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本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 輕型載貨汽車(chē)車(chē)架有限元靜力學(xué)分析 院系名稱(chēng)： 汽車(chē)與交通工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 車(chē)輛工程 07-1 班 學(xué)生姓名： 李富鵬 指導(dǎo)教師： 石美玉 職 稱(chēng)： 教授 黑 龍 江 工 程 學(xué) 院 二○一一年六月 The Graduation Design for Bachelor's Degree Static Analysis Of Finite Element To Light Truck Frame Candidate：Li Fupeng Specialty：Vehicle Engineering Class： 07-1 Supervisor：Prof. Shi Meiyu Heilongjiang Institute of Technology 2011-06·Harbin SY-025-BY-3
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告
學(xué)生姓名
李富鵬
系部
汽車(chē)與交通工程學(xué)院
專(zhuān)業(yè)、班級(jí)
車(chē)輛工程07- 1班
指導(dǎo)教師姓名
石美玉
職稱(chēng)
教授
從事
專(zhuān)業(yè)
車(chē)輛工程
是否外聘
□是√否
題目名稱(chēng)
輕型載貨汽車(chē)車(chē)架有限元靜力學(xué)分析
一、課題研究現(xiàn)狀、選題目的和意義
1.研究現(xiàn)狀：
（1）從車(chē)架的設(shè)計(jì)方法來(lái)講，早期車(chē)架設(shè)計(jì)采用設(shè)計(jì)和試驗(yàn)交叉進(jìn)行。在車(chē)架結(jié)構(gòu)定型之前往往經(jīng)過(guò)多輪設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)面對(duì)的對(duì)象是實(shí)物，需要經(jīng)過(guò)樣品制造一試驗(yàn)一修改一再設(shè)計(jì)的往復(fù)，這種方式不可避免地導(dǎo)致整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程周期長(zhǎng)，以及人力、物力和財(cái)力資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。隨著設(shè)計(jì)驗(yàn)的積累，人們將計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于汽車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)性能的分析及設(shè)計(jì)中。初期的車(chē)架結(jié)構(gòu)性能計(jì)算是通過(guò)將車(chē)架簡(jiǎn)化成單根縱梁，進(jìn)行彎曲強(qiáng)度校核。這種計(jì)算方法至今還在沿用，但它顯然滿(mǎn)足不了汽車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)性能的設(shè)計(jì)要求。后來(lái)提出的車(chē)架結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算方法，只能計(jì)算純扭轉(zhuǎn)工況，不能考慮車(chē)架的實(shí)際工況，并且，計(jì)算比較復(fù)雜，工作量大，在實(shí)際運(yùn)用中存在著很大的困難。再后來(lái)，人們將比較設(shè)計(jì)的思想應(yīng)用于車(chē)架設(shè)計(jì)中。這種設(shè)計(jì)方法是以同一類(lèi)型的成熟樣車(chē)為參考來(lái)進(jìn)行車(chē)架的設(shè)計(jì)，目前依然是車(chē)架結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)的主要方法。但是，這種方法可能造成車(chē)架各處強(qiáng)度不均勻，某些局部強(qiáng)度富裕較大，產(chǎn)生材料浪費(fèi)等現(xiàn)象。
20世紀(jì)60年代以來(lái)，由于電子計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，有限元法在工程上獲得了廣泛應(yīng)用。有限元法不需要對(duì)所分析的結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)格的簡(jiǎn)化，既可以考慮各種計(jì)算要求和條件，也可以計(jì)算各種工況，而且計(jì)算精度高。有限元法將具有無(wú)限個(gè)自由度的連續(xù)體離散為有限個(gè)自由度的單元集合體，使問(wèn)題簡(jiǎn)化為適合于數(shù)值解法的問(wèn)題。只要確定了單元的力學(xué)特性，就可以按照結(jié)構(gòu)分析的方法求解，使分析過(guò)程大為簡(jiǎn)化，配以計(jì)算機(jī)就可以解決許多解析法無(wú)法解決的復(fù)雜工程問(wèn)題。目前，有限元法已經(jīng)成為求解數(shù)學(xué)、物理、力學(xué)以及工程問(wèn)題的一種有效的數(shù)值方法。
（2）在國(guó)外，從60年代起就開(kāi)始運(yùn)用有限元法進(jìn)行汽車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的計(jì)算。1970年美國(guó)宇航員將NASTRAN有限元分析程序引入汽車(chē)結(jié)構(gòu)分析中，對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜強(qiáng)度有限元分析，減輕了車(chē)架的自重，是最早進(jìn)行車(chē)架輕量化的分析。當(dāng)前，國(guó)外各大汽車(chē)公司利用有限元軟件進(jìn)行車(chē)架結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析、模態(tài)分析的技術(shù)已非常成熟，其工作重心已轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)分析、噪聲分析、碰撞分析等領(lǐng)域。特別是隨機(jī)激勵(lì)響應(yīng)分析備受親睞，主要是因?yàn)樗捎脕?lái)進(jìn)行車(chē)輛的強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)舒適性和噪聲等方面的分析。
國(guó)外將有限元法引入到車(chē)架強(qiáng)度計(jì)算比較早，而我國(guó)大約是在七十年代末才把有限元法應(yīng)用于車(chē)架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析中。在有限元法對(duì)汽車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)的分析中，早期多采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行結(jié)構(gòu)離散化。分析的初步結(jié)果是令人滿(mǎn)意的，但由于梁?jiǎn)卧旧淼娜毕?，例如梁?jiǎn)卧荒芎芎玫拿枋鼋Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的車(chē)架結(jié)構(gòu)，不能很好的反映車(chē)架衡量與縱梁接頭區(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?jiǎn)卧治龅慕Y(jié)果是比較粗糙的。而板殼單元克服了梁?jiǎn)卧谲?chē)架建模和應(yīng)力分析時(shí)的局限，基本上可以作為一種完全的強(qiáng)度預(yù)測(cè)手段。近十年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)軟件和硬件的飛速發(fā)展，板殼單元逐漸被應(yīng)用到汽車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)分析中，使分析精度大為提高，有過(guò)去的定性或半定量的分析過(guò)度到定量階段。隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，特別是微機(jī)性能的大幅度提高及普及，在微機(jī)上進(jìn)行有限元分析已不再是很苦難的事情，同時(shí)有限元分析的應(yīng)用得以向廣度和深度發(fā)展。
（3）目前，國(guó)內(nèi)在進(jìn)行汽車(chē)車(chē)架設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員主要采用的還是傳統(tǒng)的辦法對(duì)車(chē)架進(jìn)行簡(jiǎn)化的計(jì)算，或者由其它部門(mén)進(jìn)行有限元分析計(jì)算。車(chē)架的這種設(shè)計(jì)模式導(dǎo)致的問(wèn)題包括兩個(gè)方面：一是車(chē)架簡(jiǎn)化計(jì)算精度不夠，為保證強(qiáng)度及剛度要求而使車(chē)架的設(shè)計(jì)過(guò)于安全，造成設(shè)計(jì)出的車(chē)架結(jié)構(gòu)過(guò)重，增加了設(shè)計(jì)成本；二是造成車(chē)架的設(shè)計(jì)與計(jì)算分離，不利于提高車(chē)架設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)水平。為了促進(jìn)車(chē)架設(shè)計(jì)水平的提高，保證整車(chē)在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力，必須將車(chē)架有限元分析技術(shù)提高到戰(zhàn)略的高度上來(lái)。
綜合分析這些文獻(xiàn)可知，當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)于有限元法應(yīng)用于車(chē)架結(jié)構(gòu)分析的研究只是限于對(duì)車(chē)架和車(chē)架結(jié)構(gòu)在靜態(tài)扭轉(zhuǎn)、彎曲載荷以及幾種極限工況載荷作用下的分析，得出車(chē)架結(jié)構(gòu)的靜態(tài)應(yīng)力分布，并對(duì)其進(jìn)行了局部的修改，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)構(gòu)還比較粗略，計(jì)算結(jié)構(gòu)多用來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的方案比較，離虛擬實(shí)驗(yàn)的要求還有相當(dāng)大的差距。
2.選題目的：
①建立車(chē)架結(jié)構(gòu)有限元分析的規(guī)范化步驟，為將有限元技術(shù)應(yīng)用于車(chē)架設(shè)計(jì)做好基礎(chǔ)性工作。
②通過(guò)運(yùn)用有限元軟件對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可供車(chē)架設(shè)計(jì)有關(guān)人員提供參考。。
③對(duì)所研究的車(chē)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性分析，為車(chē)架的設(shè)計(jì)提供理論支持。
④對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化進(jìn)行初步探討，為優(yōu)化設(shè)計(jì)運(yùn)用于車(chē)架設(shè)計(jì)進(jìn)行初步的嘗試，以便于以后更好地為車(chē)架設(shè)計(jì)服務(wù)。
3.選題意義：
隨著現(xiàn)代汽車(chē)設(shè)計(jì)要求的日益提高，將有限元法運(yùn)用于車(chē)架設(shè)計(jì)已經(jīng)成為必然的趨勢(shì)，主要體現(xiàn)在：
①運(yùn)用有限元法對(duì)初步設(shè)計(jì)的車(chē)架進(jìn)行輔助分析將大大提高車(chē)架丌發(fā)、設(shè)計(jì)、分析和制造的效能和車(chē)架的性能。
②車(chē)架在各種載荷作用下，將發(fā)生彎曲、偏心扭轉(zhuǎn)和整體扭轉(zhuǎn)等變形。傳統(tǒng)的車(chē)架設(shè)計(jì)方法很難綜合考慮汽車(chē)的復(fù)雜受力及變形情況，有限元法正好能夠解決這一問(wèn)題。
③利用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，可以得到車(chē)架結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。從設(shè)計(jì)上避免車(chē)架出現(xiàn)共振的現(xiàn)象。
④通過(guò)對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步降低車(chē)架的重量，在保證車(chē)架性能的前提下充分的節(jié)省材料，對(duì)降低車(chē)架的成本具有重要的意義。
綜上所述，有限元法已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車(chē)設(shè)計(jì)的重要工具之一，在汽車(chē)產(chǎn)品更新速度快，設(shè)計(jì)成本低、輕量化和舒適性要求越來(lái)越高的今天，對(duì)于提高汽車(chē)產(chǎn)品的質(zhì)量、降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)制造成本，提高汽車(chē)產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力具有重要意義。
二、設(shè)計(jì)（論文）的基本內(nèi)容、擬解決的主要問(wèn)題
1.基本內(nèi)容：
結(jié)合某汽車(chē)公司生產(chǎn)實(shí)際要求，在參考以往的研究成果以及國(guó)內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀，確定主要研究?jī)?nèi)容。
(1)研究應(yīng)用彈性力學(xué)、有限元、靜態(tài)分析、模態(tài)分析理論以及所有軟件基礎(chǔ)。
(2)車(chē)架設(shè)計(jì)方法以及設(shè)計(jì)步驟的研究。
(3)以某輕型貨車(chē)車(chē)架為參考設(shè)計(jì)車(chē)架并對(duì)其進(jìn)行PROE建模，將建成的PROE車(chē)架模型導(dǎo)入到ANSYS中準(zhǔn)備進(jìn)行有限元分析。
(4)分析研究建立有限元模型要考慮的問(wèn)題，比如結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，單元的選取，單元數(shù)量的控制，單元質(zhì)量的檢查，網(wǎng)格的布局以及連接方式的模擬。
(5)研究影響有限元分析結(jié)果的因素，比如單元厚度，單元大小，加強(qiáng)筋以及部件連接的模擬方法。
(6)對(duì)車(chē)架有限元模型進(jìn)行剛度強(qiáng)度分析、模態(tài)分析；找出車(chē)架結(jié)構(gòu)中需要改進(jìn)的部位，并依據(jù)分析結(jié)果提車(chē)改進(jìn)方案。
(7)對(duì)研究的車(chē)架進(jìn)行驚呆性能評(píng)價(jià)。建立優(yōu)化分析模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)提出科學(xué)的改進(jìn)方案。
2.擬解決的主要問(wèn)題
(1)如何設(shè)計(jì)車(chē)架基本結(jié)構(gòu)
(2)車(chē)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(jì)算結(jié)果的處理
(5)有限元模型的創(chuàng)建方法
(6)對(duì)模型進(jìn)行加載及求解的方法
(7)對(duì)分析出的圖形、數(shù)據(jù)的處理以及如何對(duì)車(chē)架進(jìn)行優(yōu)化
3、 技術(shù)路線(xiàn)（研究方法）
車(chē)型的選擇
車(chē)架結(jié)構(gòu)形式的選擇
車(chē)架的制造工藝及材料選擇
車(chē)架的設(shè)計(jì)
車(chē)架的簡(jiǎn)化計(jì)算
車(chē)架的應(yīng)力情況的測(cè)定，包括車(chē)架的剛度、強(qiáng)度、可靠性和耐久性
PROE模型的建立
車(chē)架單元類(lèi)型的選擇和定義
車(chē)架模型的簡(jiǎn)化
導(dǎo)入ANSYS軟件并進(jìn)行有限元方面分析
有限元網(wǎng)格劃分
施加載荷及載荷選項(xiàng)、設(shè)定約束條件，然后求解
根據(jù)ANSYS分析出的結(jié)果對(duì)已設(shè)計(jì)出的車(chē)架進(jìn)行優(yōu)化
四、進(jìn)度安排
(1）知識(shí)準(zhǔn)備、調(diào)研、收集資料、完成開(kāi)題報(bào)告 第1～2周（2.28～3.11）
（2） 整理資料、提出問(wèn)題、撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)草稿、熟悉Pro/E、ANSYS軟件的使用 第3～5周（3.14～4.1）
（3）理論聯(lián)系實(shí)際分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，使用Pro/E、ANSYS軟件完成中型載貨汽車(chē)車(chē)架的三維設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析等部分設(shè)計(jì)內(nèi)容，中期檢查 第6～8周（4.4～4.22）
（4）改進(jìn)完成設(shè)計(jì)，改進(jìn)完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，指導(dǎo)教師審核，學(xué)生修改 第9～12周(4.25～5.20)
（5）評(píng)閱教師評(píng)閱、學(xué)生修改 第13周（5.23～5.27）
（6）畢業(yè)設(shè)計(jì)預(yù)答辯 第14周（5.30～6.3）
（7）畢業(yè)設(shè)計(jì)修改 第15～16周（6.6～6.17）
（8）畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯 第17周（6.20～6.24）
五、參考文獻(xiàn)
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[5]詹友剛.Pro/ENGINEER中文野火版4.0曲面設(shè)計(jì)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.1
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指導(dǎo)教師意見(jiàn)：
簽字： 年 月 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)
學(xué)生姓名
系部
汽車(chē)與交通工程學(xué)院
專(zhuān)業(yè)、班級(jí)
車(chē)輛工程07- 班
指導(dǎo)教師姓名
石美玉
職稱(chēng)
教授
從事
專(zhuān)業(yè)
車(chē)輛工程
是否外聘
□是√否
題目名稱(chēng)
輕型載貨汽車(chē)車(chē)架有限元靜力學(xué)分析
一、設(shè)計(jì)（論文）目的、意義
汽車(chē)作為交通運(yùn)輸工具之一，在人們的日常生活中發(fā)揮著非常重要的作用。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車(chē)工業(yè)也得到了飛速發(fā)展，在現(xiàn)代化發(fā)展的今天，生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)輕、性能好、質(zhì)量高、用途廣、安全可靠的汽車(chē)，成為了汽車(chē)廠(chǎng)家和客戶(hù)共同關(guān)注的焦點(diǎn)。
作為汽車(chē)總成的一部分，車(chē)架承受著來(lái)自道路及各種復(fù)雜載荷的作用，而且汽車(chē)上許多重要總成都是以車(chē)架為載體，因此設(shè)計(jì)出重量輕而各方面性能達(dá)到要求的車(chē)架結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)重要的工作。傳統(tǒng)的車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是采用類(lèi)比的思想進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出的車(chē)架結(jié)構(gòu)除了個(gè)別部位的應(yīng)力水平較高外，大部分部位的應(yīng)力水平較低。因此，有必要采用有限元法對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以降低車(chē)架的重量，減小汽車(chē)的制造成本，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
在汽車(chē)行業(yè)中，有限元法廣泛應(yīng)用于各大汽車(chē)總成，包括車(chē)架、車(chē)身、車(chē)橋、離合器、輪胎、殼體等零部件以及駕駛室噪聲的分析，大大提高了汽車(chē)的設(shè)計(jì)水平，正在成為設(shè)計(jì)計(jì)算的強(qiáng)有力工具之一。
目前，在進(jìn)行汽車(chē)車(chē)架設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員主要采用的還是傳統(tǒng)的辦法對(duì)車(chē)架進(jìn)行簡(jiǎn)化的計(jì)算，或者由其它部門(mén)進(jìn)行有限元分析計(jì)算。車(chē)架的這種設(shè)計(jì)模式導(dǎo)致的問(wèn)題包括兩個(gè)方面：一是車(chē)架簡(jiǎn)化計(jì)算精度不夠，為保證強(qiáng)度及剛度要求而使車(chē)架的設(shè)計(jì)過(guò)于安全，造成設(shè)計(jì)出的車(chē)架結(jié)構(gòu)過(guò)重，增加了設(shè)計(jì)成本；二是造成車(chē)架的設(shè)計(jì)與計(jì)算分離，不利于提高車(chē)架設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)水平。為了促進(jìn)車(chē)架設(shè)計(jì)水平的提高，保證整車(chē)在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力，必須將車(chē)架有限元分析技術(shù)提高到戰(zhàn)略的高度上來(lái)。
二、設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容、技術(shù)要求（研究方法）
設(shè)計(jì)內(nèi)容：
1.選題的背景、目的及意義；
2.Pro/E、ANSYS軟件研究；
3.車(chē)架設(shè)計(jì)的方法步驟研究；
4.用Pro/E軟件建立車(chē)架整體模型，然后導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分；
5.假定汽車(chē)滿(mǎn)載情況下，對(duì)車(chē)架進(jìn)行彎曲、扭轉(zhuǎn)、緊急剎車(chē)、急轉(zhuǎn)彎四種工況下的受力和變形情況的靜態(tài)有限元分析。
技術(shù)要求：
1.研究輕型載貨汽車(chē)車(chē)架；
2.有限元模型、載荷建立正確；
3.生產(chǎn)綱領(lǐng)：成批生產(chǎn)。
三、設(shè)計(jì)（論文）完成后應(yīng)提交的成果
輕型載貨汽車(chē)車(chē)架有限元靜力學(xué)分析程序一份；
設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（20000字以上）一份。
四、設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度安排
（1）知識(shí)準(zhǔn)備、調(diào)研、收集資料、完成開(kāi)題報(bào)告 第1～2周（2.28～3.11）
（2） 整理資料、提出問(wèn)題、撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)草稿、熟悉Pro/E、ANSYS軟件的使用 第3～5周（3.14～4.1）
（3）理論聯(lián)系實(shí)際分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，使用Pro/E、ANSYS軟件完成中型載貨汽車(chē)車(chē)架的三維設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析等部分設(shè)計(jì)內(nèi)容，中期檢查 第6～8周（4.4～4.22）
（4）改進(jìn)完成設(shè)計(jì)，改進(jìn)完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，指導(dǎo)教師審核，學(xué)生修改 第9～12周(4.25～5.20)
（5）評(píng)閱教師評(píng)閱、學(xué)生修改 第13周（5.23～5.27）
（6）畢業(yè)設(shè)計(jì)預(yù)答辯 第14周（5.30～6.3）
（7）畢業(yè)設(shè)計(jì)修改 第15～16周（6.6～6.17）
（8）畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯 第17周（6.20～6.24）
五、主要參考資料
1.劉惟信．汽車(chē)設(shè)計(jì)．北京：清華大學(xué)出版社
2.張洪信．有限元基礎(chǔ)理論與ANSYS應(yīng)用．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.1
3.段進(jìn)，倪棟，王國(guó)業(yè)．ANSYS10.0結(jié)構(gòu)分析從入門(mén)到精通．北京：兵器工業(yè)出版社，2006.10
4.姜勇，張波．ANSYS7.0實(shí)例精解．北京：清華大學(xué)出版社
5.汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社
6.余傳文．重型載貨汽車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)的有限元仿真及優(yōu)化．吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005
7.黃華，茹麗妙．重型運(yùn)輸車(chē)車(chē)架動(dòng)力學(xué)分析．車(chē)輛與動(dòng)力技術(shù)
8.劉新田，黃虎，劉長(zhǎng)虹等．基于有限元的汽車(chē)車(chē)架靜態(tài)分析．上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，6：112～116
9.輕型載貨汽車(chē)車(chē)架設(shè)計(jì)資料
10.網(wǎng)絡(luò)資源，超星數(shù)字圖書(shū)館
11.近幾年相關(guān)專(zhuān)業(yè)CNKI網(wǎng)絡(luò)期刊等
六、備注
指導(dǎo)教師簽字：
年 月 日
教研室主任簽字：
年 月 日
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘 要
汽車(chē)車(chē)架作為汽車(chē)總成重要的一部分，車(chē)輛受到來(lái)自道路和裝載的各種復(fù)雜載荷最終都會(huì)傳遞給車(chē)架，并且汽車(chē)上許多重要總成都是以車(chē)架為載體，因而車(chē)架的強(qiáng)度和剛度在汽車(chē)總體設(shè)計(jì)中起了非常重要的作用。因此，車(chē)架結(jié)構(gòu)性能的好壞關(guān)乎這整車(chē)設(shè)計(jì)的成敗。若用傳統(tǒng)經(jīng)典力學(xué)方法計(jì)算，結(jié)果失真太大；而用試驗(yàn)法進(jìn)行測(cè)試，成本高，周期長(zhǎng)。為此本文采用了有限元分析技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理化和輕量化的目的從而大大減少設(shè)計(jì)費(fèi)用，縮短設(shè)計(jì)周期，同時(shí)提高設(shè)計(jì)工作的效率。因?yàn)?，ANSYS在對(duì)實(shí)體模型分析上具有強(qiáng)大的功能，在結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)方面相比很多其他軟件擁有十分明顯的優(yōu)越性。本文利用三維建模軟件Pro/E和有限元分析軟件ANSYS對(duì)某輕型載貨汽車(chē)車(chē)架進(jìn)行了Pro/E建模和ANSYS分析。
通過(guò)對(duì)Pro/E和ANSYS軟件的的了解和學(xué)習(xí)，采用Pro/E實(shí)體建模，導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行網(wǎng)格劃分，應(yīng)力加載，求解得出經(jīng)動(dòng)態(tài)分析結(jié)果，得出結(jié)論，之后可根據(jù)需要對(duì)已設(shè)計(jì)的實(shí)體單元為基礎(chǔ)的車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化模型和簡(jiǎn)單的尺寸優(yōu)化模型，以車(chē)架的縱梁截面尺寸為設(shè)計(jì)變量，以車(chē)架結(jié)構(gòu)的總體積最下為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)車(chē)架縱梁截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化并分析優(yōu)化結(jié)果。通過(guò)對(duì)初步設(shè)計(jì)出的輕型車(chē)架結(jié)構(gòu)的實(shí)體建模及有限元分析，得到一些對(duì)車(chē)架設(shè)計(jì)有所幫助的結(jié)論，為今后車(chē)架的設(shè)計(jì)工作提供一定的指導(dǎo)作用。
關(guān)鍵詞：輕型貨車(chē)車(chē)架；三維建模；載荷；有限元靜力學(xué)分析；模態(tài)分析
ABSTRACT
Automobile frame, as an important part of the vehicle, the vehicle being loaded from the road and the complex will eventually be passed to the load frame, and the car is the frame number of important general in Chengdu as the carrier, and thus the strength and the framestiffness of the overall design of the car plays a very important role.Therefore, the performance is good or bad frame structure about the success of this vehicle design.If the traditional method of classical mechanics, the result is too large distortion; and tested using test method, high cost and long period.To this end this paper, the finite element analysis, design of the frame structure to achieve the purpose of rationalization and lightweight thus reducing design costs and shorten design cycles, while improving the efficiency of design work.Because, ANSYS solid model in the analysis of powerful features in the structure of static analysis and design optimization software, compared with many other obvious advantages.In this paper, three-dimensional modeling software Pro / E and the finite element analysis software ANSYS, a light truck chassis is a Pro / E modeling and ANSYS.
On Pro / E and ANSYS software, understanding and learning, the use of Pro / E solid modeling, meshing into ANSYS, the stress load, obtained by solving the dynamic analysis of the results, draw conclusions, and then as needed for. The solid element has been designed based on the topology optimization of frame structure model and the size of a simple optimization model to frame the longitudinal cross-section dimensions of design variables, the total volume of the frame structure to optimize the next goal, on the framelongitudinal section size optimization and analysis of optimization results.The preliminary design by a light frame structure of solid modeling and finite element analysis, get some help on the conclusions of the frame design, frame design for the future to provide some guidance.
Key words：Frame of track; Three-dimensional modeling; loads; Finite element static analysis; Modal analysis
1
目 錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 研究目的和意義 1
1.2 車(chē)架?chē)?guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
1.3 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 4
1.4 擬解決的主要問(wèn)題 5
第2章 輕型貨車(chē)的車(chē)架設(shè)計(jì) 6
2.1 車(chē)架的概述 6
2.1.1 車(chē)架的設(shè)計(jì)要求 6
2.1.2 車(chē)架的結(jié)構(gòu)型式 6
2.1.3 縱梁、橫梁及其聯(lián)接 10
2.1.4 車(chē)架的制造工藝及材料 11
2.2 車(chē)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12
2.2.1 車(chē)架設(shè)計(jì)參考 12
2.2.2 車(chē)架參數(shù)的確定 13
2.2.3 車(chē)架的彎矩及彎曲應(yīng)力計(jì)算 14
2.2.4 車(chē)架的撓度計(jì)算 16
2.3 本章小結(jié) 18
第3章 車(chē)架三維模型的建立 19
3.1 Pro/E軟件介紹 19
3.2 三維模型的建立 20
3.3 本章小結(jié) 24
第4章 車(chē)架有限元分析 25
4.1 ANSYS的特點(diǎn) 25
4.2 ANSYS的基本組成和功能 26
4.3 Pro/E與ANSYS接口的創(chuàng)建 28
4.4 車(chē)架有限元的靜力分析 30
4.4.1 三維實(shí)體模型的網(wǎng)格劃分 30
4.4.2 施加約束條件 31
4.4.3 車(chē)架4種工況分析 32
4.5 車(chē)架有限元的模態(tài)分析 42
4.6 本章小結(jié) 48
結(jié)論 49
參考文獻(xiàn) 50
致謝 51
附錄 52
附錄A 外文文獻(xiàn) 52
附錄B 外文文獻(xiàn)翻譯 58
附錄C ANSYS分析程序命令流 63
附C1 車(chē)架4工況分析前準(zhǔn)備程序 63
附C2 車(chē)架彎曲工況ANSYS分析程序 70
附C3 車(chē)架扭轉(zhuǎn)工況ANSYS分析程序 75
附C4 車(chē)架急剎車(chē)工況ANSYS分析程序 79
附C5 車(chē)架轉(zhuǎn)彎工況ANSYS分析程序 85
附C6 車(chē)架模態(tài)分析程序 90
第1章 緒 論
1.1 研究目的和意義
在汽車(chē)制造市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的今天，汽車(chē)制造技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)，作為載貨車(chē)主要承載結(jié)構(gòu)的車(chē)架，它們的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)形式直接影響車(chē)身的壽命和整車(chē)性能，如動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性。汽車(chē)的輕量化，就是在保證汽車(chē)的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車(chē)的整備質(zhì)量，從而提高汽車(chē)的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。實(shí)驗(yàn)證明，汽車(chē)質(zhì)量降低一半，燃料消耗也會(huì)降低將近一半。當(dāng)前，由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車(chē)的輕量化已經(jīng)成為世界汽車(chē)發(fā)展的潮流。輕量化是21世紀(jì)整車(chē)發(fā)展趨勢(shì)之一，減輕汽車(chē)質(zhì)量意味著節(jié)約了能源和材料。車(chē)輛設(shè)計(jì)中，在滿(mǎn)足載貨車(chē)運(yùn)營(yíng)中對(duì)車(chē)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。
車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的在于確保車(chē)架強(qiáng)度、剛度和動(dòng)態(tài)性能的前提下，減輕車(chē)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(chē)速，改善汽車(chē)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(chē)和公路使用壽命。但我國(guó)的汽車(chē)工業(yè)存在自己的特殊性：一是引進(jìn)國(guó)外設(shè)計(jì)，國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)：二是仿制或改裝設(shè)計(jì)，自己獨(dú)立開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品很少。國(guó)內(nèi)許多廠(chǎng)家在載貨車(chē)的設(shè)計(jì)、制造和改進(jìn)過(guò)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(guó)產(chǎn)載貨車(chē)普遍存在的闖題是整車(chē)協(xié)調(diào)性較差；局部材料強(qiáng)度余量較大，無(wú)法預(yù)先判斷，造成材料的浪費(fèi)；在車(chē)輛實(shí)際使用過(guò)程中出現(xiàn)局部強(qiáng)度不足。所以，產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化或改裝后，在使用過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度、壽命、振動(dòng)、噪聲等方面的問(wèn)題。這些問(wèn)題影響了我國(guó)載貨車(chē)產(chǎn)品質(zhì)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(guó)載貨車(chē)制造廠(chǎng)家對(duì)有問(wèn)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(chē)試驗(yàn)才能確定其有效性，而且會(huì)導(dǎo)致整車(chē)整備質(zhì)量的不斷增加；另外，對(duì)一些結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)和優(yōu)化，由于缺少一定的理論依據(jù)，往往得不到很好的實(shí)施，因此開(kāi)展載貨車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算工作，在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的前提下，合理地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以達(dá)到輕量化的目的、對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義。此外，為了加速企業(yè)的新產(chǎn)品開(kāi)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(chē)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(chē)型的研制開(kāi)發(fā)提供借鑒和校核方法。隨著經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程的加快，汽車(chē)工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)日益加劇，汽車(chē)巨頭們都在加緊新車(chē)型的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)設(shè)計(jì)制造技術(shù)基本成熟，新車(chē)型便主要體現(xiàn)在電子設(shè)備和車(chē)架造型的更新上。同時(shí)，為減少新車(chē)型的開(kāi)發(fā)成本、縮短新車(chē)型的開(kāi)發(fā)周期、提高新產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，全球各大汽車(chē)公司普遍實(shí)施了“平臺(tái)戰(zhàn)略，車(chē)架的開(kāi)發(fā)便是該戰(zhàn)略的主要組成部分。
載貨車(chē)車(chē)架是載貨車(chē)的基體，一般由兩根縱梁和幾根橫梁組成，經(jīng)由懸掛裝置、前橋、后橋支承在車(chē)輪上，具有足夠的強(qiáng)度和剮度以承受汽車(chē)的載荷和從車(chē)輪傳來(lái)的沖擊。要評(píng)價(jià)車(chē)架設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)的好壞，首先應(yīng)該清楚了解的是車(chē)輛在行駛時(shí)車(chē)架所要承受的各種不同的力。然而對(duì)車(chē)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(chē)架的剛度和強(qiáng)度，往往對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行較多的假設(shè)和簡(jiǎn)化，計(jì)算模型只能構(gòu)造的比較簡(jiǎn)單，與實(shí)際的結(jié)構(gòu)形狀相差很大。在計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展并廣泛應(yīng)用的今天，采用近似的數(shù)值解己成為較為現(xiàn)實(shí)又非常有效的選擇。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。在汽車(chē)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(lái)發(fā)展起來(lái)的計(jì)算方法和技術(shù)。有限元法的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是能夠解決結(jié)構(gòu)形狀和邊界條件都非常任意的力學(xué)問(wèn)題。早期由于有限元法所要求解的問(wèn)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?，F(xiàn)在這些闖題已經(jīng)解決，只要注意所建有限元模型中各種支承、連接關(guān)系盡量與實(shí)際結(jié)構(gòu)相符，載荷和動(dòng)態(tài)分析中的激勵(lì)能反映實(shí)際情況，特別是動(dòng)態(tài)載荷的變化曲線(xiàn)的精確獲得以及在計(jì)算中如何加載，行駛、制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎工況的載荷和約束如何正確選擇等問(wèn)題，就可以得到滿(mǎn)足精度要求的有限元分析結(jié)果。汽車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)分析的主要目的是查明車(chē)架內(nèi)部各點(diǎn)的應(yīng)力、形變和相對(duì)位移，找出其固有頻率及振型，從靜、動(dòng)兩個(gè)方面檢驗(yàn)車(chē)架結(jié)構(gòu)的合理性。
隨著有限元技術(shù)的成熟和高速計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，各種通用程序、專(zhuān)用程序的求解功能都很齊全，前后處理也很方便，汽車(chē)結(jié)構(gòu)中絕大部分部件甚至整車(chē)的有限元靜、動(dòng)態(tài)分析和固有特性分析等都可應(yīng)用這些通用程序或?qū)Ｓ贸绦騺?lái)分析計(jì)算，利用有限元法進(jìn)行汽車(chē)結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)特性分析已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。在西方發(fā)達(dá)國(guó)家的汽車(chē)企業(yè)中，有限元分柝已經(jīng)成為其產(chǎn)品設(shè)計(jì)鏈中必須的常規(guī)?；谖覈?guó)載貨車(chē)工業(yè)的總體水平仍然落后的現(xiàn)實(shí)，在載貨車(chē)的設(shè)計(jì)、制造和改進(jìn)過(guò)程中，引入有限元分析是必要而有意義的。
1.2 車(chē)架?chē)?guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
（1）從車(chē)架的設(shè)計(jì)方法來(lái)講，早期車(chē)架設(shè)計(jì)采用設(shè)計(jì)和試驗(yàn)交叉進(jìn)行。在車(chē)架結(jié)構(gòu)定型之前往往經(jīng)過(guò)多輪設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)面對(duì)的對(duì)象是實(shí)物，需要經(jīng)過(guò)樣品制造一試驗(yàn)一修改一再設(shè)計(jì)的往復(fù)，這種方式不可避免地導(dǎo)致整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程周期長(zhǎng)，以及人力、物力和財(cái)力資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。隨著設(shè)計(jì)驗(yàn)的積累，人們將計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于汽車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)性能的分析及設(shè)計(jì)中。初期的車(chē)架結(jié)構(gòu)性能計(jì)算是通過(guò)將車(chē)架簡(jiǎn)化成單根縱梁，進(jìn)行彎曲強(qiáng)度校核。這種計(jì)算方法至今還在沿用，但它顯然滿(mǎn)足不了汽車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)性能的設(shè)計(jì)要求。后來(lái)提出的車(chē)架結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算方法，只能計(jì)算純扭轉(zhuǎn)工況，不能考慮車(chē)架的實(shí)際工況，并且，計(jì)算比較復(fù)雜，工作量大，在實(shí)際運(yùn)用中存在著很大的困難。再后來(lái)，人們將比較設(shè)計(jì)的思想應(yīng)用于車(chē)架設(shè)計(jì)中。這種設(shè)計(jì)方法是以同一類(lèi)型的成熟樣車(chē)為參考來(lái)進(jìn)行車(chē)架的設(shè)計(jì)，目前依然是車(chē)架結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)的主要方法。但是，這種方法可能造成車(chē)架各處強(qiáng)度不均勻，某些局部強(qiáng)度富裕較大，產(chǎn)生材料浪費(fèi)等現(xiàn)象。
20世紀(jì)60年代以來(lái)，由于電子計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，有限元法在工程上獲得了廣泛應(yīng)用。有限元法不需要對(duì)所分析的結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)格的簡(jiǎn)化，既可以考慮各種計(jì)算要求和條件，也可以計(jì)算各種工況，而且計(jì)算精度高。有限元法將具有無(wú)限個(gè)自由度的連續(xù)體離散為有限個(gè)自由度的單元集合體，使問(wèn)題簡(jiǎn)化為適合于數(shù)值解法的問(wèn)題。只要確定了單元的力學(xué)特性，就可以按照結(jié)構(gòu)分析的方法求解，使分析過(guò)程大為簡(jiǎn)化，配以計(jì)算機(jī)就可以解決許多解析法無(wú)法解決的復(fù)雜工程問(wèn)題。目前，有限元法已經(jīng)成為求解數(shù)學(xué)、物理、力學(xué)以及工程問(wèn)題的一種有效的數(shù)值方法。
（2）在國(guó)外，從60年代起就開(kāi)始運(yùn)用有限元法進(jìn)行汽車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的計(jì)算。1970年美國(guó)宇航員將NASTRAN有限元分析程序引入汽車(chē)結(jié)構(gòu)分析中，對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜強(qiáng)度有限元分析，減輕了車(chē)架的自重，是最早進(jìn)行車(chē)架輕量化的分析。當(dāng)前，國(guó)外各大汽車(chē)公司利用有限元軟件進(jìn)行車(chē)架結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析、模態(tài)分析的技術(shù)已非常成熟，其工作重心已轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)分析、噪聲分析、碰撞分析等領(lǐng)域。特別是隨機(jī)激勵(lì)響應(yīng)分析備受親睞，主要是因?yàn)樗捎脕?lái)進(jìn)行車(chē)輛的強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)舒適性和噪聲等方面的分析。
國(guó)外將有限元法引入到車(chē)架強(qiáng)度計(jì)算比較早，而我國(guó)大約是在七十年代末才把有限元法應(yīng)用于車(chē)架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析中。在有限元法對(duì)汽車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)的分析中，早期多采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行結(jié)構(gòu)離散化。分析的初步結(jié)果是令人滿(mǎn)意的，但由于梁?jiǎn)卧旧淼娜毕?，例如梁?jiǎn)卧荒芎芎玫拿枋鼋Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的車(chē)架結(jié)構(gòu)，不能很好的反映車(chē)架衡量與縱梁接頭區(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?jiǎn)卧治龅慕Y(jié)果是比較粗糙的。而板殼單元克服了梁?jiǎn)卧谲?chē)架建模和應(yīng)力分析時(shí)的局限，基本上可以作為一種完全的強(qiáng)度預(yù)測(cè)手段。近十年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)軟件和硬件的飛速發(fā)展，板殼單元逐漸被應(yīng)用到汽車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)分析中，使分析精度大為提高，有過(guò)去的定性或半定量的分析過(guò)度到定量階段。隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，特別是微機(jī)性能的大幅度提高及普及，在微機(jī)上進(jìn)行有限元分析已不再是很苦難的事情，同時(shí)有限元分析的應(yīng)用得以向廣度和深度發(fā)展。
（3）目前，國(guó)內(nèi)在進(jìn)行汽車(chē)車(chē)架設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員主要采用的還是傳統(tǒng)的辦法對(duì)車(chē)架進(jìn)行簡(jiǎn)化的計(jì)算，或者由其它部門(mén)進(jìn)行有限元分析計(jì)算。車(chē)架的這種設(shè)計(jì)模式導(dǎo)致的問(wèn)題包括兩個(gè)方面：一是車(chē)架簡(jiǎn)化計(jì)算精度不夠，為保證強(qiáng)度及剛度要求而使車(chē)架的設(shè)計(jì)過(guò)于安全，造成設(shè)計(jì)出的車(chē)架結(jié)構(gòu)過(guò)重，增加了設(shè)計(jì)成本；二是造成車(chē)架的設(shè)計(jì)與計(jì)算分離，不利于提高車(chē)架設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)水平。為了促進(jìn)車(chē)架設(shè)計(jì)水平的提高，保證整車(chē)在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力，必須將車(chē)架有限元分析技術(shù)提高到戰(zhàn)略的高度上來(lái)。
綜合分析這些文獻(xiàn)可知，當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)于有限元法應(yīng)用于車(chē)架結(jié)構(gòu)分析的研究只是限于對(duì)車(chē)架和車(chē)架結(jié)構(gòu)在靜態(tài)扭轉(zhuǎn)、彎曲載荷以及幾種極限工況載荷作用下的分析，得出車(chē)架結(jié)構(gòu)的靜態(tài)應(yīng)力分布，并對(duì)其進(jìn)行了局部的修改，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)構(gòu)還比較粗略，計(jì)算結(jié)構(gòu)多用來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的方案比較，離虛擬實(shí)驗(yàn)的要求還有相當(dāng)大的差距。
1.3 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容
本課題通過(guò)參考國(guó)內(nèi)外輕型載貨車(chē)車(chē)架的結(jié)構(gòu)及工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)車(chē)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)的車(chē)架進(jìn)行有限元分析，具體工作如下。
結(jié)合某汽車(chē)公司生產(chǎn)實(shí)際要求，在參考以往的研究成果以及國(guó)內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀，確定主要研究?jī)?nèi)容。
（1）研究應(yīng)用彈性力學(xué)、有限元、靜態(tài)分析、模態(tài)分析理論以及所有軟件基礎(chǔ)。
（2）車(chē)架設(shè)計(jì)方法以及設(shè)計(jì)步驟的研究。
（3）以某輕型貨車(chē)車(chē)架為參考設(shè)計(jì)車(chē)架并對(duì)其進(jìn)行PROE建模，將建成的PROE車(chē)架模型導(dǎo)入到ANSYS中準(zhǔn)備進(jìn)行有限元分析。
（4）分析研究建立有限元模型要考慮的問(wèn)題，比如結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，單元的選取，單元數(shù)量的控制，單元質(zhì)量的檢查，網(wǎng)格的布局以及連接方式的模擬。
（5）研究影響有限元分析結(jié)果的因素，比如單元厚度，單元大小，加強(qiáng)筋以及部件連接的模擬方法。
（6）對(duì)車(chē)架有限元模型進(jìn)行剛度強(qiáng)度分析、模態(tài)分析；找出車(chē)架結(jié)構(gòu)中需要改進(jìn)的部位，并依據(jù)分析結(jié)果提車(chē)改進(jìn)方案。
（7）對(duì)研究的車(chē)架進(jìn)行驚呆性能評(píng)價(jià)。建立優(yōu)化分析模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)提出科學(xué)的改進(jìn)方案。
1.4 擬解決的主要問(wèn)題
（1）如何設(shè)計(jì)車(chē)架基本結(jié)構(gòu)
（2）車(chē)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(jì)算結(jié)果的處理
（5）有限元模型的創(chuàng)建方法
（6）對(duì)模型進(jìn)行加載及求解的方法
（7）對(duì)分析出的圖形、數(shù)據(jù)的處理以及如何對(duì)車(chē)架進(jìn)行優(yōu)化
第2章 輕型載貨汽車(chē)的車(chē)架設(shè)計(jì)
2.1 車(chē)架的概述
2.1.1 車(chē)架的設(shè)計(jì)要求
車(chē)架作為汽車(chē)的承載基體，為貨車(chē)、中型及以下的客車(chē)、中高級(jí)和高級(jí)轎車(chē)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(chē)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。為此，車(chē)架應(yīng)有足夠的彎曲剛度，以使裝在其上的有關(guān)機(jī)構(gòu)之間的相對(duì)位置在汽車(chē)行駛過(guò)程中保持不變并使車(chē)身的變形最??；車(chē)架也應(yīng)有足夠的強(qiáng)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(nèi)不應(yīng)有嚴(yán)重的變形和開(kāi)裂。車(chē)架剛度不足會(huì)引起振動(dòng)和噪聲，也使汽車(chē)的乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性及某些機(jī)件的可靠性下降。貨車(chē)車(chē)架的最大彎曲撓度通常應(yīng)小于10mm。但車(chē)架扭轉(zhuǎn)剛度又不宜過(guò)大，否則將使車(chē)架和懸架系統(tǒng)的載荷增大并使汽車(chē)輪胎的接地性變差，使通過(guò)性變壞。通常在使用中其軸間扭角約為1°/m。在保證強(qiáng)度、剛度的前提下車(chē)架的自身質(zhì)量應(yīng)該盡可能減小，以減小車(chē)身質(zhì)量。貨車(chē)車(chē)架質(zhì)量一般約為整車(chē)整備質(zhì)量的1/10。此外，車(chē)架設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮車(chē)型系列化及改裝車(chē)等方面的要求。
2.1.2 車(chē)架的結(jié)構(gòu)型式
根據(jù)縱梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，車(chē)架可分為以下幾種結(jié)構(gòu)型式：
1、周邊式車(chē)架
周邊式車(chē)架用于中級(jí)以上的轎車(chē)。如圖2.1（a）所示，在俯視圖上車(chē)架的中部寬、兩端窄。中部寬度取決于車(chē)身門(mén)檻梁的內(nèi)壁寬；前端寬度取決于前輪距及前輪最大轉(zhuǎn)角；后端寬度則有后輪距確定。左右相關(guān)縱梁由橫梁連接。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。前緩沖臂位于車(chē)廂前圍板下部?jī)A斜踏板前方；后緩沖臂位于后座下方。其結(jié)構(gòu)形狀容許緩沖臂有一定的彈性變形，可吸收來(lái)自不平路面的沖擊和降低車(chē)內(nèi)噪聲。此外，車(chē)架中部加寬既有利于提高汽車(chē)的橫向穩(wěn)定性，又減短了車(chē)架縱梁外側(cè)裝置件的懸伸長(zhǎng)度。在側(cè)視圖上，與其他型式的轎車(chē)車(chē)架類(lèi)似，在前方車(chē)輪處縱梁向上彎曲以讓出前后獨(dú)立懸架或非斷開(kāi)式后橋的運(yùn)動(dòng)空間。采用這種車(chē)架時(shí)車(chē)身地板上的傳動(dòng)軸通道所形成的鼓包不大，但門(mén)檻較寬，見(jiàn)圖2.2（a）。
2、X形車(chē)架
如圖2.1（b）所示，這種車(chē)架為一些轎車(chē)所采用。車(chē)架的中部為位于汽車(chē)縱向?qū)ΨQ(chēng)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(chē)架；（b）X形車(chē)架；（c）梯形車(chē)架
圖2.1 轎車(chē)車(chē)架
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。傳動(dòng)軸經(jīng)中部管梁通向后方。中部管梁的扭轉(zhuǎn)剛度大。前后叉形邊梁由一些橫梁相連，后者還用于加強(qiáng)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(chē)寬的中間，因此不妨礙在其兩側(cè)的車(chē)身地板的降低，但地板中間會(huì)有較大的縱向鼓包。門(mén)檻的寬度不大，見(jiàn)圖2.2（b），雖然從被動(dòng)安全性考慮，要求門(mén)檻有足夠的強(qiáng)度和剛度。
3、梯形車(chē)架
梯形車(chē)架又稱(chēng)邊梁式車(chē)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(dāng)承受扭矩時(shí)，各部分同時(shí)產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)。其優(yōu)點(diǎn)是便于安裝車(chē)身、車(chē)廂和布置其他總成，易于汽車(chē)的改裝和變型，因此被廣泛的采用在載貨汽車(chē)、越野汽車(chē)、特種車(chē)輛和用貨車(chē)底盤(pán)改裝的大客車(chē)上。在中、輕型客車(chē)上也有所采用，轎車(chē)則較少采用。用于轎車(chē)的梯形車(chē)架，見(jiàn)圖2.1（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(chē)身地板仍比采用其他車(chē)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(jiàn)圖2.2（c）。
如果也包括固定車(chē)身的支架，則上述三種轎車(chē)車(chē)架的自身質(zhì)量差別不大。無(wú)論哪一種轎車(chē)車(chē)架，在前、后橋處均要求有較大的扭轉(zhuǎn)剛度，為此，相關(guān)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(duì)且以垂向面為開(kāi)口的沖壓成型的槽型梁相互插入并用電弧焊焊接而成。對(duì)于不承受扭矩的車(chē)架元件、用于固定動(dòng)力總成的橫梁以及車(chē)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(kāi)口的槽型斷面。
載貨汽車(chē)的梯形車(chē)架如圖2.3所示，由兩根相互平行且開(kāi)口朝內(nèi)、沖壓制成的槽型縱梁及一些沖壓制成的開(kāi)口槽型橫梁組合而成。通常，縱梁的上表面沿全長(zhǎng)不變或局部降低，而兩端的下表面則可根據(jù)應(yīng)力情況，適當(dāng)?shù)叵蛏鲜湛s。既縱梁中部相當(dāng)長(zhǎng)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。車(chē)架寬度多為全長(zhǎng)等寬。車(chē)架寬度的標(biāo)準(zhǔn)化有利于產(chǎn)品的三化，例如可使車(chē)架橫梁、前后橋及駕駛室、貨箱等進(jìn)行互換。車(chē)架等寬也簡(jiǎn)化了縱梁的沖壓工藝且在縱梁上不會(huì)產(chǎn)生附加扭矩。有時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)要求需將車(chē)架前、后端的寬度做得窄些或?qū)捫?，但其尺寸與限定的汽車(chē)
輪廓寬2.5m相適應(yīng)。車(chē)架的長(zhǎng)度大致接近整車(chē)長(zhǎng)度，約為軸距的1.4-1.7倍。
4、脊梁式車(chē)架
如圖2.4所示脊梁式車(chē)技由一根位于汽車(chē)左右對(duì)稱(chēng)中心的大斷面管形梁和某些懸伸托架構(gòu)成，猶如一根脊梁。管梁將動(dòng)力-傳動(dòng)系連成一體，傳動(dòng)軸從其中間通過(guò)，故采用這種結(jié)構(gòu)時(shí)驅(qū)動(dòng)橋必須是斷開(kāi)式的并與獨(dú)立懸架相匹配。與其他類(lèi)型的車(chē)架比較，其扭轉(zhuǎn)剛度最大。容許車(chē)輪有較大的跳動(dòng)空間，使汽車(chē)有較好的平順性和通過(guò)性。但車(chē)架的制造工藝復(fù)雜，維修不便，僅用于某些平順性、通過(guò)性要求較高的汽車(chē)上。
5、綜合式車(chē)架
系綜合上述脊梁式和邊梁式兩種型式而成，如圖2.5所示。這時(shí)，主減速器與脊梁相固定，該驅(qū)動(dòng)橋應(yīng)為斷開(kāi)式的且獨(dú)立懸架相匹配。其實(shí)，圖2.1（b）所示的X形車(chē)架也應(yīng)歸于這一類(lèi)型，但該車(chē)架可與非斷開(kāi)式驅(qū)動(dòng)橋及非獨(dú)立懸架相匹配。
（a）采用周邊式車(chē)架時(shí)；（b）采用X形車(chē)架時(shí)；（c）采用梯形車(chē)架時(shí)
1.傳動(dòng)軸通道；2.地板；3.門(mén)檻；4.車(chē)架
圖2.2 采用不同車(chē)架時(shí)的車(chē)身底板
圖2.3 載貨汽車(chē)的梯形車(chē)架
圖2.4 具有脊梁式車(chē)架的汽車(chē)底盤(pán)
圖2.5 綜合式車(chē)架
2.1.3 縱梁、橫梁及其聯(lián)接
縱梁是車(chē)架的主要承載元件，也是車(chē)架中最大的加工件，其形狀應(yīng)力求簡(jiǎn)單。載貨汽車(chē)的車(chē)架縱梁沿全長(zhǎng)多取平直且斷面也不變或少變，以簡(jiǎn)化工藝；為使縱梁各斷面的應(yīng)力接近，可通過(guò)改變其斷面高度即使其中部斷面高、兩端較低來(lái)達(dá)到。載貨汽車(chē)縱梁的斷面形狀多為開(kāi)口朝內(nèi)的槽形，也有Z形、工字形的；脊梁式車(chē)架的縱梁則多為管狀的；轎車(chē)車(chē)架的縱梁則為箱形斷面。槽型斷面梁的扭轉(zhuǎn)剛度及強(qiáng)度均好?？v梁多為沖壓件，超重型汽車(chē)的縱梁則常采用焊接結(jié)構(gòu)或軋制的成型材。
橫梁將左右縱梁聯(lián)接在一起，構(gòu)成一完整的車(chē)架，并保證車(chē)架有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度，限制其變形和降低某些部位的應(yīng)力。橫梁還起著支承某些總成的作用。汽車(chē)車(chē)架常有4～6根橫梁，其分布于有關(guān)總成、駕駛室、貨箱或車(chē)身的支承位置有關(guān)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的前支點(diǎn)位于左右縱梁上時(shí)，前橫梁則可減小寬度并采用槽型或Z形斷面。中橫梁常做成拱形以留出傳動(dòng)軸的跳動(dòng)空間。貨車(chē)在后鋼板彈簧前、后支承附近也分別設(shè)置一根橫梁。
橫梁的斷面形狀與縱梁的聯(lián)接形式如圖2.6和圖2.7所示。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。腹板直立的槽形斷面橫梁和由兩槽形組成的工字形斷面橫梁的彎曲剛度及強(qiáng)度均好，常用于后鋼板彈簧的支架處；帽形斷面梁因其斷面高度較小，較易做成大彎度梁，宜于用于需向下凹的前橫梁和拱形的中橫梁；封閉形斷面梁和管梁的扭轉(zhuǎn)剛度大，宜用于需加強(qiáng)扭轉(zhuǎn)剛度處，但貨車(chē)多采用扭轉(zhuǎn)剛度不大的非封閉形斷面的鋼板沖壓橫梁。
轎車(chē)車(chē)架的縱、橫梁采用焊接方式聯(lián)接，而貨車(chē)則多以鉚釘聯(lián)接（見(jiàn)圖2.7）。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(chē)車(chē)架具有重要意義。
當(dāng)縱、橫梁以它們的上、下翼緣均分別聯(lián)接時(shí)，由于聯(lián)接跨度大，剛度亦較大，這時(shí)其扭轉(zhuǎn)剛度及扭轉(zhuǎn)應(yīng)力均較大。當(dāng)橫梁與縱梁的腹板相連接時(shí)則情況會(huì)相反，這時(shí)應(yīng)注意不使其聯(lián)接跨度和聯(lián)接剛度太小，以免影響對(duì)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(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。
圖2.6 橫梁的斷面形狀及其與縱梁的聯(lián)接
1.橫梁；2.縱梁
圖2.7 縱、橫梁的鉚釘聯(lián)接方式
2.1.4 車(chē)架的制造工藝及材料
車(chē)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(jī)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(chē)車(chē)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(chē)車(chē)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。為保證車(chē)架的裝配尺寸，組裝時(shí)必須有可靠的定位和加緊，特別應(yīng)保證有關(guān)總成在車(chē)架上的定位尺寸及支承點(diǎn)的相對(duì)位置精度。
車(chē)架材料應(yīng)具有足夠高的屈服極限和疲勞極限，低的應(yīng)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(mǎn)足這些要求。車(chē)架材料與所選定的制造工藝密切相關(guān)。拉伸尺寸較大或形狀復(fù)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(fù)雜的沖壓件常采用強(qiáng)度稍高的20、25、16Mn、09SiVL、10TiL等鋼板制造。強(qiáng)度更高的鋼板在冷沖時(shí)易開(kāi)裂且沖壓回彈較大，故不宜采用。有的重型貨車(chē)、自卸車(chē)、越野車(chē)為了提高車(chē)架強(qiáng)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(qiáng)度即由450MPa（HB156）提高到480～620MPa（HB170）。用30Ti鋼板制造縱橫梁也可采用冷沖壓工藝。
鋼板經(jīng)冷沖成形后，其疲勞強(qiáng)度要降低，靜強(qiáng)度提高、延伸率小的材料的降低幅度更大。常用車(chē)架材料在沖壓成形后的疲勞強(qiáng)度約為140～160MPa。
轎車(chē)車(chē)架縱梁、橫梁的鋼板厚度約為3.0～4.0mm，貨車(chē)根據(jù)其裝載質(zhì)量的不同，輕、中型貨車(chē)沖壓縱梁的鋼板厚度為5.0～7.0mm，重型貨車(chē)沖壓縱梁的鋼板厚度為7.0～9.0mm。且槽形斷面縱梁上、下翼緣的寬度尺寸約為其腹板高度尺寸的35%～40%[1]。
2.2 車(chē)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.2.1 車(chē)架設(shè)計(jì)參考
以下數(shù)據(jù)均為參照解放CA1040的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)[10-11]，主要參數(shù)如表所示。
1、 車(chē)輛主要參數(shù)
表2.1 車(chē)輛參數(shù)表
車(chē)總長(zhǎng) /mm
5100
軸距 /mm
2500
載重量 /kg
1850
空車(chē)質(zhì)量 /kg
1960
滿(mǎn)載質(zhì)量 /kg
4010
駕駛室長(zhǎng) /mm
1765
貨箱長(zhǎng) /mm
3335
乘員 滿(mǎn)油油箱 /kg
220
2、安裝在車(chē)架上的主要部件的選擇
（1）發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)
型號(hào)：CA488型汽油機(jī)；
形式：四沖程、水冷、化油器；
最大功率：65kw；
最大扭矩：157N·m；
外形尺寸（長(zhǎng)寬高）：659602671.5（mm）；
質(zhì)量：135kg。
（2） 變速器參數(shù)
型號(hào)：CAS5-20A機(jī)械變速器；
中心距：85mm；
最大輸出轉(zhuǎn)矩：196N·m；
殼體長(zhǎng)度：285mm；
靜質(zhì)量：鑄鐵殼體56kg。
（3）貨箱車(chē)頭參數(shù)
貨箱：鋼板沖壓貨箱800kg；
車(chē)頭：車(chē)頭以及內(nèi)部部件450kg。
（4）鋼板彈簧參數(shù)
車(chē)架上加裝鋼板彈簧，參數(shù)如表2.2所示。
表2.2 鋼板彈簧
前鋼板彈簧
后鋼板彈簧
作用長(zhǎng)度 /mm
1200
1300
片厚
12-6
12-8
片寬 /mm
70
70
片數(shù)
3
6
2.2.2 車(chē)架參數(shù)的確定
1、選取梯形車(chē)架，由兩個(gè)縱梁與5根橫梁鉚接而成。其彎曲剛度較大，而當(dāng)受扭矩時(shí)，各部分同時(shí)產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)。其優(yōu)點(diǎn)是便于安裝車(chē)身、車(chē)箱和布置其他總成，易于汽車(chē)的改裝和變形因此被廣泛地用在載貨汽車(chē)。車(chē)架全長(zhǎng)等寬，取750mm。車(chē)架長(zhǎng)度大致接近整車(chē)長(zhǎng)度，約為軸距的1.4～1.7倍，取車(chē)架長(zhǎng)度為4500mm，在縱梁的全長(zhǎng)范圍內(nèi)具有相等的高度和寬度?？v、橫梁均由5mm厚的16Mn鋼板沖壓而成（輕、中型貨車(chē)沖壓縱梁的鋼板厚度為5～7mm。槽型斷面縱梁上、下翼緣的寬度尺寸約為其腹板高度尺寸的35%～40%，縱梁槽形斷面如圖2.8所示。
圖2.8 縱梁斷面
2、鉚釘?shù)倪x擇[12-13]
根據(jù)GB/T 867-1986 選擇半圓頭鉚釘，如圖2.9所示。
其中d=6mm； =11.35mm； k=3.84mm； R6mm； L =8～60mm。
圖2.9 鉚釘
2.2.3 車(chē)架的彎矩及彎曲應(yīng)力計(jì)算
當(dāng)車(chē)架縱梁承受的是均勻分布的載荷（見(jiàn)圖2.8）時(shí)，車(chē)架的簡(jiǎn)化計(jì)算可按下述進(jìn)行，但需要一定的假設(shè)。即認(rèn)為縱梁為支承在前、后軸上的簡(jiǎn)支梁；空車(chē)是簧上負(fù)荷(貨車(chē)可取，為汽車(chē)整備質(zhì)量)均布在左、右縱梁的全長(zhǎng)上，滿(mǎn)載時(shí)有效載荷則均布在車(chē)廂長(zhǎng)度范圍內(nèi)的縱梁上；忽略不計(jì)局部扭矩的影響[8]。
圖2.10 貨車(chē)車(chē)架上均布載荷的分布情況
在圖2.10中，為一根縱梁的前支承反力，由該圖可求得：
（2.1）
在駕駛室的長(zhǎng)度范圍內(nèi)這一段縱梁的彎矩為
（2.2）
駕駛室后端至后周這一段縱梁的彎矩為：
（2.3）
顯然，最大彎矩就發(fā)生在這一段縱梁內(nèi)，可用對(duì)上式中求導(dǎo)數(shù)并令其為零的方法求出最大彎矩發(fā)生的位置，即：
由此求得：
（2.4）
將上式代入公式（2.3），即可求出縱梁承受的最大彎矩。
已知4500mm，2660mm，=875mm，1025mm，=3335 mm，=1857mm，=1478mm。
=N
N
N
=1094.44mm
=1289949.07
如果考慮到動(dòng)載荷系數(shù)及疲勞安全系數(shù)，并將它們代入式（2.5），則可求出縱梁的最大彎矩為：
（2.5）
取n=1.40，=4.0
求得：
則彎曲應(yīng)力可按下式求得：
（2.6）
式中：——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)于槽型斷面縱梁有：
（2.7）
式中：—— 槽型斷面的腹板高，mm；
—— 翼緣寬，mm；
—— 梁斷面的厚度，mm。
式(2.7)中，h=120mm，b=45mm，t=5mm。
mm3
因此最大彎應(yīng)力為：
=120.40Mpa
16Mn鋼板的疲勞極限=220～260MPa
=120.40Mpa
2.2.4 車(chē)架的撓度計(jì)算
為了保證整車(chē)及有關(guān)機(jī)件的正常工作，對(duì)縱梁的最大撓度應(yīng)予以限制。這就要求對(duì)縱梁的彎曲剛度進(jìn)行校核。
彎曲工況：約束后橋在車(chē)架縱梁腹板上的豎直投影點(diǎn)的垂直位移，約束車(chē)架前懸與車(chē)架縱梁聯(lián)接處縱梁腹板中點(diǎn)的垂直位移，讓車(chē)架形成一簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，并在前后支承中點(diǎn)處加一垂直向下的力，讓車(chē)架產(chǎn)生彎曲變形，如圖2.11所示。
車(chē)架彎曲剛度由下式計(jì)算得到:
=EJ= （2.8）
式中：——彎曲剛度，N；
F—— 集中載荷，N；
L—— 軸距，m；
X—— 從支點(diǎn)到測(cè)點(diǎn)的距離，m；
f—— 撓度，m。
圖2.11 車(chē)架彎曲剛度計(jì)算示意圖
若以前、后輪軸中點(diǎn)處（即）的剛度作為車(chē)架的彎曲剛度，則計(jì)算公式簡(jiǎn)化為[6]
= （2.9）
根據(jù)車(chē)架的受載情況，將車(chē)架的撓度分為兩部分計(jì)算。
1、假設(shè)車(chē)空載時(shí)，簧上負(fù)荷(貨車(chē)可取，為汽車(chē)整備質(zhì)量)均布在左、右縱梁的全長(zhǎng)上，由于算一根縱梁的撓度，取所加載荷的一半[14]。
由材料力學(xué)知
（2.10）
可得:
2、假設(shè)汽車(chē)滿(mǎn)載時(shí)，所載貨物的重量都集中在跨度為的簡(jiǎn)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。同理，算一根縱梁的撓度取所加載荷的一半。
可得:
已知貨車(chē)車(chē)架最大彎曲撓度通常小于10mm，所以有:
根據(jù)可知，，根據(jù)德國(guó)對(duì)各種汽車(chē)車(chē)架的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)軸距單位為m，J的單位為時(shí)，為使縱梁在汽車(chē)滿(mǎn)載時(shí)撓度在容許值以?xún)?nèi)，則應(yīng)使或使。大多數(shù)汽車(chē)的值在20～30間，日本的一些4t平頭載貨汽車(chē)甚至達(dá)到58.3。
可得:
2.3 本章小結(jié)
首先對(duì)車(chē)架的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行介紹，有周邊式車(chē)架、X形車(chē)架、梯形車(chē)架、脊梁式車(chē)架和綜合式車(chē)架，并且對(duì)縱梁、橫梁及其連接的型式和車(chē)架的制造工藝及材料做出介紹。通過(guò)對(duì)已知車(chē)型的了解與學(xué)習(xí)，對(duì)車(chē)架的想過(guò)部件參數(shù)進(jìn)行選擇行設(shè)計(jì)，車(chē)架的材料選用16Mn，車(chē)架長(zhǎng)4500mm，寬750mm，高150mm，選取發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、鋼板彈簧等車(chē)架上的部件，根據(jù)設(shè)定的基本參數(shù)計(jì)算車(chē)架的彎曲強(qiáng)度、撓度，求得結(jié)果與車(chē)架材料的剛度強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，得出車(chē)架的結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)要求。
第3章 車(chē)架三維模型的建立
3.1 Pro/E軟件介紹
1985年，PTC公司成立于美國(guó)波士頓，開(kāi)始參數(shù)化建模軟件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER誕生了。經(jīng)過(guò)10余年的發(fā)展，Pro/ENGINEER已經(jīng)成為三維建模軟件的領(lǐng)頭羊。目前已經(jīng)發(fā)布了Pro/ENGINEER2000i2。PTC的系列軟件包括了在工業(yè)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)等方面的多項(xiàng)功能，還包括對(duì)大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等等。Pro/ENGINEER還提供了目前所能達(dá)到的最全面、集成最緊密的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)環(huán)境。下面就Pro/ENGINEER的特點(diǎn)及主要模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。
全相關(guān)性：Pro/ENGINEER的所有模塊都是全相關(guān)的。這就意味著在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)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)。全相關(guān)性鼓勵(lì)在開(kāi)發(fā)周期的任一點(diǎn)進(jìn)行修改，卻沒(méi)有任何損失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開(kāi)發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮其作用。
基于特征的參數(shù)化造型：Pro/ENGINEER使用用戶(hù)熟悉的特征作為產(chǎn)品幾何模型的構(gòu)造要素。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。例如：設(shè)計(jì)特征有弧、圓角、倒角等等，它們對(duì)工程人員來(lái)說(shuō)是很熟悉的，因而易于使用。
裝配、加工、制造以及其它學(xué)科都使用這些領(lǐng)域獨(dú)特的特征。通過(guò)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(kāi)發(fā)。
數(shù)據(jù)管理：加速投放市場(chǎng)，需要在較短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)更多的產(chǎn)品。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(kāi)發(fā)。數(shù)據(jù)管理模塊的開(kāi)發(fā)研制，正是專(zhuān)門(mén)用于管理并行工程中同時(shí)進(jìn)行的各項(xiàng)工作，由于使用了Pro/ENGINEER獨(dú)特的全相關(guān)性功能，因而使之成為可能。
裝配管理：Pro/ENGINEER的基本結(jié)構(gòu)能夠使您利用一些直觀(guān)的命令，例如“嚙合”、“插入”、“對(duì)齊”等很容易的把零件裝配起來(lái)，同時(shí)保持設(shè)計(jì)意圖。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。
易于使用：菜單以直觀(guān)的方式聯(lián)級(jí)出現(xiàn)，提供了邏輯選項(xiàng)和預(yù)先選取的最普通選項(xiàng)，同時(shí)提供了簡(jiǎn)短的菜單描述和完整的在線(xiàn)幫助，這種形式使得容易學(xué)習(xí)和使用。
3.2 三維模型的建立
貨車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化計(jì)算在建立有限元模型時(shí)，在不失對(duì)主要因素研究的前提下,略去那些為了滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)或使用上的要求而設(shè)置的次要構(gòu)件。車(chē)架是邊梁式車(chē)架,由左右分開(kāi)的兩根縱梁和若干橫梁組成。該車(chē)架所有薄壁型槽鋼鉚接而成，材料為16Mn。車(chē)架全長(zhǎng)5100mm，寬度為750mm，前后等高，高度為150mm。為了減少單元數(shù)量,縮短后續(xù)網(wǎng)格劃分工作，簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程,對(duì)車(chē)架的部分細(xì)節(jié)進(jìn)行了簡(jiǎn)化。本文應(yīng)用 Pro /E進(jìn)行實(shí)體建模。
1、縱梁的建模
縱梁是由5mm厚的鋼板沖壓成的，全長(zhǎng)4500mm，翼緣寬度55mm，腹板高150mm，在翼緣上打數(shù)個(gè)圓孔，用于橫梁與縱梁連接時(shí)的放置鉚釘?shù)目?，R=6mm。同時(shí)在腹板處也打有相應(yīng)的孔，用于鋼板彈簧與車(chē)架的連接時(shí)的螺栓孔。為減少應(yīng)力集中，在縱梁的相應(yīng)部位倒圓角。在對(duì)縱梁建模時(shí)用到的命令主要是拉伸，見(jiàn)圖3.1所示。
圖3.1 縱梁
2、前梁的建模
包括兩個(gè)橫梁，梁全長(zhǎng)730mm，翼緣寬度寬處80mm，窄處40mm，腹板高140mm，見(jiàn)圖3.2所示。
圖3.2 前梁
3、中梁橫梁的建模
包括4跟橫梁，中梁由槽鋼和夾板構(gòu)成，梁全長(zhǎng)730mm，翼緣寬度60mm，腹板高度140mm見(jiàn)圖3.3和3.4所示。
圖3.3 橫梁a
圖3.4橫梁b
4、后鋼板彈簧橫梁
包括2個(gè)橫梁，梁全長(zhǎng)730mm，翼緣寬度85m，腹板高140，見(jiàn)圖3.5所示。
圖3.5 后鋼板彈簧橫梁
5、后鋼板彈簧角板
圖3.6 后鋼板彈簧角板
6、后梁
梁全長(zhǎng)740mm，翼緣寬度75mm，腹板高100mm，見(jiàn)圖3.7所示。
圖3.7 后梁的建模
7、鉚釘?shù)慕?
圖3.8 鉚釘 圖3.9 鉚釘
8、模型裝配
圖3.10 模型裝配圖
3.3 本章小結(jié)
本章應(yīng)用Pro/E軟件依據(jù)第二章的設(shè)計(jì)尺寸對(duì)車(chē)架的橫梁、縱梁以及相應(yīng)的聯(lián)接零件根據(jù)相應(yīng)的尺寸進(jìn)行三維建模，并且把各零件裝配起來(lái)，形成初步完整的車(chē)架三維模型，同時(shí)將車(chē)架模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，為導(dǎo)入ANSYS軟件中做車(chē)架有限元的分析做好了準(zhǔn)備。
第4章 車(chē)架有限元分析
ANSYS程序包括前處理器、求解器、后處理器和幾個(gè)輔助處理器（如設(shè)計(jì)優(yōu)化器），功能涵蓋結(jié)構(gòu)、流體、熱和電磁4種場(chǎng)的計(jì)算。在有限元分析領(lǐng)域，ANSYS一直致力于上訴4種場(chǎng)的計(jì)算。作為業(yè)界的佼佼者，ANSYS最先集成了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）功能，同時(shí)也是第一個(gè)具有多物理場(chǎng)分析功能的軟件。
下面介紹ANSYS的特點(diǎn)、基本功能和基本的功能模塊。
4.1 ANSYS的特點(diǎn)
ANSYS的基本功能特點(diǎn)可以概括為3個(gè)“強(qiáng)大”：強(qiáng)大的前處理能力、強(qiáng)大的加載求解能力和強(qiáng)大的后處理能力。另外，良好的開(kāi)放性使得用戶(hù)能夠在ANSYS系統(tǒng)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)和擴(kuò)展新的功能。
1. 強(qiáng)大的前處理能力
強(qiáng)大的前處理能力主要包括強(qiáng)大的幾何建模能力、強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分能力、強(qiáng)大的參數(shù)設(shè)計(jì)功能和與CAD軟件的無(wú)縫集成能力。
在集合建模上，ANSYS不僅具有一次生成點(diǎn)、線(xiàn)、面和體的自底向上建模方式，還具有通過(guò)調(diào)用集合體素和采用布爾運(yùn)算而生出集合模型的自頂向下的建模方式。
進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，ANSYS主要有自由網(wǎng)格劃分和映射網(wǎng)格劃分兩種方式。針對(duì)不同的幾何體，ANSYS還有拖拉生成網(wǎng)格、層網(wǎng)格劃分、局部細(xì)化等方法。
此外，ANSYS開(kāi)發(fā)了與著名的CAD軟件（如Pro/Engineer、Unigraphic、SolidEdge、SolidWorks、I-DEAS、Bentley和AutoCAD等）的數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)了雙向數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)了ANSYS與這些軟件的無(wú)縫集成。用戶(hù)因此可以在利用CAD軟件完成幾何建?；蛘哂邢拊：?，直接將模型傳送到ANSYS中進(jìn)行后續(xù)操作，即使調(diào)整設(shè)計(jì)方案，有效地提高分析效率。
2 強(qiáng)大的加載求解能力
在ANSYS中，包括位移、力、溫度在內(nèi)的任何載荷均可以直接施加在任意幾何實(shí)體或者有限元實(shí)體上，載荷可以是具體數(shù)值，也可以是與實(shí)踐或者坐標(biāo)有關(guān)的任意函數(shù)。
求解時(shí)有多種求解器可供選擇，例如采用直接求解法，適用于大多數(shù)模型的波前求解器（FRONTAL）；采用迭代求解法并適用于分析結(jié)構(gòu)諧波響應(yīng)、多物理場(chǎng)等問(wèn)題的雅可比共軛梯度（JPG）法；采用模態(tài)特征值求解法、適用于求解大規(guī)模對(duì)稱(chēng)矩陣特征值問(wèn)題的子空間迭代法（Subspace）；采用直接求解法、針對(duì)流體力學(xué)求解的三對(duì)角矩陣法等。
ANSYS優(yōu)異的求解能力突出地表現(xiàn)的對(duì)高精度非線(xiàn)性問(wèn)題求解和強(qiáng)大的耦合場(chǎng)求解上。工程實(shí)踐中在處理薄板成形等要求并同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的大位移、大應(yīng)變（幾何非線(xiàn)性）和朔性（材料非線(xiàn)性）的問(wèn)題時(shí)，必須要考慮材料非線(xiàn)性。而在處理諸如因摩擦接觸而導(dǎo)致熱問(wèn)題和金屬成形等因朔性功能而產(chǎn)生的熱問(wèn)題時(shí)，就需要將結(jié)構(gòu)場(chǎng)和溫度場(chǎng)的有限元分析結(jié)果交叉迭代求解，即需要求解“熱力耦合”問(wèn)題。這些問(wèn)題的求解相當(dāng)復(fù)雜，它不僅涉及工作難度和強(qiáng)度，ANSYS公司花費(fèi)大量的人力和物力開(kāi)發(fā)出了適用于非線(xiàn)性求解和耦合場(chǎng)求解的求解器。有了這兩個(gè)求解器，設(shè)計(jì)人員遇到額的許多相關(guān)難題便迎刃而解了。
3 強(qiáng)大的后處理能力
利用ANSYS可以獲得任何節(jié)點(diǎn)、單元的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)具有列表輸出、圖形顯示、動(dòng)畫(huà)模擬等多種數(shù)據(jù)輸出形式。此外時(shí)間歷程分析功能可以對(duì)載荷疊加進(jìn)行分析及計(jì)算。
4.2 ANSYS的基本組成和功能
1. ANSYS基本組成
ANSYS主要包括3個(gè)部分：前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊。
(1) 前處理模塊
提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶(hù)可以方便地構(gòu)造有限元模型。軟件提供了100種以上的單元類(lèi)型，用來(lái)模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。
(2) 分析計(jì)算模塊
包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線(xiàn)性分析、非線(xiàn)性分析和高度非線(xiàn)性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。
(3) 后處理模塊
包括2個(gè)部分，通用后處理模塊和時(shí)間歷程后處理模塊。
通用后處理模塊可以很容易獲得求解過(guò)程的計(jì)算結(jié)果并對(duì)其進(jìn)行顯示。這些結(jié)果可能包括位移、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、速度及熱流等，輸出形式可以有圖形顯示和數(shù)據(jù)列表兩種。這個(gè)模塊對(duì)前面的分析結(jié)果能以圖形形式顯示和輸出。例如，計(jì)算結(jié)果在模型上的變化情況可用等值線(xiàn)圖表示，不同的等值線(xiàn)顏色代表了不同的值。云圖則用不同的顏色代表不同的數(shù)值區(qū)，清晰地反映了計(jì)算結(jié)果的區(qū)域和分布情況。
時(shí)間后處理模塊用于檢查在一個(gè)時(shí)間段或子步歷程中的結(jié)果，如節(jié)點(diǎn)位移、應(yīng)力或支反力。這些結(jié)果能通過(guò)繪制圖線(xiàn)或列表查看。繪制一個(gè)或多個(gè)變量隨頻率或其他量變化的曲線(xiàn)，有助于形象化地表示分析結(jié)果。另外，它還可以進(jìn)行曲線(xiàn)的代數(shù)運(yùn)算。
2. ANSYS基本功能
ANSYS不僅具有結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性分析、動(dòng)力學(xué)分析、熱分析等基本的功能，而且還具有優(yōu)化設(shè)計(jì)、監(jiān)理子結(jié)構(gòu)模型等高級(jí)應(yīng)用功能。另外ASNYS7.0在原有功能的基礎(chǔ)上又作了許多改進(jìn)，下面分別進(jìn)行介紹。
(1) 結(jié)構(gòu)靜力分析
用來(lái)求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問(wèn)題。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線(xiàn)性分析，而且也可以進(jìn)行非線(xiàn)性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸分析。
(2) 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析
結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析用來(lái)求解隨時(shí)間變化的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動(dòng)力分析要考慮隨時(shí)間變化的力載荷以及它對(duì)阻尼和慣性的影響。ANSYS可進(jìn)行的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析類(lèi)型包括：瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。
(3) 結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性分析
結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化。ANSYS程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線(xiàn)性問(wèn)題，包括材料非線(xiàn)性、幾何非線(xiàn)性和單元非線(xiàn)性三種。
(4) 動(dòng)力學(xué)分析
ANSYS程序可以分析大型三維柔體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)的積累影響起主要作用時(shí)，可使用這些功能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運(yùn)動(dòng)特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。
(5) 熱分析
程序可處理熱傳遞的三種基本類(lèi)型：傳導(dǎo)