【正文】 相關(guān)縱梁由橫梁連接。通常在使用中其軸間扭角約為 1176。 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(duì)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(duì) 車架進(jìn)行 有限元分析 ，主要設(shè)計(jì)內(nèi)容如下 ： 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(duì) 車架 結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)車架進(jìn)行校核。概括起來與國外輕量化研究的主要差距有： （１） 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。 在國內(nèi)，高等院校對(duì)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(shí)只能按解剖進(jìn)口車結(jié)構(gòu)來進(jìn)行參照性設(shè)計(jì)。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。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。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(tái)，這些都為加快汽車輕量化給予了政策支持和動(dòng)力。 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。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。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。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(duì)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(dòng)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]。車輛設(shè)計(jì)中，在滿足載貨汽車 運(yùn)營中對(duì)車架的剛度、強(qiáng)度及工藝改造等因素要求的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡可能減輕它們的質(zhì)量和降低制造成本。 26 有限元概述 21 Pro/E 軟件介紹 3 車架有限元法國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 Strength。 經(jīng)過 優(yōu)化 完成對(duì)車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 全套圖紙，加 153893706 其次，運(yùn)用 Pro/E 軟件 建立車架三維模型 。 Stiffne 目 錄 摘要 11 車架的制造工藝 12 本章小結(jié) 34 滿載工況分析 42 參考文獻(xiàn) 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(dòng)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(dòng)和制動(dòng)性能，而且可有效減少振動(dòng)和噪聲，增加汽車和公路使用壽命。隨著經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程的加快，汽車工業(yè)的 2 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(dòng)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。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)。 （３） 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(dòng)態(tài)特性。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(hào)殺手”。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(duì)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)。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。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(shí)有限元分析的應(yīng)用得以向廣度和深度發(fā)展。具體在車架結(jié)構(gòu)分析方面，車架的剛度分析對(duì)結(jié)構(gòu)分析的重要性近些年已受到廣泛的重視。 （２） 由于軟硬件對(duì)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。 建立 Pro/E 零件模型，并完成正確的裝配。/m。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。 9 前端的叉形梁用于支承動(dòng)力 傳動(dòng)總成，而后端則用于安裝后橋。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。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。與其他類型的車架 比較，其扭轉(zhuǎn)剛度最大。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。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。強(qiáng)度更高的鋼板在冷沖時(shí)易開裂且沖壓回彈較大，故不宜采用。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(duì)象 選 為梯形車架。 圖 鉚釘 為保證機(jī)動(dòng)性，左右轉(zhuǎn)向輪處于最大轉(zhuǎn)角時(shí)，前外輪的轉(zhuǎn)彎半徑值在汽車軸距的 2~ 倍范圍內(nèi)（小值適于大軸距汽車，而大值適于小軸距汽車） 。 3/2 0gmGs ? = 1 8 0 3 7 6 032 ??? N 3 8 1 7 8 9 5 ???eG N 17 8 0 2)]1 5 0 724 2 0 0(3 8 1 7 1)1 2 0 525 5 4 2(1 8 0 3 2[3 2 6 04 1 ????????fR N 4 2 0 03 8 1 7 15 5 4 21 8 0 3 24 2 0 0)2 6 9 33 2 6 0(3 8 1 7 15 5 4 21 0 7 71 8 0 3 8 0 22???????x x = )](2693[420xx 3 8 1 71)(55424 1 8 0 2/ ?????????xM/xM = mmN? 如果考慮到動(dòng)載荷系數(shù) ??dk 及疲勞安全系數(shù) ??n ，并將它們代入式（ ），則可求出縱梁的最大彎矩為 ： m a xm a x MnkM dd ? （ ） 取 n=， dk =，得： 4 3 9 5 8 8 3 5 6 4 0 a x ????dM mmN? 則彎曲應(yīng)力可按下式求得： WMdw max?? （ ） 式中： W —— 縱梁在 計(jì)算斷面處的彎曲截面系數(shù)，對(duì)于槽型斷面系數(shù)，對(duì)于槽型斷面縱梁 ： 6 )6( thbhW ?? （ ） 式中： h —— 槽型斷面的腹板高， mm； b—— 翼緣寬， mm； t—— 梁斷面的厚度， mm。 圖 車架彎曲剛度計(jì)算示意圖 若以前、后輪軸中點(diǎn)處（即 2ax? ）的剛度作為車架的彎曲剛度，則計(jì)算公式簡化為 [8]： EJCw? = fPl483 （ ） 根據(jù)車架的受載情況，將車架的撓度分為兩部分計(jì)算： 假設(shè)車空載時(shí)，簧上負(fù)荷 sG ( 24? 貨車可取 32 0gmGs ? ， 0m 為汽車整備質(zhì)量 ) 19 均布在左、右縱梁的全長上，由于算一根縱梁的撓度，取所加載荷的一半 [9]。 本章小結(jié) 本章應(yīng)用傳統(tǒng)的方法對(duì)車架的各零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和相應(yīng)尺寸的選擇 。下面就 Pro/ENGINEER 的特點(diǎn)及主要模塊進(jìn)行簡單的介紹。通過給這些特征 設(shè)置參數(shù)（不但包括幾何尺寸，還包括非幾何屬性），然后修改參數(shù)很容易的進(jìn)行多次設(shè)計(jì)疊代，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。同時(shí)在腹板處也打有相應(yīng)的孔 ， R=16，用于鋼板彈簧與車架的連接時(shí)的螺栓孔。 圖 發(fā)動(dòng)機(jī)后懸置橫梁 橫縱梁聯(lián)接件的創(chuàng)建 橫縱梁是以聯(lián)接件為中間零件，通過鉚釘聯(lián)接的。因?yàn)檐嚰芸裤T釘聯(lián)接的，裝配過程中對(duì)鉚釘?shù)牟僮魇诸l繁，所以在此過程中也加入陣列的操作。十年后，英國航空工程教授阿吉里斯 (Argyris)和他的同事運(yùn)用網(wǎng)格思想成功地進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析。應(yīng)用大型有限元軟件，建立汽車的有限元模型，進(jìn)行汽車的動(dòng)靜態(tài)分析，完成汽車的優(yōu)化設(shè)計(jì)，已是各大汽車公司普遍采用的一種手段。起源于 50 年代的桿系結(jié)構(gòu)矩陣分析，是把每一桿件作為一個(gè)單元，整個(gè)結(jié)構(gòu)就看作是由有限單元 (桿件 )連接而成的集合體。節(jié)點(diǎn)一般都在單元邊界上。 應(yīng)用有限單元法求解各種問題總是遵循一定的步驟。這應(yīng)根據(jù)被分析結(jié)構(gòu)的幾何形狀特點(diǎn)，綜合載荷、約束等全面考慮。單元分析的另一內(nèi)容是將作用在單元上的非節(jié)點(diǎn)載荷移置到節(jié)點(diǎn)上，形成等效節(jié)點(diǎn)載荷矩陣。固定不變的載荷和響應(yīng)是一種假定，即假定載荷和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)隨時(shí)問的變化非常緩慢。 ? ? ? ?? ?? ?eBD ?? ? （ ） 式中 ： ??D — — 與單元材料有關(guān)的彈性矩陣； ??B — — 單元應(yīng)變矩陣； ??e? — — 單元的節(jié)點(diǎn)位移矩陣。通過該項(xiàng)工程將一個(gè)復(fù)雜的包含多場分析的物理問題，通過系統(tǒng)間的連接就能實(shí)現(xiàn)其相關(guān)性。新增工具還可以自動(dòng)探測處理常見問題，如小邊、碎面、孔洞、裂痕以及尖角面等，且新版本對(duì)幾何模型的修改和處理速度更快。它一些新增及增強(qiáng)功能可以處理直接耦合的多物理場問題 ，而且它將 各種求解器技術(shù)整合在一個(gè)統(tǒng)一的仿真環(huán)境 中，顯然這為多場求解提供了更有效的工作流程。同時(shí)許多新增功能及工具都被整合到了 Workbench 平臺(tái)中，從而縮短了整體求解時(shí)間。應(yīng)用 GAMBIT 和 TGRID 的網(wǎng)格附加功能， ANSYS Workbench 12 可 31 以在用戶最少的輸入下自動(dòng)生成 CFD 合適的四面體網(wǎng)格。目前， 在ANSYS 12 中，工程數(shù)據(jù)和 DesignXplorer 將不再是獨(dú)立的應(yīng)用程序，這可通過 UI 工具箱將它們重新設(shè)計(jì)整合 在 ANSYS Workbench 工程頁下。節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力是與之相連的單元的應(yīng)力在節(jié)點(diǎn)位置的算術(shù)平均。 通過結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的有限元靜力分析，可以找到車架在各種工況下各零部件變形和應(yīng)力的最大值以及分布情況。 （４） 整體分析，組集結(jié)構(gòu)總剛度方程 整體分折的基礎(chǔ)是依據(jù)所有相鄰單元在公共節(jié)點(diǎn)上的位移相同和每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)載荷保持平衡這兩個(gè)原則。假設(shè)一個(gè)簡單的函數(shù)來 模擬單元內(nèi)位移的分布規(guī)律，這個(gè)簡單的函數(shù)，通常是選擇多項(xiàng)式，稱為位移模式或位移函數(shù)。所謂離散化，就是假想把被分析的彈性連續(xù)體分割成由有限個(gè)單元組成的集合體。這樣組成的有限單元集合體，并引進(jìn)等效節(jié)點(diǎn)力及節(jié)點(diǎn)約束條件，由于節(jié)點(diǎn)數(shù)目有限，就成為具有有限自由度的有限元計(jì)算模型，它替代了原來具有無限多自由度的連續(xù)體。在工程技術(shù)領(lǐng)域研究彈性連續(xù)體在載荷和其他因素作用下產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和位移時(shí)，由于應(yīng)力、應(yīng)變和位移都是位置的函數(shù)，也就是說物體中各個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移一般是不相同的。對(duì)汽車的零部件和整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真和分析，是研究其可靠性、尋求最佳設(shè)計(jì)方案的主要手段 。1960 年， Clough 進(jìn)一步解決了平面彈性問題，并首次提出了“有限單元法 這個(gè)名稱，有限元方法受到工程技術(shù)人員的關(guān)注。 26 第 5 章 車架 靜態(tài) 有限元分析 有限元概述 以有限元法為代表的 CAE 技術(shù)是分析各種