載貨汽車車架設計及有限元分析

載貨汽車車架設計及有限元分析導師:答辯人:班級：學號：2023/2/1目錄緒

論載貨汽車車架設計車架有限元模型的建立車架工況分析12342023/2/1第一章緒論

汽車作為重要的交通運輸工具，目前絕大多數(shù)汽車都是以車架為整車骨架的。汽車絕大多數(shù)部件和總成都是需要通過車架來固定位置的，

譬如發(fā)動機、傳動系、轉(zhuǎn)向系、駕駛室、懸架、貨廂等有關部件和總成。車架需要承受來自道路和裝載的各種復雜載荷，同時也要起到支撐連接汽車各零部件的作用，因此車架的剛度和強度在車輛總體設計中顯得非常重要。

簡單的數(shù)學方法是無法對車架進行較為準確的分析的，原因是車架的工作狀態(tài)比較復雜。隨著計算機的飛速發(fā)展，在設計階段我們可以利用計算機軟件建立較為精確的幾何模型，然后建立有限元模型，并對其進行分析，最后獲得產(chǎn)品較為精確的設計結果。1.1課題的來源及意義2023/2/11.2本文主要研究工作三維建模利用SolidWorks軟件設計車架三維模型分析計算利用UGNastran有限元軟件對車架進行彎曲和扭轉(zhuǎn)工況的分析計算，得到它的應力分布圖和變形圖結果匯總對結果進行匯總2023/2/1第二章車架設計

邊梁式車架：邊梁式車架又稱梯形車架，它是由位于兩邊的兩根縱梁和若干橫梁所組成，它們之間可以通過焊接或鉚接的方式連接成剛性構架。這類車架的構造便于安放駕駛室、發(fā)動機、車廂和別的總成，因此被廣泛地應用在載貨汽車、特種汽車、越野車和大客車上。2.1車架的類型2023/2/1中梁式車架

中梁式車架（或稱脊梁式車架）只有一根位于中央且貫穿前后的較粗的縱梁和若干根懸伸托架組成。中間的縱梁可以是圓管狀（可以稱其為中梁管式車架），也可以是箱形斷面。這類車架的扭轉(zhuǎn)剛度合適，使車輪能有較大的運動空間，適合采用獨立懸架，可以提高汽車的越野性，但制造工藝復雜。2023/2/1綜合式車架

綜合式車架（又稱復合式車架），這類車架的前后部分是邊梁式車架和中梁式車架的組合，因此它同時具有兩種車架的特點，中部為一短脊梁管，傳動軸從短管內(nèi)穿過，使之密封防塵。該車架的邊梁可以用來安裝發(fā)動機，其懸伸出來的可以固定車身，中部的抗扭剛度合適，但中部地板凸包較大。制造工藝復雜。2023/2/12.2車架設計要求（1）有足夠的強度（2）有足夠的彎曲剛度（3）有適當?shù)呐まD(zhuǎn)剛度（4）盡量減輕質(zhì)量2023/2/12.3車架的結構設計

縱梁是車架的主要承載部件，在汽車行駛中受較大的彎曲應力。車架縱梁根據(jù)截面形狀分有工字梁和槽形梁。由于槽形梁具有強度高、工藝簡單等特點，因此在載貨汽車設計中選用槽形梁結構。另外為了滿足低速載貨汽車使用性能的要求，縱梁采用直線形結構。這樣既可降低縱梁的高度，減輕整車自身重量，降低成本，又可保證強度?？v梁由P610L鋼板沖壓而成，車架縱梁長6000mm，最大剖面尺寸為：200×70X8mm(高×寬×厚)。2.3.1縱梁形式的確定2023/2/12.3.2橫梁形式的確定

橫梁是車架中用來連接左、右縱梁，構成車架的主要構件。橫梁本身的抗扭性能的好壞及其分布，直接影響著縱梁的內(nèi)應力大小及其分布，所以合理設計橫梁，可以保證車架具有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度。

本文設計采用槽型縱梁、槽型橫梁，橫、縱梁間采用鉚接連接，一共有五根橫梁.2023/2/12.3.3縱梁與橫梁的連接

轎車車架的縱、橫梁采用焊接方式連接，而貨車則多以鉚釘連接。鉚釘連接具有一定彈性，有利于消除峰值應力，改善應力狀況，這對于要求有一定扭轉(zhuǎn)彈性的貨車車架有重要意義。

車架鉚接示意圖1—橫梁；2—橫梁連接板2023/2/12.3.4車架的三維模型建立選取繪圖平面大致繪制草圖尺寸標注、添加幾何關系結束草圖繪制選用特征裝配

當今，使用SolidWorks軟件建立復雜結構的三維模型是一種十分常見的方法。使用SolidWorks軟件建模不僅可以有效的節(jié)省工作時間，而且還可以提高設計的工作效率。2023/2/1

車架裝配模型圖2023/2/1第三章車架有限元模型的建立3.1有限元法的基本介紹

有限元分析是利用數(shù)學近似的方法對真實的幾何或載荷工況進行模擬的一種方法。同時，利用單元這種簡單而又相互作用的元素，可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實結果。

將物體(連續(xù)求解域)離散成有限個單元，并且按照一定的方式相互聯(lián)結在一起，來模擬或逼近原來的物體。物體被離散成有限個單元后，通過對這些單元求近似解，然后得到整個物體的解。2023/2/13.2前處理階段

3.2.1將車架幾何模型導入到Nastran軟件

因為Nastran軟件不能直接識別SolidWorks軟件形成的成文件，所以在車架的裝配模型完成后，將該模型轉(zhuǎn)化為Nastran軟件可以識別的格式，在SolidWorks軟件中可以通過文件——另存為實現(xiàn)這個操作。啟動Nastran軟件后，通過命令選項導入車架的三維幾何模型文件。2023/2/13.2.2理想化模型的建立

為了建立優(yōu)質(zhì)的有限元模型，需要對幾何模型進行必要的簡化。因為有限元建模的主要任務之一就是在尊重實際和不影響計算精度的情況下，使復雜的問題簡單話，便于計算，力求使有限元模型的單元和節(jié)點數(shù)較少，以減少計算的工作量，同時還要保證單元的質(zhì)量。對部分部件件進行去圓角的處理，抽取中面等操作。2023/2/13.2.3劃分網(wǎng)格

在有限元模型建立中劃分網(wǎng)格，是一個重要的環(huán)節(jié)之一，它需要考慮的問題比較多，需要的工作量較大，所劃分的網(wǎng)格形式對計算精度和計算規(guī)模將產(chǎn)生直接影響。車架劃分完成后，其中部件中的單元總數(shù)為：60837；部件中的節(jié)點總數(shù)為：49801。2023/2/13.2.4車架材料的選擇

在仿真模型下對車架零部件定義材料，然后再對各零部件定義好設計的厚度。車架材料應該有足夠的屈服極限和抗拉極限，車架的材料性能如下表所示。材料屈服極限抗拉極限P510L355500P610L500600Q235235350ZG270-5002484602023/2/13.2.5模型的連接

因為車架是由各個零部件通過相應的裝配方式連接而成的，從而形成車架整體，所以對車架中的各種連接方式的模擬也直接影響到車架計算結果的可信性。本文通過RBE2單元來模擬作為傳遞力和力矩的剛性組件。2023/2/1第四章車架工況分析4.1載荷的處理2023/2/1

按照載荷在車架上的分布情況，可以將載荷分為分布載荷以和集中載荷兩種。本文將車身質(zhì)量按分布載荷處理，平均分布在車架的縱梁上，而發(fā)動機、駕駛室、油箱、蓄電池等各部件的質(zhì)量對車架的作用按集中載荷處理，作用在其支撐位置上。車架滿載為8T，其它各部件的質(zhì)量如下表所示：名稱質(zhì)量/Kg貨箱載貨質(zhì)量8000發(fā)動機300駕駛室500油箱（含油）120蓄電池50

載貨汽車定型實驗規(guī)程規(guī)定：車輛必需以一定的車速在各種道路上行駛一定里程。而汽車最常見的兩種工況為彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況，整車分析多基于這兩種工況，下面就這兩種工況分別分析討論。2023/2/14.2計算結果

滿載彎曲工況主要分析汽車在滿載狀態(tài)下，四輪著地時的結構強度變化情況，其行駛路面良好，汽車保持高速、勻速直線行駛的狀態(tài)。

2023/2/14.2.1滿載彎曲工況分析2023/2/1最大應力345.12Mpa。滿載彎曲工況應力圖滿載彎曲工況變形圖2023/2/1最大總變形量為2.111mm

從以上圖可以看出：汽車高速勻速行駛過程中，車架整體應力分布均勻，中部應力較大。載荷8T時，車架最大應力為354.22MPa；位于右縱梁安裝油箱附近，最大應力小于車架材料P510L的屈服強度355MPa，安全系數(shù)為1.002，載荷為8T時滿足設計要求。

車架的變形主要發(fā)生在車架左縱梁第二橫梁和第三橫梁之間，8T載荷的最大總變形量為3.123mm。2023/2/14.2.2滿載扭轉(zhuǎn)工況分析

扭轉(zhuǎn)工況分析汽車在滿載狀態(tài)下，路面行駛狀態(tài)較差，路面狀態(tài)崎嶇不平。本工況模擬一個車輪騎障或懸空時，車架發(fā)生扭轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)態(tài)。本文模擬右前輪被抬起100mm時的情形。2023/2/1扭轉(zhuǎn)工況應力分布圖2023/2/1最大應力300.56MPa扭轉(zhuǎn)工況下車架變形圖2023/2/1最大變形量3.56mm

從以上圖表可以看出：在扭轉(zhuǎn)工況中，載荷8T時，車架最大應力317.69MPa，位于第三