節(jié)能車車架設(shè)計(jì)與優(yōu)化,節(jié)能,車車,架設(shè),優(yōu)化 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文） 設(shè)計(jì)(論文)題目： 節(jié)能車車架設(shè)計(jì)與優(yōu)化 　　　　　　　　 學(xué)生姓名： 二級(jí)學(xué)院： 班　　級(jí)： 提交日期： 目錄 目 錄 摘 要 III Abstract IV 1 緒 論 1 1.1 課題研究背景及意義 1 1.2 國(guó)內(nèi)外研究形狀 1 1.2.1 車架有限元分析的研究現(xiàn)狀 1 1.3 汽車節(jié)能途徑 2 2 節(jié)能車車架設(shè)計(jì) 3 2.1 車架的設(shè)計(jì)要求 3 2.2 車架的類型選擇 3 2.3 車架的材料選用 5 2.4 車架幾何尺寸的確定 5 2.5 車架縱橫梁截面形狀尺寸的確定 6 3 節(jié)能車車架建模 9 3.1 基于UG軟件三維建模 9 3.1.1 UG軟件介紹 9 3.2 建立車架三維模型 9 4 優(yōu)化前的車架分析 12 4.1 ANSYS軟件的介紹 12 4.2 車架材料選擇和網(wǎng)格劃分 12 4.3 載荷及約束處理 14 4.4 觀察車架總體變形 15 4.5 模態(tài)分析 16 5 優(yōu)化后的車架分析 19 5.1 材料優(yōu)化 19 5.2 形狀優(yōu)化 21 6 總 結(jié) 25 參考文獻(xiàn) 26 致 謝 27 IV 摘要 節(jié)能車車架設(shè)計(jì)與優(yōu)化 摘 要 車架在汽車中扮演著重要角色，需要承載各種力、力矩以及連接各部件總成使它們成為一個(gè)整體。因此，車架要便于其上各總成的安裝維修，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自身質(zhì)量小，要有足夠的強(qiáng)度和合適的剛度，車架形狀利于汽車重心的降低。 本課題的節(jié)能車車架以第六屆HONDA中國(guó)節(jié)能車競(jìng)技賽的數(shù)據(jù)為例，使用NX UG軟件設(shè)計(jì)建立車架的三維模型并導(dǎo)入有限元ANSYS中分析其施加約束和載荷后的應(yīng)力分布與位移變形量。在不改變形狀的基礎(chǔ)上選用鋁合金材料代替不銹鋼材料，還有在原有形狀上進(jìn)行更改，分析對(duì)比三者之間的受力結(jié)果選擇其中最優(yōu)化的方案。 關(guān)鍵詞：節(jié)能車車架；三維建模；有限元分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化； Abstract Energy saving vehicle frame design and optimization Abstract Frame plays an important role in the automobile, it needs to carry a variety of forces, moments and connecting the parts assembly to make them as a whole.Thus, frame to facilitate its each assembly installation and maintenance, simple structure, small mass itself, have sufficient strength and appropriate stiffness, the frame shape will help reduce the center of gravity of the car. The subject of energy saving car frame with the sixth HONDA China energy saving car racing data as an example, the use of NX UG software design 3D model frame and importing ANSYS finite element analysis of the stress distribution in applying restraints and loads post with displacement deformation.Without changing the shape on the basis of selection aluminum alloy instead of stainless steel materials, as well as changes in the original form, the results of comparative analysis of the force among select the most optimal solution. Key words: Energy saving vehicles; 3D modeling; The finite element analysis; Structure optimize; 第1章 緒論 1 緒 論 1.1 課題研究背景及意義 眾所周知，選購(gòu)汽車主要看的就是其制造技術(shù)的安全性，汽車工業(yè)的歷代變革也始終以安全為首要原則。車架的作用就是在其上安裝各總成，作為一樣不可缺少的組件將發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)和車身等總成連成一個(gè)整體；同時(shí)，車架還需要承受行駛過(guò)程中來(lái)自各總成的靜載荷和動(dòng)載荷。因?yàn)檐嚰軓?qiáng)度直接影響整車性能，關(guān)系到后期制造出來(lái)的車輛能否正常行駛以及安全程度，所以必不可少的就是對(duì)節(jié)能車車架的構(gòu)造性分析[1]。 節(jié)能是全世界人民現(xiàn)在時(shí)刻都在關(guān)注的話題，同樣也關(guān)系到社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展?，F(xiàn)在預(yù)估全球汽車保有量已超8億，然而耗損的石油量占據(jù)了石油開(kāi)采量的50%以上，為了使損耗降低，汽車輕量化成了解決此問(wèn)題的主要手段之一。研究數(shù)據(jù)顯示，車身每次減輕10%，耗油率可縮減6%-8%。通常來(lái)說(shuō)，客運(yùn)汽車、載貨汽車的車架質(zhì)量占整車的60%；另外專用車車架骨架所占質(zhì)量比值則相對(duì)來(lái)說(shuō)要更大?？傊瑴p輕車架自重是現(xiàn)在汽車輕量化的動(dòng)力來(lái)源，輕量化使得原材料的使用量減少、節(jié)約成本。 汽車技術(shù)雖是日新月異，但汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主題確一直是“節(jié)能、環(huán)保、安全”。汽車輕量化設(shè)計(jì)對(duì)提升車輛動(dòng)力性，減輕污染與降低能源消耗，簡(jiǎn)便結(jié)構(gòu)等存在實(shí)際意義。本課題采用軟件UG來(lái)建立車架的三維模型并導(dǎo)入ANSYS中賦予其截面、材料等基本參數(shù)，劃分網(wǎng)格之后施加約束與載荷最后進(jìn)行求解分析，得出需要的靜力與模態(tài)分析。依據(jù)分析結(jié)果通過(guò)改變車架的使用材料和更改車架形狀來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。 1.2 國(guó)內(nèi)外研究形狀 人們對(duì)汽車是否“安全、節(jié)能、環(huán)?！痹絹?lái)越重視，汽車車架作為一個(gè)關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)質(zhì)量影響著整車的安全使用及整車的經(jīng)濟(jì)性，因而對(duì)車架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是十分必要的。 1.2.1 車架有限元分析的研究現(xiàn)狀 早期，由于國(guó)內(nèi)外汽車技術(shù)都不發(fā)達(dá)，致使汽車車架的設(shè)計(jì)只能依靠于專業(yè)人員的從優(yōu)經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)、彈性力學(xué)的經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)車架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行大量簡(jiǎn)化從而分析，這樣的設(shè)計(jì)分析結(jié)果依賴于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。雖然該法存在一定的科學(xué)性與可靠性，但是其中存在的不足之處顯而易見(jiàn)，不能較為準(zhǔn)確的分析出車架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布及剛度分布，而且也不可避免的造成車架強(qiáng)度的分配不均，且這樣的設(shè)計(jì)周期相對(duì)較長(zhǎng)，后期更改比較困難，使得車架更新?lián)Q代的速度不能與現(xiàn)代產(chǎn)品生產(chǎn)競(jìng)爭(zhēng)相適應(yīng)。 車架強(qiáng)度有限元分析起源于60年代中期，國(guó)外對(duì)車架進(jìn)行有限元法的輔助設(shè)計(jì)非?？粗?，長(zhǎng)期的研究實(shí)驗(yàn)取得了眾多的有效成果。Akin.J.E提議在車架縱橫梁連接處采用梁、板混合單元進(jìn)行合適的簡(jiǎn)化；Kim.H.S等詳細(xì)介紹了車架在極限靜態(tài)強(qiáng)度分析結(jié)果下指導(dǎo)設(shè)計(jì)。 一些國(guó)內(nèi)專家簡(jiǎn)化車架結(jié)構(gòu)使其成為一組離散型單元的集合體，即連接單元各自端點(diǎn)用以取代真實(shí)的車架結(jié)構(gòu)；用虛位移原理建立位移方程，通過(guò)節(jié)點(diǎn)平衡和連續(xù)條件求解出位移解，從而求出各單元的內(nèi)力與應(yīng)力；這也是國(guó)內(nèi)專家首先采用桿系有限元方法。吉林大學(xué)的袁淵利用板殼單元建立客車車架有限元模型并研究分析其結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)特性。以車架縱梁截面尺寸為設(shè)計(jì)變量建立簡(jiǎn)化的車架梁?jiǎn)卧獌?yōu)化模型進(jìn)而優(yōu)化分析，車架質(zhì)量可以從體積和最大變形隨著迭代過(guò)程變化的曲線圖上明顯看出有所下降。 當(dāng)前國(guó)內(nèi)有限元法已經(jīng)成為建立有限元模型，模擬車架的主要分析途徑；有限元法不需要對(duì)所分析的車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，即可以考慮各種計(jì)算要求和條件，也可以計(jì)算各種工況，而且計(jì)算精度較高。 1.3 汽車節(jié)能途徑 （1）輕量化 輕量化途徑有兩種：一、廣泛應(yīng)用高性能、低密度材料作為原材料來(lái)減輕自重，如高強(qiáng)度材料（高強(qiáng)度鋼）、輕質(zhì)材料（鋁合金，塑料，復(fù)合材料）。雖說(shuō)這種方法的減重效果較快，但存在研究周期長(zhǎng)，成本大等主要問(wèn)題；二、優(yōu)化傳統(tǒng)鋼材車架達(dá)到最輕質(zhì)量。該法優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于本身質(zhì)量較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的重型車容易實(shí)行且節(jié)約成本，空間運(yùn)用變化較大。[2] （2）高效化 采用燃油直噴技術(shù)、增壓中冷技術(shù)、代用燃料、液壓成型、半固體鑄造技術(shù)、廢棄再循環(huán)等新節(jié)能技術(shù)，可以使能量最大程度的被使用，從而減少燃油量的耗損。 2 第2章 節(jié)能車車架設(shè)計(jì) 2 節(jié)能車車架設(shè)計(jì) 2.1 車架的設(shè)計(jì)要求 車架上相對(duì)安裝了動(dòng)力總成、底盤(pán)總成，而直接裝載在車架之上的有車身或貨廂等，因而車架不僅是汽車的基礎(chǔ)部件同時(shí)也是承載基體。以防汽車在行駛過(guò)程中車架變形過(guò)大導(dǎo)致安裝在上面的各總成受到破壞不能正常工作，所以車架要有足夠的剛度（包括彎曲、扭轉(zhuǎn)）。以轎車為例：車身鈑金零件過(guò)早破壞或者車門(mén)關(guān)閉不嚴(yán)等諸多嚴(yán)重問(wèn)題都可能是扭轉(zhuǎn)剛度不夠引起的。但載重車相反，它是扭轉(zhuǎn)剛度不宜過(guò)高但要有一定的柔性，因?yàn)樵诓黄铰访嫘旭倳r(shí)各輪軸必須適應(yīng)地形，前后軸之間要有一定揉角。車架剛度不適當(dāng)偶爾會(huì)影響汽車行駛性能，如前輪擺振。[3] 車架是承載部件，其受到的各種作用力分析起來(lái)較為復(fù)雜，在保證使用可靠的基礎(chǔ)上盡可能的減輕其自重。另外，設(shè)計(jì)車架結(jié)構(gòu)時(shí)要考慮乘客的安全性，在車架上安裝能夠吸收撞擊能量的裝置。 車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要要求包括以下幾點(diǎn)[4]： （1）具有足夠強(qiáng)度。保證車架的主要零部件在汽車大修里程范圍內(nèi)不因受力過(guò)大而變形。 （2）具有足夠的抗彎剛度，保證車架在許可范疇內(nèi)產(chǎn)生變形，便于車架上各總成正常工作。避免車架變形量太大而使其它裝置不能正常工作，因而規(guī)定其最大彎曲撓度需滿足小于10mm的要求。 （3）具有合適的扭轉(zhuǎn)剛度。一般希望車架“兩端大、中間小”。 （4）具有較輕的質(zhì)量。車架自重一般在整車整備質(zhì)量的10%以內(nèi)，所以在滿足節(jié)能車車架強(qiáng)度和剛度足夠的要求下，要求減輕車架自重，以提高整車整備的輕量化水平。 歸納總結(jié)上述要求：車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)保證材料的強(qiáng)度、彎扭剛度合格以及車架自身的輕量化。 2.2 車架的類型選擇 目前，汽車車架的總體結(jié)構(gòu)形式主要有框架式車架、中梁式車架（也稱脊骨式車架）和綜合式車架三種[5]。 如圖2.1所示框架式結(jié)構(gòu)的車架包括兩種類型：邊梁式和周邊式。邊梁式車架由左、右兩根不直接相連的縱梁和若干根橫梁拼接而成，發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形所產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)作用于車架各部位。這樣的構(gòu)造有利于安裝布置車身和其他主要總成，也便于改裝和變形。周邊式車架則采用縱梁“前后端窄，中間寬”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，這樣可以緩和不平路面對(duì)車輛產(chǎn)生的沖擊，減輕車內(nèi)躁聲。此外，周邊式車架縱梁中部位置的寬度接近于地板寬度，從而提升汽車的橫向穩(wěn)定性，縮短縱梁兩側(cè)安裝件的懸伸長(zhǎng)度。前后端較窄則保證了前輪轉(zhuǎn)動(dòng)空間的靈活性和后輪輪距不致于過(guò)大。但是這種車架結(jié)構(gòu)形式上比邊梁式繁瑣，生產(chǎn)成本要高，材料使用量大。 圖2.1 框架式 圖2.2 脊梁式 如圖2.2所示的中梁式車架是位于車輛中央并貫穿前后的一根縱梁，因此亦稱為脊梁式車架[6]。中梁的斷面可做成箱形也可做成管形。中梁式車架的特點(diǎn)：能使車輪在某些路況下的轉(zhuǎn)動(dòng)空間較大，保證路面與車輪的接觸性良好。在同等噸位下的車輛采用中梁式車架比邊梁式車架的質(zhì)量要輕，從而減輕了車輛的自重，同時(shí)重心較低，行駛穩(wěn)定性較為良好；車架的強(qiáng)度剛度相對(duì)較大，特別是抗扭剛度；中梁還有一個(gè)特殊身份就是封閉傳動(dòng)軸的防塵套；不足之處就是這種車架精度要求高，工藝繁雜，給保養(yǎng)和修理帶來(lái)諸多不便。 綜合式車架也稱復(fù)合式車架，因?yàn)樗羌辛丝蚣苁杰嚰芎图沽菏杰嚰艿囊恍┰O(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)制造出來(lái)的。該車架前段是用以安裝發(fā)動(dòng)機(jī)的邊梁式結(jié)構(gòu)，而中后部位則引用脊梁式結(jié)構(gòu)。這樣的車架結(jié)構(gòu)集合了上述兩種車架的特點(diǎn)，使得地板的高度更低，中部的抗扭剛度更大，綜合性能較好；但是地板中間往往會(huì)形成影響后座乘客舒適感的大鼓包，加之其工藝制造較為困難，因而該類型的車架應(yīng)用不夠廣泛。 由于所設(shè)計(jì)的節(jié)能車載物較少且在良好路面上行駛，因而采用框架式結(jié)構(gòu)車架；車架要有供駕駛員乘坐的容積以及放置發(fā)動(dòng)機(jī)的位置，邊梁式車架可節(jié)約空間則適合使用。該車架的縱橫梁同時(shí)產(chǎn)生彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況，避免其產(chǎn)生應(yīng)力集中。 通過(guò)比較下圖2.3和圖2.4所示的上浮式車架和下浮式車架這兩種邊梁式車架結(jié)構(gòu)。在相同材料和截面尺寸下，后者相較于前者而言強(qiáng)度、剛度要好，且構(gòu)造簡(jiǎn)便，質(zhì)量較輕。輕量的整車車身安裝在這種焊接技術(shù)較為強(qiáng)悍的梯形車架上，不但能緩解汽車在行駛過(guò)程中受到路面作用的強(qiáng)烈沖擊，而且便于駕駛員的操縱簡(jiǎn)易性。另外，下浮式車架在保證了強(qiáng)度足夠、剛度合適外，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作簡(jiǎn)便，因此最終選用下浮式車架結(jié)構(gòu)。 圖2.3 上浮式　　　　　　　　 圖2.4 下浮式 2.3 車架的材料選用 節(jié)能車車架的材料選用需考慮如強(qiáng)度和剛度、材料成本的高低以及方案設(shè)計(jì)制作的方便可行性等眾多要素。概況要點(diǎn)之后主要有下面三種材料可供選擇： （1）槽鋼?，F(xiàn)在制作車架最成熟的材料就是槽鋼，其截面形狀為凹槽形，它具有高強(qiáng)度、高抗扭能力，承載性能好，其次成本較低且方便焊接。使用槽鋼制作出來(lái)的車架滿足節(jié)能車的剛度要求，穩(wěn)定和牢固也滿足了安全性要求；但是車架制作出來(lái)后質(zhì)量較大，不能達(dá)到節(jié)能車要求的節(jié)能效果。 （2）鋁合金。用鋁合金制作的車架較其他材質(zhì)的車架更為輕便，是現(xiàn)在車架使用較為時(shí)興的材料，鋁合金已運(yùn)用于一些節(jié)能車及高檔車領(lǐng)域。鋁合金車架雖然滿足了節(jié)能車車架制造要求的強(qiáng)度剛度及焊接技術(shù)，但價(jià)格比較昂貴、焊接技術(shù)復(fù)雜。 （3）不銹鋼。相對(duì)槽鋼來(lái)說(shuō)不銹鋼質(zhì)量更輕，強(qiáng)度性能變化較小，且抗腐蝕性能好，從而成為現(xiàn)在節(jié)能車車架廣泛使用的材料。不銹鋼制造出來(lái)的車架能減輕整車質(zhì)量，符合節(jié)能要求；現(xiàn)在不銹鋼的焊接技術(shù)滿足車架的剛度、強(qiáng)度要求，能保證車架的穩(wěn)固牢靠性，符合制作要求。 綜合考慮上列三種材料的強(qiáng)度、剛度、焊接技術(shù)、穩(wěn)定性以及制作成本等方面的性能，決定此次優(yōu)化之前的節(jié)能車車架選用較為普遍的不銹鋼材質(zhì)。 2.4 車架幾何尺寸的確定 分析以往節(jié)能車車架的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)得出一個(gè)道理：車架尺寸越小，結(jié)構(gòu)越緊湊，節(jié)能效果越好。根據(jù)第六屆HONDA中國(guó)節(jié)能車競(jìng)技賽確定節(jié)能車外廓尺寸如下： 車身外廓尺寸確定車架幾何尺寸。 車架幾何尺寸主要包括：車架總長(zhǎng)、總寬、總高以及縱橫梁截面尺寸。 節(jié)能車車架長(zhǎng)度即縱梁長(zhǎng)度主要取決于節(jié)能車外廓尺寸。車架中主要承載的元件是縱梁，由于該節(jié)能車車架不僅是承載式車身也是駕駛艙，車架外殼尺寸及結(jié)構(gòu)形式確定了車架長(zhǎng)度（此車架總長(zhǎng)綜合考慮了軸距和駕駛員身高），即整體式縱梁在X方向上的長(zhǎng)度為1620mm，滿足設(shè)計(jì)要求。 車架寬度指左右縱梁腹板最外側(cè)之間的距離，其取決于輪距。車架寬度設(shè)置愈寬可提升整車橫向穩(wěn)定性；但是當(dāng)前輪做最大偏轉(zhuǎn)時(shí)，不允許和車架相碰，限制了車架寬度；許多因素對(duì)車架寬度的要求往往是相互矛盾的[2]。為了滿足設(shè)計(jì)要求節(jié)能車車架寬度為350mm。 車架高度取決于整車高度，考慮到本身也是車身骨架的車架在節(jié)能車行駛過(guò)程中的穩(wěn)定性，兼顧整車的質(zhì)量限制，確定車架高度為450mm。 車架的總布置尺寸如圖2.5： 圖2.5 車架總體尺寸 2.5 車架縱橫梁截面形狀尺寸的確定 車架中主要承載的元件是縱梁，各裝置總成集中的垂直載荷通過(guò)各裝置點(diǎn)作用在縱梁上，前、后鋼板彈簧反作用于縱梁使其成為一根承受彎曲載荷的梁[3]。其形狀應(yīng)該力求簡(jiǎn)單，斷面沿長(zhǎng)度方向沒(méi)有變化或者變化較小，以簡(jiǎn)化工藝。初步估算，節(jié)能車車架所受到的最大應(yīng)力與最小應(yīng)力之間差值較小，所以車架縱梁采用等截面材料。根據(jù)縱梁受載的情況，縱梁的截面形狀有：開(kāi)口的槽形、Z形截面及閉口的箱形截面，還有一些疊槽形、工字型、和管形截面。 槽形截面的縱梁主要承受彎曲載荷且便于裝配。雖然槽形截面的抗扭剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如閉口截面，但若將縱梁做成一些封閉截面，則縱梁側(cè)面一些裝了油箱、蓄電池等的支架安裝起來(lái)就會(huì)困難得多。[3] 疊槽形的閉口截面是在槽形截面上的加強(qiáng)設(shè)計(jì)，其抗扭能力比槽形截面強(qiáng)。 Z形截面和工字形截面的車架簡(jiǎn)化了工藝裝備，但是由于縱梁上翼面向外凸出，不便于在縱梁腹板上安裝油箱等總成。 箱形閉口截面的抗扭剛度比較高；管形截面的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省材料，容易彎曲；缺點(diǎn)是在相同轉(zhuǎn)動(dòng)慣性矩下用料較多且不便于構(gòu)件間的連接。 橫梁的作用就是連接左、右兩縱梁形成一個(gè)整體框架，不僅用來(lái)保證車架的抗扭剛度和承受縱向載荷，而且還用來(lái)支承汽車上的主要部件[7]。橫梁往往以其所在位置來(lái)稱呼，如前橫梁、發(fā)動(dòng)機(jī)后懸置橫梁、中橫梁等，這樣更容易熟悉、理解[3]。該車架采用管形橫梁，它的好處是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)省材料，滿足輕量化要求。 縱梁和橫梁之所以均采用管形結(jié)構(gòu)，是因?yàn)樵撥嚰芩艿膹澗睾团ぞ夭淮?，且在長(zhǎng)度方向上縱梁需要進(jìn)行彎曲變形的工藝處理，節(jié)能車車架的自身質(zhì)量較輕。 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，初步確定縱梁方管的截面尺寸(即長(zhǎng)，寬和壁厚)須作如下幾點(diǎn)假設(shè)：縱梁作為支承前后軸的簡(jiǎn)支梁，整車的裝載質(zhì)量均作用在簡(jiǎn)支梁上，所有內(nèi)外載荷均通過(guò)截面形心(忽略局部扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的影響)。 車架簡(jiǎn)化為如圖2.6所示的簡(jiǎn)支梁模型。 圖2.6 簡(jiǎn)支梁模型 節(jié)能車車架設(shè)計(jì)步驟如下： 彎矩計(jì)算過(guò)程：點(diǎn)和點(diǎn)為車輪安裝位置點(diǎn)，和為車輪作用于車架的反作用力，為發(fā)動(dòng)機(jī)均布載荷，為駕駛員均布載荷，發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量為，已知駕駛員重量為計(jì)算可知： 車架彎矩圖如圖2.7所示。 圖2.7 車架簡(jiǎn)支梁彎矩圖 由圖可知，梁上的最大彎矩為。汽車在行駛過(guò)程中需要考慮所受動(dòng)載時(shí)的最大彎矩，因而最大靜彎矩需乘以動(dòng)載系數(shù)k。由于節(jié)能車的行駛路況良好，故k取1.5，實(shí)際行駛過(guò)程中會(huì)遇到最高路障，所以此動(dòng)載系數(shù)的選取考慮了上述存在的可能性。。 縱梁截面尺寸的確定： 由于縱梁在長(zhǎng)度X方向上的截面尺寸沒(méi)有變動(dòng)，所以彎曲應(yīng)力的最大值處于其最大彎矩處。 設(shè)b為方管長(zhǎng)度(單位mm)，壁厚取12mm，則方管內(nèi)的空心部分長(zhǎng)度為b-2.4。 確定該節(jié)能車車架使用厚度為12mm的25mm×25mm方管。 8 第3章 節(jié)能車車架建模 3 節(jié)能車車架建模 3.1 基于UG軟件三維建模 目前在虛擬平臺(tái)建立三維模型的建模軟件種類繁多，如UG、CATIA、Pro/E、CAD等眾多軟件。本課題的車架設(shè)計(jì)選用了三維建模軟件UG。UGS PLM提出的新一代數(shù)字化產(chǎn)品NX具有知識(shí)管理基礎(chǔ)，NX的特色之處就是可以管理生產(chǎn)和系統(tǒng)性能知識(shí)，每一步設(shè)計(jì)決策都由已知準(zhǔn)則來(lái)決定，工程專業(yè)的技術(shù)人員通過(guò)變革驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的革新創(chuàng)造出了更大的利潤(rùn)。 產(chǎn)品制作早期從觀點(diǎn)到生產(chǎn)過(guò)程都集中成一個(gè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理和協(xié)作的框架中，一步步的改善使得NX通過(guò)了無(wú)可匹敵的全范圍產(chǎn)品檢驗(yàn)運(yùn)用和過(guò)程自動(dòng)化工具?？蛻粼诳紤]如何降低成本、縮減進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)間的過(guò)程中看到了NX以往為其他客戶提供的高質(zhì)量解決方案，從而認(rèn)識(shí)到NX可以全方位改善他們所遇到的困難。通過(guò)使用NX將注意力放在跨越整個(gè)產(chǎn)品周期的技術(shù)創(chuàng)新上再次驗(yàn)證了NX的成功。 3.1.1 UG軟件介紹 制造廠商設(shè)計(jì)一個(gè)未來(lái)產(chǎn)品的工作流程包含項(xiàng)目前階段—具體的設(shè)計(jì)—分析—模擬—組裝—維護(hù)。剛好美國(guó)通用公司開(kāi)發(fā)出的一款作為PLM協(xié)同解決方案重要組成部分的旗艦解決方案UG可以很好的完成廠商的設(shè)計(jì)要求。 設(shè)計(jì)對(duì)象的混合建模：在UG建模環(huán)境中，做到了實(shí)體和曲面的真正互操作；變量和參數(shù)化混合建模：在設(shè)計(jì)建模過(guò)程時(shí)，由于UG提升了變量驅(qū)動(dòng)及后參數(shù)化能力進(jìn)而不必考慮如何參數(shù)化設(shè)計(jì)目標(biāo)；幾何和智能工程混合建模：UG具有在整個(gè)周期內(nèi)方便用戶修改的能力以及擁有智能化的樹(shù)結(jié)構(gòu)，便于客戶后期對(duì)實(shí)體模型或曲面模型進(jìn)行重復(fù)修改，尤其是設(shè)計(jì)后期出現(xiàn)重大問(wèn)題也可進(jìn)行修改，即使對(duì)原方案進(jìn)行更新?lián)Q代也可以。企業(yè)可將前期積累的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)放置在UG知識(shí)庫(kù)內(nèi)，方便后期用于企業(yè)新人的栽培，指導(dǎo)新車型的開(kāi)發(fā)，縮短推入市場(chǎng)的周期。UG模塊基于一個(gè)平臺(tái)，設(shè)計(jì)的三維模型修改全體現(xiàn)在二維平面以及有限元分析，模具和數(shù)控加工程序中，體現(xiàn)了各模塊之間真正的全相關(guān)性。UG提供的多模型鏈接工作環(huán)境及混合建模方式，使得周期大大縮減的并行工程設(shè)計(jì)模式已不再是新興概念，可協(xié)同工作又不相互牽連的模式使得各分系統(tǒng)工作人員只在總體設(shè)計(jì)部門(mén)發(fā)放出基本結(jié)構(gòu)尺寸后便可開(kāi)始工作。真正的并行工程設(shè)計(jì)環(huán)境是上游設(shè)計(jì)的修改直接影響下游工作的刷新，上游設(shè)計(jì)結(jié)果可作為下游的參考得益于模型之間存在的互相聯(lián)接性。 3.2 建立車架三維模型 進(jìn)入U(xiǎn)G軟件的[任務(wù)環(huán)境中的草圖]界面，將XC-YC平面作為車架設(shè)計(jì)的主要平面，繪制出相應(yīng)的樣式之后退出草圖界面，回到[建模]界面進(jìn)行拉伸，經(jīng)過(guò)一系列類似的重復(fù)操作，利用UG軟件建立了如圖3.1的車架三維模型以及主視圖3.2、俯視圖3.3、左視圖3.4。 圖3.1車架三維模型 圖3.2 主視圖 圖3.3 俯視圖 圖3.4 左視圖 11 第4章 優(yōu)化前的車架分析 4 優(yōu)化前的車架分析 4.1 ANSYS軟件的介紹 分析軟件各式各樣，其中最具有代表性的有：ANSYS、SAP系列、ADINA、ASKA以及I-DEAS等等。這些功能強(qiáng)大的有限元軟件，不但可以分析線性問(wèn)題還可以分析非線性的動(dòng)態(tài)特性問(wèn)題，同時(shí)也可以分析單個(gè)實(shí)體或者多個(gè)實(shí)體的結(jié)合體。ANSYS是大型通用有限元分析軟件，其集中了結(jié)構(gòu)、電場(chǎng)、聲場(chǎng)、流體、磁場(chǎng)和耦合場(chǎng)。ANSYS軟件提供的一個(gè)連續(xù)改進(jìn)的功能清單主要包含：電磁分析、接觸分析、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)高度非線性分析、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分、優(yōu)化設(shè)計(jì)、利用ANSYS參數(shù)設(shè)計(jì)語(yǔ)言（APLD）的擴(kuò)展宏命令功能及大應(yīng)變/有線轉(zhuǎn)動(dòng)功能。產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，用戶可以通過(guò)運(yùn)用對(duì)話框、下拉式菜單和子菜單進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入和功能選擇，對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行仿真分析；這種方法方便用戶操作的同時(shí)易于發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品出現(xiàn)的問(wèn)題，節(jié)約設(shè)計(jì)成本，減短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)成功率。 Workbench是ANSYS公司開(kāi)發(fā)研究的協(xié)同仿真環(huán)境，它給產(chǎn)品研發(fā)流程帶來(lái)革命性的變化，它能解決企業(yè)研發(fā)產(chǎn)品過(guò)程中軟件CAE的異構(gòu)問(wèn)題。面對(duì)如今制造業(yè)信息化潮流、數(shù)不勝數(shù)的仿真軟件、保留企業(yè)智力資產(chǎn)等眾多工業(yè)需求，ANSYS公司的觀點(diǎn)一直都是：“保持核心技術(shù)多樣化的同時(shí)，建立協(xié)同仿真環(huán)境”。所有與仿真工作相關(guān)的人、技術(shù)、數(shù)據(jù)在這個(gè)統(tǒng)一環(huán)境中協(xié)同工作，各類數(shù)據(jù)之間的交流、通訊和共享皆可在這個(gè)環(huán)境中完成。 4.2 車架材料選擇和網(wǎng)格劃分 利用UG軟件畫(huà)出如圖4.1簡(jiǎn)化車架的線體圖，以IGS的格式保存之后導(dǎo)入ANSYS workbench中，點(diǎn)擊標(biāo)題欄中的View下的Shaded exterior賦予線體模型截面，在DM界面生成車架的三維模型，如圖4.2所示。 圖4.1 車架線體模型 圖4.2 Workbench中車架有限元模型 在ANSYS中選用不銹鋼作為車架首次分析的材料，具體操作步驟如圖4.3所示：雙擊B2中的Engineering Data,進(jìn)入材料設(shè)置界面，在彈出的快捷菜單Outline Filter中選擇A3欄General Materials,然后單擊Outline of General Material的B10欄的加號(hào)按鈕。 圖4.3 材料選擇 對(duì)于有限元來(lái)說(shuō)，劃分網(wǎng)格是其中最關(guān)鍵的一個(gè)步驟，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響解算的精度和速度。ANSYS Workbench的網(wǎng)格劃比較智能，具有自由網(wǎng)格、掃掠網(wǎng)格、映射網(wǎng)格等多重控制方法。點(diǎn)擊DM 界面分析樹(shù)Mesh，在出現(xiàn)的Details of “Mesh”框中將相關(guān)性Relevance設(shè)置為最高100，網(wǎng)格劃分的元素大小Element Size設(shè)為10mm,屬性設(shè)置完成右擊Mesh點(diǎn)擊Generate Mesh對(duì)車架進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分越小，分析結(jié)構(gòu)就越接近于實(shí)際存在的情況。最后劃分出來(lái)的網(wǎng)格如圖4.4。 圖4.4 網(wǎng)格劃分 4.3 載荷及約束處理 此車架所承受的力主要包括：駕駛員重力400N；發(fā)動(dòng)機(jī)重力150N；外殼及其他附件重力100N。車殼通過(guò)四周的四個(gè)安裝點(diǎn)與車身連接，故將車殼和一些其他小附件的重力分散為4個(gè)分力作用在車架四周。給車輛后方的發(fā)動(dòng)機(jī)施加一個(gè)集中力。人體上半身重量與下半身重量的比值約為9:5。車架中間位置放置駕駛員座位，上半身質(zhì)量作用于臀部的力為256N，腿部中間位置作用于下半身的重力為144N；節(jié)能車車輪采用“兩個(gè)前輪、一個(gè)后輪”的裝置樣式。因?yàn)樾枰獫M足總體設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單輕便的要求，所以此次設(shè)計(jì)的節(jié)能車沒(méi)有設(shè)置彈性懸架系統(tǒng)。車架施加約束載荷后的分布如圖4.5所示。[8] 圖4.5 車架載荷約束的分布圖 約束分為彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況。汽車在較為平整路面上勻速直線行駛時(shí)模擬計(jì)算得到的應(yīng)力分布和變形情況主要是彎曲工況，此時(shí)安裝的車輪三個(gè)平面平行，只需約束兩前輪在UX、UY和UZ3個(gè)方向上的自由度及后輪在UZ方向上的自由度。而彎扭工況下的車輪三個(gè)平面不平行，左前輪則懸空，只約束右前輪在UX、UZ方向上的自由度和后輪在UX、UY和UZ3個(gè)方向上的自由度，其余自由度釋放。 4.4 觀察車架總體變形 對(duì)車架添加位移約束和載荷后，分析求解出應(yīng)力分布和位移狀況。如圖4.6~圖4.8所示的就是計(jì)算分析出來(lái)的應(yīng)力分布圖、位移變形量和總變形分布圖。 圖4.6 應(yīng)力分布圖 圖4.7 位移變形圖 圖4.8 總變形分布圖 從求解出來(lái)的圖4.6和4.7可以看出此次使用不銹鋼材料的車架計(jì)算分析出來(lái)的最大應(yīng)力為40.292MPa，最大位移為1.321 mm。顯然節(jié)能車車架的強(qiáng)度、剛度和變形量均在安全范圍之內(nèi)。 4.5 模態(tài)分析 車架在行駛過(guò)程中所受到外部激勵(lì)主要有兩種：一、一般頻率在20Hz左右的隨機(jī)振動(dòng)；二、工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒所產(chǎn)生的壓力與活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)生成的慣性力引起的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，此類頻率范圍較寬。如果車架某一固有頻率重合與上述兩種頻率，則會(huì)產(chǎn)生共振造成車架損壞的危險(xiǎn)性。因此，需要分析車架固有頻率及振型，以避免發(fā)動(dòng)機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)的激勵(lì)頻率與車架產(chǎn)生共振現(xiàn)象。 選擇Workbench主界面Toolbox 模塊下的Modal選項(xiàng)進(jìn)行一系列的操作，用蘭索斯法的模態(tài)提取方法提取出車架空載狀態(tài)下的固有頻率及相應(yīng)振型。并設(shè)定提取的模態(tài)階數(shù)為10，起止頻率分別為0和100Hz，提交計(jì)算得出結(jié)果如表1和圖4.9～4.12所示。 模態(tài)階數(shù) 自由模態(tài)固有頻率 [Hz] 振型特點(diǎn) Y方向旋轉(zhuǎn) 俯仰 Z方向平移 Z方向旋轉(zhuǎn) X方向旋轉(zhuǎn) Y方向旋轉(zhuǎn) 彎曲 彎曲和扭轉(zhuǎn) S型彎曲 S形側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn) 表1 車架前10階固有頻率及振型 圖4.9 第七階固有振型 圖4.10 第八階固有振型 圖4.11 第九階固有振型 圖4.12 第十階固有振型 對(duì)該節(jié)能車而言，應(yīng)避免車架低階頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)低怠速運(yùn)轉(zhuǎn)狀況下的頻率發(fā)生共振。此外，還要考慮車輛最高速度與最佳節(jié)油效果時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率。車輛最高轉(zhuǎn)速為40km/h，根據(jù)傳動(dòng)方面的計(jì)算，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為4263rpm,運(yùn)轉(zhuǎn)頻率為35.5Hz，未與車架固有頻率重合。發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速為900rpm左右，對(duì)應(yīng)頻率約為6.6Hz，未與車架固有頻率重合；在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3500rpm~4000rpm這個(gè)范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率最小為304g/km，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率為29.1~33.3Hz，未與車架固有頻率重合。[8] 25 第5章 優(yōu)化后的車架分析 5 優(yōu)化后的車架分析 設(shè)計(jì)節(jié)能車車架結(jié)構(gòu)的重要前提是滿足質(zhì)量輕且各方面性能達(dá)標(biāo)的要求，使車架具有成為汽車總成所存在的意義。進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)求解出的近似值精度不夠高，在傳統(tǒng)車架的設(shè)計(jì)方面人類運(yùn)用的是不夠準(zhǔn)確和科學(xué)的類比思想。車架的某些局部應(yīng)力較高、大范圍的應(yīng)力水平較低的現(xiàn)象可以從車架靜力分析的結(jié)果圖上知曉，優(yōu)化強(qiáng)度的空間很大，因此減輕車架質(zhì)量，降低制作成本的優(yōu)化設(shè)計(jì)不可或缺。 上文進(jìn)行分析的車架采用了不銹鋼材料，經(jīng)過(guò)有限元分析之后可以看出來(lái)設(shè)計(jì)的車架有足夠優(yōu)化的空間，為此針對(duì)材料方面進(jìn)行了優(yōu)化，采用了比不銹鋼更為輕型的鋁合金。此次利用ANSYS Workbench12.0進(jìn)行了靜力分析，具體操作如下： 5.1 材料優(yōu)化 打開(kāi)Workbench界面，如圖5.1通過(guò)右擊Toolbox下的Static Structural中A3欄Geometry，選擇Import Geometry /Browse導(dǎo)入已經(jīng)保存好的車架igs格式的文件。 圖5.1 導(dǎo)入車架 雙擊A2中的Engineering Data，進(jìn)入材料設(shè)置界面，如圖5.2在彈出的快捷菜單Outline Filter中選擇A3欄General Materials，然后單擊Outline of General Material的A4欄的加號(hào)按鈕。 圖5.2 材料選擇 雙擊A4欄的modal進(jìn)入DM界面，點(diǎn)擊分析樹(shù)下的mesh，將相關(guān)性和元素尺寸分別設(shè)置為100、10。再右擊mesh選擇出現(xiàn)選項(xiàng)中的Generate Mesh，則出現(xiàn)如圖5.3的網(wǎng)格劃分圖。 圖5.3 網(wǎng)格劃分 約束和載荷的施加與上章中一樣，在此就不再次說(shuō)明了。 對(duì)車架添加約束和載荷后，點(diǎn)擊DM界面分析樹(shù)下的Solution再點(diǎn)擊標(biāo)題欄的Solve，軟件就會(huì)對(duì)車架進(jìn)行求解，包括應(yīng)力求解和位移求解。如圖5.4、圖5.5所示的就是車架分析得出后的應(yīng)力云圖和位移云圖。 圖5.4 應(yīng)力云圖 圖5.5 位移云圖 此次車架的靜力分析得出的最大應(yīng)力為19.857Mpa，最大位移為0.635mm，與不銹鋼材料車架的應(yīng)力和位移變形量相比，其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)減少。滿足強(qiáng)度、剛度要求的前提下，達(dá)到了車架優(yōu)化的要求。 5.2 形狀優(yōu)化 為了能夠有更多的優(yōu)化對(duì)比，又建立了一種在原有車架基礎(chǔ)上稍作變動(dòng)的新車架模型，下面是此模型的靜力分析步驟及圖形。 打開(kāi)Workbench界面，如圖5.6通過(guò)右擊Toolbox下的Static Structural中A3欄Geometry，選擇Import Geometry /Browse導(dǎo)入已經(jīng)保存好的車架igs格式的文件。出現(xiàn)如圖5.7的有限元三維模型。 圖5.6 導(dǎo)入車架 圖5.7 有限元三維模型 雙擊A2中的Engineering Data，進(jìn)入材料設(shè)置界面，如圖5.8在彈出的快捷菜單Outline Filter中選擇A3欄General Materials，然后單擊Outline of General Material的A4欄的加號(hào)按鈕。 圖5.8 材料選擇 雙擊A4欄的modal進(jìn)入DM界面，點(diǎn)擊分析樹(shù)下的mesh，將相關(guān)性和元素尺寸分別設(shè)置為100、10。再右擊mesh選擇出現(xiàn)選項(xiàng)中的Generate Mesh，則出現(xiàn)如圖5.9的網(wǎng)格劃分圖。 圖5.9 網(wǎng)格劃分 約束和載荷的施加與上章中一樣，在此就不再次說(shuō)明了。 對(duì)車架添加約束和載荷后，點(diǎn)擊DM界面分析樹(shù)下的Solution再點(diǎn)擊標(biāo)題欄的Solve，軟件就會(huì)對(duì)車架進(jìn)行求解，包括應(yīng)力求解和位移求解。如圖5.10、圖5.11所示的就是車架分析得出后的應(yīng)力云圖和位移云圖。 圖5.10 應(yīng)力云圖 圖5.11 位移云圖 修改形狀之后的應(yīng)力、位移圖已經(jīng)通過(guò)ANSYS分析得出，最大應(yīng)力為22.857Mpa，最大位移為0.425mm。 對(duì)比結(jié)果如表2 表2 分析對(duì)比 名稱 應(yīng)力（Mpa） 位移(mm) 質(zhì)量(kg) 方案1：不銹鋼原車架 40.292 1.321 24.743 方案2：鋁合金原車架 19.857 0.635 12.956 方案3：鋁合金新車架 22.857 0.425 16.231 上表明確顯示了三種方案的應(yīng)力、位移和質(zhì)量。不銹鋼原車架就不考慮了，對(duì)于方案2、3各有特色，在輕量化的基本要求下我認(rèn)為最終使用方案2比較合適，因?yàn)榉桨?的位移雖然比方案3的位移大，可是兩種之間的差距很小，而且方案2的車架質(zhì)量相對(duì)來(lái)說(shuō)要小，綜合考慮之下認(rèn)為方案2是三者之間最優(yōu)化的。 第6章 總結(jié) 6 總 結(jié) 此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題在基于UG和ANSYS的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了節(jié)能車的車架，收集相關(guān)的資料，分析以往節(jié)能車車架的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是前期的準(zhǔn)備工作。以第六屆HONDA中國(guó)節(jié)能車競(jìng)技大賽的數(shù)據(jù)為例確定車架基本結(jié)構(gòu)及尺寸。對(duì)車架的主體進(jìn)行簡(jiǎn)化的三維建模，針對(duì)三維建模軟件UG與分析軟件ANSYS進(jìn)行了介紹。將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行靜態(tài)分析，通過(guò)變換制作材料以及改變形狀來(lái)得到優(yōu)化。 本次節(jié)能車車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)我主要在制作材料上一開(kāi)始選擇了較為普遍的不銹鋼，引用了較為先進(jìn)的UG軟件三維建模，ANSYS軟件進(jìn)行處理分析。在保持尺寸形狀不變的基礎(chǔ)上，使用了比不銹鋼更為輕型的鋁合金對(duì)原有車架再次進(jìn)行靜力分析，分析對(duì)比了兩者之間的應(yīng)力及位移圖，更改車架結(jié)構(gòu)形狀賦予其鋁合金材料再進(jìn)行分析，三者之間進(jìn)行應(yīng)力位移的對(duì)比，得出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 當(dāng)然設(shè)計(jì)中依然存在著不足之處，在滿足剛度和強(qiáng)度的前提下，我們可以進(jìn)行多方面的優(yōu)化更改，去除多余尺寸、改變外形、使用更為先進(jìn)的材料等，從而達(dá)到最大程度的優(yōu)化。 參考文獻(xiàn) 參考文獻(xiàn) [1] 劉濤.汽車設(shè)計(jì)[M].北京:北京大學(xué)出版社，2008,1. 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