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重型载重汽车车架轻量化设计研究

作　者: 朱容庆
导　师: 邓楚南；乐玉汉
学　校: 武汉理工大学
专　业: 车辆工程
关键词: 车架轻量化设计有限元法 Ansys软件结构分析优化设计
分类号: U463.32
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

随着我国经济全球化进程的不断加快,我国对国际能源及原材料市场的依赖程度不断加深,当前国际原油及工业原材料价格的不断攀升,对我国的经济发展造成的极大的负担。汽车作为耗油大户,其节能与否已直接影响到我国整体的能源消耗水平,国家对此高度重视。由于汽车轻量化对节能增效的巨大意义,国际各大汽车生产商都在尽可能的情况下减轻车身质量。汽车的轻量化设计技术已经成为目前汽车研究领域的研究热点之一。车架是重型载重汽车的重要部件,支承着发动机、离合器、变速器、转向器、驾驶室、和货箱等所有簧上质量的有关机件,承受着传给它的各种力和力矩。此外,由于重型载重汽车的使用条件十分恶劣,受力状况非常复杂。车架应有足够的弯曲刚度,以使装在其上的有关机构之间的相对位置在汽车行驶过程中保持不变并使车身的变形最小;车架也应有足够的强度,以保证其有足够的可靠性与寿命,纵梁等主要零件在使用期内不应有严重变形和开裂。车架刚度不足会引起振动和噪声,也使得汽车的乘坐舒适性、操作稳定性及某些机件的可靠性下降。但车架的扭转刚度又不宜过大,否则将使车架和悬架系统的载荷增大并使汽车轮胎的接地性变差,使通过性变坏。因此,如何设计出满足使用要求的轻量化车架成了一项具有挑战性的工作。有限元法已经成为现代汽车设计的重要工具之一,与传统的设计方法相比,它的优势在于提高汽车产品的质量、降低产品开发与生产制造成本,提高汽车产品在市场上的竞争力。为了促进车架设计水平的提高,保证整车在市场上的竞争能力,必须将车架有限元分析技术提高到战略的高度上来。本文基于ANSYS软件建立了车架结构的实体单元模型,对汽车车架结构进行静力和动力分析的研究。首先,对ANSYS进行了简要的介绍,为车架结构进行有限元分析做好准备工作;其次,以某重型载货汽车车架结构为研究对象,利用ANSYS建立了车架结构有限元的实体单元模型,对车架建模过程进行了研究;再次,对车架结构的静、动态特性进行深入研究,对车架进行性能分析评价;最后,建立车架结构简单的梁单元优化模型,以车架纵梁截面尺寸作为设计变量,以车架总体积为设计目标,运用ANSYS优化模块对车架结构的轻量化设计进行初步的探讨。本文的研究说明有限元法和Ansys软件为车架结构及动力特性的仿真以及轻量化设计提供了良好的基础理论及方法,借助于它们对车架结构的轻量化设计研究具有非常重要的工程价值。

全文目录

第一章绪论  8-16
  1.1 课题的来源与背景  8-9
    1.1.1 课题来源  8
    1.1.2 课题背景  8-9
  1.2 论文选题的意义与目的  9-11
    1.2.1 轻量化设计技术有利于汽车产业的可持续发展及汽车性能的提高  9-10
    1.2.2 提高载重汽车设计技术水平  10-11
    1.2.3 论文选题的目的  11
  1.3 有限元法在车架轻量化设计中的应用现状及存在问题  11-15
    1.3.1 车架结构设计与分析简述  11-12
    1.3.2 车架结构有限元模型的形式  12-13
    1.3.3 车架结构有限元分析类型  13-14
    1.3.4 有限元法在车架结构分析中存在的问题  14-15
  1.4 本文主要的研究内容  15-16
第二章重型载重汽车车架的设计  16-24
  2.1 重型载重汽车车架综述  16-20
    2.1.1 车架的功用  16
    2.1.2 对车架的要求  16-17
    2.1.3 车架类型的选择  17-18
    2.1.4 车架宽度的确定  18
    2.1.5 车架纵梁形式的确定  18-19
    2.1.6 车架横梁形式的确定  19-20
  2.2 车架的制造工艺及材料  20
  2.3 车架的受载分析  20-21
  2.4 车架纵梁的弯矩计算  21-24
    2.4.1 纵梁的弯矩计算  21-22
    2.4.2 车架纵梁抗弯刚度校核  22-23
    2.4.3 车架的扭转刚度  23-24
第三章有限元法及 Ansys软件  24-36
  3.1 有限元法的要点和特性  24-25
    3.1.1 有限元法的要点  24-25
    3.1.2 有限元法特性  25
  3.2 有限元法的发展和现状  25-28
  3.3 Ansys软件介绍及有限元分析步骤  28-35
    3.3.1 Ansys软件介绍  28-30
    3.3.2 Ansys的分析步骤  30-35
  3.4 ANSYS软件的特点  35-36
第四章车架结构的有限元模型的建立  36-41
  4.1 车架的几何模型的建立  36-37
    4.1.1 坐标系的确定  36
    4.1.2 运用 UG软件建立车架的三维几何模型  36-37
  4.2 车架有限元模型的建立  37-41
    4.2.1 将车架的几何模型转化为igs格式的文件  37-38
    4.2.2 车架有限元模型的建立  38-41
第五章车架结构性能分析  41-50
  5.1 车架结构的静力性能分析  41-46
    5.1.1 静力分析基本概念及流程  41-42
    5.1.2 车架结构静力分析工况及约束处理  42-43
    5.1.3 车架分析及结果  43-45
    5.1.4 车架结构静力分析结果评价  45-46
  5.2 车架结构的动力性能分析  46-50
    5.2.1 结构动力性能分析的方程  46
    5.2.2 刚度矩阵和质量矩阵的形成  46-47
    5.2.3 车架的模态分析结果  47-50
第六章车架结构轻量化设计研究  50-70
  6.1 优化设计理论基础  50-59
    6.1.1 优化设计概述  50-51
    6.1.2 优化设计的数学模型及构成要素  51-54
    6.1.3 建立数学模型需要注意的问题  54-55
    6.1.4 参数优化方法适用范围  55-57
    6.1.5 选择优化方法的标准及有关经验  57-59
  6.2 Ansys软件的优化设计  59-61
    6.2.1 Ansys的基本优化方法  59-60
    6.2.2 Ansys软件中优化设计数学模型建立的原则  60-61
  6.3 车架优化设计模型的建立  61-67
    6.3.1 构建参数化有限元模型  61-62
    6.3.2 生成分析文件  62-65
    6.3.3 定义优化变量  65-66
    6.3.4 设置并运行优化  66-67
  6.4 优化结果及分析  67-70
    6.4.1 优化变量的变化分析  67-69
    6.4.2 车架弯曲刚度的变化分析  69-70
第七章结语  70-71
致谢  71-72
参考文献  72-74

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