輕型貨車車架設計及有限元分析畢業(yè)設計論文

輕型貨車車架設計及有限元分析畢業(yè)設計論文,輕型,貨車,車架,設計,有限元分析,畢業(yè)設計,論文 畢 業(yè) 設 計（論 文）設計(論文) 題目： 輕型貨車車架設計及有限元分析 學生姓名：二級學院：班 級：提交日期：I目 錄摘 要 .IIAbstract .III第 1 章 緒 論 .11.1 概述 .11.2 車架國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展 11.3 課題研究內(nèi)容 .3第 2 章 輕型載貨汽車的車架設計 42.1 車架概述 42.1.1 車架的制造工藝及材料 .42.1.2 車架縱梁、橫梁的聯(lián)接 42.2 車架的結構設計 52.2.1 車架參數(shù)的確定 .52.2.2 車架的彎曲應力計算 .62.2.3 車架的扭轉(zhuǎn)應力計算 .8第 3 章 貨車車架三維模型的建立 .113.1 CATIA 軟件簡介 113.2 三維模型的建立 .11第 4 章 汽車車架的有限元分析 .174.1 ANSYS 軟件介紹 174.2 車架有限元的靜力分析 174.2.1 三維實體模型的網(wǎng)格劃分 184.2.2 施加約束條件 .194.2.3 車架工況分析 .19結 論 25參考文獻 26致 謝 .27II輕型貨車車架設計及有限元分析摘 要車架跨接在前后車橋上，是支承車身，承受汽車載荷的基礎構件。貨車的絕大部分部件和總成都是通過車架來固定位置。本課題主要參考貨車解放 CA1040 的相關參數(shù)進行相關設計計算，首先進行輕型載貨貨車車架設計的計算，主要計算車架的彎曲應力以及扭轉(zhuǎn)應力。然后根據(jù)計算出的數(shù)據(jù)使用 CATIA 軟件進行車架的建模，將車架模型導入 ANSYS軟件，進行分析車架的彎曲工況與扭轉(zhuǎn)工況。通過對比設計數(shù)據(jù)與分析結果，得出車架的設計滿足設計要求。關鍵詞：車架，設計，CATIA，有限元分析IIIFrame design and finite element analysis of light truckAbstractThe frame connected across the front and back axles, is supporting the body, foundation structure under vehicle load. The vast majority of parts of the automobile and assembly are fixed by the frame.In the first place, the paper does the calculation of light-duty truck frame design, mainly by reference to related parameters of truck liberation of ca1040, calculating the frame bending stress and torsional stress. And then refers to the relevant data to build a model by means of CATIA software, simultaneously, importing the frame model into ANSYS software, for the analysis of the frame condition under the circumstance of bending and torsion. Finally, through the comparison of the design data and analysis results, it is concluded that the frame design meets the design requirements.Key words: Frame，design ，CATIA ，the finite element analysis1第 1章 緒 論1.1概述現(xiàn)在汽車制造這一行業(yè)的競爭越來越大，并且與其相關的制造技術也是越來越先進。車架作為汽車的主要承載結構，車身的壽命以及車輛的性能與車架的質(zhì)量密切相關。實現(xiàn)汽車的輕量化，就是盡可能地減小汽車車身的重量，但與此同時也要能夠滿足汽車的各個性能的要求，從而達到提升汽車性能的目的。曾經(jīng)有實驗可以證明，當汽車的質(zhì)量可以降低一半的話，其燃料消耗量大概也能夠降低一半左右。當今，隨著人們對生活質(zhì)量的要求越來越高，眼光也越來越挑剔，因此我們需要設計生產(chǎn)出不僅僅質(zhì)量好而且車輛性能較好汽車。汽車輕量化作為目前汽車發(fā)展的趨勢之一，已經(jīng)引起了人們足夠的重視，因其可以節(jié)約能源和材料，實現(xiàn)低碳生活。因此在汽車的設計過程中，在可以達到車輛運行中對車架剛度、強度等因素要求的情況下，需要最大程度的減小車架自身質(zhì)量和生產(chǎn)成本。進行車架結構設計的目的是既能夠滿足車架生產(chǎn)的相關技術要求，也能夠減小車架的自身重量，從而可以節(jié)約制造材料以及減少車輛使用過程中的燃油消耗，還能夠減小污染氣體的排放。我們國家的汽車工業(yè)比較落后，設計主要是參考和模仿國外的一些設計，自己獨立研究設計的產(chǎn)品較少。國內(nèi)的一些生產(chǎn)廠家在設計和制造貨車的過程中還是沿用一些老的設計方法和創(chuàng)新理念，因此導致了產(chǎn)品存在一些缺陷，比如車架一些部位的強度過高，最終導致制造材料浪費嚴重。而且我國生產(chǎn)的貨車，在實際操作使用的過程中經(jīng)常會有比較多的問題。因此在使用的過程中存在著一定程度的安全隱患。所以在貨車車架設計生產(chǎn)之前進行車架結構強度的計算，有著重要的意義。在最近的十幾年以來，有限元法漸漸在成熟起來的同時，也產(chǎn)生了許多與其相關的通用程序和專用程序，這些程序的計算求解功能強大，在處理數(shù)據(jù)方面也比較簡便。車架結構中的大部分部件的靜態(tài)分析和動態(tài)分析等，都能夠使用上述相關程序來分析求解，得出結論。我國汽車工業(yè)目前的設計以及生產(chǎn)水平還是比較落后，所以在其設計、生產(chǎn)以及改進的過程中，需要學習西方先進設計技術，比如應用有限元分析法。1.2 車架國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展如果單純從車架的設計方法這一模塊來講的話，在剛起步研究設計車架的時候人們是一邊設計一邊進行實驗測試。在經(jīng)過好多次的理論設計之后，車架結構才能夠基本定型，車架設計的對象是一個真實的物體，看起來還是比較的直觀，車架的設計生產(chǎn)過程中必須要經(jīng)歷制造樣品這一環(huán)節(jié)，然后再進行測試試驗，檢驗其性能。最后再進行修改設計這一過程的不斷循環(huán)，這種方法最終會導致整個車架設計過程時間太長，而且對于人力和物力以及財力等資源的造成嚴重的浪費。導致整個設計過程不是很順暢。但隨著人們設計經(jīng)驗的日積月累，人們把計算機技術應用到機械設計中，比如本文所講的車架2結構的設計與分析，減小了人力資源的浪費，提高了工作效率。最初的車架結構設計計算，首要任務是將其結構進行簡化，在得到簡化后的結構之后再進行車架結構設計的相關計算。目前這種車架的計算分析方法人們?nèi)栽趨⒖际褂?，可是它已?jīng)跟不上人們的需求。后來，人們把比較設計的思想應用到汽車的設計中。運用比較設計方法的前提是必須有相同類型設計的經(jīng)典案例，將那些經(jīng)典的設計案例作為模版進行參考設計，這種設計方法目前在我國各大汽車公司能夠經(jīng)常見到。但是，這種設計方案也存在著缺點，比如導致車架結構的強度不均勻，有些部件的強度太大，有些部件強度又太小，浪費材料。21世紀以來，電子計算機技術發(fā)展迅速，有限元分析法得到了人們的重視，被廣泛運用于各個領域。如今不在需要對所分析的結構進行過分的簡化，能夠滿足多種計算要求與條件，也能夠計算各種工況，并且它的計算精度比較高。有限元法是將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，復雜問題簡單化，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蛴脭?shù)值解法解決的問題。比如我們?nèi)绻軌虼_定單元的受力情況，然后按照結構分析的方法，將其整個分析過程進行簡化然后計算求解，原來看來非常復雜的工程問題解決起來也非常的簡便。在國外的汽車生產(chǎn)制造工業(yè)中，他們在 60 年代起就已經(jīng)可以運用有限元法對汽車車架結構進行分析計算。在 20 世紀末，一個美國人將有限元分析程序引用到汽車結構設計的分析中，他對車架結構進行了簡單的靜態(tài)強度的有限元分析，最后在一定程度上減輕了車架本身的重量，成為了最早的車架輕量化的分析案例。當前，國外各大汽車制造公司的有限元分析技術已經(jīng)相當成熟，利用有限元分析技術對車架結構進行靜態(tài)分析、模態(tài)分析已經(jīng)不再是重點，他們不僅僅局限于分析這些簡單內(nèi)容，他們已經(jīng)開始了對瞬態(tài)響應、噪聲、碰撞等領域的分析。還有人們的特別關注的機激勵響應分析，因為它能夠進行分析汽車的強度、剛度、以及振動舒適性和噪聲等。總的來說，我國的有限元技術與國外相比較發(fā)展較晚，在上個世紀七十年代我們國家的汽車工業(yè)方面的技術還是相當?shù)谋∪?，那個時候才開始接觸有限元技術并其運用到汽車設計中。要想在汽車工業(yè)領域有較好的成績，有限元技術一定要重視起來。早期運用有限元法對車架結構進行分析時一般以梁為結構單元。剛開始的效果雖然不錯，但還是因為梁單元自身結構存在一定的缺陷，最終還是不能精確的反映車架結構中橫梁和縱梁接觸部位的應力分布情況，還存在著一個問題就是有時不能夠體現(xiàn)出車架截面的扭轉(zhuǎn)變形，所以他的分析不是非常的精確，而只是一個大概情況。近十幾年以來，隨著計算機軟件和硬件的快速發(fā)展，板殼單元漸漸的被應用到汽車車架結構分析中，車架結構的分析精度比起以前精確了許多，由以前的比較模糊的分析進步到比較精確的分析。綜合分析相關文獻能夠知道，目前我們國內(nèi)對于有限元法應用于分析車架結構的技術還不成熟，目前的研究僅僅是對于車架和車架結構在靜態(tài)扭轉(zhuǎn)、彎曲載荷等幾種工況載荷作用下的分析，得出車架結構的靜態(tài)應力分布圖，然后對其進行局部的修改。與汽3車工業(yè)比較發(fā)達的國家相比，我國這一方面的技術還是有許多需要學習改進的地方。只有不斷革新，不斷學習進步，才能夠跟上社會快速前進的步伐，不被殘酷的社會所淘汰。1.3課題研究內(nèi)容本課題通過參考國內(nèi)外輕型載貨車車架的結構的基礎上，對車架進行簡單的設計計算，然后利用CATIA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。（1）以輕型貨車車架為研究對象，參照解放CA1040 的參數(shù)進行簡單設計，計算其彎曲應力以及扭轉(zhuǎn)應力。（2）應用該貨車車架參數(shù)，用 CATIA 軟件建立車架有限元模型。 （3）將建好的車架模型導入 ANSYS 軟件中，利用 ANSYS 軟件對車架有限元模型進行靜態(tài)有限元分析。4第 2章 輕型載貨汽車的車架設計2.1 車架概述車架作為汽車的一個重要組成部分，需要承受著車身的大部分重量以及車身其它部件傳給它的各種力和力矩。所以車架應有足夠的彎曲剛度，從而使裝在車架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??；車架也要有足夠的強度，從而保證車架的可靠性和壽命。車架的結構型式主要是根據(jù)縱梁的結構特點來分類，一般有周邊式車架、X 形車架、梯形車架、脊梁式車架等幾種車架。2.1.1 車架的制造工藝及材料車架縱梁和其他零件的制造，多采用鋼板的冷沖壓工藝在大型壓力機上沖孔及成形；也有采用槽型鋼、工字鋼、管料等型材制造的。轎車車架的組裝多采用二氧化碳保護焊、塞焊和點焊，設計時應注意對焊接規(guī)范、焊縫布置及焊接順序的選擇；貨車車架的組裝多采用冷鉚工藝，必要時也可采用特制的放松螺栓聯(lián)接。為保證車架的裝配尺寸，組裝時必須有可靠的定位和加緊，特別應保證有關總成在車架上的定位尺寸及支承點的相對位置精度。車架材料應具有足夠高的屈服極限和疲勞極限，低的應力集中敏感性，良好的冷沖壓性能和焊接性能。低碳和中碳合金鋼能滿足這些要求。車架材料與所選定的制造工藝密切相關。拉伸尺寸較大或形狀復雜的沖壓件需采用沖壓性能好的低碳鋼或低碳合金鋼08、09MnL、09MnREL 等鋼板制造；拉伸尺寸不大、形狀又不復雜的沖壓件常采用強度稍高的 20、25、16Mn、09SiVL、10TiL 等鋼板制造。有的重型貨車、自卸車、越野車為了提高車架強度，減小質(zhì)量而采用中碳合金鋼板熱壓成形，再經(jīng)熱處理，例如采用 30Ti 鋼板的縱梁經(jīng)正火后抗拉強度即由 450MPa（HB156）提高到 480～620MPa（HB170）。本課題研究的車架材料為沖壓成型的 16Mn 鋼板。2.1.2車架縱梁、橫梁的聯(lián)接縱梁是車架的主要承載元件，也是車架中最大的加工件，其形狀應力求簡單。載貨汽車的車架縱梁多取平直且斷面也不變或少變，以簡化工藝；為使縱梁各斷面的應力接近，可通過改變其斷面高度即使其中部斷面高、兩端較低來達到。因槽型斷面梁的扭轉(zhuǎn)剛度和強度都比較好，所以載貨汽車縱梁的斷面形狀多為開口朝內(nèi)的槽形。車架的縱梁多為沖壓件，超重型汽車的縱梁則常采用焊接結構或軋制的成型材。轎車車架的縱、橫梁采用焊接方式聯(lián)接，而貨車則多以鉚釘聯(lián)接。鉚釘聯(lián)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)彈性的貨車車架具有重要意義。當縱、橫梁以它們的上、下翼緣均分別聯(lián)接時，由于聯(lián)接跨度大，剛度亦較大，這時其扭轉(zhuǎn)剛度及扭轉(zhuǎn)應力均較大。當橫梁與縱梁的腹板相連接時則情況會相5反，這時應注意不使其聯(lián)接跨度和聯(lián)接剛度太小，以免影響對縱梁的局部扭轉(zhuǎn)的必要約束。橫梁在與縱梁的連接處往往應力較高，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縮小，或在其腹板上加設一些較大的孔，以降低橫梁連接處的應力。2.2 車架的結構設計以下設計數(shù)據(jù)都參考解放 CA1040 的相關參數(shù)，如表 2.1 所示：表 2.1 車輛參數(shù)車總長 /mm 5100 軸距 /mm 2500載重量 /kg 1850 空車質(zhì)量 /kg 1960滿載質(zhì)量 /kg 4010 駕駛室長 /mm 1765貨箱長 /mm 3335 乘員 滿油油箱 /kg 2202.2.1 車架參數(shù)的確定1、首先選取的是梯形車架，主要由兩根縱梁和七根橫梁組成，縱梁和橫梁之間用鉚釘連接。梯形車架的優(yōu)點是車身和車廂安裝起來比較方便，而且其它部件也比較容易布置。又因為貨車車架上面布置比起其它類型的車輛還是相對簡單，因此梯形車架在載貨汽車上面應用的比較多。車架全長等寬，取 750mm。車架長度大致接近整車長度，約為軸距的 1.4～1.7 倍，取車架長度為 4600mm，在縱梁的全長范圍內(nèi)具有相等的高度和寬度?？v、橫梁均由 7mm 厚的 16Mn 鋼板（一般情況貨車的縱梁鋼板厚度為 6.5-8.0mm，鋼板使用沖壓技術）。車架縱梁的槽型截面的上、下翼緣的寬度大概是車架腹板厚度的百分之三十五到百分之四十左右，縱梁槽形斷面如圖 2.1 所示。圖 2.1 縱梁斷面2、鉚釘?shù)倪x擇6根據(jù) GB/T 867-1986 選擇半圓頭鉚釘，如圖 2.2 所示。其中 d=6mm； =11.35mm； k=3.84mm； R 6mm； L =8～60mm。kd?圖 2.2 鉚釘2.2.2 車架的彎曲應力計算假設我們設計的貨車車架的縱梁承受均布載荷，如圖 2.3 所示，將車架的彎曲應力計算進行簡化。將縱梁想象成支承在車輛前后軸上面的簡支梁；如果是空車的話就僅僅是簧上負荷 ( 貨車可取 ， 為汽車整備質(zhì)量)，重量即貨車整體質(zhì)量，sG24?3/20gmGs?0它們均勻分布在兩根縱梁上。如果是貨車滿載的情況，那么所有的有效載荷 則全部均eG勻的分布在車廂所在位置的縱梁上面；（計算過程中忽略掉局部扭轉(zhuǎn)的影響）。圖 2.3 車架載荷的分布情況如圖 2.2.3 中，其中 表示的是車架上其中一根縱梁的前支承反力， a 是車架前端Rf到前輪中心軸的距離，b 是車架后端到后輪中心軸的距離，c 為車廂長度， 為車廂前端1c到后輪中心軸的距離， 為車廂后端到后輪中心軸的距離，L 為車架總長。2由以上信息可以得出：7（2-1）)]2(Gb)(L[41celRsf ???求的貨車駕駛室所在位置的縱梁的彎矩是：（2-2）2)(axMsfx求的除過貨車駕駛室所在位置的這一段縱梁的彎矩是：（2-3）212' )]([4)(4xlcGLResfx ????根據(jù)經(jīng)驗可以很明顯的看出，在這一段縱梁上會出現(xiàn)最大彎矩值，然后對表達式（2-3）中 做一計算處理，讓它等于 0 然后進行求導，最后得出最大彎矩的所)('xfM?在位置 ，如以下計算：x 0)(2)(1' ??????clxGaxLRdxesf計算得出：（2-4）)/(])2[1cLclesesf?將 x 的表達式代入公式（2-3），最終可以得出貨車車架縱梁所承受的最大彎矩值。maM已知 4600mm， 2357mm， =900mm， 997mm， =3507 ?Lla?bmm， =1903mm， =1503mm。1c2c=3/20gmGs???3.12805.96N)18(??e ?????? 62.9)]47(254.15[2604fR=966.90mmx 22' ])90.62357(190[35748)90.14(6043.285.10962.3 ???????xM=1169262.92/xMmN?查閱相關書籍可知貨車車架動載荷系數(shù)可以取值的范圍是 ；貨車車架疲.4?dk勞安全系數(shù)可以取值的范圍是 ，確定它們要取的值，然后代入表達式（2-40.15??n5），最后計算車架縱梁的最大彎矩。573.01938609.39?x8（2-5）maxaxMnkdd?疲勞安全系數(shù)和與動載荷系數(shù)的值確定為：n=1.40， =4.0d經(jīng)過計算求得最大彎矩： 35.647829.1240.max ???dMN?則車架的彎曲應力可以由表達式（2-6）求得：（2-6）WMdwmax?上述表達式中的 代表一個系數(shù)，這個系數(shù)是我們所要計算的縱梁的彎曲截面系數(shù)，W對于梁的槽型斷面有表達式（2-7）：（2-7）6)(thb??表達式中： —表示梁的槽型斷面的腹板高，它的單位為 mm；h=120.0mm。h—梁的翼緣寬，它的單位為 mm；b=45.0mm。b—車架梁的斷面的厚度，它的單位也為 mm；t=5.0mm。t m360615)150(????W經(jīng)計算求的車架最大彎曲應力：=109.13Mpa03.4782w?查閱相關資料書籍，可知 16Mn 鋼板的疲勞極限范圍是： =320～360MPa；1??=109.13Mpaw1??2.2.3 車架的扭轉(zhuǎn)應力計算為使其計算過程比較簡單，需要先將車架結構簡單化，其中車架的一個懸架梁作為車輛的牽引梁，剩余六根橫梁分別是：用來布置貨車工具箱的一個橫梁，三個形狀為方形的橫梁，還有一個矩形的橫梁以及后端橫梁，七根橫梁之間的距離是： =413.0mm； al=910.0mm； =906.0mm； =885.0mm； = 835.0mm； =280.0mm。blcldlelfl圖 2.4 貨車車架扭轉(zhuǎn)情況分析簡圖9分析求解車架的最大扭矩值 ：maxT首先假設車架受扭時每一個橫梁的扭轉(zhuǎn)角度相同。而且，無論車架橫梁還是縱梁它們單位長度的扭轉(zhuǎn)角也是相等的。因為扭轉(zhuǎn)角 和扭矩 T 以及扭轉(zhuǎn)剛度 之間有一定的?kGJ聯(lián)系，如表達式（2-8）所示：(2-8)kkGJlTl3.57?在表達式中：T —車架上的零件的扭值矩，其單位是 N·mm；L—車架上零件的長度，其單位是 mm；G—的是車架所用材料的剪切彈性模量，其單位是 MPa；—的是貨車車架上零件的計算截面的極慣性矩，其單位是 。kJ 4m由上述內(nèi)容可知，車架上任意一個元件的扭矩值 與其扭轉(zhuǎn)剛度值 之間存在著kTkGJ正比例關系，所以存在如下關系： 4721721 :::::::: kkbakkfba JJTT ?????上述關系式中：—車架橫梁所受的扭矩值；—車架橫梁的計算截面的極慣性矩值；1kJ—車架縱梁受到的的扭矩值；aT—車架縱梁的極慣性矩值。k如果將車架由對稱平面處切開見圖 2.5，則切掉的一半對尚存在的一半的作用相當于在切口橫斷面上作用著的扭矩 和橫向力 。對于最右邊的橫梁 1 取力621,T? 621,Q?矩的平衡方程式，所以有：圖2.5 車架受扭轉(zhuǎn)載荷作用的受力分析簡圖??????cbaballQllQTTRL ?????? 432654321(2-9)?05 ??edcbadcballlQ由(2-8)式得： ； ；122kJ?133kJ?10； ；1kaaJT?1kbbJT?；112CQaa?。??kabkabJT???12將上式代入(2-9 )，經(jīng)整理后得:(2-10)??????7112nfamkklJCRLT表達式（2-10）中： n—車架的橫梁數(shù)；M—車架的兩跟橫梁中間的縱梁區(qū)段數(shù)；C—車架的寬度， （文中設定車架的寬度參數(shù)為 750mm） ；L—貨車前橋與后橋之間的距離， （文中設定軸距為 2500mm） 。因扭轉(zhuǎn)剪應力：（2-wtT??max11）綜合上述公式，帶入數(shù)值求的車架最大扭轉(zhuǎn)剪切力： 315.35 Mpa??max查閱相關資料書籍，可知 16Mn 鋼板的疲勞極限范圍是： =320～360MPa；1??315.35Mpa 。??max1???這一章首先對車架的結構型式進行介紹，然后對縱梁、橫梁及其連接的型式和車架的制造工藝做出介紹。通過對已知車型的了解與學習，對車架的相關部件參數(shù)進行選擇性設計，車架的材料選用 16Mn，車架長 4600mm，寬 750mm，高 150mm。根據(jù)設定的基本參數(shù)計算車架的彎曲應力和扭轉(zhuǎn)應力，求得結果與車架材料的剛度強度進行對比，得出車架的結構符合設計要求。第 3 章貨車車架三維模型的建立11第 3章 貨車車架三維模型的建立3.1 CATIA軟件簡介CATIA 是基于變量化建模的 CAD 軟件，即在設計中可以先有特征、后定位，前面的設計特征可以參考后面的特征來進行定位。這樣更符合人的設計思維。 CATIA 是一個很好的產(chǎn)品設計軟件平臺，而不是強調(diào)建模功能的軟件，因為企業(yè)的行為是產(chǎn)品。新產(chǎn)品的設計是來源與現(xiàn)有產(chǎn)品的，因此產(chǎn)品在結構上有 30%-90%的相似性，而我們一般會從頭來設計產(chǎn)品。CATIA 則提倡最大限度地利用現(xiàn)有的資源，因為這些是經(jīng)過生產(chǎn)實踐驗證的數(shù)據(jù)。比如說：電視前面板零件，是由外觀和一些加強筋、安裝定位孔等組成，在CATIA 中可以重復使用這些資源。 一般產(chǎn)品的設計是在靜態(tài)的環(huán)境中完成的，但CATIA 提供了動態(tài)的設計環(huán)境，我們可以在 DMU 的環(huán)境中完成對產(chǎn)品的虛擬裝配，機構防真等操作，而且在這個工程中我們可以實時分析相關零件的位置、干涉等，保證產(chǎn)品的第一設計是真確的。在產(chǎn)品設計中，我們會累積到很多知識，但目前這些知識只保存在工程師的大腦中，是隨著工程師的流失而流失的。在 CATIA 中，我們可以把這些知識以規(guī)則的形式保存下來，同時應用到生產(chǎn)中去。最主要的是我們可以在 CATIA 的環(huán)境中完成這些工作，而不是在外部通過二次開發(fā)來完成這些工作。所以企業(yè)并不會因為擁有 CATIA 就可以擁有別人的設計能力，它同樣是可以隨著企業(yè)行為而累積的。 PPR（流程、產(chǎn)品、資源）的概念在 CATIA 的設計中越來越重要。在 CATIA 的目錄樹中，我們可以看到其他工程師的分析結果，比如項目工程師進行干涉分析后，發(fā)現(xiàn)錯誤，通知相關結構工程師進行修改，而他的分析結果是掛在目錄樹中的，即結構工程師修改后只需UPDATE 就可以看到檢查結果，而不需要從新進行分析。3.2 三維模型的建立貨車車架結構比較復雜，為了簡化計算在建立有限元模型時，在不失對主要因素研究的前提下,省略掉那些為了實現(xiàn)其他功能設計的對于車架結構并不不重要的部件。本文中設計的車架為梯形車架,主要是由兩根縱梁七根橫梁組成的。其連接方式主要是由鉚釘連接在一起，車架選用的材料是 16Mn 鋼鐵。貨車車架的長度和寬度分別是是5100mm、750mm，車架前面和后面的高度都是相同的，高度是 150mm。為了減少單元數(shù)量,縮短后續(xù)網(wǎng)格劃分工作，簡化計算過程,對車架的部分細節(jié)進行了簡化。本文應用CATIA 進行實體建模。1.建立車架縱梁模型車架使用縱梁沖壓技術的鋼板厚度是 5mm，車架總體長度是 4500mm，車架縱梁翼緣的寬度是 55mm，腹板高度為 150mm，在翼緣上打數(shù)個圓孔，用于橫梁與縱梁連接時的放置鉚釘?shù)目?，R=6mm。同時在腹板處也打有相應的孔，用于鋼板彈簧與車架的連接時的螺栓孔?？v梁建模過程：新建零件設計→進入草圖編輯器→輪廓→退出草圖編輯器第 3 章貨車車架三維模型的建立12→凸臺→選取合適的面面→進入草圖編輯器→輪廓→退出草圖編輯器→凹槽→打孔→鏡像。縱梁模型如圖 3.1。圖 3.1 縱梁2.建立車架前梁模型前梁建模過程：新建零件設計→進入草圖編輯器→輪廓→退出草圖編輯器→凸臺→選取合適的面面→進入草圖編輯器→輪廓→退出草圖編輯器→凹槽→打孔→鏡像。這一部分主要有兩個橫梁，橫梁的整體長度為 730mm，翼緣比較寬的地方是 80mm，比較窄的地方為 40mm，腹板的高度為 140mm，橫梁模型如圖 3.2。第 3 章貨車車架三維模型的建立13圖 3.2 前梁3.中梁橫梁的建模橫梁建模過程：新建零件設計→進入草圖編輯器→輪廓→退出草圖編輯器→凸臺→選取合適的面→進入草圖編輯器→輪廓→退出草圖編輯器→凹槽→打孔→鏡像。它包括4 根橫梁，中梁由槽鋼和夾板構成，梁全長 730mm，翼緣寬度 60mm，腹板高度 140mm見圖 3.3 和 3.4 所示。圖 3.3 橫梁 a圖 3.4橫梁 b第 3 章貨車車架三維模型的建立144.后鋼板彈簧橫梁建模過程：新建零件設計→進入草圖編輯器→輪廓→退出草圖編輯器→凸臺→選取合適的面→進入草圖編輯器→輪廓→退出草圖編輯器→凹槽→打孔→鏡像。它包括 2 個橫梁，梁全長為 730mm，翼緣寬度為 85mm，腹板高為 140mm，見圖 3.5 所示。圖 3.5 后鋼板彈簧橫梁5.后鋼板彈簧角板建模過程：新建零件設計→進入草圖編輯器→輪廓→退出草圖編輯器→凸臺→打孔→鏡像。第 3 章貨車車架三維模型的建立15圖 3.6 后鋼板彈簧角板6.后梁后梁建模過程：新建零件設計→進入草圖編輯器→輪廓→退出草圖編輯器→凸臺→選取合適的面→進入草圖編輯器→輪廓→退出草圖編輯器→凹槽→打孔→鏡像。梁全長為 740mm，翼緣寬度為 75mm，腹板高為 100mm，見圖 3.7 所示。圖 3.7 后梁的建模7.鉚釘?shù)慕＝＿^程：新建零件設計→進入草圖編輯器→輪廓→退出草圖編輯器→選取合適的軸→旋轉(zhuǎn)體。第 3 章貨車車架三維模型的建立16圖 3.8 鉚釘8.模型裝配打開 Product 文件，建立部件與部件之間相對應的約束，完成裝配。圖 3.9 模型裝配圖這一章應用 CATIA 軟件并根據(jù)第二章中的設計尺寸，然后對車架的橫梁、縱梁等部件根據(jù)相應的尺寸進行三維建模，建好模型之后并把各部件裝配起來。經(jīng)過簡化處理，形成初步完整的車架三維模型，為后面要進行的車架的限元分析做好準備。第 4 章汽車車架的有限元分析17第 4章 汽車車架的有限元分析當今社會科技發(fā)展迅速，物質(zhì)生活水平不斷提高，越來越多的高質(zhì)量、先進水平并且結構復雜的機構和裝置被人們研究設計出來。之后，還必須得通過高效系統(tǒng)的計算手段，將工程的結構準確的描繪出來，但是傳統(tǒng)的分析方法因為分析的結果不夠準確已經(jīng)無法滿足這些要求了?；谶@個現(xiàn)狀，一種有效并且精確的數(shù)值分析方法—有限元法就應運而生了。4.1 ANSYS軟件介紹ANSYS 軟件處理模塊一般包含前處理、求解和后處理。第一個模塊的主要任務是講所繪制的圖改成網(wǎng)格；第二個模塊的任務是分析計算；第三個模塊的作用是把計算分析的結果用顏色和梯度等指標顯示出來。 ANSYS 軟件可以和很多種 CAD 軟件相接來互換和共享數(shù)據(jù)。我們在進行 ANSYS 分析的時候，首先把數(shù)據(jù)庫里的內(nèi)容全部消除，然后創(chuàng)建一個新的分析界面，在界面創(chuàng)建好之后，要為其設置一個標題和它的文件名稱，最后把我們分析需要用到的零件存到電腦的相關索引目錄中。在創(chuàng)建模型的時候，通過了解零件的特性，把它的單元類型確定下來，并且確定它的各種屬性，之后就可以創(chuàng)建幾何模型，最后把模型轉(zhuǎn)化成網(wǎng)格單元的形式。通過檢驗，如果正確合理，便可以將文件進行保存。在分析運算的過程中，首先選擇出分析的類型并設置分析選項，接著對零件作用一個力并為其設置合適的載荷選項，最后對這些力進行計算。在檢驗分析結果的時候，首先大體觀察分析的情況，然后對結果進行評估。有限元的基本思想是將一個整體拆分成若干個部分，然后對每一個小部分一次進行研究分析。通常，我們把這若干個小部分稱為單元。它們一般不會相互接觸，只有在節(jié)點的時候才會發(fā)生連接。有限元的單元劃分是指把連續(xù)完整的物體分割成若干部分的過程。有限元法的優(yōu)點很多，實用性很高，在好多方面都被廣泛使用，能夠更加簡單精確的把想要設計的東西設計出來。有限元分析方法的的目的是把所要設計的東西變成它最初的東西，然后再對其進行分析。有限元中的節(jié)點、單元等就能很直觀的體現(xiàn)出整體的分析結果。ANSYS 軟件是一種大型的工程分析軟件，它集中了熱力學、結構學和電磁學等多種物理學科理論，如今已經(jīng)廣泛使用于航天、汽車交通、海上交通以及電子等工業(yè)科技領域。ANSYS 的使用相對比較復雜，因為它經(jīng)過多門科學的糅合并且又超出這些科學里的知識，但是我們只需要簡單的了解這一軟件，把握它的基本思想，再在此基礎上熟練的進行一些基本的操作，這對我們的設計分析有非常重要的意義。4.2車架有限元的靜力分析第 4 章汽車車架的有限元分析184.2.1 三維實體模型的網(wǎng)格劃分用 CATIA 將車架模型建好之后，把車架模型文件另存為“igs”格式。然后再把另存好的模型文件傳入到有限元分析軟件 ANSYS 中，產(chǎn)生一個“.db”格式的模型文件。因為采用梁單元的話比較方便，所以本文采用了梁單元的分析方法。分析軟件對模型的前期處理中由于單元數(shù)與節(jié)點數(shù)都不是很多，所以整個過程工作量不是很大，計算起來比較快。但這個方法也有一定的弊端，即應力集中的情況沒辦法詳細分析。在貨車車架有限元模型當中，我們采用自由網(wǎng)格劃分的方法，將其大小尺寸選擇為 10。最終確定的車架網(wǎng)格形狀與車架的材料屬性選擇參考圖 4.1 與 4.2，車架模型的網(wǎng)格劃分如圖 4.3 所示。圖 4.1單元定義第 4 章汽車車架的有限元分析19圖 4.2 車架材料屬性選擇圖 4.3 網(wǎng)格劃分4.2.2施加約束條件這個課題所選的參考車架的后懸架采用有主、副簧結構的鋼板彈簧，為了使計算分析過程比較簡單，對車架靜力分析的時候運用剛性支承。所以在車架的上面設置了八個固定好的支座為了便于和鋼板彈簧連接起來，車架縱梁的下面設置四個重要的位置點。4.2.3車架工況分析 載貨貨車在實際使用時的工作狀況是非常復雜的，車架上的載荷也不是一直不變的，而是經(jīng)常變化且載荷的變化程度比較大。分析過程中，車架的加載方式都是選擇以均布載荷方式加載。1.車架彎曲工況（1）約束條件和應力加載車架彎曲工況的分析是當貨車處于滿載的情況，并且貨車的車輪都與地面接觸，然后對車架的進行的強度與剛度校核分析，假設貨車在比較平整的路面上勻速直線行駛，然后模擬車架的應力分布和變形情況。因為是比較理想的狀態(tài)，所以車輛的行駛速度比較快，因此動載系數(shù)取值為 3。然后進行約束的車架自由度．具體做法是先將貨車的兩個第 4 章汽車車架的有限元分析20前輪的 UX，UY，UZ 三個方向與兩個后輪的 UY 方向?qū)嵭凶杂杉s束．車輪剩余的自由度不用進行約束。由文章前面確定的貨車參數(shù)可知貨車的額定載荷為 1.85t。假設車架所有載荷都均勻分布在車技的縱梁上面。貨車車廂所受到的載荷施加的位置在 1718～4500mm 處(z 坐標，下同) ，載荷值為 0.25459MPa；貨車駕駛室所受到的載荷的施加位置在 0～1608mm 處，載荷值為 0.15707MPa。車架的加載情況如圖 4.4 所示。圖 4.4 車架加載情況（2）有限元后處理與結果分析經(jīng)過有限元軟件對車架的分析得到滿載工況下車架的位移云圖（如圖 4.5 所示）和應力云圖（如圖 4.6 所示） 。第 4 章汽車車架的有限元分析21圖 4.5 車架滿載彎曲位移云圖圖 4.6 車架滿載彎曲應力云圖從上面兩張工況分析圖可以明顯的看到，在車架滿載的情況下此貨車車架的兩端變形都不是非常嚴重，車架的中部變形比較的厲害。出現(xiàn)這種情況的主要原因是載貨貨車在滿載情況下，車架需要承受車廂的重量大大增加，載荷變大；而車架的前半部分只需要承載貨車駕駛室，需要承受的重量比較小，所以車架中部變形最大。因此有限元分析第 4 章汽車車架的有限元分析22結果和實際情況是一致的。車架的前部和前橋以及轉(zhuǎn)向機構等連接，因此車架前部變形越小對汽車轉(zhuǎn)向幾何特性的影響就越?。欢嚰苤胁枯^大的變形則有利于改善車架整體的應力狀況，并起到一定的緩沖作用。由上圖能夠得出該貨車車架在滿載的情況下應力最大值等于 86MPa。它要比車架選用的材料 16Mn 的屈服極限值（正常情況下 320～ 360MPa）小，而汽車架結構的強度安全系數(shù)表達式為 ，若結果是 n1，則表示在這個工況下，汽車車架結構的強?max/ns?度滿足設計要求；反之，就表示汽車車架結構強度不能夠滿足要求，產(chǎn)品不合格。求的該車架的強度安全系數(shù) n1，所以該車架的結構強度滿足要求。2.車架扭轉(zhuǎn)工況（1）約束條件和應力加載實踐表明．車身承受的最劇烈的扭轉(zhuǎn)工況一般是在汽車低速通過畸嶇不平路面時發(fā)生昀。車速一般較低，故取動載系數(shù)為 1.5。模擬汽車左后輪和右前輪 2 個對角車輪之間扭轉(zhuǎn)工況，然后進行約束車架自由度，具體做法是先將貨車的右前輪和左后輪UX、UY、UZ 三個方向?qū)嵭凶杂杉s束，然后將剩下的兩個車輪在 UX、UZ 方向進行約束，車輪剩余的自由度不用進行約束。貨車額定載荷為 1.85t。貨箱的載荷施加位置為 1718～4600mm 處(z 坐標，下同)，與其對應的的載荷等于 0.1344MPa；貨車駕駛室對車架施加載荷的位置在 0～1608mm 處，載荷值為 0.070288MPa。車架載荷的加載情況如圖 4.7 所示。圖 4.7 車架扭轉(zhuǎn)工況加載情況（2）有限元后處理與結果分析經(jīng)過有限元軟件對車架的分析得到各工況下車架的位移云圖（如圖 4.8 所示）和應力第 4 章汽車車架的有限元分析23云圖（如圖 4.9 所示） 。圖 4.8 車架扭轉(zhuǎn)工況位移云圖圖 4.9 車架扭轉(zhuǎn)工況應力云圖從上面兩張工況分析圖可以明顯看出，在上述情況中車架的兩對角變形較大，由左后輪到右前輪向?qū)ΨQ的兩側(cè)變形量逐漸減小至車架左前和右后部分，由于車架前后結構的差異，左前部分車架變形最大，而且左前部分車架是整個車架上應力最集中的部位。因此也證明了車架扭轉(zhuǎn)工況應該具有的特點，有上述信息可知車架在這種工況下的最大第 4 章汽車車架的有限元分析24應力值等于 305MPa。其最大值要比車架所用材料 16Mn 的屈服極限（一般情況為320～360MPa）可選的最小值還要小，所以車架不會產(chǎn)生破壞現(xiàn)象，即本車架結構強度滿足設計要求。這一章通過有限元軟件對車架進行工況分析，得出其彎曲應力及扭轉(zhuǎn)應力并與車架材料屈服極限相比較，得出車架強度滿足設計要求。與第二章傳統(tǒng)的設計計算結果相比，兩者之間有存在一定誤差，但均滿足設計要求。在這一過程中，我們能夠看出有限元法其方便簡潔的優(yōu)點，能夠較大程度的解放勞動力，提高人們的工作效率。第 5 章結論25結 論在本課題中首先通過搜集相關資料確定了所要參考設計的車架參數(shù)，然后運用自己所學相關知識，對車架結構進行了簡單計算設計，并運用 CATIA 軟件對該車架進行三維建模，最后又運用有有限元軟件 ANSYS 對車架進行靜態(tài)有限元分析。通過系統(tǒng)的設計計算以及分析，讓我對車架的結構試驗及其優(yōu)化設計有了更深層次的認識與了解。通過本課題的研究，最終得出以下結論：1、完成了車架結構設計，初步選擇了車架結構形式、材料，同時經(jīng)過計算得出該設計方案滿足車架設計的所要求的剛度，撓度應在滿足車架本身的剛度，撓度，在此基礎上，可以利用 ANSYS 對已設計出的車架進行結構優(yōu)化，使最終設計出來的車架在不影響使用性能的前提下，達到節(jié)省材料，結構輕量化的要求。2、對載貨車車架結構進行了有限元建模，采取了車架設計經(jīng)常應用的梁單元類型，以及適當調(diào)整網(wǎng)格劃分的精度，在不影響分析結果的前提下，使得設計求解時間更加快速，提高了車架設計和有限元分析工作的效率。3、對于建模中經(jīng)常出現(xiàn)的不能網(wǎng)格劃分，以及模型邊界，應力的問題，通過ANSYS 中軟件自動指出錯誤進行模型修改，另優(yōu)設計分析更加快速精確，同時也了解了車架設計當中需要注意的問題，同時在設計中還可以在不影響車架分析結果的前提下，對車架模型進行當如 ANSYS 過程中的簡化，使得加載分析過程更加快速，避免了不必要的操作。參考文獻26參考文獻[1] 陳家瑞. 吉林大學(原吉林工業(yè)大學)汽車工程系編著.汽車構造[M]. 人民交通出版社, 2002.[2] 王望予．汽車設計 [M].第 4 版.北京：機械工業(yè)出版社，2004．[3] 王國慶. 龔國慶.汽車設計課程設計指導書 [M].北京:機械工業(yè)出版社，2009．[4] 王霄鋒．汽車底盤設計 [M].北京:清華大學出版社，2010．[5] 范欽珊,殷雅俊. 材料力學 [M].北京: 清華大學出版社,2008．[6] 丁芳. 基于有限元法的貨車車架靜動態(tài)特性分析[D]. 合肥工業(yè)大學,2012.[7] 王新榮,陳永波. 有限元法基礎及 ANSYS 應用[M].北京:科學出版社, 2008. 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