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1、摘 要车架工作状态比较复杂，无法用简单的数学方法对其进行准确的分析计算，而采用有限元方法可以对车架的静动态特性进行较为准确的分析，从而使车架设计从经验设计进入到科学设计阶段。首先确定轻型货车的总体布置形式，在此基础上选择各总成的相关参数。然后初选车架横、纵梁的尺寸参数，运用材料力学对车架进行强度与刚度校核。经过优化完成对车架的结构设计。其次，运用Pro/E软件建立车架三维模型。在满足结构力学特征的前提下，对车架结构进行了保留主要承载横梁的简化。最后，使用有限元分析软件ANSYS 12.0从弯曲和扭转两大方向对车架进行强度、刚度分析。结合车架工作实际，对其进行了满载、前侧偏载、单侧偏载和单侧扭转
2、、双侧扭转等工况的分析及对比，保证了车架结构满足实际使用要求。关键词：车架；Pro/E；ANSYS；强度；刚度ABSTRACTIn addition, the work condition of carrier car is extremely bad, and stress condition is also complex, it is unable to use simple mathematical method for accurate analysis of the calculation, and the finite element method can be used to
3、analyze the static and dynamic performance of the frame more accurately, so that the design of frame will go from the experience design into the scientific design stage.Firstly, the overall layout of LGV is determined, on this basis, selected parameters of every assembly. Then beams and stringers di
4、mensions of the frame are selected, the strength and stiffness on the frame are checked by Mechanics of Materials. After all, the frame is designed after feedback.Secondly, the 3D model is created used Pro/E. In faithful of the structures mechanical characteristics, it is necessary to simplify the g
5、eometry.Finally, on two directions of the bending and the reverse to analyze the strength and stiffness on the frame used ANSYS 12.0. With the frames actual work characteristics, the frame is analyzed under the full, the front side of the partial load, the unilateral partial load and the unilateral
6、reverse, the reverse sides conditions, guarantee the frame structure meet the mechanical requirements. Key words：Frame; Pro/E; ANASYS ; Strength; StiffneII目 录摘要IAbstractII第 1 章 绪论11.1 研究的目的和意义11.2 研究背景31.3 车架有限元法国内外研究现状41.4 主要设计内容6第 2 章 车架结构方案的选择72.1 车架的设计要求72.2 车架的结构型式72.3 横梁、纵梁及其联接型式112.4 车架的制造工艺1
7、22.5 本章小结13第 3 章 车架的结构设计143.1 车架横、纵梁设计143.2 车架的弯矩及弯曲应力计算153.3 车架的挠度计算183.4 纵梁钢板弹簧跨度计算193.5 本章小结20第 4 章 车架三维模型的建立214.1 Pro/E软件介绍214.2 三维模型的建立224.3 本章小结25第 5 章 车架静态有限元分析265.1 有限元概述265.2 ANSYS Workbench 12.0概述305.3 车架有限元模型的建立325.4 车架弯曲工况分析345.4.1 满载工况分析345.4.2 前侧偏载工况分析355.4.3 单侧偏载工况分析365.5 局部分析375.6 车架
8、扭转工况分析385.6.1 单侧扭转工况分析385.6.2 双侧扭转工况分析405.7 各工况分析结果总结415.8 本章小结41结论42参考文献43致谢44附录45附录A45附录B51第 1 章 绪 论1.1 研究的目的和意义在汽车制造市场竞争日益激烈的今天，汽车制造技术越来越先进，作为载货汽车主要承载结构的车架，它们的质量和结构形式直接影响车身的寿命和整车性能，如动力性、经济性、操纵稳定性。汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。实验证明，汽车质量降低一半，燃料消耗也会降低将近一半。当前，由于环保和
9、节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。轻量化是21世纪整车发展趋势之一，减轻汽车质量意味着节约了能源和材料。车辆设计中，在满足载货汽车运营中对车架的刚度、强度及工艺改造等因素要求的同时，应当尽可能减轻它们的质量和降低制造成本。车架结构设计的主要目的在于确保车架强度、刚度和动态性能的前提下，减轻车架的质量，由此不仅可以减少钢材和燃油的消耗，减少污染排放，提高车速，改善汽车起动和制动性能，而且可有效减少振动和噪声，增加汽车和公路使用寿命。但我国的汽车工业存在自己的特殊性：一是引进国外设计，国产化生产；二是仿制或改装设计，自己独立开发设计的新产品很少。国内许多厂家在载货汽车的设计、制造
10、和改进过程中仍主要依靠和沿用传统的手工设计方法和设计理念，从而造成产品存在缺陷或结构设计的不合理，目前国产载货汽车普遍存在的问题是整车协调性较差；局部材料强度余量较大，无法预先判断，造成材料的浪费；在车辆实际使用过程中出现局部强度不足。所以，产品国产化或改装后，在使用过程中往往会出现强度、寿命、振动、噪声等方面的问题。这些问题影响了我国载货汽车产品质量，造成了使用中的安全隐患。由于缺乏必要的理论分析，我国载货汽车制造厂家对有问题的区域往往采取局部加强的方法，这不但需要进行多次全面的实车试验才能确定其有效性，而且会导致整车整备质量的不断增加。另外，对一些结构上的改进和优化，由于缺少一定的理论依据
11、，往往得不到很好的实施，因此开展载货汽车车架结构强度的计算工作，在满足结构强度和刚度的前提下，合理地进行结构设计，以达到轻量化的目的、对车架结构设计具有重要意义。此外，为了加速企业的新产品开发，进一步提高产品的性能和科技含量，必须对现有的车型进行结构强度、刚度分析计算和动态特性分析研究工作，为新车型的研制开发提供借鉴和校核方法1。随着经济全球化进程的加快，汽车工业的竞争日益加剧，汽车巨头们都在加紧新车型的设计开发，由于发动机、底盘设计制造技术基本成熟，新车型便主要体现在电子设备和车架造型的更新上。同时，为减少新车型的开发成本、缩短新车型的开发周期、提高新产品的市场竞争力，全球各大汽车公司普遍实
12、施了“平台战略”，车架的开发便是该战略的主要组成部分。载货汽车车架是载货车的基体，一般由两根纵梁和几根横梁组成，经由悬挂装置。前桥、后桥支承在车轮上，具有足够的强度和刚度以承受汽车的载荷和从车轮传来的冲击。要评价车架设计和结构的好坏，首先应该清楚了解的是车辆在行驶时车架所要承受的各种不同的力。然而对车架进行静、动态性能的研究，用经典力学方法很难得到精确的优化解，为了能够计算出车架的刚度和强度，往往对车架结构进行较多的假设和简化，计算模型只能构造的比较简单，与实际的结构形状相差很大。在计算机和计算机技术飞速发展并广泛应用的今天，采用近似的数值解己成为较为现实又非常有效的选择。实践和实验证明，在众
13、多近似分析方法中，有限单元法是运用最为成功、最为有效的数值计算方法。在汽车结构设计中采用有限元法进行分析，是近几十年来发展起来的计算方法和技术。有限元法的独特优点是能够解决结构形状和边界条件都非常任意的力学问题。早期由于有限元法所要求解的问题计算规模都比较大，而计算机的速度和容量有限，所以造成有限元法在使用上的局限性。现在这些问题已经解决，只要注意所建有限元模型中各种支承、连接关系尽量与实际结构相符，载荷和动态分析中的激励能反映实际情况，特别是动态载荷的变化曲线的精确获得以及在计算中如何加载，行驶、制动、转弯工况的载荷和约束如何正确选择等问题，就可以得到满足精度要求的有限元分析结果。汽车车架结
14、构的静、动态分析的主要目的是查明车架内部各点的应力、形变和相对位移，找出其固有频率及振型，从静、动两个方面检验车架结构的合理性。随着现代汽车设计要求的日益提高，将有限元法运用于车架设计已经成为必然的趋势，主要体现在：（）运用有限元法对初步设计的车架进行辅助分析将大大提高车架开发、设计、分析和制造的效能和车架的性能。（）车架在各种载荷作用下，将发生弯曲、偏心扭转和整体扭转等变形。传统的车架设计方法很难综合考虑汽车的复杂受力及变形情况，有限元法能够很好的解决这一问题。（）利用有限元法进行结构模态分析，可以得到车架结构的动态特性。从设计上避免车架出现共振的现象。（）通过对车架结构的优化设计，可以进一
15、步降低车架的重量，在保证车架性能的前提下充分的节省材料，对降低车架的成本具有重要的意义。综上所述，有限元法已经成为现代汽车设计的重要工具之一，在汽车产品更新速度快，设计成本低、轻量化和舒适性要求越来越高的今天，对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能力具有重要意义2-3。1.2 研究背景汽车问世百余年来，特别是从汽车产品的大批量生产及汽车工业的大发展以来，汽车为世界经济的大发展、为人类进入现代生活产生了无法估量的巨大影响。今天，在发达国家，汽车的普及已经达到很高的程度，在美国平均每个家庭拥有各种汽车23辆；虽然中国的汽车人均拥有量远低于发达国家水平，但是由于中国巨大的市场和国际汽车工业对中国汽车工业的影响，中国汽车工业经过50年的风雨历程，已形成一个比较完整的工业体系。任何问题都有两面性，汽车工业的发展为人们带入现代生活的同时也带来了许多问题4-5。例如，一、能源问题，每年汽车的石油消耗量保持在100亿桶，并每年以一定的速度增加，而世界石油资源只能开采几十年，煤炭资源也只够开采一百来年，人类面临着严重的能源危机，节能环保成为工业领域不可避免的课题，汽车工业同样不可避免。二、环
