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畢業(yè)設計（論文）任務書
學生姓名
系部
汽車與交通工程學院
專業(yè)、班級
車輛工程07- 班
指導教師姓名
石美玉
職稱
教授
從事
專業(yè)
車輛工程
是否外聘
□是√否
題目名稱
輕型載貨汽車車架有限元靜力學分析
一、設計（論文）目的、意義
汽車作為交通運輸工具之一，在人們的日常生活中發(fā)揮著非常重要的作用。隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，汽車工業(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，成為了汽車廠家和客戶共同關(guān)注的焦點。
作為汽車總成的一部分，車架承受著來自道路及各種復雜載荷的作用，而且汽車上許多重要總成都是以車架為載體，因此設計出重量輕而各方面性能達到要求的車架結(jié)構(gòu)是一項重要的工作。傳統(tǒng)的車架結(jié)構(gòu)設計是采用類比的思想進行經(jīng)驗設計，設計出的車架結(jié)構(gòu)除了個別部位的應力水平較高外，大部分部位的應力水平較低。因此，有必要采用有限元法對車架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，以降低車架的重量，減小汽車的制造成本，提高市場競爭力。
在汽車行業(yè)中，有限元法廣泛應用于各大汽車總成，包括車架、車身、車橋、離合器、輪胎、殼體等零部件以及駕駛室噪聲的分析，大大提高了汽車的設計水平，正在成為設計計算的強有力工具之一。
目前，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(jié)構(gòu)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(shù)提高到戰(zhàn)略的高度上來。
二、設計（論文）內(nèi)容、技術(shù)要求（研究方法）
設計內(nèi)容：
1.選題的背景、目的及意義；
2.Pro/E、ANSYS軟件研究；
3.車架設計的方法步驟研究；
4.用Pro/E軟件建立車架整體模型，然后導入ANSYS軟件進行網(wǎng)絡劃分；
5.假定汽車滿載情況下，對車架進行彎曲、扭轉(zhuǎn)、緊急剎車、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.研究輕型載貨汽車車架；
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、設計（論文）完成后應提交的成果
輕型載貨汽車車架有限元靜力學分析程序一份；
設計說明書（20000字以上）一份。
四、設計（論文）進度安排
（1）知識準備、調(diào)研、收集資料、完成開題報告 第1～2周（2.28～3.11）
（2） 整理資料、提出問題、撰寫設計說明書草稿、熟悉Pro/E、ANSYS軟件的使用 第3～5周（3.14～4.1）
（3）理論聯(lián)系實際分析問題、解決問題，使用Pro/E、ANSYS軟件完成中型載貨汽車車架的三維設計、強度分析等部分設計內(nèi)容，中期檢查 第6～8周（4.4～4.22）
（4）改進完成設計，改進完成設計說明書，指導教師審核，學生修改 第9～12周(4.25～5.20)
（5）評閱教師評閱、學生修改 第13周（5.23～5.27）
（6）畢業(yè)設計預答辯 第14周（5.30～6.3）
（7）畢業(yè)設計修改 第15～16周（6.6～6.17）
（8）畢業(yè)設計答辯 第17周（6.20～6.24）
五、主要參考資料
1.劉惟信．汽車設計．北京：清華大學出版社
2.張洪信．有限元基礎理論與ANSYS應用．北京：機械工業(yè)出版社，2006.1
3.段進，倪棟，王國業(yè)．ANSYS10.0結(jié)構(gòu)分析從入門到精通．北京：兵器工業(yè)出版社，2006.10
4.姜勇，張波．ANSYS7.0實例精解．北京：清華大學出版社
5.汽車車身結(jié)構(gòu)與設計．北京：機械工業(yè)出版社
6.余傳文．重型載貨汽車車架結(jié)構(gòu)的有限元仿真及優(yōu)化．吉林大學碩士學位論文，2005
7.黃華，茹麗妙．重型運輸車車架動力學分析．車輛與動力技術(shù)
8.劉新田，黃虎，劉長虹等．基于有限元的汽車車架靜態(tài)分析．上海工程技術(shù)大學學報，2007，6：112～116
9.輕型載貨汽車車架設計資料
10.網(wǎng)絡資源，超星數(shù)字圖書館
11.近幾年相關(guān)專業(yè)CNKI網(wǎng)絡期刊等
六、備注
指導教師簽字：
年 月 日
教研室主任簽字：
年 月 日
SY-025-BY-3
畢業(yè)設計（論文）開題報告
學生姓名
李富鵬
系部
汽車與交通工程學院
專業(yè)、班級
車輛工程07- 1班
指導教師姓名
石美玉
職稱
教授
從事
專業(yè)
車輛工程
是否外聘
□是√否
題目名稱
輕型載貨汽車車架有限元靜力學分析
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(jié)構(gòu)定型之前往往經(jīng)過多輪設計，設計面對的對象是實物，需要經(jīng)過樣品制造一試驗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(shù)應用于汽車車架結(jié)構(gòu)性能的分析及設計中。初期的車架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)性能的設計要求。后來提出的車架結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)強度計算方法，只能計算純扭轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(chǎn)生材料浪費等現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(shù)值解法的問題。只要確定了單元的力學特性，就可以按照結(jié)構(gòu)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(jīng)成為求解數(shù)學、物理、力學以及工程問題的一種有效的數(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)分析中，對車架結(jié)構(gòu)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(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)響應分析、噪聲分析、碰撞分析等領(lǐng)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(jié)構(gòu)強度設計分析中。在有限元法對汽車車架結(jié)構(gòu)的分析中，早期多采用梁單元進行結(jié)構(gòu)離散化。分析的初步結(jié)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(jié)構(gòu)較為復雜的車架結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)時截面的翹曲變形，因此梁單元分析的結(jié)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(jié)構(gòu)分析中，使分析精度大為提高，有過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(shù)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(shù)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(nèi)對于有限元法應用于車架結(jié)構(gòu)分析的研究只是限于對車架和車架結(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，得出車架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的剛度、強度分析的結(jié)構(gòu)還比較粗略，計算結(jié)構(gòu)多用來進行結(jié)構(gòu)的方案比較，離虛擬實驗的要求還有相當大的差距。
2.選題目的：
①建立車架結(jié)構(gòu)有限元分析的規(guī)范化步驟，為將有限元技術(shù)應用于車架設計做好基礎性工作。
②通過運用有限元軟件對車架結(jié)構(gòu)進行分析，可供車架設計有關(guān)人員提供參考。。
③對所研究的車架進行結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性分析，為車架的設計提供理論支持。
④對車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化進行初步探討，為優(yōu)化設計運用于車架設計進行初步的嘗試，以便于以后更好地為車架設計服務。
3.選題意義：
隨著現(xiàn)代汽車設計要求的日益提高，將有限元法運用于車架設計已經(jīng)成為必然的趨勢，主要體現(xiàn)在：
①運用有限元法對初步設計的車架進行輔助分析將大大提高車架丌發(fā)、設計、分析和制造的效能和車架的性能。
②車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)的車架設計方法很難綜合考慮汽車的復雜受力及變形情況，有限元法正好能夠解決這一問題。
③利用有限元法進行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，可以得到車架結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。從設計上避免車架出現(xiàn)共振的現(xiàn)象。
④通過對車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計，可以進一步降低車架的重量，在保證車架性能的前提下充分的節(jié)省材料，對降低車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)代汽車設計的重要工具之一，在汽車產(chǎn)品更新速度快，設計成本低、輕量化和舒適性要求越來越高的今天，對于提高汽車產(chǎn)品的質(zhì)量、降低產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)制造成本，提高汽車產(chǎn)品在市場上的競爭能力具有重要意義。
二、設計（論文）的基本內(nèi)容、擬解決的主要問題
1.基本內(nèi)容：
結(jié)合某汽車公司生產(chǎn)實際要求，在參考以往的研究成果以及國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀，確定主要研究內(nèi)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(jié)構(gòu)的簡化，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(jié)構(gòu)中需要改進的部位，并依據(jù)分析結(jié)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)化設計提出科學的改進方案。
2.擬解決的主要問題
(1)如何設計車架基本結(jié)構(gòu)
(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(jié)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(shù)據(jù)的處理以及如何對車架進行優(yōu)化
3、 技術(shù)路線（研究方法）
車型的選擇
車架結(jié)構(gòu)形式的選擇
車架的制造工藝及材料選擇
車架的設計
車架的簡化計算
車架的應力情況的測定，包括車架的剛度、強度、可靠性和耐久性
PROE模型的建立
車架單元類型的選擇和定義
車架模型的簡化
導入ANSYS軟件并進行有限元方面分析
有限元網(wǎng)格劃分
施加載荷及載荷選項、設定約束條件，然后求解
根據(jù)ANSYS分析出的結(jié)果對已設計出的車架進行優(yōu)化
四、進度安排
(1）知識準備、調(diào)研、收集資料、完成開題報告 第1～2周（2.28～3.11）
（2） 整理資料、提出問題、撰寫設計說明書草稿、熟悉Pro/E、ANSYS軟件的使用 第3～5周（3.14～4.1）
（3）理論聯(lián)系實際分析問題、解決問題，使用Pro/E、ANSYS軟件完成中型載貨汽車車架的三維設計、強度分析等部分設計內(nèi)容，中期檢查 第6～8周（4.4～4.22）
（4）改進完成設計，改進完成設計說明書，指導教師審核，學生修改 第9～12周(4.25～5.20)
（5）評閱教師評閱、學生修改 第13周（5.23～5.27）
（6）畢業(yè)設計預答辯 第14周（5.30～6.3）
（7）畢業(yè)設計修改 第15～16周（6.6～6.17）
（8）畢業(yè)設計答辯 第17周（6.20～6.24）
五、參考文獻
[1]劉惟信．汽車設計[M]．北京：清華大學出版社,2006.1
[2]汽車車身結(jié)構(gòu)與設計[M]．北京：機械工業(yè)出版社
[3]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.1[4]姜勇，張波．ANSYS7.0基礎教程與實例詳解[M]．北京：中國水利水電出版社
[5]詹友剛.Pro/ENGINEER中文野火版4.0曲面設計教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.1
[6]劉坤，吳磊.ANSYS有限元方法精解[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004.8
[7]段進，倪棟，王國業(yè)．ANSYS10.0結(jié)構(gòu)分析從入門到精通[M]．北京：兵器工業(yè)出版社，2006.10
[8]李正網(wǎng)．基于ANSYS的中性貨車車架結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化研究．重慶交通大學碩士學位論文，2009
[9]劉新田，黃虎，劉長虹等．基于有限元的汽車車架靜態(tài)分析．上海工程技術(shù)大學學報，2007，6：112～116
[10]文晁云,曹利鋼,陳立偉,張曉宇.基于ANSYS的螺簧車架靜態(tài)強度分析[J],機械設計與制造2009(6)
[11]牛躍文. 基于ANSYS的礦用汽車車架有限元模態(tài)分析[J],煤礦機械2007,28(4)
[12]葉勤．輕型載貨汽車車架有限元分析與優(yōu)化．武漢理工大學碩士學位論文，2007
[13]鐘佩思，趙丹，孫雪顏，魏群.基于ANSYS的汽車車架的建模與模態(tài)分析[j],機械設計與制造，2008（6）
[14]尹輝俊,志林.沈光烈貨車車架的有限元分析[J]械設計 2005(11)
[15]安曉衛(wèi).馬星國.祝寶發(fā)汽車車架的有限元模態(tài)分析[J], 沈陽工業(yè)學院學報1999（04）
指導教師意見：
簽字： 年 月 日
黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計
摘 要
汽車車架作為汽車總成重要的一部分，車輛受到來自道路和裝載的各種復雜載荷最終都會傳遞給車架，并且汽車上許多重要總成都是以車架為載體，因而車架的強度和剛度在汽車總體設計中起了非常重要的作用。因此，車架結(jié)構(gòu)性能的好壞關(guān)乎這整車設計的成敗。若用傳統(tǒng)經(jīng)典力學方法計算，結(jié)果失真太大；而用試驗法進行測試，成本高，周期長。為此本文采用了有限元分析技術(shù)，來實現(xiàn)車架結(jié)構(gòu)設計合理化和輕量化的目的從而大大減少設計費用，縮短設計周期，同時提高設計工作的效率。因為，ANSYS在對實體模型分析上具有強大的功能，在結(jié)構(gòu)靜力學分析以及優(yōu)化設計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對某輕型載貨汽車車架進行了Pro/E建模和ANSYS分析。
通過對Pro/E和ANSYS軟件的的了解和學習，采用Pro/E實體建模，導入ANSYS進行網(wǎng)格劃分，應力加載，求解得出經(jīng)動態(tài)分析結(jié)果，得出結(jié)論，之后可根據(jù)需要對已設計的實體單元為基礎的車架結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化模型和簡單的尺寸優(yōu)化模型，以車架的縱梁截面尺寸為設計變量，以車架結(jié)構(gòu)的總體積最下為優(yōu)化目標，對車架縱梁截面尺寸進行優(yōu)化并分析優(yōu)化結(jié)果。通過對初步設計出的輕型車架結(jié)構(gòu)的實體建模及有限元分析，得到一些對車架設計有所幫助的結(jié)論，為今后車架的設計工作提供一定的指導作用。
關(guān)鍵詞：輕型貨車車架；三維建模；載荷；有限元靜力學分析；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 車架國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
1.3 主要設計內(nèi)容 4
1.4 擬解決的主要問題 5
第2章 輕型貨車的車架設計 6
2.1 車架的概述 6
2.1.1 車架的設計要求 6
2.1.2 車架的結(jié)構(gòu)型式 6
2.1.3 縱梁、橫梁及其聯(lián)接 10
2.1.4 車架的制造工藝及材料 11
2.2 車架的結(jié)構(gòu)設計 12
2.2.1 車架設計參考 12
2.2.2 車架參數(shù)的確定 13
2.2.3 車架的彎矩及彎曲應力計算 14
2.2.4 車架的撓度計算 16
2.3 本章小結(jié) 18
第3章 車架三維模型的建立 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 車架有限元分析 25
4.1 ANSYS的特點 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 車架有限元的靜力分析 30
4.4.1 三維實體模型的網(wǎng)格劃分 30
4.4.2 施加約束條件 31
4.4.3 車架4種工況分析 32
4.5 車架有限元的模態(tài)分析 42
4.6 本章小結(jié) 48
結(jié)論 49
參考文獻 50
致謝 51
附錄 52
附錄A 外文文獻 52
附錄B 外文文獻翻譯 58
附錄C ANSYS分析程序命令流 63
附C1 車架4工況分析前準備程序 63
附C2 車架彎曲工況ANSYS分析程序 70
附C3 車架扭轉(zhuǎn)工況ANSYS分析程序 75
附C4 車架急剎車工況ANSYS分析程序 79
附C5 車架轉(zhuǎn)彎工況ANSYS分析程序 85
附C6 車架模態(tài)分析程序 90
第1章 緒 論
1.1 研究目的和意義
在汽車制造市場競爭日益激烈的今天，汽車制造技術(shù)越來越先進，作為載貨車主要承載結(jié)構(gòu)的車架，它們的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)形式直接影響車身的壽命和整車性能，如動力性、經(jīng)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(zhì)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(zhì)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(jīng)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(zhì)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(zhì)量和降低制造成本。
車架結(jié)構(gòu)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(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(chǎn)化生產(chǎn)：二是仿制或改裝設計，自己獨立開發(fā)設計的新產(chǎn)品很少。國內(nèi)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(chǎn)品存在缺陷或結(jié)構(gòu)設計的不合理，目前國產(chǎn)載貨車普遍存在的闖題是整車協(xié)調(diào)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(xiàn)局部強度不足。所以，產(chǎn)品國產(chǎn)化或改裝后，在使用過程中往往會出現(xiàn)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(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(zhì)量的不斷增加；另外，對一些結(jié)構(gòu)上的改進和優(yōu)化，由于缺少一定的理論依據(jù)，往往得不到很好的實施，因此開展載貨車車架結(jié)構(gòu)強度的計算工作，在滿足結(jié)構(gòu)強度和剛度的前提下，合理地進行結(jié)構(gòu)設計，以達到輕量化的目的、對車架結(jié)構(gòu)設計具有重要意義。此外，為了加速企業(yè)的新產(chǎn)品開發(fā)，進一步提高產(chǎn)品的性能和科技含量，必須對現(xiàn)有的車型進行結(jié)構(gòu)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(jīng)濟全球化進程的加快，汽車工業(yè)的競爭日益加劇，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(shù)基本成熟，新車型便主要體現(xiàn)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(chǎn)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(jīng)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(jié)構(gòu)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(jīng)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(jié)構(gòu)進行較多的假設和簡化，計算模型只能構(gòu)造的比較簡單，與實際的結(jié)構(gòu)形狀相差很大。在計算機和計算機技術(shù)飛速發(fā)展并廣泛應用的今天，采用近似的數(shù)值解己成為較為現(xiàn)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(shù)值計算方法。在汽車結(jié)構(gòu)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(shù)。有限元法的獨特優(yōu)點是能夠解決結(jié)構(gòu)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(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)系盡量與實際結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(jié)果。汽車車架結(jié)構(gòu)的靜、動態(tài)分析的主要目的是查明車架內(nèi)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(jié)構(gòu)的合理性。
隨著有限元技術(shù)的成熟和高速計算機的出現(xiàn)，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(jié)構(gòu)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?qū)Ｓ贸绦騺矸治鲇嬎?，利用有限元法進行汽車結(jié)構(gòu)的靜、動態(tài)特性分析已經(jīng)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(jīng)成為其產(chǎn)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(xiàn)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。
1.2 車架國內(nèi)外研究現(xiàn)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(jié)構(gòu)定型之前往往經(jīng)過多輪設計，設計面對的對象是實物，需要經(jīng)過樣品制造一試驗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(shù)應用于汽車車架結(jié)構(gòu)性能的分析及設計中。初期的車架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)性能的設計要求。后來提出的車架結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)強度計算方法，只能計算純扭轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(chǎn)生材料浪費等現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(shù)值解法的問題。只要確定了單元的力學特性，就可以按照結(jié)構(gòu)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(jīng)成為求解數(shù)學、物理、力學以及工程問題的一種有效的數(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)分析中，對車架結(jié)構(gòu)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(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)響應分析、噪聲分析、碰撞分析等領(lǐng)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(jié)構(gòu)強度設計分析中。在有限元法對汽車車架結(jié)構(gòu)的分析中，早期多采用梁單元進行結(jié)構(gòu)離散化。分析的初步結(jié)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(jié)構(gòu)較為復雜的車架結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)時截面的翹曲變形，因此梁單元分析的結(jié)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(jié)構(gòu)分析中，使分析精度大為提高，有過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(shù)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(shù)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(nèi)對于有限元法應用于車架結(jié)構(gòu)分析的研究只是限于對車架和車架結(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，得出車架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的剛度、強度分析的結(jié)構(gòu)還比較粗略，計算結(jié)構(gòu)多用來進行結(jié)構(gòu)的方案比較，離虛擬實驗的要求還有相當大的差距。
1.3 主要設計內(nèi)容
本課題通過參考國內(nèi)外輕型載貨車車架的結(jié)構(gòu)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(jié)合某汽車公司生產(chǎn)實際要求，在參考以往的研究成果以及國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀，確定主要研究內(nèi)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(jié)構(gòu)的簡化，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(jié)構(gòu)中需要改進的部位，并依據(jù)分析結(jié)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)化設計提出科學的改進方案。
1.4 擬解決的主要問題
（1）如何設計車架基本結(jié)構(gòu)
（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(jié)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(shù)據(jù)的處理以及如何對車架進行優(yōu)化
第2章 輕型載貨汽車的車架設計
2.1 車架的概述
2.1.1 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(zhuǎn)向器、非承載式車身和貨箱等所用簧上質(zhì)量的有關(guān)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(guān)機構(gòu)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(nèi)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(zhuǎn)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1°/m。在保證強度、剛度的前提下車架的自身質(zhì)量應該盡可能減小，以減小車身質(zhì)量。貨車車架質(zhì)量一般約為整車整備質(zhì)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。
2.1.2 車架的結(jié)構(gòu)型式
根據(jù)縱梁的結(jié)構(gòu)特點，車架可分為以下幾種結(jié)構(gòu)型式：
1、周邊式車架
周邊式車架用于中級以上的轎車。如圖2.1（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(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。前緩沖臂位于車廂前圍板下部傾斜踏板前方；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，可吸收來自不平路面的沖擊和降低車內(nèi)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(cè)裝置件的懸伸長度。在側(cè)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2.2（a）。
2、X形車架
如圖2.1（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?qū)ΨQ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2.1 轎車車架
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(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(cè)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2.2（b），雖然從被動安全性考慮，要求門檻有足夠的強度和剛度。
3、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(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)。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2.2（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(zhì)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(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2.3所示，由兩根相互平行且開口朝內(nèi)、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(jù)應力情況，適當?shù)叵蛏鲜湛s。既縱梁中部相當長的范圍內(nèi)具有最大高度和寬度，而兩端可根據(jù)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(chǎn)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(chǎn)生附加扭矩。有時根據(jù)設計要求需將車架前、后端的寬度做得窄些或?qū)捫?，但其尺寸與限定的汽車
輪廓寬2.5m相適應。車架的長度大致接近整車長度，約為軸距的1.4-1.7倍。
4、脊梁式車架
如圖2.4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(gòu)成，猶如一根脊梁。管梁將動力-傳動系連成一體，傳動軸從其中間通過，故采用這種結(jié)構(gòu)時驅(qū)動橋必須是斷開式的并與獨立懸架相匹配。與其他類型的車架比較，其扭轉(zhuǎn)剛度最大。容許車輪有較大的跳動空間，使汽車有較好的平順性和通過性。但車架的制造工藝復雜，維修不便，僅用于某些平順性、通過性要求較高的汽車上。
5、綜合式車架
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，主減速器與脊梁相固定，該驅(qū)動橋應為斷開式的且獨立懸架相匹配。其實，圖2.1（b）所示的X形車架也應歸于這一類型，但該車架可與非斷開式驅(qū)動橋及非獨立懸架相匹配。
（a）采用周邊式車架時；（b）采用X形車架時；（c）采用梯形車架時
1.傳動軸通道；2.地板；3.門檻；4.車架
圖2.2 采用不同車架時的車身底板
圖2.3 載貨汽車的梯形車架
圖2.4 具有脊梁式車架的汽車底盤
圖2.5 綜合式車架
2.1.3 縱梁、橫梁及其聯(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沿全長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。載貨汽車縱梁的斷面形狀多為開口朝內(nèi)的槽形，也有Z形、工字形的；脊梁式車架的縱梁則多為管狀的；轎車車架的縱梁則為箱形斷面。槽型斷面梁的扭轉(zhuǎn)剛度及強度均好。縱梁多為沖壓件，超重型汽車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)成一完整的車架，并保證車架有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度，限制其變形和降低某些部位的應力。橫梁還起著支承某些總成的作用。汽車車架常有4～6根橫梁，其分布于有關(guān)總成、駕駛室、貨箱或車身的支承位置有關(guān)。當發(fā)動機的前支點位于左右縱梁上時，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軸的跳動空間。貨車在后鋼板彈簧前、后支承附近也分別設置一根橫梁。
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，宜用于需加強扭轉(zhuǎn)剛度處，但貨車多采用扭轉(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（見圖2.7）。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。
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(guān)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(guān)。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。強度更高的鋼板在冷沖時易開裂且沖壓回彈較大，故不宜采用。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）。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，其疲勞強度要降低，靜強度提高、延伸率小的材料的降低幅度更大。常用車架材料在沖壓成形后的疲勞強度約為140～160MPa。
轎車車架縱梁、橫梁的鋼板厚度約為3.0～4.0mm，貨車根據(jù)其裝載質(zhì)量的不同，輕、中型貨車沖壓縱梁的鋼板厚度為5.0～7.0mm，重型貨車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 車架的結(jié)構(gòu)設計
2.2.1 車架設計參考
以下數(shù)據(jù)均為參照解放CA1040的參數(shù)進行設計[10-11]，主要參數(shù)如表所示。
1、 車輛主要參數(shù)
表2.1 車輛參數(shù)表
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
220
2、安裝在車架上的主要部件的選擇
（1）發(fā)動機參數(shù)
型號：CA488型汽油機；
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（長寬高）：659602671.5（mm）；
質(zhì)量：135kg。
（2） 變速器參數(shù)
型號：CAS5-20A機械變速器；
中心距：85mm；
最大輸出轉(zhuǎn)矩：196N·m；
殼體長度：285mm；
靜質(zhì)量：鑄鐵殼體56kg。
（3）貨箱車頭參數(shù)
貨箱：鋼板沖壓貨箱800kg；
車頭：車頭以及內(nèi)部部件450kg。
（4）鋼板彈簧參數(shù)
車架上加裝鋼板彈簧，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
作用長度 /mm
1200
1300
片厚
12-6
12-8
片寬 /mm
70
70
片數(shù)
3
6
2.2.2 車架參數(shù)的確定
1、選取梯形車架，由兩個縱梁與5根橫梁鉚接而成。其彎曲剛度較大，而當受扭矩時，各部分同時產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)。其優(yōu)點是便于安裝車身、車箱和布置其他總成，易于汽車的改裝和變形因此被廣泛地用在載貨汽車。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4500mm，在縱梁的全長范圍內(nèi)具有相等的高度和寬度。縱、橫梁均由5mm厚的16Mn鋼板沖壓而成（輕、中型貨車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 車架的彎矩及彎曲應力計算
當車架縱梁承受的是均勻分布的載荷（見圖2.8）時，車架的簡化計算可按下述進行，但需要一定的假設。即認為縱梁為支承在前、后軸上的簡支梁；空車是簧上負荷(貨車可取，為汽車整備質(zhì)量)均布在左、右縱梁的全長上，滿載時有效載荷則均布在車廂長度范圍內(nèi)的縱梁上；忽略不計局部扭矩的影響[8]。
圖2.10 貨車車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)，可用對上式中求導數(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：
則彎曲應力可按下式求得：
（2.6）
式中：——縱梁在計算斷面處的彎曲截面系數(shù)，對于槽型斷面系數(shù)，對于槽型斷面縱梁有：
（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
因此最大彎應力為：
=120.40Mpa
16Mn鋼板的疲勞極限=220～260MPa
=120.40Mpa
2.2.4 車架的撓度計算
為了保證整車及有關(guān)機件的正常工作，對縱梁的最大撓度應予以限制。這就要求對縱梁的彎曲剛度進行校核。
彎曲工況：約束后橋在車架縱梁腹板上的豎直投影點的垂直位移，約束車架前懸與車架縱梁聯(lián)接處縱梁腹板中點的垂直位移，讓車架形成一簡支梁結(jié)構(gòu)，并在前后支承中點處加一垂直向下的力，讓車架產(chǎn)生彎曲變形，如圖2.11所示。
車架彎曲剛度由下式計算得到:
=EJ= （2.8）
式中：——彎曲剛度，N；
F—— 集中載荷，N；
L—— 軸距，m；
X—— 從支點到測點的距離，m；
f—— 撓度，m。
圖2.11 車架彎曲剛度計算示意圖
若以前、后輪軸中點處（即）的剛度作為車架的彎曲剛度，則計算公式簡化為[6]
= （2.9）
根據(jù)車架的受載情況，將車架的撓度分為兩部分計算。
1、假設車空載時，簧上負荷(貨車可取，為汽車整備質(zhì)量)均布在左、右縱梁的全長上，由于算一根縱梁的撓度，取所加載荷的一半[14]。
由材料力學知
（2.10）
可得:
2、假設汽車滿載時，所載貨物的重量都集中在跨度為的簡支梁中間，此時所求出的撓度值加的載荷比實際的載荷要大。同理，算一根縱梁的撓度取所加載荷的一半。
可得:
已知貨車車架最大彎曲撓度通常小于10mm，所以有:
根據(jù)可知，，根據(jù)德國對各種汽車車架的實驗結(jié)果表明，當軸距單位為m，J的單位為時，為使縱梁在汽車滿載時撓度在容許值以內(nèi)，則應使或使。大多數(shù)汽車的值在20～30間，日本的一些4t平頭載貨汽車甚至達到58.3。
可得:
2.3 本章小結(jié)
首先對車架的結(jié)構(gòu)型式進行介紹，有周邊式車架、X形車架、梯形車架、脊梁式車架和綜合式車架，并且對縱梁、橫梁及其連接的型式和車架的制造工藝及材料做出介紹。通過對已知車型的了解與學習，對車架的想過部件參數(shù)進行選擇行設計，車架的材料選用16Mn，車架長4500mm，寬750mm，高150mm，選取發(fā)動機、變速器、鋼板彈簧等車架上的部件，根據(jù)設定的基本參數(shù)計算車架的彎曲強度、撓度，求得結(jié)果與車架材料的剛度強度進行對比，得出車架的結(jié)構(gòu)符合設計要求。
第3章 車架三維模型的建立
3.1 Pro/E軟件介紹
1985年，PTC公司成立于美國波士頓，開始參數(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)設計和機械設計等方面的多項功能，還包括對大型裝配體的管理、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到的最全面、集成最緊密的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境。下面就Pro/ENGINEER的特點及主要模塊進行簡單的介紹。
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)品開發(fā)過程中某一處進行的修改，能夠擴展到整個設計中，同時自動更新所有的工程文檔，包括裝配體、設計圖紙，以及制造數(shù)據(jù)。全相關(guān)性鼓勵在開發(fā)周期的任一點進行修改，卻沒有任何損失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開發(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械對象，并且可以按預先設置很容易的進行修改。例如：設計特征有弧、圓角、倒角等等，它們對工程人員來說是很熟悉的，因而易于使用。
裝配、加工、制造以及其它學科都使用這些領(lǐng)域獨特的特征。通過給這些特征設置參數(shù)（不但包括幾何尺寸，還包括非幾何屬性），然后修改參數(shù)很容易的進行多次設計疊代，實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。
數(shù)據(jù)管理：加速投放市場，需要在較短的時間內(nèi)開發(fā)更多的產(chǎn)品。為了實現(xiàn)這種效率，必須允許多個學科的工程師同時對同一產(chǎn)品進行開發(fā)。數(shù)據(jù)管理模塊的開發(fā)研制，正是專門用于管理并行工程中同時進行的各項工作，由于使用了Pro/ENGINEER獨特的全相關(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的命令，例如“嚙合”、“插入”、“對齊”等很容易的把零件裝配起來，同時保持設計意圖。高級的功能支持大型復雜裝配體的構(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：菜單以直觀的方式聯(lián)級出現(xiàn)，提供了邏輯選項和預先選取的最普通選項，同時提供了簡短的菜單描述和完整的在線幫助，這種形式使得容易學習和使用。
3.2 三維模型的建立
貨車車架結(jié)構(gòu)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,略去那些為了滿足結(jié)構(gòu)或使用上的要求而設置的次要構(gòu)件。車架是邊梁式車架,由左右分開的兩根縱梁和若干橫梁組成。該車架所有薄壁型槽鋼鉚接而成，材料為16Mn。車架全長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，簡化計算過程,對車架的部分細節(jié)進行了簡化。本文應用 Pro /E進行實體建模。
1、縱梁的建模
縱梁是由5mm厚的鋼板沖壓成的，全長4500mm，翼緣寬度55mm，腹板高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)目祝琑=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。為減少應力集中，在縱梁的相應部位倒圓角。在對縱梁建模時用到的命令主要是拉伸，見圖3.1所示。
圖3.1 縱梁
2、前梁的建模
包括兩個橫梁，梁全長730mm，翼緣寬度寬處80mm，窄處40mm，腹板高140mm，見圖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
4、后鋼板彈簧橫梁
包括2個橫梁，梁全長730mm，翼緣寬度85m，腹板高140，見圖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740mm，翼緣寬度75mm，腹板高100mm，見圖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)
本章應用Pro/E軟件依據(jù)第二章的設計尺寸對車架的橫梁、縱梁以及相應的聯(lián)接零件根據(jù)相應的尺寸進行三維建模，并且把各零件裝配起來，形成初步完整的車架三維模型，同時將車架模型進行簡化處理，為導入ANSYS軟件中做車架有限元的分析做好了準備。
第4章 車架有限元分析
ANSYS程序包括前處理器、求解器、后處理器和幾個輔助處理器（如設計優(yōu)化器），功能涵蓋結(jié)構(gòu)、流體、熱和電磁4種場的計算。在有限元分析領(lǐng)域，ANSYS一直致力于上訴4種場的計算。作為業(yè)界的佼佼者，ANSYS最先集成了計算流體動力學（CFD）功能，同時也是第一個具有多物理場分析功能的軟件。
下面介紹ANSYS的特點、基本功能和基本的功能模塊。
4.1 ANSYS的特點
ANSYS的基本功能特點可以概括為3個“強大”：強大的前處理能力、強大的加載求解能力和強大的后處理能力。另外，良好的開放性使得用戶能夠在ANSYS系統(tǒng)上進行二次開發(fā)和擴展新的功能。
1. 強大的前處理能力
強大的前處理能力主要包括強大的幾何建模能力、強大的網(wǎng)格劃分能力、強大的參數(shù)設計功能和與CAD軟件的無縫集成能力。
在集合建模上，ANSYS不僅具有一次生成點、線、面和體的自底向上建模方式，還具有通過調(diào)用集合體素和采用布爾運算而生出集合模型的自頂向下的建模方式。
進行網(wǎng)格劃分時，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、局部細化等方法。
此外，ANSYS開發(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，實現(xiàn)了雙向數(shù)據(jù)交換，從而實現(xiàn)了ANSYS與這些軟件的無縫集成。用戶因此可以在利用CAD軟件完成幾何建?；蛘哂邢拊：螅苯訉⒛Ｐ蛡魉偷紸NSYS中進行后續(xù)操作，即使調(diào)整設計方案，有效地提高分析效率。
2 強大的加載求解能力
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體或者有限元實體上，載荷可以是具體數(shù)值，也可以是與實踐或者坐標有關(guān)的任意函數(shù)。
求解時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、多物理場等問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)模對稱矩陣特征值問題的子空間迭代法（Subspace）；采用直接求解法、針對流體力學求解的三對角矩陣法等。
ANSYS優(yōu)異的求解能力突出地表現(xiàn)的對高精度非線性問題求解和強大的耦合場求解上。工程實踐中在處理薄板成形等要求并同時考慮結(jié)構(gòu)的大位移、大應變（幾何非線性）和朔性（材料非線性）的問題時，必須要考慮材料非線性。而在處理諸如因摩擦接觸而導致熱問題和金屬成形等因朔性功能而產(chǎn)生的熱問題時，就需要將結(jié)構(gòu)場和溫度場的有限元分析結(jié)果交叉迭代求解，即需要求解“熱力耦合”問題。這些問題的求解相當復雜，它不僅涉及工作難度和強度，ANSYS公司花費大量的人力和物力開發(fā)出了適用于非線性求解和耦合場求解的求解器。有了這兩個求解器，設計人員遇到額的許多相關(guān)難題便迎刃而解了。
3 強大的后處理能力
利用ANSYS可以獲得任何節(jié)點、單元的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)具有列表輸出、圖形顯示、動畫模擬等多種數(shù)據(jù)輸出形式。此外時間歷程分析功能可以對載荷疊加進行分析及計算。
4.2 ANSYS的基本組成和功能
1. ANSYS基本組成
ANSYS主要包括3個部分：前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊。
(1) 前處理模塊
提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型。軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。
(2) 分析計算模塊
包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，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個部分，通用后處理模塊和時間歷程后處理模塊。
通用后處理模塊可以很容易獲得求解過程的計算結(jié)果并對其進行顯示。這些結(jié)果可能包括位移、溫度、應力、應變、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。這個模塊對前面的分析結(jié)果能以圖形形式顯示和輸出。例如，計算結(jié)果在模型上的變化情況可用等值線圖表示，不同的等值線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)，清晰地反映了計算結(jié)果的區(qū)域和分布情況。
時間后處理模塊用于檢查在一個時間段或子步歷程中的結(jié)果，如節(jié)點位移、應力或支反力。這些結(jié)果能通過繪制圖線或列表查看。繪制一個或多個變量隨頻率或其他量變化的曲線，有助于形象化地表示分析結(jié)果。另外，它還可以進行曲線的代數(shù)運算。
2. ANSYS基本功能
ANSYS不僅具有結(jié)構(gòu)靜力學分析、結(jié)構(gòu)非線性分析、動力學分析、熱分析等基本的功能，而且還具有優(yōu)化設計、監(jiān)理子結(jié)構(gòu)模型等高級應用功能。另外ASNYS7.0在原有功能的基礎上又作了許多改進，下面分別進行介紹。
(1) 結(jié)構(gòu)靜力分析
用來求解外載荷引起的位移、應力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問題。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進行線性分析，而且也可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應變及接觸分析。
(2) 結(jié)構(gòu)動力學分析
結(jié)構(gòu)動力學分析用來求解隨時間變化的載荷對結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。ANSYS可進行的結(jié)構(gòu)動力學分析類型包括：瞬態(tài)動力學分析、模態(tài)分析、諧波響應分析及隨機振動響應分析。
(3) 結(jié)構(gòu)非線性分析
結(jié)構(gòu)非線性導致結(jié)構(gòu)或部件的響應隨外載荷不成比例變化。ANSYS程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。
(4) 動力學分析
ANSYS程序可以分析大型三維柔體運動。當運動的積累影響起主要作用時，可使用這些功能分析復雜結(jié)構(gòu)在空間中的運動特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應力、應變和變形。
(5) 熱分析
程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導