縱梁的彎矩為： 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951