某越野車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).doc

目錄摘要1Abstract21 緒論31.1 課題背景31.2 課題的目的和意義31.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀41.4 車(chē)架的功用和要求42 基于UG的車(chē)架實(shí)體建模52.1 UG軟件簡(jiǎn)介52.2典型的車(chē)架分類(lèi)與特點(diǎn)72.2.1 框式車(chē)架72.2.2 脊梁式車(chē)架92.2.3 綜合式車(chē)架92.3 總體結(jié)構(gòu)方案的確定102.4 車(chē)架縱梁的形式102.5 車(chē)架橫梁的形式122.6 縱、橫梁的連接142.7車(chē)架實(shí)體UG模型及其材料的確定163 車(chē)架的強(qiáng)度分析173.1 車(chē)架的受載分析173.2 中間縱梁的有限元分析183.2.1有限元分析軟件ANSYS183.2.2 中間縱梁的模型創(chuàng)建213.2.3 定義材料屬性223.2.4 中間縱梁的網(wǎng)格劃分223.2.5 車(chē)架中間縱梁的約束施加和載荷施加233.2.6 車(chē)架中間縱梁的受力變形分析243.2.7 車(chē)架中間縱梁的應(yīng)力分析254 結(jié)束語(yǔ)265 謝辭276 參考文獻(xiàn)27某越野車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要：車(chē)架是汽車(chē)上重要的承載部件，車(chē)輛所受到得各種載荷最終都傳遞給車(chē)架，因此，車(chē)架結(jié)構(gòu)性能的好壞直接關(guān)系到整車(chē)設(shè)計(jì)的成敗。特別是對(duì)經(jīng)常需要行駛在惡劣路面的越野車(chē)，對(duì)車(chē)架要求更高，在進(jìn)行車(chē)架設(shè)計(jì)時(shí)考慮車(chē)架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，對(duì)提高整車(chē)的各種性能，降低設(shè)計(jì)與制造成本，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力等都具有十分重要的意義。本文介紹了一種越野車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。文章闡述了車(chē)架的功用和分類(lèi)等基本知識(shí)，并介紹了完成本設(shè)計(jì)所需要的UG、ANSYS等軟件。本設(shè)計(jì)采用邊梁式車(chē)架設(shè)計(jì)方案，文章描述了車(chē)架縱梁、橫梁的設(shè)計(jì)形式；橫梁的形式及布置方案；縱梁與橫梁的固定及聯(lián)接；對(duì)車(chē)架進(jìn)行受載分析；并對(duì)車(chē)架中間縱梁進(jìn)行了有限元分析。關(guān)鍵詞：車(chē)架 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 有限元Abstract: The frame is an important loadbearing part of the automotive, different types of load which are forced on the automotive /(that the automotive subject ) are finally transmitted to the frame. Thus, the property of the structure of the frame is the key to the design of entire car. Especially the full-wheel-driven car which usually works in bad condition has a high desire of the frame. We should take the optimization of the structure of the frame into consideration when we perform the design of the frame for it has an great influence on improving the property of the entire car, reducing the cost of the design and manufacturing and enhancing the competition of the market. This paper introduces a new design of the structure of full-wheel-driven frame. It discusses some basic knowledge, such as the function and classification. It also introduces the softwares which are needed in this design, for example ,UG and ANSYS. This design adopts ladder type frame, and describes the form of the design of the transverse and longitudinal beam of the frame; the form and layout of the transverse beam; the fixation and connection of the transverse and longitudinal beam; the analysis of the load of the frame; the analysis of middle longitudinal beam with the ANSYS.Keywords: Automotive frame; Design of structure; Finite Element Analysis1 緒論1.1 課題背景中國(guó)汽車(chē)工業(yè)規(guī)模在迅速增長(zhǎng)，目前我國(guó)的汽車(chē)年產(chǎn)量已躍居世界第三位，僅次于美國(guó)、日本。近幾年來(lái)，我國(guó)越野車(chē)行業(yè)飛速發(fā)展，市場(chǎng)規(guī)模急劇擴(kuò)大。在低端市場(chǎng)，涌現(xiàn)了如長(zhǎng)城和雙環(huán)等一批知名民營(yíng)汽車(chē)企業(yè)；在中端市場(chǎng)，主流越野車(chē)企業(yè)通過(guò)引進(jìn)國(guó)外技術(shù)，形成了北京吉普切諾基、長(zhǎng)豐獵豹、鄭州日產(chǎn)帕拉丁、華泰汽車(chē)特拉卡等知名企業(yè)和品牌。通過(guò)消化吸收引進(jìn)技術(shù)，我國(guó)越野車(chē)廠(chǎng)家已掌握了一些關(guān)鍵技術(shù)，初步建立了穩(wěn)定、成熟的越野車(chē)零部件配套體系。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)，成為了廠(chǎng)家和客戶(hù)共同關(guān)注的焦點(diǎn)。汽車(chē)作為工程領(lǐng)域的一個(gè)分支，面臨很多問(wèn)題和困難，包括復(fù)雜的幾何形狀、復(fù)雜的載荷作用以及復(fù)雜的支承約束等。在實(shí)際汽車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，安全性是首要的，在保證安全的前提下，又要使車(chē)架的結(jié)構(gòu)合理，便于加工和裝配，同時(shí)也要減少材料的量。這需要對(duì)車(chē)架的強(qiáng)度進(jìn)行分析，通過(guò)強(qiáng)度分析，有針對(duì)地對(duì)一些主要構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。1.2 課題的目的和意義作為汽車(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，特別是對(duì)越野車(chē)，經(jīng)常行駛在較差的路面或者無(wú)路的野外，要求具有足夠的強(qiáng)度和剛度以承受汽車(chē)的載荷和從車(chē)輪傳來(lái)的沖擊。而且汽車(chē)上許多重要總成件都是以車(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)力水平低，強(qiáng)度富余大。因此，有必要采用合理的設(shè)計(jì)方法以降低車(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。1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀早期汽車(chē)所使用的車(chē)架，大多都是由籠狀的鋼骨梁柱所構(gòu)成的，也就是在兩支平行的主梁上，以類(lèi)似階梯的方式加上許多左右相連的副梁制造而成。車(chē)體在車(chē)架之上，至于車(chē)門(mén)、沙板、引擎蓋、行李廂蓋等板件，則是另外再包覆于車(chē)體之外，因此車(chē)體與車(chē)架其實(shí)是兩個(gè)獨(dú)立的構(gòu)造。這種設(shè)計(jì)的最大好處，在于輕量化與剛性得以同時(shí)兼顧，因此受到了不少跑車(chē)制造商的青睞，早期的法拉利與蘭博基尼都是采用的這種設(shè)計(jì)。由于鋼骨設(shè)計(jì)的車(chē)架必須通過(guò)許多接點(diǎn)來(lái)連結(jié)主梁和副梁，加之籠狀構(gòu)造也無(wú)法騰出較大的空間，因此除了制造上比較復(fù)雜、不利于大量生產(chǎn)之外，也不適合用在強(qiáng)調(diào)空間的四門(mén)房車(chē)上。隨后，單體結(jié)構(gòu)的車(chē)架在車(chē)壇上成為主流，籠狀的鋼骨車(chē)架也逐漸改由這種將車(chē)體與車(chē)架合二為一的單體車(chē)架所取代。目前國(guó)內(nèi)外車(chē)架的結(jié)構(gòu)形式主要有三種：邊梁式車(chē)架、中梁式車(chē)架（或稱(chēng)為脊梁式車(chē)架）和綜合式車(chē)架。1.4 車(chē)架的功用和要求在有車(chē)架汽車(chē)（例如各種貨車(chē)、大部分越野車(chē)、一些客車(chē)等）中，車(chē)架被用作汽車(chē)各總成（包括發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)、車(chē)身中的各總成）的安裝基體，承受這些總成的重量及傳給車(chē)架的各種力和力矩。對(duì)車(chē)架的主要要求包括以下幾點(diǎn)。具有足夠的強(qiáng)度，以保證在汽車(chē)大修里程內(nèi)，車(chē)架的主要零部件不因受力而破壞。具有足夠的抗彎強(qiáng)度，以保證車(chē)架的變形在允許范圍之內(nèi)，利于車(chē)架上各總成的正常工作。貨車(chē)車(chē)架的最大彎曲撓度應(yīng)該小于10mm。具有合適的扭轉(zhuǎn)剛度。一般希望車(chē)架兩端的扭轉(zhuǎn)剛度大些，而中段小些。車(chē)架要輕。車(chē)架自身質(zhì)量一般應(yīng)該在整車(chē)整備質(zhì)量的10%以?xún)?nèi)。車(chē)架按其總成結(jié)構(gòu)形式可分為框式（包括邊梁式和周邊式）、脊梁式、綜合式。2 基于UG的車(chē)架實(shí)體建模2.1 UG軟件簡(jiǎn)介圖2.1 UG初始界面UG NX（原名：Unigraphics）是一個(gè)由西門(mén)子UGS PLM軟件開(kāi)發(fā)，集CAD/CAE/CAM于一體的產(chǎn)品生命周期管理軟件。UGS NX支持產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的整個(gè)過(guò)程，從概念（CAID），到設(shè)計(jì)（CAD），到分析（CAE），到制造（CAM）的完整流程。 UG從CAM發(fā)展而來(lái)。20世紀(jì)70年代，美國(guó)麥道飛機(jī)公司成立了解決自動(dòng)編程系統(tǒng)的數(shù)控小組，后來(lái)發(fā)展成為CAD/CAM一體化的UG1軟件。90年代被EDS公司收并，為通用汽車(chē)公司服務(wù)。2007年5月正式被西門(mén)子收購(gòu)；因此，UG有著美國(guó)航空和汽車(chē)兩大產(chǎn)業(yè)的背景。 自UG 19版以后，此產(chǎn)品更名為NX。目前最新版本是NX7.5。NX 是 UGS 新一代數(shù)字化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，它可以通過(guò)過(guò)程變更來(lái)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品革新。NX 獨(dú)特之處是其知識(shí)管理基礎(chǔ)，它使得工程專(zhuān)業(yè)人員能夠推動(dòng)革新以創(chuàng)造出更大的利潤(rùn)。 NX 可以管理生產(chǎn)和系統(tǒng)性能知識(shí)，根據(jù)已知準(zhǔn)則來(lái)確認(rèn)每一設(shè)計(jì)決策。NX 建立在為客戶(hù)提供無(wú)與倫比的解決方案的成功經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，這些解決方案可以全面地改善設(shè)計(jì)過(guò)程的效率，削減成本，并縮短進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間。NX 使企業(yè)能夠通過(guò)新一代數(shù)字化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)向產(chǎn)品全生命周期管理轉(zhuǎn)型的目標(biāo)。NX 提供了完整的集成的流程自動(dòng)化工具套件，使公司可以收集和重用產(chǎn)品及流程知識(shí)，從而促進(jìn)使用企業(yè)最佳實(shí)踐。 設(shè)計(jì)效率 NX 利用獨(dú)特的三維精確描述技術(shù)和功能強(qiáng)大的新設(shè)計(jì)工具重新定義了CAD 生產(chǎn)效率，可提高工作效率、加快設(shè)計(jì)流程、降低成本并改善決策過(guò)程，同時(shí)還可增強(qiáng) PLM 精確描述框架的三維外觀(guān)。 CAE 效率 通過(guò)集成主流幾何體工具及最新的用于建模、仿真、自動(dòng)化和測(cè)試相關(guān)性的強(qiáng)大分析技術(shù)，NX 重新定義了 CAE 效率。將仿真與設(shè)計(jì)同步，執(zhí)行更快的設(shè)計(jì)分析迭代，作出更好的工程決策，從而更快更好地提供產(chǎn)品。 制造效率 通過(guò)利用下面兩個(gè)新應(yīng)用程序?qū)⒛糜谔囟ň幊倘蝿?wù)環(huán)境中，NX 重新定義了零件制造效率：NX 葉輪切削，用于復(fù)雜的葉輪編程；NX CMM 數(shù)控檢測(cè)編程，可根據(jù) PMI 模型數(shù)據(jù)自動(dòng)運(yùn)行。UG軟件基于約束的特征建模技術(shù)和傳統(tǒng)的幾何建模技術(shù)相結(jié)合，具有極為強(qiáng)大的及按摩功能。實(shí)體建模在UG中可以進(jìn)行二維模型和三維模型的草圖設(shè)計(jì)、各種曲線(xiàn)的生成和編輯、掃描實(shí)體和旋轉(zhuǎn)實(shí)體建模，以及參數(shù)化設(shè)計(jì)等實(shí)體建模工作。2. 曲面建模UG同時(shí)具有強(qiáng)大的曲面建模能力，可以實(shí)現(xiàn)直紋面、掃描面、自由曲面的建模，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)廣義掃描、動(dòng)態(tài)調(diào)整曲面以及曲面編輯等功能3. 特征建模UG特征建模模塊提供了各種標(biāo)準(zhǔn)特征的設(shè)計(jì)，如孔、鍵槽、腔體、方形、圓形、凸臺(tái)、圓柱、球體、管道、圓角和倒角等的設(shè)計(jì)，另外，特征擴(kuò)展包括特征拉伸、特征旋轉(zhuǎn)、特征掃描等。4. 裝配建模UG裝配建模模塊主要提供了以下幾種功能l 裝配導(dǎo)航；l 參數(shù)化裝配模塊；l 坐標(biāo)系定位；l 定義不同零件和組件間的參數(shù)關(guān)系；l 標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)調(diào)用；l 直接訪(fǎng)問(wèn)零件或子裝配件；l 統(tǒng)計(jì)零件裝機(jī)數(shù)量；l 生成支持漢字的裝配明細(xì)表；l 裝配干涉檢查功能；l 管理、共享和檢查用于確定復(fù)雜產(chǎn)品布局的數(shù)字模型。5. 工程制圖UG工程制圖模塊可以使工程設(shè)計(jì)者方便地從三維模塊中獲得二維圖形。UG提供了自動(dòng)視圖布置、剖視圖、各向視圖、局部放大圖、局部剖視圖、自動(dòng)或者手工尺寸標(biāo)注、視圖手工編輯、裝配圖剖視、爆炸圖、形位公差、粗糙度標(biāo)注和明細(xì)表自動(dòng)生成等工程制圖工具。6. 工業(yè)設(shè)計(jì)UG工業(yè)設(shè)計(jì)模塊提供了材料和紋理設(shè)置、光源設(shè)置和動(dòng)畫(huà)制作等功能，能夠產(chǎn)生視覺(jué)效果并渲染產(chǎn)品圖片。2.2典型的車(chē)架分類(lèi)與特點(diǎn)2.2.1 框式車(chē)架框式車(chē)架又可以分成兩種，即邊梁式和周邊式。邊梁式車(chē)架邊梁式車(chē)架由左右分開(kāi)的兩根縱梁和若干根橫梁組成，如圖2.2所示。當(dāng)承受扭轉(zhuǎn)載荷時(shí)，這種車(chē)架的各部分同時(shí)產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)。在這種車(chē)架上便于安裝車(chē)身和布置其他各種總成、零部件，易于滿(mǎn)足改裝和變型的需要。這類(lèi)車(chē)架廣泛應(yīng)用于貨車(chē)、越野車(chē)、特種車(chē)和用貨車(chē)底盤(pán)改裝的大客車(chē)上。圖2.2 一種周邊式車(chē)架周邊式車(chē)架周邊式車(chē)架的特點(diǎn)是前、后兩段縱梁變窄，中部縱梁加寬，如圖2.3所示。其中，前、后狹窄端是通過(guò)所謂緩沖臂或抗扭盒與中部縱梁焊接相連。其中，緩沖臂或抗扭盒具有一定的彈性，受力后可以產(chǎn)生一定的彈性變形。這樣就可以是前端或后端的縱梁相對(duì)于中部的縱梁有一定的相對(duì)轉(zhuǎn)角。所以，這種車(chē)架可以緩和路面不平的沖擊、降低車(chē)內(nèi)噪聲。此外，車(chē)架中部寬度接近地板寬度，從而提高了整車(chē)的橫向穩(wěn)定性，還能減少車(chē)架縱梁外側(cè)裝置件的懸伸長(zhǎng)度。前后端較窄可以保證前輪有足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)空間和后輪輪距不致過(guò)大。但是這種車(chē)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，故僅用于中、高級(jí)轎車(chē)上。圖2.3 一種周邊式車(chē)架另外，在某些轎車(chē)的框式車(chē)架中，其中段用X形梁代替橫梁，與左右縱梁相連，可視為框式車(chē)架的一種變形。其優(yōu)點(diǎn)是扭轉(zhuǎn)剛度大，對(duì)限制車(chē)架扭轉(zhuǎn)變形作用較好，并能阻止左、右縱梁在水平面內(nèi)錯(cuò)開(kāi)。2.2.2 脊梁式車(chē)架脊梁式車(chē)架主要是由一根通過(guò)車(chē)架中央的具有封閉斷面的管型脊梁和若干根懸伸托架構(gòu)成的（見(jiàn)圖2.4），扭轉(zhuǎn)剛度較大。采用這種車(chē)架的車(chē)輛其前、后輪常采用獨(dú)立懸架，容許車(chē)輪有較大的跳動(dòng)空間，使汽車(chē)具有較好的通過(guò)性。但是，這種車(chē)架的制造工藝復(fù)雜，維修不便，目前僅用于某些高越野性汽車(chē)上。圖2.4 一種脊梁式車(chē)架的汽車(chē)底盤(pán)2.2.3 綜合式車(chē)架綜合式車(chē)架是綜合了框式和脊梁式車(chē)架的一些設(shè)計(jì)特征而成的。如圖2.5示出一個(gè)綜合式車(chē)架，其中車(chē)架的前、后部均近似于邊梁式結(jié)構(gòu)，而中部采用脊梁式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使中部抗扭剛度大、地板高度低，但地板中部往往形成大鼓包，影響后座的乘坐舒適性，加之工藝復(fù)雜，所以應(yīng)用不廣。圖2.5 一種綜合式車(chē)架2.3 總體結(jié)構(gòu)方案的確定越野車(chē)一般具有爬坡度高、涉水度深、適應(yīng)惡劣道路環(huán)境及野外行駛的能力，既能高速行駛于鋪裝路面，又能行駛于急造路、鄉(xiāng)村土路，還能順暢地通過(guò)無(wú)路地區(qū)，因此，要求越野車(chē)車(chē)架具有足夠的抗彎和抗扭強(qiáng)度?？紤]到上文邊梁式車(chē)架的特點(diǎn)，本課題采用邊梁式車(chē)架設(shè)計(jì)方案。該邊梁式車(chē)架由6根縱梁和10根橫梁以及其他支撐、連接部件組成。6根縱梁：車(chē)架前左、右縱梁；中間左、右縱梁；車(chē)架后左、右縱梁。10根橫梁：前橫梁、前橋連接橫梁、前橋上橫梁、后橫梁、后橋連接橫梁、后橋上橫梁、2根中間橫梁、Z形橫梁、轉(zhuǎn)向油缸下橫梁。2.4 車(chē)架縱梁的形式縱梁是車(chē)架的主要承載零件，在汽車(chē)行駛中承受較大的彎曲應(yīng)力，其長(zhǎng)度大致接近整車(chē)長(zhǎng)度，一般為軸距的1.41.7倍。其形狀應(yīng)該力求簡(jiǎn)單，斷面沿長(zhǎng)度不變或者少變化，以簡(jiǎn)化工藝，縱梁的斷面形狀有槽形、疊槽形、箱形、Z形、管形和工字形等。由于槽形斷面的抗彎強(qiáng)度大，工藝性好，零件安裝、緊固方便，邊梁式汽車(chē)車(chē)架縱梁多采用抗彎強(qiáng)度較大的槽形截面梁，由車(chē)架專(zhuān)用熱軋的鋼板沖壓而成。越野汽車(chē)車(chē)架縱梁一般為等截面的，但也有根據(jù)整車(chē)布置要求做成變截面的。由于越野汽車(chē)前部載荷較小，因此變截面的車(chē)架縱梁主要要是前小后大。改變截面的方式有兩種:一種為槽形截面梁的翼面變窄，一種為槽形截面梁的腹板高度變低。不管哪一種方式，都必須均勻過(guò)渡，以避免應(yīng)力集中。前一種是為了方便布置發(fā)動(dòng)機(jī)，后一種可在保證車(chē)架強(qiáng)度的前提下降低駕駛室的重心高度?？紤]到布置發(fā)動(dòng)機(jī)和工藝簡(jiǎn)單，制造成本低，本設(shè)計(jì)采用等截面的中間縱梁和變截面的前、后縱梁。圖2.6 中間縱梁及其橫截面圖2.7 車(chē)架前左縱梁圖2.8 車(chē)架后左縱梁2.5 車(chē)架橫梁的形式橫梁的主要作用是聯(lián)接左右兩根縱梁，構(gòu)成一完整的框架，保證車(chē)架有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度。從車(chē)架前端到駕駛室圍這一段裝有前懸系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，如因道路不平等原因使車(chē)架產(chǎn)生較大的撓曲變形而影響轉(zhuǎn)向，將使車(chē)輛發(fā)漂甚至完全失去控制，因此，這一段剛度過(guò)小對(duì)于操縱穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)是極為不利的。大多數(shù)汽車(chē)的車(chē)架在這一段都布置了二至三根橫梁。包括后懸架在內(nèi)的車(chē)架后部也必須做成大剛性的。這是因?yàn)楹髴壹軐?duì)于汽車(chē)舒適性和操縱穩(wěn)定性的影響較大，必須采用后部牢固而剛性的車(chē)架結(jié)構(gòu)才有助于諸如轉(zhuǎn)向、側(cè)傾的穩(wěn)定性等問(wèn)題的解決。因此，設(shè)計(jì)的車(chē)架在此段布置了三根橫梁。車(chē)架的前、后兩段的剛性都較大，而大部分車(chē)架變形(彎曲和扭轉(zhuǎn))都集中在車(chē)架中部，所以該段必須具有一定的撓性，以起到緩沖作用，同時(shí)也可避免應(yīng)力集中，消除局部損壞現(xiàn)象。因此，設(shè)計(jì)的車(chē)架在這一段內(nèi)布置了二根管形橫梁。橫梁以設(shè)計(jì)成直線(xiàn)形的效果最好，一般做成簡(jiǎn)單的直槽形。但有時(shí)為了提高橫梁的剛度，橫梁的斷面可采用圓柱或箱形斷面。為了避讓傳動(dòng)軸等部件橫梁不能設(shè)計(jì)成直梁時(shí)，一般做成拱形，但彎曲處要盡量平緩過(guò)渡，以避免應(yīng)力集中。設(shè)計(jì)的橫梁方案: 前橫梁、前橋連接橫梁、后橫梁、后橋連接橫梁、后橋上橫梁、轉(zhuǎn)向油缸下橫梁為箱形截面；前橋上橫梁設(shè)計(jì)成拱形，方便發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等總成的布置； 2根中間橫梁采用管形橫梁。圖2.9 車(chē)架前橫梁圖2.10 車(chē)架后橫梁圖2.11 車(chē)架中間橫梁2.6 縱、橫梁的連接在車(chē)架設(shè)計(jì)中，縱、橫梁連接處的結(jié)構(gòu)形式（也稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)）的選擇也是至關(guān)重要的。橫梁與縱梁的固定一般采用鉚接法、焊接法和螺栓聯(lián)接法。鉚釘聯(lián)聯(lián)接成本低，適于大量生產(chǎn)，目車(chē)架的變形小，日前國(guó)內(nèi)重型汽車(chē)車(chē)架主要要采用該種方法;焊接能夠保證很高的彎曲剛度目聯(lián)接牢固，但因焊接容易產(chǎn)生車(chē)架變形并引起內(nèi)應(yīng)力，所以主要用于小批量生產(chǎn)或修理;螺栓聯(lián)接主要用在某些需要互換或拆卸的部件上，缺點(diǎn)在于長(zhǎng)期使用容易松動(dòng)，在關(guān)鍵部位可采用涂螺栓緊固膠以及采用自鎖螺母的方法解決螺栓松動(dòng)的問(wèn)題。本設(shè)計(jì)對(duì)于連接縱橫梁主要采用焊接和鉚接法，車(chē)架焊接處采用氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接，除規(guī)定特殊地方外，焊腳應(yīng)等于焊接部件的最小板厚，但不小于3。各處焊接應(yīng)符合JB/T 5943-1991 工程機(jī)械焊接通用技術(shù)條件的要求。圖2.12 前橋上橫梁與前縱梁的連接圖2.13 中間橫梁與中間縱梁的連接圖2.14 車(chē)架前縱梁與中間縱梁的連接2.7車(chē)架實(shí)體UG模型及其材料的確定基于UG的車(chē)架模型：圖2.15 基于UG的車(chē)架模型車(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。低碳和中碳低合金鋼能滿(mǎn)足這些要求。越野車(chē)沖壓縱梁的鋼板厚度約5. 0 7. 0 mm，本設(shè)計(jì)取6.0mm。本設(shè)計(jì)采用16 Mn鋼板制造車(chē)架，其疲勞強(qiáng)度-1= 220 260 M Pa。3 車(chē)架的強(qiáng)度分析3.1 車(chē)架的受載分析汽車(chē)運(yùn)行的時(shí)候，車(chē)架會(huì)承受各種載荷，承受來(lái)自駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)、工具箱、主減速器、變速器、傳動(dòng)軸、油箱、蓄電池等載荷，在行駛中還要承受由于路面不平度干擾所產(chǎn)生的載荷、司機(jī)駕駛操作所造成的動(dòng)載荷、碰撞時(shí)引起的沖擊載荷，以及由于自然環(huán)境的變化所產(chǎn)生的偶然載荷等。作用在結(jié)構(gòu)件上的內(nèi)里有冷、熱加工時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力、裝配時(shí)由于零件之間的互相干涉所產(chǎn)生的初始應(yīng)力等。這些載荷往往不是單獨(dú)作用的，而是同時(shí)作用的。此外，這些載荷還會(huì)因產(chǎn)生的方式、車(chē)輛的用途以及使用狀況的不同而有很大變化。車(chē)架上的載荷分為下面幾類(lèi):靜載荷，是指汽車(chē)靜止時(shí)，懸架彈簧以上部分的載荷;對(duì)稱(chēng)的垂直動(dòng)載荷，當(dāng)汽車(chē)在平坦的道路上以較高車(chē)速行駛時(shí)產(chǎn)生的。其大小與垂直振動(dòng)加速度有關(guān)，與作用在車(chē)架上的靜載荷及其分布有關(guān)，路面的作用力使車(chē)架承受對(duì)稱(chēng)的垂直動(dòng)載荷。這種動(dòng)載使車(chē)架產(chǎn)生彎曲變形;斜對(duì)稱(chēng)的動(dòng)載荷，這種載荷是當(dāng)汽車(chē)在崎嶇不平的道路上行駛時(shí)產(chǎn)生的。此時(shí)汽車(chē)的前后幾個(gè)車(chē)輪可能不在同一平面上，從而使車(chē)架連同車(chē)身一同歪斜，其大小與道路不平的程度以及車(chē)身、車(chē)架和懸架的剛度有關(guān)。這種動(dòng)載荷會(huì)使車(chē)架產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。其它載荷如轉(zhuǎn)向離心力載荷、制動(dòng)時(shí)慣性力載荷，由于載荷作用線(xiàn)不通過(guò)縱梁截面的彎曲中心(如油箱、備胎和b.架等)而使縱梁產(chǎn)生附加的局部扭矩。本文中的越野車(chē)架與車(chē)身的連接采用的是懸置點(diǎn)連接，左右共計(jì)10個(gè)懸置點(diǎn)，在重力作用下的靜載荷依次為：第一懸置：1135N；第二懸置：1798N；第三懸置：1967N；第四懸置：2152N；第五懸置：2972N；另外動(dòng)力總成及發(fā)動(dòng)機(jī)，變速箱，離合器，分動(dòng)器重量為2450N。加載方式分別為：十個(gè)懸置點(diǎn)集中加載，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成按照三點(diǎn)懸置集中加載。動(dòng)態(tài)狀況時(shí)，汽車(chē)在該工況下受路面不平整和發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)等影響，產(chǎn)生一定的動(dòng)載荷，由經(jīng)驗(yàn)數(shù)值取動(dòng)載系數(shù)為2035。將動(dòng)載系數(shù)與所受的靜載荷相乘，施加到車(chē)架上分析，約束情況與靜強(qiáng)度分析時(shí)一樣。3.2 中間縱梁的有限元分析3.2.1有限元分析軟件ANSYS3.2.1.1 ANSYS軟件簡(jiǎn)介是一種應(yīng)用廣泛的有限元分析軟件。該軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó)ANSYS開(kāi)發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一。有限元結(jié)構(gòu)分析的主要任務(wù)是：分析機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外載荷作用時(shí)所作出的變化，例如應(yīng)力、位移、溫度等。根據(jù)該變化可以知道機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外載荷作用后的狀態(tài)，進(jìn)而判斷是否符合設(shè)計(jì)要求。一般機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，受到的載荷也相當(dāng)多，理論分析往往無(wú)法進(jìn)行。想要得到解答，必須先簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行分析。 ANSYS軟件融合結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)、電路學(xué)、電磁學(xué)等于一體，是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來(lái)求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問(wèn)題。因此它可廣泛應(yīng)用于機(jī)械、 航空航天、能源、汽車(chē)工業(yè)、土木建筑、水利、生物醫(yī)學(xué)、電子產(chǎn)品、教學(xué)科研等眾多領(lǐng)域。ANSYS提供結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)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、電磁場(chǎng)分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析等分析類(lèi)型，并且還具有良好的用戶(hù)界面、前后處理和圖形功能，因而受到國(guó)際工程界和學(xué)術(shù)界的普遍歡迎和重視。3.2.1.2 ANSYS軟件組成ANSYS分析是對(duì)物理現(xiàn)象的模擬，對(duì)真實(shí)情況的數(shù)值近似。軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。典型的分析流程為：前處理（建模、模型網(wǎng)格）分析計(jì)算（定義載荷、求解）后處理（通用后處理、分析結(jié)果）。流程舉例如圖3.1、圖3.2：圖. ANSYS有限元分析流程圖(二)1) ANSYS的前處理模塊ANSYS的前處理模塊主要有兩部分內(nèi)容：實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分。a 實(shí)體建模：ANSYS程序提供了兩種實(shí)體建模方法：自頂向下與自底向上。自頂向下進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶(hù)定義一個(gè)模型的最高級(jí)圖元，如球 、棱柱，稱(chēng)為基元，程序則自動(dòng)定義相關(guān)的面、線(xiàn)及關(guān)鍵點(diǎn)。用戶(hù)利用這些高級(jí)圖元直接構(gòu)造幾何模型，如二維的圓和矩形以及三維的塊 、球、錐和柱。無(wú)論使用自頂向下還是自底向上方法建模，用戶(hù)均能使用布爾運(yùn)算來(lái)組合數(shù)據(jù)集，從而“雕塑出”一個(gè)實(shí)體模型。ANS YS程序提供了完整的布爾運(yùn)算，諸如相加、相減、相交、分割、粘結(jié)和重疊。在創(chuàng)建復(fù)雜實(shí)體模型時(shí)，對(duì)線(xiàn)、面、體、基元的布爾操作 能減少相當(dāng)可觀(guān)的建模工作量。ANSYS程序還提供了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、延伸和拷貝實(shí)體模型圖元的功能。附加的功能還包括 圓弧構(gòu)造、切線(xiàn)構(gòu)造、通過(guò)拖拉與旋轉(zhuǎn)生成面和體、線(xiàn)與面的自動(dòng)相交運(yùn)算、自動(dòng)倒角生成、用于網(wǎng)格劃分的硬點(diǎn)的建立、移動(dòng)、拷貝和 刪除。自底向上進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶(hù)從最低級(jí)的圖元向上構(gòu)造模型，即：用戶(hù)首先定義關(guān)鍵點(diǎn)，然后依次是相關(guān)的線(xiàn)、面、體。b 網(wǎng)格劃分：ANSYS程序提供了使用便捷、高質(zhì)量的對(duì)CAD模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分的功能。包括四種網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由 劃分和自適應(yīng)劃分。延伸網(wǎng)格劃分可將一個(gè)二維網(wǎng)格延伸成一個(gè)三維網(wǎng)格。映像網(wǎng)格劃分允許用戶(hù)將幾何模型分解成簡(jiǎn)單的幾部分，然后 選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映像網(wǎng)格。ANSYS程序的自由網(wǎng)格劃分器功能是十分強(qiáng)大的，可對(duì)復(fù)雜模型直接劃分，避免了用戶(hù)對(duì)各個(gè)部分分別劃分然后進(jìn)行組裝時(shí)各部分網(wǎng)格不匹配帶來(lái)的麻煩。自適應(yīng)網(wǎng)格劃分是在生成了具有邊界條件的實(shí)體模型以后，用戶(hù) 指示程序自動(dòng)地生成有限元網(wǎng)格，分析、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小，再次分析計(jì)算、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，直至誤差 低于用戶(hù)定義的值或達(dá)到用戶(hù)定義的求解次數(shù)。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 可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線(xiàn)顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線(xiàn)形式顯示或輸出。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。該軟件有多種不同版本，可以運(yùn)行在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)設(shè)備上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。3.2.3.3 ANSYS中的載荷問(wèn)題 在ANSYS中，載荷包括邊界條件和外部或內(nèi)部作用力函數(shù)，在不同的分析領(lǐng)域中有不同的表征，但基本上可以分為6大類(lèi)：自由度約束、力（集中載荷）、面載荷、體載荷、慣性載荷以及耦合場(chǎng)載荷。1、自由度約束（DOF Cinstraints）:將給定的自由度用已知量表示。例如在結(jié)構(gòu)分析中約束是指位移和對(duì)稱(chēng)邊界條件，而在熱力學(xué)分析中則指的是溫度和熱通量平行的邊界條件。2、力（集中載荷）（Force）：是指施加于模型節(jié)點(diǎn)上的集中載荷或者施加于實(shí)體模型邊界上的載荷。例如結(jié)構(gòu)分析中的力和力矩，熱力分析中的熱流速度，磁場(chǎng)分析中的電流段。3、面載荷（Surface Load）:是指施加于某個(gè)面上的分布載荷。例如結(jié)構(gòu)分析中的壓力，熱力學(xué)分析中的對(duì)流和熱通量。4、體載荷（Body Load）:是指體積或場(chǎng)載荷。例如需要考慮的重力，熱力分析中的熱生成速度。5、慣性載荷（Inertia Loads）:是指由物體的慣性而引起的載荷。例如重力加速度、角速度、角加速度引起的慣性力。6、耦合場(chǎng)載荷（Coupled-field Loads）:是一種特殊的載荷，是考慮到一種分析的結(jié)果，并將該結(jié)果作為另外一個(gè)分析的載荷。例如將磁場(chǎng)分析中計(jì)算得到的磁力作為結(jié)構(gòu)分析中的力載荷。3.2.2 中間縱梁的模型創(chuàng)建利用軟件建立的中間縱梁三維模型如圖.所示。圖3.3 車(chē)架中間縱梁三維模型3.2.3 定義材料屬性車(chē)架所選材料16Mn鋼材的彈性模量為206GPa，泊松比為0.29，按照ansys操作輸入，如圖3.4所示。圖3.4 ansys定義材料屬性3.2.4 中間縱梁的網(wǎng)格劃分定義網(wǎng)格劃分單元參數(shù)為0.9，按照ansys操作輸入，如圖3.5.圖3.5 ansys定義單元格大小對(duì)該車(chē)架中間縱梁進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分如圖3.6所示。圖3.6 車(chē)架中間縱梁的網(wǎng)格劃分3.2.5 車(chē)架中間縱梁的約束施加和載荷施加對(duì)車(chē)架進(jìn)行簡(jiǎn)化，看作簡(jiǎn)支梁進(jìn)行約束，即一端約束所有自由度，另一端約束一個(gè)方向的自由度Ux。載荷以集中載荷的形式施加，分三點(diǎn)進(jìn)行加載，其大小分別為F1=1798N，F(xiàn)2=1967N，F(xiàn)3=2152N。約束及載荷施加如圖3.7所示。圖3.7 車(chē)架中間縱梁的約束施加和載荷施加3.2.6 車(chē)架中間縱梁的受力變形分析運(yùn)用ANSYS進(jìn)行有限元運(yùn)算后，結(jié)果如圖3.8所示。從圖中可以看出：車(chē)架兩端和中間加載處變形較大，原因是加載的載荷過(guò)大，單一縱梁中間沒(méi)有加強(qiáng)件。圖3.8 車(chē)架中間縱梁受力變形圖3.2.7 車(chē)架中間縱梁的應(yīng)力分析經(jīng)運(yùn)用ansys進(jìn)行分析后，如圖3.9所示，從有限元模型應(yīng)力云圖上可直觀(guān)的看出：集中載荷加載位置應(yīng)力較大，并且在孔及腹板橫截面變化的位置有應(yīng)力集中。分析結(jié)果顯示，最大應(yīng)力為336.753MPa，小于材料屈服點(diǎn)343MPa。圖3.9 車(chē)架中間縱梁的應(yīng)力云圖對(duì)車(chē)架中間縱梁的分析，是在ansys操作運(yùn)算中，模擬的是實(shí)際材料的屬性，而且所加載荷也是經(jīng)簡(jiǎn)化的，與實(shí)際載荷相差較大，加之車(chē)架縱梁上沒(méi)有安裝加強(qiáng)版等其他加固部件，所以分析的結(jié)果與假設(shè)的理想模