【文章內容簡介】 3。 75 附 C4 車架急剎車工況 ANSYS 分析程序 79 附 C5 車架轉彎工況 ANSYS 分析程序 85 附 C6 車架模態(tài)分析程序 90 1 第 1章 緒 論 研究目的和意義 在汽車制造市場競爭日益激烈的今天，汽車制造技術越來越先進，作為載貨車主要承載結構的車架，它們的質量和結構形式直接影響車身的壽命和整車性能，如動力性、經濟性、操縱穩(wěn)定性。汽車的輕量化，就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消 耗，降低排氣污染。實驗證明，汽車質量降低一半，燃料消耗也會降低將近一半。當前，由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車的輕量化已經成為世界汽車發(fā)展的潮流。輕量化是 21 世紀整車發(fā)展趨勢之一，減輕汽車質量意味著節(jié)約了能源和材料。車輛設計中，在滿足載貨車運營中對車架的剛度、強度及工藝改造等因素要求的同時，應當盡可能減輕它們的質量和降低制造成本。 車架結構設計的主要目的在于確保車架強度、剛度和動態(tài)性能的前提下，減輕車架的質量，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：一是引進國外設計，國產化生產：二是仿制或改裝設計，自己獨立開發(fā)設計的新產品很少。國內許多廠家在載貨車的設計、制造和改進過程中仍主要依靠和沿用傳統(tǒng)的手工設計方法和設計理念，從而造成產品存在缺陷或結構設計的不合理，目前國產載貨車普遍存在的闖題是整車協(xié)調性較差；局部材料強度余量較大，無法預先判斷，造成材料的浪費；在車輛實際使用過程中出現局部強度不足。所以，產品國產化或改裝后，在使用過程中往往會出現強度、壽命、振動、噪聲等方面的問題。這些問題影響了我國載 貨車產品質量，造成了使用中的安全隱患。由于缺乏必要的理論分析，我國載貨車制造廠家對有問題的區(qū)域往往采取局部加強的方法，這不但需要進行多次全面的實車試驗才能確定其有效性，而且會導致整車整備質量的不斷增加；另外，對一些結構上的改進和優(yōu)化，由于缺少一定的理論依據，往往得不到很好的實施，因此開展載貨車車架結構強度的計算工作，在滿足結構強度和剛度的前提下，合理地進行結構設計，以達到輕量化的目的、對車架結構設計具有重要意義。此外，為了加速企業(yè)的新產品開發(fā)，進一步提高產品的性能和科技含量，必須對現有的車型進行結構強度、剛 度分析計算和動態(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。隨著經濟全球化進程的加快，汽車工業(yè)的競爭日益加劇， 2 汽車巨頭們都在加緊新車型的設計開發(fā)，由于發(fā)動機、底盤設計制造技術基本成熟，新車型便主要體現在電子設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、提高新產品的市場競爭力，全球各大汽車公司普遍實施了 “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，經由懸掛裝置、前橋、后橋支承在車輪上，具有足夠的強度和剮度以承 受汽車的載荷和從車輪傳來的沖擊。要評價車架設計和結構的好壞，首先應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。然而對車架進行靜、動態(tài)性能的研究，用經典力學方法很難得到精確的優(yōu)化解，為了能夠計算出車架的剛度和強度，往往對車架結構進行較多的假設和簡化，計算模型只能構造的比較簡單，與實際的結構形狀相差很大。在計算機和計算機技術飛速發(fā)展并廣泛應用的今天，采用近似的數值解己成為較為現實又非常有效的選擇。實踐和實驗證明，在眾多近似分析方法中，有限單元法是運用最為成功、最為有效的數值計算方法。在汽車結構設計中采 用有限元法進行分析，是近幾十年來發(fā)展起來的計算方法和技術。有限元法的獨特優(yōu)點是能夠解決結構形狀和邊界條件都非常任意的力學問題。早期由于有限元法所要求解的問題計算規(guī)模都比較大，而計算機的速度和容量有限，所以造成有限元法在使用上的局限性?，F在這些闖題已經解決，只要注意所建有限元模型中各種支承、連接關系盡量與實際結構相符，載荷和動態(tài)分析中的激勵能反映實際情況，特別是動態(tài)載荷的變化曲線的精確獲得以及在計算中如何加載，行駛、制動、轉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果。汽車車架 結構的靜、動態(tài)分析的主要目的是查明車架內部各點的應力、形變和相對位移，找出其固有頻率及振型，從靜、動兩個方面檢驗車架結構的合理性。 隨著有限元技術的成熟和高速計算機的出現，各種通用程序、專用程序的求解功能都很齊全，前后處理也很方便，汽車結構中絕大部分部件甚至整車的有限元靜、動態(tài)分析和固有特性分析等都可應用這些通用程序或專用程序來分析計算，利用有限元法進行汽車結構的靜、動態(tài)特性分析已經成為一種趨勢。在西方發(fā)達國家的汽車企業(yè)中，有限元分柝已經成為其產品設計鏈中必須的常規(guī)?；谖覈d貨車工業(yè)的總體水平仍然落后的現 實，在載貨車的設計、制造和改進過程中，引入有限元分析是必要而有意義的。 車架國內外研究現狀 （ 1） 從車架的設計方法來講，早期車架設計采用設計和試驗交叉進行。在車架結構定型之前往往經過多輪設計，設計面對的對象是實物，需要經過樣品制造一試驗 3 一修改一再設計的往復，這種方式不可避免地導致整個設計過程周期長，以及人力、物力和財力資源的嚴重浪費。隨著設計驗的積累，人們將計算技術應用于汽車車架結構性能的分析及設計中。初期的車架結構性能計算是通過將車架簡化成單根縱梁，進行彎曲強度校核。這種計算方法至今還在沿用， 但它顯然滿足不了汽車車架結構性能的設計要求。后來提出的車架結構扭轉強度計算方法，只能計算純扭轉工況，不能考慮車架的實際工況，并且，計算比較復雜，工作量大，在實際運用中存在著很大的困難。再后來，人們將比較設計的思想應用于車架設計中。這種設計方法是以同一類型的成熟樣車為參考來進行車架的設計，目前依然是車架結構初步設計的主要方法。但是，這種方法可能造成車架各處強度不均勻，某些局部強度富裕較大，產生材料浪費等現象。 20世紀 60年代以來，由于電子計算機的迅速發(fā)展，有限元法在工程上獲得了廣泛應用。有限元法不需 要對所分析的結構進行嚴格的簡化，既可以考慮各種計算要求和條件，也可以計算各種工況，而且計算精度高。有限元法將具有無限個自由度的連續(xù)體離散為有限個自由度的單元集合體，使問題簡化為適合于數值解法的問題。只要確定了單元的力學特性，就可以按照結構分析的方法求解，使分析過程大為簡化，配以計算機就可以解決許多解析法無法解決的復雜工程問題。目前，有限元法已經成為求解數學、物理、力學以及工程問題的一種有效的數值方法。 （ 2） 在國外，從 60 年代起就開始運用有限元法進行汽車車架結構強度和剛度的計算。 1970 年美國宇航員 將 NASTRAN 有限元分析程序引入汽車結構分析中，對車架結構進行了靜強度有限元分析，減輕了車架的自重，是最早進行車架輕量化的分析。當前，國外各大汽車公司利用有限元軟件進行車架結構靜態(tài)分析、模態(tài)分析的技術已非常成熟，其工作重心已轉向瞬態(tài)響應分析、噪聲分析、碰撞分析等領域。特別是隨機激勵響應分析備受親睞，主要是因為它可用來進行車輛的強度、剛度、振動舒適性和噪聲等方面的分析。 國外將有限元法引入到車架強度計算比較早，而我國大約是在七十年代末才把有限元法應用于車架的結構強度設計分析中。在有限元法對汽車車架結 構的分析中，早期多采用梁單元進行結構離散化。分析的初步結果是令人滿意的，但由于梁單元本身的缺陷，例如梁單元不能很好的描述結構較為復雜的車架結構，不能很好的反映車架衡量與縱梁接頭區(qū)域的應力分布，而且它還忽略了扭轉時截面的翹曲變形，因此梁單元分析的結果是比較粗糙的。而板殼單元克服了梁單元在車架建模和應力分析時的局限，基本上可以作為一種完全的強度預測手段。近十年來，由于計算機軟件和硬件的飛速發(fā)展，板殼單元逐漸被應用到汽車車架結構分析中，使分析精度大為提高，有過 4 去的定性或半定量的分析過度到定量階段。隨著計算機軟、硬 件技術的發(fā)展，特別是微機性能的大幅度提高及普及，在微機上進行有限元分析已不再是很苦難的事情，同時有限元分析的應用得以向廣度和深度發(fā)展。 （ 3）目前，國內在進行汽車車架設計時，設計人員主要采用的還是傳統(tǒng)的辦法對車架進行簡化的計算，或者由其它部門進行有限元分析計算。車架的這種設計模式導致的問題包括兩個方面：一是車架簡化計算精度不夠，為保證強度及剛度要求而使車架的設計過于安全，造成設計出的車架結構過重，增加了設計成本；二是造成車架的設計與計算分離，不利于提高車架設計人員的設計水平。為了促進車架設計水平的提高，保證整車在市場上的競爭能力，必須將車架有限元分析技術提高到戰(zhàn)略的高度上來。 綜合分析這些文獻可知，當前國內對于有限元法應用于車架結構分析的研究只是限于對車架和車架結構在靜態(tài)扭轉、彎曲載荷以及幾種極限工況載荷作用下的分析，得出車架結構的靜態(tài)應力分布，并對其進行了局部的修改，由于軟硬件對計算模型規(guī)模的限制，模型的細化程度不夠，因而結構的剛度、強度分析的結構還比較粗略，計算結構多用來進行結構的方案比較，離虛擬實驗的要求還有相當大的差距。 主要設計內容 本課題通過參考國內外輕型載貨車車架的結構及工作 原理的基礎上，對車架進行設計計算和校核，利用 Pro/E 建模并應用 ANSYS 軟件對的車架進行有限元分析，具體工作如下 。 結合某汽車公司生產實際要求，在參考以往的研究成果以及國內外發(fā)展的現狀，確定主要研究內容 。 （ 1） 研究應用彈性力學、有限元、靜態(tài)分析、模態(tài)分析理論以及所有軟件基礎。 （ 2） 車架設計方法以及設計步驟的研究。 （ 3） 以某輕型貨車車架為參考設計車架并對其進行 PROE 建模，將建成的 PROE車架模型導入到 ANSYS 中準備進行有限元分析。 （ 4） 分析研究建立有限元模型要考慮 的問題，比如結構的簡化，單元的選取，單元數量的控制，單元質量的檢查，網格的布局以及連接方式的模擬。 （ 5） 研究影響有限元分析結果的因素，比如單元厚度，單元大小，加強筋以及部件連接的模擬方法。 （ 6） 對車架有限元模型進行剛度強度分析、模態(tài)分析；找出車架結構中需要改進的部位，并依據分析結果提車改進方案。 （ 7） 對研究的車架進行驚呆性能評價。建立優(yōu)化分析模型進行優(yōu)化設計提出科學 5 的改進方案。 擬解決的主要問題 （ 1） 如何設計車架基本結構 （ 2） 車架載荷及其約束的處理 （ 3） 靜態(tài)工況下彎曲工況的分析處理 （ 4） 計算結果的處理 （ 5） 有限元模型的創(chuàng)建方法 （ 6） 對模型進行加載及求解的方法 （ 7） 對分析出的圖形、數據的處理以及如何對車架進行優(yōu)化 6 第 2章 輕型載貨汽車的車架設計 車架的概述 車架的設計要求 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、離合器、變速器、轉向器、非承載式車身和貨箱等所用簧上質量的有關機件，承受著傳給它的各種力和力矩。為此，車架 應有足夠的彎曲剛度，以使裝在其上的有關機構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??；車架也應有足夠的強度，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不應有嚴重的變形和開裂。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)定性及某些機件的可靠性下降。貨車車架的最大彎曲撓度通常應小于10mm。但車架扭轉剛度又不宜過大，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 1176。/m。在保證強度、剛度的前提下車架的自身質量應該盡可能減 小，以減小車身質量。貨車車架質量一般約為整車整備質量的 1/10。此外，車架設計時還應考慮車型系列化及改裝車等方面的要求。 車架的結構型式 根據縱梁的結構特點，車架可分為以下幾種結構型式： 周邊式車架 周邊式車架用于中級以上的轎車。如圖 （ 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壁寬；前端寬度取決于前輪距及前輪最大轉角；后端寬度則有后輪距確定。左右相關縱梁由橫梁連接。其最大特點是前后兩段縱梁系經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。其結構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裝置件的懸伸長度。在側視圖上，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立懸架或非斷開式后橋的運動空間。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 （ a）。 X 形車架 7 如圖 （ 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對稱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。 （ a）周邊式車架；（ b） X 形車架；（ c）梯形車架 圖 轎車車架 8 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。傳動軸經中部管梁通向后方。中部管梁的扭轉剛度大。前后叉形邊梁由一些橫梁相連，后者還用于加強前、 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 （ b），雖然從被動安全性考慮，要求門檻有足夠的強度和剛度。 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，而當承受扭矩時，各部分同時產生彎曲和扭轉。其優(yōu)點是便于安裝車身、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 （ 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地加大其寬度，但這使縱梁的制造工藝復雜化且其車身地板仍比采用其他車架時為高，當然地板上的傳動軸通道鼓包也就不大了，見圖 （ 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剛度，為此，相關的縱、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 所示，由兩根相互平行且開口朝內、沖壓制成的槽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應力情況，適當地向上收縮。既縱梁中部相當長的范圍內具有最大高度和寬度，而兩端可根據應力情況相應的縮小。車架寬度多為全長等寬。車架寬度的標準化有利于產品的三化，例如可使車架橫梁、前后橋及駕駛室、貨箱等進行互換。車架等寬也簡化了縱梁的沖壓工藝且在縱梁上不會產生附加扭矩。有時根據設計要求需將車架前、后端的寬度做得窄些或寬些，但其尺寸與限定的汽車 輪廓寬 相適應。車架的長度大致接近整車長度，約為軸距的 倍。 脊梁式車架 如圖 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成，猶如一根脊梁。管梁將動力 傳動系連成一體