【正文】 結(jié)構(gòu)問題的 強(qiáng)有力的工具，它是伴隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展起來的一種新興數(shù)值分析方法。結(jié)構(gòu)如圖 。在對(duì)縱梁建模時(shí)用到的命令主要是拉伸，如 圖 。為了實(shí)現(xiàn)這種效率，必須允許多個(gè)學(xué)科的工程師同時(shí)對(duì)同一產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)。這就意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中某一處進(jìn)行的修改，能夠擴(kuò)展 到整個(gè)設(shè)計(jì)中，同時(shí)自動(dòng)更新所有的工程文檔，包括裝配體、設(shè)計(jì)圖紙，以及制造數(shù)據(jù)。 21 第 4 章 車架三維模型的 建立 Pro/E軟件介紹 1985 年， PTC 公司成立于美國波士頓，開始參數(shù)化建模軟件的研究。 mmf 8 4 6 2 65 511 41 ????? ??? ? 假設(shè)汽車滿載時(shí)，所載貨物的重量都集中在跨度為 l 的簡支梁中間，此時(shí)所求出的撓度值加的載荷比實(shí)際的載荷要大。 1 3 0 0 0 06 2 0 06)7562 0 0( ??????W mm3 因此最大彎應(yīng)力為： 1 3 0 0 0 0 4 3 9 5 8 8 6?w? = 16Mn 鋼板的疲勞極限 1?? =220～ 260MPa， w? = 1??? 。 根據(jù) GB 51689，輪胎 的外直徑為 806mm。 14 第 3 章 車架 的 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 車架 橫、縱梁 設(shè)計(jì) 車架長度大致接近整車長度，約為軸距的 ～ 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。用30Ti鋼板制造縱橫梁也可采用冷沖壓工藝。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(shí)應(yīng)注意對(duì)焊接規(guī)范、焊縫布置及焊接順序的選擇；貨車 13 車架的組裝多采用冷鉚工藝，必要時(shí)也可采用特制的放松螺栓聯(lián)接。選 擇橫梁的斷面形狀時(shí)既要考慮其受載情況又要考慮受其支承總成的支承方便?？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。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。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。用于轎車的梯形車架，見 圖 （ 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(shí)為高，當(dāng)然地板上的傳動(dòng)軸通道鼓包也就不大了， 見圖 （ c） 。中部管梁的扭轉(zhuǎn)剛度大。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。貨車車架質(zhì)量一般約為整車整備質(zhì)量的 1/10。 7 第 2 章 車架 結(jié)構(gòu)方案 的 選擇 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(jí)和高級(jí)轎車所采用，支承著發(fā)動(dòng)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。 （３） 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(dòng)、噪聲、外流方面的模擬計(jì)算才剛剛起步，對(duì)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。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。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。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(dòng)機(jī)、傳動(dòng)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)。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。 汽車作為現(xiàn)代化社會(huì) 大工業(yè)的產(chǎn)物，在推動(dòng)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(shí)，對(duì)大自然生態(tài)環(huán)境的惡化也有著難以推卸的責(zé)任。 （４） 通過對(duì)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 3 的前提下充分的節(jié)省材料，對(duì)降低車架的成本具有重要的意義。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。 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。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。 1 第 1 章 緒 論 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(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性。 附錄 A 36 局部分析 34 前側(cè)偏載工況分析 13 第 3 章 車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 最后，使用有限元分析軟件 ANSYS 從 彎曲和扭轉(zhuǎn) 兩大方向 對(duì)車架進(jìn)行強(qiáng)度、剛度分析。 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)。 Pro/E。 I Abstract 7 橫梁、縱梁及其聯(lián)接型式 26 ANSYS Workbench 概述 30 車架有限元模型的建立 38 雙側(cè)扭轉(zhuǎn)工況分析 41 結(jié)論 錯(cuò)誤 !未定義書簽。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。由于缺乏必要的理論分析，我國載貨汽車 制造廠家對(duì)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(huì)導(dǎo)致整車整備質(zhì)量的不斷增加。然而對(duì)車架進(jìn)行靜、動(dòng)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(duì)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。 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： （１） 運(yùn)用有限元法對(duì)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。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(gè)家庭擁有各種汽車 2~3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(duì)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(gè)比較完整的工業(yè)體系。 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。它使得在設(shè)計(jì)階段就可以對(duì)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。分析的初步結(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(shí)截面的翹曲變形，因此梁單元分析的結(jié)果是比較粗糙的。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。 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(duì)車架輕量化設(shè)計(jì)的研究很少。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。貨車車架的最大彎曲撓度通常應(yīng)小于10mm。如圖 （ a） 所示，在俯視圖上車架的中部寬、兩端窄。采用這種車架時(shí)車身地板上的傳動(dòng)軸通道所形成的鼓包不大， 但門檻較寬，見圖 （ a） 。門檻的寬度不大， 見圖 （ b） ，雖然從被動(dòng)安全性考慮，要求門檻有足夠的強(qiáng)度和剛度。對(duì)于不承受扭矩的車架元件、用于固定動(dòng)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。車架的長度大致接近整車長度，約為軸距的 ~ 倍。其實(shí)，圖 （ 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(dòng)橋及非獨(dú)立懸架相匹配。汽車車架常有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)。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(duì)于要求有一定扭 轉(zhuǎn)彈性的貨車車架具有重要意義。低碳和中碳合金鋼能滿足這些要求。 轎車車架縱梁、橫梁的鋼板厚度約為 ～ ， 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 ～ ，重型貨車沖壓縱梁的鋼板厚度為～ 。 圖 車架橫截面 鉚釘?shù)倪x擇 [7] 根據(jù) GB/T 8671986 選擇半圓頭鉚釘，如圖 。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 3/2 0gmGs ? ， 0m 為汽車整備質(zhì)量 )均布在左、右縱梁的全長上，滿載時(shí)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]。這就要求對(duì)縱梁的彎曲剛度進(jìn)行校核。大多數(shù)汽車的3lJ值在 20～ 30 間，日本的一些 4t 平頭載貨汽車甚至達(dá)到 。目前已經(jīng)發(fā)布了 Pro/ENGINEER20xxi2。這些特征是一些普通的機(jī)械對(duì)象，并且可以按預(yù)先設(shè)置很容易的進(jìn)行修改。高級(jí)的功能支持大型復(fù)雜裝配體的構(gòu)造和管理，這些裝配體中零件的數(shù)量不受限制。 圖 中梁 前、 后鋼板彈簧 處 橫梁 為了降低成本，提高互換性，前后鋼板彈簧處橫梁采用與中梁相同的形狀和尺寸。 圖 模型裝配圖 25 車架的爆炸圖 為了更 清晰地表達(dá)各零部件的裝配關(guān)系，對(duì)裝配圖進(jìn)行分解，如圖 。 1941 年， Hremkoff 提出了所謂網(wǎng)格法，它將平面彈性體看成是桿件和梁的組合。有限元法最先應(yīng)用到航空工程領(lǐng)域，后來迅速推廣到機(jī)械與汽車、造船、建筑等各種工程技術(shù)領(lǐng)域，并從固體力學(xué)領(lǐng)域拓展到流體、電磁場、振動(dòng)等各學(xué)科。為了應(yīng)用電算的這個(gè)特點(diǎn)來求解線性方程組，有限元法廣泛采用矩陣算法，它在大量運(yùn)算中顯示出巨大優(yōu)點(diǎn)。為了能夠進(jìn)行數(shù)值分析，有限單元法在處理這類問題時(shí)，首先應(yīng)用離散的思想，把問題簡化為具有有限個(gè)自由度的問題，然后借用結(jié)構(gòu)矩陣分析的方法處理。引入邊界約束條件后解此方程就求得節(jié)點(diǎn)位移，并計(jì)算出各單元應(yīng)力。離散而成的有限單元集合體將替代原來的彈性連續(xù)體，所有的計(jì)算分析都搭在這個(gè)計(jì)算模型上進(jìn)行。從這里也可看到，選擇合適助位移函數(shù)是有限元分析的關(guān)鍵，它將決定有限元解答的性質(zhì)與近似程度，所以它的選樣應(yīng)遵循一定的準(zhǔn)則。 （６） 計(jì)算單元應(yīng)力 根據(jù)求得的位移可以求出結(jié)構(gòu)上所有感興趣部件上的應(yīng)力。 在有限元分析程序中，靜力分析的控制方程表示為： ? ?? ? ? ?FUK ? （ ） 式中 ： ??K —— 結(jié)構(gòu)剛度矩陣； ??U — — 位移向量； ??F — — 載荷向量。 ANSYS Workbench 作為一個(gè)大型的 CAE 分析軟件， ANSYS 自 20 世紀(jì) 70 年代誕生以來，隨著計(jì)算機(jī)和有限元理論的發(fā)展，在各個(gè)領(lǐng)域得到了高度的評(píng)價(jià)和廣泛的應(yīng)用。工程頁的概念圖解能夠幫助和指導(dǎo)用戶完成復(fù)雜的分析、說明和明確數(shù)據(jù)關(guān)系及捕捉自動(dòng)化的過程。如結(jié)構(gòu)分析的用戶可以應(yīng)用這些功能，得到自動(dòng)化和高質(zhì)量的網(wǎng)格。如用戶可以先采用 ANSYS CFX 或 ANSYS FLUENT 軟件來創(chuàng)建、連接及重復(fù)使用等來完成 自動(dòng)化的仿真參數(shù)分析，然后再進(jìn)行多物理場無縫對(duì)接仿