車身骨架結(jié)構(gòu)分析及輕量化設(shè)計(jì)的研究

1、摘要摘要汽車一直是全球石油消耗的主體，隨著能源危機(jī)的日益加深和環(huán)保意識(shí)的 加強(qiáng)，降低燃油消耗及減少排放已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì),減小汽 車自身質(zhì)蛍、提高燃油效率是今后汽車技術(shù)發(fā)展的主要方向之一.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)分析仿真和模擬技術(shù)越來越多地應(yīng)用到汽 車設(shè)計(jì)中，CAE極大地縮短了產(chǎn)品的研制周期，減少了開發(fā)費(fèi)用，有利于通過優(yōu) 化等手段開發(fā)出性能更為優(yōu)越的汽車整車和零部件。釆用有限元法(FEM)對(duì)汽 車進(jìn)行剛強(qiáng)度以及模態(tài)分析，計(jì)算汽車結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形和振動(dòng)頻率，根據(jù)分析 結(jié)果對(duì)汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以便使其在滿足車身強(qiáng)度和剛度的目標(biāo)要求下, 送到汽車的輕豈:化設(shè)計(jì)。本文基于有限元

2、分析方法研究輕量化設(shè)計(jì)問題，建立了燃料電池汽車“春 暉三號(hào)”的有限元模型，改進(jìn)了懸架靖構(gòu)的設(shè)計(jì)；在各種工況下對(duì)車架進(jìn)行了 剛強(qiáng)度分析，計(jì)算其應(yīng)力和變形，同時(shí)進(jìn)行了車架結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，得到了車 架的振動(dòng)模型；根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化車架結(jié)構(gòu)，完成輕量化設(shè)計(jì)；本文還嘗試了 車身骨架結(jié)合底盤車架-咻化的設(shè)計(jì)，進(jìn)-步降低了整車的質(zhì)量-CAD和CAE技 術(shù)的綜合利用，使飽個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有據(jù)可査，有理可依，用精確的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)來替 代經(jīng)驗(yàn)靜態(tài)設(shè)計(jì)，以降低鋼材的浪費(fèi)，減輕整車重量，降低成本，提高整車的 燃油經(jīng)濟(jì)性。關(guān)鍵詞：輕量化，有限元分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)，車架設(shè)計(jì)AbstractiiABSTRACTThe automobile

3、 is always the primary part of the global fuel consumer, with the energy crisis is more serious and the environmental protection is strengthened, it is to reduce the fuel consuming and harmful gas discharging have been the main trends of the modem automobile technical development and it is one of th

4、e main directions of the automobile technical development in the future to reduce ones own quality of the vehicle and improve the fuel efficiency.With the technology of the computer developing, the computer analysis emulation and simulation technology are applied to the automobile design more and mo

5、re, and CAE has shortened the research cycle of the products greatly, reduced the development expense, helped to develop the vehicle with more superior performance and spare part through the means of optimizing. By the finite element method ( FEM), the automobile structure is carried on intensity, r

6、igidity and modal analysis to calculate the stress, deforming and vibratory frequency of the structure. Basing on the results, the structure of the automobile is ameliorated, in order to make it reach the goal of the lightweight design under the condition of meeting the request for the intensity and

7、 rigidity of the vehicle automobile.The lightweight designs were studied based on the finite element method. The finite element model of the FCV Spring Light 3 was built and the structure of the suspension was ameliorated. The frame was carried the intensity and rigidity analysis under various kinds

8、 of operating conditions to calculate the strain and deformation. The structure of the vehicle was carried the modal analysis to get the vibrational model. Basing on the analysis result the frame was optimized to accomplish lightweight design. The frame of body and chassis attempting to integrate, t

9、he weight of the car was reduced more and more. The integrated application of CAD and CAE technique made the structural design of the automobile reasonable and well-founded. The experienced static design was substituted by the accurate dynamic design in order Io reduce (he waste of the steel, lighte

10、n lhe weight of the automobile, lower the costAbstractand improve the fuel economy.KEYWORDS： lightweight, FE analysis, optimization design frame designin學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本人完全了解同濟(jì)大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定, 同意如下各項(xiàng)內(nèi)容：按照學(xué)校要求提交學(xué)位論文的印刷本和電子版 本；學(xué)校有權(quán)保存學(xué)位論文的印刷本和電子版，并采用影印、縮印、 掃描、數(shù)字化或其它手段保存論文：學(xué)校有權(quán)提供目錄檢索以及提供 本學(xué)位論文全文或者部分的閱覽服

11、務(wù):學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國(guó)家有 關(guān)部門或者機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版;在不以贏利為目的的前 提下，學(xué)?？梢赃m當(dāng)復(fù)制論文的部分或全部?jī)?nèi)容用于學(xué)術(shù)活動(dòng)。學(xué)位論文作者簽名:年 月曰同濟(jì)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，進(jìn)行 研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文 的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的、己公開發(fā)表或者沒冇公開發(fā)表的 作品的內(nèi)容。對(duì)本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集 體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本學(xué)位涂文原創(chuàng)性聲明的法律責(zé)任 由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名:年 月曰第1章緒論2笫1章堵論第1章緒論1.1汽車輕量化的背景及

12、意義1973年之前，石油作為當(dāng)時(shí)最重要的工業(yè)能源，幾乎所有工廠、城市所消 耗的能貝都直接或間接來自石油，為此人們甚至把石油的消屈最視為表現(xiàn)一個(gè) 區(qū)域或國(guó)家的經(jīng)濟(jì)繁榮與否的重要特征。但是這一年發(fā)生的席卷西方世界的石 油危機(jī)改變了這種看法，危機(jī)過后吃夠了苦頭的各國(guó)政府開始認(rèn)真考慮節(jié)約石 油的問題其后1979年的第二次石油危機(jī)更加加深了人們對(duì)于石油以至能源問 題的恐懼，無論是出于政治還是經(jīng)濟(jì)原因，各國(guó)都擁有充分的理由把肯約能源 作為基本國(guó)策強(qiáng)調(diào)節(jié)能的觀念越來越受到重視和普及，人們開始關(guān)心石油還 能支持人類社會(huì)的車輪運(yùn)轉(zhuǎn)多久。據(jù)1997年底美國(guó)油氣雜志報(bào)導(dǎo)：世界石油探明儲(chǔ)量為10195.4億桶，同年世

13、界平均日產(chǎn)原油64.94萬桶，據(jù)此推算，全球 石油探明儲(chǔ)量?jī)H能支撐此產(chǎn)量43年。因此如不出所料，本世紀(jì)中期將出現(xiàn)第三 次石油乃至能源危機(jī)。那么應(yīng)該怎樣應(yīng)付即將來臨的危機(jī)呢？世界各國(guó)H前達(dá)成 的共識(shí)是：一方面積極尋找和開發(fā)替代能源及相關(guān)技術(shù)，比如用風(fēng)力、水力發(fā) 電，擴(kuò)大天然氣的應(yīng)用等，但這些方法大都還不成熟，或者是冇各種條件的限 制，都還不如石油燃料經(jīng)濟(jì)和方便，只能起到輔助的作用，要取代石油的統(tǒng)治 地位還需要很長(zhǎng)時(shí)間的探索，因此在另一方面，更為迫切的就是，最大程度的 減少石油消耗，緩解危機(jī)的來臨，為替代能源的研究和推廣爭(zhēng)取時(shí)間。眾所周知，車用燃油是全球石油消耗的重要組成部分，光是在汽車保有量 僅

14、有2400萬輛的中國(guó)（2003年底數(shù)據(jù)）.2002年石油消耗的25%就是用在車用燃 油上，而世界上各種汽車保有量超過6億輛，按平均每輛汽車年消耗15桶石油 及石油制品來計(jì)算，全球汽車的石油消耗量達(dá)到每年90億桶，約占世界石油總 產(chǎn)最的40%,盡管如此，世界各大車廠每天還在以驚人的速度生產(chǎn)著一輛輛吸 油的鋼鐵昆蟲。雖然各國(guó)政府大力提倡優(yōu)化交通結(jié)構(gòu)，特別是優(yōu)先發(fā)展公共交 通，以求較大幅度降低石油總需12及道路壓力，但是人們擁有自己的私車的愿 望是如此強(qiáng)烈，以至于家庭用車的銷量仍然在不斷增長(zhǎng)。在這樣的背景下，汽 車油耗在石油問題中iF扮演著極為重要而且越來越重要的作用，因此開發(fā)汽車 節(jié)油技術(shù)就成為一

15、個(gè)具有重大意義的課題，世界各國(guó)政府及各大汽車廠家都為 此投入了巨大精力。當(dāng)前各大汽車公司進(jìn)行中的混合動(dòng)力汽車、燃料電池汽車 等項(xiàng)目，使人們開始看到大大節(jié)約甚至不使用燃油的可能，但在這些項(xiàng)目取得 重大突破以至于能批量生產(chǎn)之前，石油燃料仍然是汽車最重要的動(dòng)力源。因此, 通過汽車技術(shù)進(jìn)一步減少油耗，最大程度地延緩石油枯竭的時(shí)間，可謂是人們 為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)而做出的一種現(xiàn)實(shí)的重大努力。而從汽車銷售的角度來看，隨著油價(jià)的不斷攀升，汽車的油耗越來越成為 影響國(guó)家政策及消費(fèi)者選擇車型的重要因素。就中國(guó)市場(chǎng)而一言，統(tǒng)計(jì)顯示1996 年至2002年間中國(guó)原油凈進(jìn)口量已從2000多萬噸增加到約7000萬噸，

16、而旦中石油消費(fèi)對(duì)進(jìn)口的依賴還將逐年上升，2002年中國(guó)石油消資的31%來自進(jìn)口, 而2007年這一數(shù)字將上升到50%以上。根據(jù)汽車財(cái)經(jīng)的消息，2003年12月6 日零時(shí)起，北京市成品油價(jià)格再次調(diào)整，93號(hào)汽油從原先的3.02元/升調(diào)整為3.20元/升，増幅達(dá)6%,到2006年底，93號(hào)汽油價(jià)格己經(jīng)上漲到4.92元/升。 調(diào)價(jià)后，同樣是加100元的汽油，現(xiàn)在比以前要少行駛近百公里。不僅如此, 還有消息稱國(guó)家取消養(yǎng)路費(fèi)改征燃油稅的政策正在籌劃之中。因此使用輕量化 技術(shù)從而減少油耗的汽車將會(huì)在這樣的背景下占有巨大的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。再?gòu)沫h(huán)境 角度看，汽車每年向大氣中排入的二氧化碳段多達(dá)40億噸，占世界上全部

17、二氧 化碳排放雖的25%髄著第三世界國(guó)家對(duì)汽車需求的增長(zhǎng)，這些排放將在今后30 年里増長(zhǎng)至60億噸.而其他汽車排放物如気化物，硫化物，PM等也是大氣污 染的重要因素，因此降低汽車油耗，從而減少?gòu)U氣排放，也對(duì)環(huán)境保護(hù)極為有 利。據(jù)美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)估算，如果美國(guó)的轎車重命減輕25 %.毎天將節(jié)油75萬桶, 全年減少二氧化碳排放6 1.01億噸.那么，怎樣才能有效降低車用油耗呢?首先 要知道，汽車行駛阻力越大，耗油越多?，F(xiàn)在來看一下汽車行駛方程式囚：其中，F(xiàn)為行駛阻力，G為車重，了為滾動(dòng)阻力系數(shù)，。為加速度，a為 道路坡度，$為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，心為汽車質(zhì)量，C為風(fēng)阻系數(shù)，A為 迎風(fēng)面積，y為車速。

18、汽車行駛阻力包括滾動(dòng)阻力、爬坡阻丿J、加速阻力和空氣阻力等四項(xiàng)，從 上式訶以看出，其中前三項(xiàng)均與車重成正比。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，空氣阻力大約占到行 駛阻力的25%,目前減少這部分阻力的措施通常有：流線型車身、全粘接擋風(fēng) 玻璃、隱蔽式雨刮器、下地板全封裝等等，這些措施能幫助人們將風(fēng)阻系數(shù)降第1章緒論到0.3,但己到瓶頸，進(jìn)一歩減小的可能只能寄望于更為流暢低矮的車身，但這樣 不僅需要巨大的技術(shù)與資金的投入，而且不適用于要求空間寬敞的日常用車, 因而應(yīng)該將目光轉(zhuǎn)移到其他的阻力因素上。而剰下的75%,則都跟車重密切相 關(guān)。因此，減輕汽車質(zhì)量:，就成為減輕阻力，從而節(jié)約燃油的重要措施。根據(jù) 研究結(jié)果，汽車自身質(zhì)量

19、每減輕100kg,可節(jié)油0.30.8U100km。根據(jù)寶馬公 司的研究結(jié)果，考慮到不同車型質(zhì)量不同，按百分比來說，整車質(zhì)量降低1%, 則油耗可減少0.6-0.8%. 2002年全球汽車總產(chǎn)量為5800萬輛，試想若能每輛 減輕100kg,取平均節(jié)油效果0.6V100km,以每輛行駛壽命10萬公里計(jì)算，僅 這一年生產(chǎn)的汽車在整個(gè)壽命期間就能節(jié)約燃油3.48HO,oL,即2.2億桶（15917 桶）。同時(shí)汽車減輕自重，還有利于改善汽車的轉(zhuǎn)向、加速、制動(dòng)等行駛性能， 同時(shí)還有利于減輕部件振動(dòng)和降低噪聲，提高舒適性能，對(duì)于某些承我件，其 承栽的重量減輕，冇利于降低元件疲勞損耗，提髙耐久性。例如：一輛重量

20、為1543kg的汽車，若車重減輕25kg,就可使該車加速到60km/h的時(shí)冋從原來的10秒減少到8秒I七此外，汽車某些部件的質(zhì)量是相互關(guān)聯(lián)的。例如車身零部件的減重會(huì)使得 其支承件如懸架、車橋、車輪等的負(fù)荷減小，尺寸和質(zhì)最也就可以相應(yīng)減少， 同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和制動(dòng)器也可以適當(dāng)減輕，因此某些部件的輕鼠化還能引起二次減 重，從而帶來更大的輕妝化效果?，F(xiàn)在隨著人們對(duì)汽車安全性、舒適性、環(huán)保性要求的提髙，汽車上空調(diào)、 安全氣囊、隔熱隔音裝置、廢氣凈化裝置、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、無線電通訊、電子 控制等設(shè)備越來越普及，這無疑在不斷增加汽車的重豪.以大眾GOLF車型為 例，在過去的30多年內(nèi)重量從750kg増加到1070

21、kg就從目前初級(jí)階段的電 動(dòng)車、燃料電池車來看，雖然能夠節(jié)省石油燃料，但其質(zhì)量卻是驚人的大，嚴(yán) 重影響了汽車性能，在減重方面仍然需要巨大努力。因此即使拋開能源問題不 談，為了保持現(xiàn)在及提高.未來的汽車性能，輕量化技術(shù)仍然不可或缺。正是在這樣的原因和背景下，汽車輕量化技術(shù)成為了具有嚴(yán)爾現(xiàn)實(shí)意義的 重要課題。行業(yè)公認(rèn)，輕員化己經(jīng)成為未來汽車發(fā)展的趨勢(shì)之一。1.2有限元法的發(fā)展以及在汽車行業(yè)中的應(yīng)用在汽車CAD/CAE技術(shù)中，有限元分析方法和軟件技術(shù)占據(jù)了一個(gè)極其重要第1章堵論 的位置。對(duì)于汽車這樣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)性能的研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)，有限 元方法被證明是一種最為成功，應(yīng)用最廣泛的近似分析方法

22、。工程實(shí)際中對(duì)復(fù) 雜結(jié)構(gòu)的分析，常常很難得到解析解.有兩種方法可以克服這個(gè)困難：一種方 法是對(duì)復(fù)雜的間題做出種種簡(jiǎn)化，提出許多假設(shè)，回避一些難點(diǎn)，最終簡(jiǎn)化為 一個(gè)能夠解決的問題。但由于有太多的假設(shè)和簡(jiǎn)化，經(jīng)常會(huì)得出不準(zhǔn)確甚至錯(cuò) 誤的解答;另一種方法是盡可能保留問題的各種實(shí)際情況，嘗試尋求近似的數(shù)值 解，放棄封閉形式的解析解，因?yàn)榻茢?shù)值解也可以満足工程實(shí)際需要。在計(jì) 算機(jī)和計(jì)算技術(shù)迅速發(fā)展的今天，后者成為比較現(xiàn)實(shí)和有效的選擇.U!B3有限單元法是近三四十年隨計(jì)算機(jī)的發(fā)展而發(fā)展起來的用于各種結(jié)構(gòu)分析 的數(shù)值計(jì)算方法.它運(yùn)用離散概念，把弾性連續(xù)體劃分為一個(gè)由若干個(gè)有限單 元組成的集合體，通過尋找與

23、原連續(xù)體場(chǎng)問題的等價(jià)的泛函變分形式，得到一 組代數(shù)方程組，最后求解得數(shù)值解有限單元法的基本思想離散化概念早 在40年代就己經(jīng)提岀來，由于當(dāng)時(shí)計(jì)兌條件的限制，沒有引起重視。十年以后, 英國(guó)航空工程教授阿吉里斯(Argyris)和他的同事運(yùn)用網(wǎng)格思想成功地進(jìn)行了結(jié) 構(gòu)分析。與此同時(shí)，美國(guó)克勞夫(R.W.Oough)教授運(yùn)用三角形單元對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn) 行了計(jì)算，并在1960年首次提出了 “有限單元法”這個(gè)名稱。在以后十年中有 限元法在國(guó)際上得到蓬勃發(fā)展。60年代中后期，國(guó)外數(shù)學(xué)家開始介入對(duì)有限元 法的研究，使有限元的發(fā)展有了堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。1965年，津基威茨 (O.CZicnkicwicz)和同事YK

24、Ccung宣布，有限元法適用于所有能按變分形式進(jìn) 行計(jì)算的場(chǎng)問題，有限元法的應(yīng)用被推廣到了更廣闊的范由。有限元法最先應(yīng)用到航空工程領(lǐng)域，后來迅速推廣到機(jī)械與汽車、造船、 建筑等各種工程技術(shù)領(lǐng)域，并從固體力學(xué)領(lǐng)域拓展到流體、電磁場(chǎng)、振動(dòng)等各 學(xué)科。有限元法最早是為解決結(jié)構(gòu)計(jì)算而提出的，并成功地應(yīng)用于工程實(shí)踐中。 隨著研究的深入，有限元法己不僅僅作為一種解決力學(xué)問題的分析計(jì)算方法， 而且也成為一種數(shù)學(xué)上解微分方程的數(shù)值計(jì)算方法。在工程技術(shù)領(lǐng)域，有限元 法的應(yīng)用可分為三大類：(-)進(jìn)行靜態(tài)分析，也就是求解不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)平衡問題.如線弾 性系統(tǒng)的應(yīng)力分析，也可應(yīng)用在靜電學(xué)、靜磁學(xué)、穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)和多孔

25、介質(zhì)中的 流體流動(dòng)等的分析。(二)模態(tài)分析和穩(wěn)定性分析。它是平衡問題的推廣，可以確定一些系統(tǒng) 的特征值或臨界值，如結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定柱.分析及線弾系統(tǒng)的固有特性的分析等。第1章緒論（三）進(jìn)行瞬時(shí)動(dòng)態(tài)分析.求解一些隨時(shí)間變化的傳播問題。如彈性連續(xù) 體的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)分析（動(dòng)力響應(yīng)）和流體力學(xué)等.對(duì)汽車的零部件和整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真和分析，是研究其可靠性、尋 求最佳設(shè)計(jì)方案的主要手段.汽車是由發(fā)動(dòng)機(jī)、車身、傳動(dòng)系、行駛系和制動(dòng) 系等組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，實(shí)際使用中的載荷情況也很復(fù)雜，釆用經(jīng)典力學(xué)的計(jì)算 方法往往有很大的局限性。而有限元方法的發(fā)展和應(yīng)用，為其帶來了一種可靠 的計(jì)算方法有限元分析已成為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中的

26、不可缺少的重要環(huán)節(jié)，融 入到毎一輛汽車的設(shè)計(jì)中.它包括從結(jié)構(gòu)的物理模型抽象為有限元計(jì)算的數(shù)學(xué) 模型，計(jì)算程序的選擇或修改，以及計(jì)算前后大量信息數(shù)據(jù)的處理等過程.這 個(gè)過程最后獲得的主耍數(shù)據(jù)是：結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布、變形分布、內(nèi)力分布，結(jié)構(gòu) 的固有特性和動(dòng)響應(yīng)。利用這些數(shù)據(jù)，就可進(jìn)行相應(yīng)的分析。分析的目的包括: （1）進(jìn)行方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)。計(jì)算結(jié)構(gòu)的動(dòng)、靜態(tài)特性，進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)，預(yù)測(cè) 其疲勞壽命和可靠性。（2）分析故障原因，尋求改進(jìn)方法。在汽車使用中發(fā)生故 障時(shí)，分析其原因，提岀合理改進(jìn)方案。從70年代開始，隨著大容量計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和美國(guó)宇航局結(jié)構(gòu)分析程序 NASTRAN的開發(fā)成功，美國(guó)幾家大的汽車公司

27、開始了一場(chǎng)汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的革 命，RJ. Melosh, K.Kirioka和T.Hirata等人在美國(guó)SAE雜志發(fā)表了一系列介紹 汽車的有限元模型的文堂。1977年，Kamal和Wolf發(fā)表在American Society of Mechanical Engineer上的一篇文章全而評(píng)述有限元技術(shù)在整個(gè)小客車模型上應(yīng) 用的情況。進(jìn)入80年代以來，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展及計(jì)算方法的 創(chuàng)新，有限元模型建立的技術(shù)和方法日趨豐富和完善，模型的規(guī)模也從最初的 幾十、幾百個(gè)簡(jiǎn)單單元發(fā)展到如今的幾萬甚至幾十萬個(gè)混合單元，分析對(duì)象已 由靜態(tài)應(yīng)力到動(dòng)態(tài)響應(yīng)、噪聲、碰撞用優(yōu)化設(shè)計(jì)。應(yīng)用大型有限元軟件，建

28、立 汽車的有限元模型，進(jìn)行汽車的動(dòng)靜態(tài)分析，完成汽車的優(yōu)化設(shè)計(jì)，己是各大 汽車公司普遍釆用的一種手段。美國(guó)福特汽車公司在70年代即使用NASTRAN 軟件，用板梁?jiǎn)卧M(jìn)行車身的靜態(tài)分析，找出高應(yīng)力區(qū)，并改進(jìn)應(yīng)力分布物。n 本五十菱汽車公司在80年代末已將CAE應(yīng)用到車身設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，從最初 設(shè)計(jì)階段的粗略模型到設(shè)計(jì)中、后期的細(xì)化模型，分析的范困包括強(qiáng)度、剛度、 振動(dòng)、疲勞、碰撞及形狀和重量的優(yōu)化舊。進(jìn)入90年代，有限元分析得到更為 廣泛的應(yīng)用。美國(guó)通用汽車公司在通用有限元程序的基礎(chǔ)上自主開發(fā)了后處理 彩序，將發(fā)動(dòng)機(jī)和道路激勵(lì)我荷集成到數(shù)據(jù)庫(kù)中，進(jìn)行汽車對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和道路激第】章堵論 勵(lì)的響應(yīng)分析

29、和改進(jìn)，極大的簡(jiǎn)化了分析過程卩日本尼桑汽車公司利用冇限元 分析仿真來驅(qū)動(dòng)整個(gè)設(shè)計(jì)過程，減少了設(shè)計(jì)時(shí)間，使花費(fèi)、重魚和NVH（noise,vibration, harshness）性能得到優(yōu)化。在分析中使用的模型己經(jīng)包括懸架、發(fā)動(dòng)機(jī)、 輪胎和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)同。美國(guó)福特汽車公司也利用CAE在新車開發(fā)中提高其NVH性 能，取得良好效果囲.與此同時(shí)國(guó)內(nèi)的有限元分析技術(shù)也不斷發(fā)展：1977年，長(zhǎng)春汽車研究所的 谷安濤、常國(guó)振在汽車工程上發(fā)表了 “汽車車架設(shè)計(jì)計(jì)算的有限元方法”， 掲開了中國(guó)汽車工業(yè)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的序幕.進(jìn)入80年代，有限元分析在汽車 結(jié)構(gòu)分析中逐步開始推廣應(yīng)用。清華大學(xué)的官飛和北京第二汽車制造

30、廠的馮保 義等人建立車架梁?jiǎn)卧Ｐ秃蛷椥阅B(tài)與剛體混合建立整車28自由度模型進(jìn)行 車架應(yīng)力分析卩】。吉林工大的王裴和沈陽(yáng)轎車廠的劉聽等人探討了車身骨架模 型建立和計(jì)算中的一些技術(shù)問題，并對(duì)SY-622B客車進(jìn)行了計(jì)算分析囚）。長(zhǎng)春 汽車研究所的谷安濤對(duì)用有限元分析方法進(jìn)行城市客運(yùn)大客車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析進(jìn) 行了大量的研究卩叫進(jìn)入90年代以來，隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，特別 是微機(jī)的性能大幅提高及普及，在微機(jī)上進(jìn)行有限元分析已不再是很困難的事, 使得有限元分析的應(yīng)用向廣度和深度發(fā)展。對(duì)路面譜及汽車輸入譜的研究在繼 續(xù)開展，對(duì)汽車結(jié)構(gòu)的模態(tài)試驗(yàn)、分析和動(dòng)力學(xué)修改也開展了研究網(wǎng)列網(wǎng)，文 獻(xiàn)14中利用模

31、態(tài)分析和結(jié)構(gòu)靈敏度分析的結(jié)果分析故障原因并提出改進(jìn)方案。 文獻(xiàn)|15對(duì)客車結(jié)構(gòu)連桿真實(shí)形狀對(duì)計(jì)算的影響，文獻(xiàn)16研究了貨箱對(duì)車架強(qiáng) 度的影響。有限元模型已更加接近真實(shí)形狀，計(jì)算精度和規(guī)模大大增強(qiáng)，文獻(xiàn)卩7 中用SAP軟件建立桑塔納2000型白車身的板売單元為主的有限元模型，達(dá)到5052個(gè)單元，4442個(gè)節(jié)點(diǎn)。湖北汽車工業(yè)學(xué)院的屈求真總結(jié)了有限元分析在轎 車結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用卩8,對(duì)汽車的碰撞和安全性等非線性問題的有限元分析也在 逐步開展。1.3本論文使用相關(guān)軟件介紹1-3.1 CAD軟件簡(jiǎn)介Unigraphics軟件（簡(jiǎn)稱UG）是美國(guó)EDS公司將CAD/CAM/CAE/PDM集于一 體的大型軟件

32、產(chǎn)品，1990年進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，主要用于汽車、飛機(jī)、船舶等制造 第1章緒論業(yè)的模具及復(fù)雜零件的設(shè)計(jì)、計(jì)算、制造及工程分析-EDS公司曾經(jīng)一度與美 國(guó)通用汽車公司合并，并結(jié)合汽車工業(yè)的實(shí)際對(duì)軟件進(jìn)行了完善和擴(kuò)充，因此 該軟件很適合于汽車工業(yè)。多年來，UG軟件匯集了美國(guó)航天航空與汽車工業(yè)的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展為一流 的集成化機(jī)械設(shè)計(jì)、分析和制造軟件，提供綜合了最先進(jìn)的技術(shù)和一流的實(shí)踐 經(jīng)驗(yàn)的解決方案，使產(chǎn)品開發(fā)從設(shè)計(jì)到加工真正實(shí)現(xiàn)了無縫集成，優(yōu)化了企業(yè) 的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造。在UG環(huán)境中，全部產(chǎn)品及精確的數(shù)據(jù)模型都能在產(chǎn)品開發(fā) 全過程的各個(gè)環(huán)節(jié)中保持相關(guān)，從而可有效地實(shí)現(xiàn)并行工程。目前UG己成為多 家世界著名

33、企業(yè)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、分析和制造的標(biāo)準(zhǔn).UG的實(shí)體建模是其它所 有幾何造型的基礎(chǔ)，它將基于約束的特征建模和傳統(tǒng)的幾何建模融為一體，形 成無縫的復(fù)合式建模工具。它能方便靈活地編輯和修改從特征到自由形狀曲面 的所有實(shí)體模型，將實(shí)體建模，曲面建模、線框建模、半?yún)?shù)化及參數(shù)化建模 融為一體，充分發(fā)揮各自的長(zhǎng)處。UG復(fù)合式建模工具較之純參數(shù)化的系統(tǒng)更為 靈活和自由.它允許在需要的時(shí)候隨時(shí)増加參數(shù)，同時(shí)能有效地運(yùn)用傳統(tǒng)的產(chǎn) .品設(shè)計(jì)過程，并在必要時(shí)與基于約束的特征建模相結(jié)合，在最大程度上滿足設(shè) 計(jì)人員的要求。本課題中電動(dòng)車的所有幾何模型都是在UG軟件下建立的，為以后的進(jìn)一步 修改和有限元分析提供了洋畑而準(zhǔn)確

34、的數(shù)模1.3.2 CAE軟件簡(jiǎn)介運(yùn)用有限元理論進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性的計(jì)算分析時(shí)，可以根據(jù)前述的理論自行編 制程序完成，這需要編程人員同時(shí)具備扎實(shí)的數(shù)學(xué)、力學(xué)基礎(chǔ)和深厚的程序設(shè) 計(jì)功底，但對(duì)所開發(fā)軟件包的驗(yàn)證核實(shí)很耗費(fèi)時(shí)間，并且一些在較低層次上的 重復(fù)投入也不能適應(yīng)生產(chǎn)實(shí)際的需要,另外一個(gè)可行的辦法就是在成熟、通用 的商業(yè)軟件包中進(jìn)行選擇，從中選取最能滿足設(shè)計(jì)要求的軟件，這樣可以把主 要精力放在對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象的研究上，而且可以通過軟件供應(yīng)商的售后服務(wù)，不斷 得到散學(xué)、力學(xué)最新研究成果的支揃。以下是幾個(gè)常見的FEA分析商業(yè)軟件包的對(duì)比，見表1一 1,訶以看出 NASTRAN和ANSYS都能較好的滿足需求,而后

35、者更因?yàn)槟苓M(jìn)行多物理場(chǎng)的構(gòu) 合分析和強(qiáng)大的非線性分析功能（用于汽車的碰撞模擬）得到百睞。第1章緒論 第1章緒論 表1一1常用有限元軟件對(duì)比程序名稱NASTRANANSYSSAP5SUPERSAP類別大型通用大型通用大型通用微機(jī)通用適用機(jī)型大中型機(jī)大中微型機(jī)大中微型機(jī)微機(jī)前處理功能數(shù)據(jù)白動(dòng)生 成有前處理模 塊可繪制模型圖交互式實(shí)體建模 網(wǎng)格自動(dòng)劃分可定義材料信息 數(shù)據(jù)圖形顯示 數(shù)據(jù)檢査無建模能力 網(wǎng)格口動(dòng)生成文件交換 圖形顯示 數(shù)據(jù)檢査分析功能線性靜力學(xué)有有有有1F線性潛力學(xué)有有有有特征值計(jì)算有有有無頻率振型有有有有子結(jié)構(gòu)功能有有無無主要 單元二力桿有有有有空間梁有有有有薄坐單元有有無無膜単元有

36、有有有三維體單元有有有有后處 理功 能結(jié)構(gòu)圖_有有有有變形圖有有有有應(yīng)力分布関有有有有斷而應(yīng)力圖無有無無應(yīng)力響應(yīng)排序有有無無主耍應(yīng)用領(lǐng)域航大、機(jī)械、海洋、車輛航天、機(jī)械,造船、汽軍.、結(jié)構(gòu)建筑，結(jié)構(gòu)、 海港機(jī)械，車輛、結(jié)構(gòu)、造船13.3利用CAD/CAE軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在上述兩種軟件的幫助下，工程人員叩以很好的対H標(biāo)部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。首先利用UG強(qiáng)大的建模功能建立目標(biāo)部件的數(shù)模，再導(dǎo)入ANSYS中劃分網(wǎng)格 及確定材料屬性，最后利用ANSYS強(qiáng)大的計(jì)算分析能力進(jìn)行有限元計(jì)算和后處 理。根據(jù)ANSYS有限元分析的結(jié)果，工程人員可以了解到該部件的重要結(jié)構(gòu)信 息，從而可以在此基礎(chǔ)上對(duì)零件進(jìn)行優(yōu)化，

37、將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)再返回到UG中進(jìn)行 修改，如此反復(fù)，以達(dá)到優(yōu)化的目標(biāo).使用最少的材料滿足剛強(qiáng)度要求; 在合適的位置使用最合適的材料; 通過合理組合減少等部件數(shù)量： 零件位置定位最優(yōu)化： 缶件形狀最優(yōu)化，等等.需要優(yōu)化的目標(biāo)具體包括：(1)(2)(3)(4)(5)而要實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，具體方法有兩種。第一種：主要是人工操作，即工程人員根據(jù)有限元分析結(jié)果得到對(duì)設(shè)計(jì)結(jié) 構(gòu)的性能預(yù)測(cè)，比如整車或零部件在不同受我情況下應(yīng)力預(yù)測(cè)、整車及零部件 碰撞過程變形及斷裂預(yù)測(cè)、不同載荷及路況下零部件失效預(yù)測(cè)等等，憑借相關(guān) 理論加上自己的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)零件的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，再進(jìn)行有限元分析以檢驗(yàn) 優(yōu)化結(jié)果。這樣做的好處在于工

38、程人員既借鑒了上次有限元分析的結(jié)果，有了基本的 優(yōu)化方向，又可以自己根據(jù)實(shí)際情況相應(yīng)更改優(yōu)化參數(shù)，做到對(duì)優(yōu)化過程的完 全控制.不利之處在于參數(shù)更改后仍然得在計(jì)算機(jī)里重新劃分網(wǎng)格和計(jì)算校核， 不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且由于工程人員的水平有高低，很可能無法更改到真正的最 優(yōu)化結(jié)果，甚至適得其反都有可能。第二種：主要是計(jì)算機(jī)操作也目前如ANSYS、NASTRAN等很多有限元 分析軟件都自己帶有優(yōu)化模塊，即可以自動(dòng)對(duì)軍件進(jìn)行優(yōu)化。前提是在分析環(huán) 境中建立參數(shù)化幾何模型，并且輸入相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，例如設(shè)計(jì)變量、狀態(tài) 變量、目標(biāo)函數(shù)等等。根據(jù)這些信息，軟件會(huì)進(jìn)行一系列的分析一評(píng)估一修正 的循環(huán)過程，即對(duì)于初始設(shè)計(jì)

39、進(jìn)行分析，對(duì)分析結(jié)果就設(shè)計(jì)要求進(jìn)行評(píng)估，然 后修iE相關(guān)參數(shù)，重新分析，再評(píng)估修正，如此循環(huán)，直到所有的設(shè)計(jì)要求都 得到滿足為止。這種方法最有利之處就是省時(shí)，計(jì)算機(jī)進(jìn)行一個(gè)循環(huán)也許只需 要幾分鈾，而工程人員可能得花上幾天的時(shí)間。不利之處一方面在于如果是復(fù) 雜部件如汽車車身，網(wǎng)格劃分非常困難，而IL涉及到的設(shè)計(jì)變雖、狀態(tài)變針數(shù)第1-緒論 #笫1章緒論 目非常多，操作起來困難重重，另一方面在于這種分析必須在有限元軟件里以 參數(shù)化方式建模，因?yàn)樗行枰脑O(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量、目標(biāo)函數(shù)等都是基于 模型參數(shù)的，非參數(shù)化模型無法優(yōu)化。但就目前而言，有限元分析功能強(qiáng)大的 軟件，其建模功能往往都較弱，無法建立一

40、些較為復(fù)雜的模型，大多數(shù)工程人 員的做法是在建模軟件里建好數(shù)模再以一定格式導(dǎo)入有限元軟件里進(jìn)行分析， 但這樣導(dǎo)入后的模型會(huì)失去一些特征參數(shù)，成為非參數(shù)化模型。另外，計(jì)算機(jī) 的優(yōu)化結(jié)果不一定具有實(shí)際意義，例如某些梁桿零件優(yōu)化后的厚度是離散變化 的，并不會(huì)符合現(xiàn)有型材的規(guī)格，在實(shí)際使用中很雄選取。因此使用計(jì)算機(jī)優(yōu)化常常只能針對(duì)一些結(jié)構(gòu)或形狀簡(jiǎn)單的零件，對(duì)于處理 復(fù)雜零件還困難多多。但相信隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的快速發(fā)展，這一瓶頸將很 快得到突破。1.4本文研究的主要內(nèi)容同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院多來一直從事電動(dòng)汽車方面的研究，先后開發(fā)了超越系 列燃料電池汽車、春暉系列微型電動(dòng)汽車、登峰系列混合動(dòng)力汽車。其中春暉

41、 系列從2002年開始，已開發(fā)了三代電動(dòng)車，但是各個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)有待于進(jìn)一步的 深化提高。在車架設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)還略顯冗雜，局部布局和尺寸設(shè)計(jì)也不盡合理。 如何更合理地布賞和滿足強(qiáng)度剛度條件下的車架輕量化值得進(jìn)一步研究.雙橫膺扭桿慫架電動(dòng)輪模塊結(jié)構(gòu)作為整車的承載部件，在緊急情況下將會(huì) 受到大的附加載荷的沖擊，對(duì)懸架部分的強(qiáng)度要求很高。如何改善受力條件， 避免載荷集中，加強(qiáng)懸架強(qiáng)度防止懸架的結(jié)構(gòu)失效將是懸架部分改進(jìn)的工作。另外，由于電動(dòng)輪模塊簧下質(zhì)量過大，將會(huì)影響行駛平順性，懸架模塊部 分的輕最化，改善行駛平順性將是另一個(gè)值得研究的問題。?體式玻璃鋼無骨架車身由于要考慮強(qiáng)度問題使其重量相對(duì)于底盤來說顯得過

42、于笨重，在車身部分設(shè)計(jì)骨架和底盤車架一體化不但可以提高車身的強(qiáng)度, 減輕車身的重量，同時(shí)還可以優(yōu)化載荷的分配，對(duì)底盤部分的強(qiáng)度也會(huì)起到加 強(qiáng)作用。因此車身骨架和底盤骨架一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常值得研究。本論文將結(jié)合國(guó)家863電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)燃料電池轎車子課題“四輪驅(qū)動(dòng) 電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)研究項(xiàng)目并結(jié)合以上因素，對(duì)此展JT研究工作。對(duì)車架和 懸架模塊進(jìn)行優(yōu)化分析，提出優(yōu)化結(jié)果和改進(jìn)方案；分析制研究四輪駆動(dòng)電動(dòng) 汽車底盤設(shè)計(jì)中雙層骨架式車架和車身骨架一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論、分析理論 及優(yōu)化理論，提出車架的優(yōu)化模型，給電動(dòng)輪懸架模塊、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向以及車身 提供良好的載體.本論文的研究將為今后的多電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽

43、車的底盤系統(tǒng)提 供有益的技術(shù)基礎(chǔ)。第2章祥暉三弓験車結(jié)構(gòu)介紹 第2章“春暉三號(hào)”整車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介春暉系列電動(dòng)汽車屈于微型電動(dòng)汽車系列，主要適用丁場(chǎng)地車、場(chǎng)館車以及家用微型汽車，在此基礎(chǔ)上開發(fā)的“春暉三號(hào)”是針對(duì)微型電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的, 它一方面繼承了原春暉系列電動(dòng)汽車先進(jìn)的方血，另一方面對(duì)原來結(jié)構(gòu)上的玦 陷和不足加以彌補(bǔ)和改進(jìn)，其結(jié)構(gòu)具有區(qū)別于傳統(tǒng)汽車的鮮明特點(diǎn)。2.1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)“春暉三號(hào)”的動(dòng)力系統(tǒng)為燃料電池和鋰電池的混合動(dòng)力，是以電能和電 機(jī)驅(qū)動(dòng)為動(dòng)力系統(tǒng)的新能源汽車，這是一種十分環(huán)保清潔無污染的、可再生的 能源。燃料電池汽車以気能發(fā)電為動(dòng)力源，均具有冬作放無污衆(zhòng)、高效節(jié)能， 噪聲極低的突出優(yōu)點(diǎn)。輪

44、救電機(jī)是這輛四輪羽動(dòng)車區(qū)別于其他傳統(tǒng)車輛的最根本的變革，地圖2 K由于釆用了輪教電機(jī)，所以沒有減速器、萬向節(jié)、差速器、變速器等設(shè)備， 動(dòng)力直接由電池通過揑制器供給電機(jī)，這樣大大滅少了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，傳動(dòng)效 率很高；同時(shí)屯動(dòng)輪模塊的集成也利于降低生產(chǎn)成本.W2-I電動(dòng)輪模埃M2-2懲料電池和勾旅第2章春嘩三號(hào)旅車結(jié)構(gòu)介紹2. 2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方面“春暉三號(hào)”繼承了以往車型的優(yōu)勢(shì)，釆用線控轉(zhuǎn)向，見 圖23.這里說的線控轉(zhuǎn)向有別于目前已經(jīng)運(yùn)用在成熟車型上的轉(zhuǎn)向助力裝置 它是一種類似于前面講到的電機(jī)取代發(fā)動(dòng)機(jī)而摒棄傳動(dòng)系統(tǒng)的傳遞轉(zhuǎn)向力的轉(zhuǎn) 向系統(tǒng)。就這個(gè)系統(tǒng)而言，完全拋棄了機(jī)械聯(lián)接的轉(zhuǎn)向柱等結(jié)構(gòu)。駕

45、駛員所控 制的方向盤，其實(shí)就是一個(gè)傳感器，由傳感器生成電信號(hào)傳給轉(zhuǎn)向器用于執(zhí)行 轉(zhuǎn)向的動(dòng)作.這樣的線控轉(zhuǎn)向，是一種柔性的聯(lián)接，有兩大好處：第一，轉(zhuǎn)向 機(jī)構(gòu)的空間布置靈活性較大：其二，方向盤可以比較自由的安放在不同的位置, 在前駕駛座可設(shè)置一個(gè)滑道，讓方向盤滑動(dòng)，這樣可以改變不同的駕駛位置. 滿足不同的需要.另外，在轉(zhuǎn)向盤上安裝了一個(gè)路感電機(jī)來模擬路感，這樣形 成了人一車一環(huán)境的一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，見圖24圖23軒向電機(jī)和轉(zhuǎn)向桿8)2-4方向盤2. 3車架結(jié)構(gòu)“春暉三號(hào)”采用的是非承載式車身，整個(gè)車身質(zhì)量完全由車架來負(fù)擔(dān)；除 了車身及車內(nèi)的部件，還有諸如蓄電池、燃料電池、氫瓶、電機(jī)控制器等設(shè)備 需

46、?？臻g安放，兼顧到承栽式車架的總的剛度與強(qiáng)度的要求，因此底盤結(jié)構(gòu)采 用了如圖2-5所不的雙層骨架式車架，這對(duì)于滿足整車的抗彎抗扭也是十分有 利的。同時(shí)，上層與下層車架之間有足夠的空間來提供以上這些設(shè)備的安裝。第2章春暉三號(hào)魅車站構(gòu)介紹 IOPWOWW2-5雙層骨架式車架2. 4懸架結(jié)構(gòu)懸架就是在車輪與車架或車身之間提供彈性聯(lián)接，依靠弾性聯(lián)接來傳遞車 輪或車橋與車架或車身之間的垂向載荷，并依靠其變*來吸收能量，達(dá)到緩沖 目的的裝置。懸架分為獨(dú)立懸架和非獨(dú)立懸架：以縱置鋼板彈簧為弾性元件兼作導(dǎo)向裝胃的非獨(dú)立懸架.由于存在一根連 接左右車輪的整體軸，黃下質(zhì)量大，汽車平順性較差；當(dāng)汽車行駛在凹凸不平

47、的路面上或轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不利的軸轉(zhuǎn)向特性。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修 方便，工作可靠.獨(dú)立懸架優(yōu)點(diǎn)是，黃下質(zhì)量??；懸架占用的空間小；汽車行駛平順性好， 左、右車輪各自獨(dú)立運(yùn)動(dòng)互不影響，可減少車身的傾斜和震動(dòng)，同時(shí)在起伏的 路面上能獲得良好的地面附著能力。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，維修困難。因?yàn)椤按簳熑?hào)是雙壓犬的車架，加之使用輪轂電機(jī)等因素，為提高車 納的操織穏定性和行駛平順性因血采用獨(dú)立公架獨(dú)立懸架乂分為雙橫宵式単橫曾式、雙縱皆式、單縱停式、單斜膺式、 友斐遜式和扣轉(zhuǎn)梁隨動(dòng)腎式等幾種，如表2-111：第2章春暉三號(hào)勲車結(jié)構(gòu)介紹表21獨(dú)立懸架的類型穴鎌,Mv*qfloz初K也良地*KI5BXW

48、G&WE!V抗彎截面系數(shù)甲。等1-（衆(zhòng)=2130 ,慣性矩/ 芻x30（l登）-28262，6430懸架理論上接受到最大的力，即垂向力E=3000N，行駛方向受力氣=1900N,在此狀況下進(jìn)行分析.首先考慮行駛方向懸架的受力情況，如圖3 1所示，此時(shí)可將下橫脣的受力狀況簡(jiǎn)化為二力桿受力狀態(tài)，這樣可以列出方程式,(1)Fx sina + *sina .耳-1900圖3-1下橫臂行駛方向受力圖由下橫臂的形狀可求sin a-0.235,臂長(zhǎng)約為340mm,從而解出？；=.=4040N.懸臂繞Z軸的力矩方程為；七今330一七一片(2)因?yàn)閒； =L，由此可推出繞厲ft的轉(zhuǎn)矩M =、2 = 194 Nw

49、m。從而可以計(jì)算出拉伸產(chǎn)生的應(yīng)力為?變形址為4 攵=4040 x340 .0 O2|m ,E4 200000 x327由于彎矩很小，所以彎曲應(yīng)力可以忽略不計(jì)?？梢娪芍苿?dòng)力產(chǎn)牛的應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，因此制動(dòng)力對(duì)下橫腎結(jié)第3章雙橫臂扭桿懸架的分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn) 第3章雙橫臂扭桿懸架的分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn) 構(gòu)強(qiáng)度的影響是很小的.下面，考慮垂向力對(duì)下橫臂的影響，如圖32所示，此時(shí)下橫臂受力比較 復(fù)雜，懸臂是在有拉伸情況下的彎扭組合工況，其中桿1 （連接扭桿弾簧的懸臂）將承受由垂向力產(chǎn)生的繞Y軸的全部力矩:(3) 330 -3000X330=9.9X 105 N,mm, Myl - 0圖3-2下橫臂蠢宜方向

50、受力圖桿2由于受到桿1變形的影響，將會(huì)產(chǎn)生軸向的拉力：5 烏，% . F“，已+% 3000（4）最后關(guān)于繞Z軸和繞X軸的轉(zhuǎn)矩可以列岀以下方程：M,-0(5)凱月，80月建160凱2E】“60-E80這是一次靜不定結(jié)構(gòu)，所以還需要一個(gè)變形協(xié)調(diào)方程才能得到解，桿2對(duì)桿 1的變形會(huì)有影響，因?yàn)樵赬和Y方向上的力懸架是以二力桿形式承受，所以這兩 個(gè)方向的力不會(huì)產(chǎn)生很大的變形，所以只考慮z向的力對(duì)懸架的影響./宜烏）3E/34 x 30003x2x10)28262=7mm(6)桿1發(fā)生彎曲變形，首先假設(shè)桿2沒有作用，即F,/0,則桿1變形蛍機(jī)為：桿2發(fā)生拉伸變形，假設(shè)桿2的變形是由于樸1的變形所引起的

51、，產(chǎn)生的變形 量約為: TOC o 1-5 h z % . 73402 + 72 - 340 0.07“(7)所以，桿2的拉力約為：s 犬 2x10s x-(3tf-222)x0.07旦畢4134502V(8)2 I340 F -F x-13450 x -280122 I340(9)將返回式(6)中進(jìn)行送代，最后求出=217N, 5X - 6.4mm , 220MPa. 199MPa和 196MPa,除了第一個(gè)以外其它三個(gè)均滿足強(qiáng)度要求.由圖中可以看出，矩形截 面在邊緣處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，所以隨著抗彎載面系數(shù)的增加而最大應(yīng)力債 卻沒有得到有效的降低.實(shí)際中使用的矩形鋼管邊緣要經(jīng)過圓角處理，所

52、以真圖313矩形截面40X25壁厚3陽(yáng)314矩形截而40X25壁厚4實(shí)的最大應(yīng)力數(shù)值應(yīng)該小于分析的數(shù)值，如果除去應(yīng)力集中的影響，后兩種矩 形截面的息瞥最大應(yīng)力應(yīng)該在185MPal60MPa左右。第3章雙橫at扭桿懸架的分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn) 圖3-15炬形霍面40X25壁厚5圖3-16矩形截面40X30壁厚4以上是通過直接加粗懸臂的方法以滿足懸架的強(qiáng)度要求，這種方法筒単， 效果明顯但是相対于車架來說懸齊顯得有些笨重.如果不加粗懸臂，為了滿 足剛強(qiáng)度的條件就必須改盤懸臂的部分結(jié)構(gòu)來改變其受另方式，或?qū)ζ湮ｋU(xiǎn)截 面部位進(jìn)行加強(qiáng)。針對(duì)這部分的改變，本文主要考慮通過三種方法：加長(zhǎng)花健連接套筒，在懸臂連接套筒的

53、地方加入加強(qiáng)筋.將下橫備連接車架的兩個(gè)套筒連接起來，這樣通過套筒的整體結(jié)構(gòu)可以 便沒有連接扭桿的懸臂分擔(dān)部分的垂向力將下橫皆單臂承擔(dān)彎矩改為雙膺承擔(dān)以減小懸皆的橫截面積。囲3-17到圖3-32是以上三種方案的分析結(jié)果，9)3-18 &W sus 4 最大應(yīng)力 248MPa圖3-17懸背sus_3燈大應(yīng)力310MPa第3章雙橫臂扭桿懸架的分析和站構(gòu)改進(jìn)2圖3-19懸臂$u$_4J呆大應(yīng)力259MPa圖 320 AV sas_4_2 最大成力 243MPa圖3-21懸皆su3_5_1技大應(yīng)力236MP.E 3-22懸臂sus 5 2最大應(yīng)力209MPa圖3-23艮臂su5_r_2J最大應(yīng)力273M

54、Pa 圖3-24懸曾sus.r_2_2最大應(yīng)力285MPa第3章雙橫曾扭桿懸架的分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn) 第3章雙橫扭桿懸茱的分析和姑構(gòu)改進(jìn) 圖3-31懸臂sus_str_l最大應(yīng)力309MPa 圖332懸W sus_str_2址大應(yīng)力239MPa表3-2是懸架分析的結(jié)果，通過以上的分析，可以得出這三種方法各自的 優(yōu)映點(diǎn)：（1）采用加強(qiáng)筋的方法普遍可以使懸臂的應(yīng)力得到減小，特別是使用縱向 的加強(qiáng)筋時(shí)效果更明顯，而旦材料使用較少，重量小，加工也比較方便。但是 由于套筒需要加K,扭桿的安裝端部就需要相應(yīng)的加長(zhǎng)，而且扭桿是釆用花鍵 的連接，精度高，加工難度和成本較大，而且太長(zhǎng)的安裝端面在懸臂加工過程 中容易發(fā)

55、生變形，導(dǎo)致以后裝配的困難；另外加強(qiáng)筋寬度不能選擇很寛，所以 應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，加強(qiáng)筋的應(yīng)力過大，很容易超過強(qiáng)度極限導(dǎo)致加強(qiáng)筋的撕 裂,（2）將安裝套筒連接，結(jié)構(gòu)不需要很大改變，加工也簡(jiǎn)電，但是這種結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力改善的效果不明顯，而旦最大的問題也是最致命的冋題就是這種結(jié)構(gòu)很 難安裝，或者要安裝就要通過設(shè)計(jì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來進(jìn)行，這將提高設(shè)計(jì)難度，相 對(duì)于此結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力改善的頁(yè)獻(xiàn)，完全沒有實(shí)用價(jià)值，因此這種方案將被否定.（3）釆用雙臂共同分擔(dān)彎矩效果明顯，強(qiáng)度好，結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)單，加工方便， 但是由于有兩根懸臂，結(jié)構(gòu)顯得很牌腫，重量大，而且這種方法也需要加長(zhǎng)套 筒，所以也存在和第-種方法一樣的缺點(diǎn)，將増加套筒和扭

56、桿安裝端而的加工 難度.表32懸架分析結(jié)果母冒名稱連接方式部件尺寸紋大應(yīng)力出現(xiàn)位賈suspension!原模型30,壁厚4460根部sus str 1通管30,壁摩5309根部sus str 2通管34,壁厚6239根部susj單皆圓管加粗040,壁厚4226根部sus l 2單宵圓管加粗040.壁厚5| 186根部皿 3單臂橫向加強(qiáng)板筋032,壁厚5310靠近根部和加強(qiáng)筋sus 4單臂橫向加強(qiáng)板筋834,壁厚5248毒近根部和加強(qiáng)筋sus 4 l單皆橫向加強(qiáng)板筋34,壁厚5259移向根部sus 4 2單轉(zhuǎn)縱向加強(qiáng)板筋034,壁厚5243毒近根部和加強(qiáng)筋sus 5 1單臂縱向加強(qiáng)板筋34,壁厚

57、6*236加強(qiáng)筋根部sus 5 2單臂縱向加強(qiáng)板筋34,壁厚6209加強(qiáng)筋根部sus 5 3i單臂縱向加強(qiáng)板筋032.壁厚5293加強(qiáng)筋根部sus 5 4:單臂縱向加強(qiáng)板筋中32,壁厚5261加強(qiáng)筋根部sus_r.l単曾方管加粗40X25壁厚3260根部sus t2中甘方管加粗40X25壁月4220根部sus t 1 3MB單怦方管加粗40 X 25壁厚5199根部sus r 1 4單皆方管如粗40 X 30壁序4196根部sus r 2 1単腎方管加強(qiáng)相交30X20壁厚3273中間和根部sus2 2單臂方管加強(qiáng)平行30X20壁厚3285加強(qiáng)方管根部sus r.2 3単腎方管加強(qiáng)相交30X20

58、壁厚4241加強(qiáng)方管根部sus r 2 4單臂方管加強(qiáng)平行30X20壁厚4250加強(qiáng)方管根部sus丄3 1單臂方管加強(qiáng)相交30X30壁厚3218加強(qiáng)方管根部$us_r_3.2單腎方管加強(qiáng)平行30 X 30壁厚3239加強(qiáng)方管根部sus_r_3_3單臂方管加強(qiáng)相交30 X 30壁厚4175加強(qiáng)方管根部sus r 3 4單野方管加強(qiáng)平行30 X 30壁厚4198加強(qiáng)方管根部sus r 5 1単皆方管加強(qiáng)筋加強(qiáng)相交30 X 20壁摩3313加強(qiáng)筋根部sus r 5 2甲皆方管加強(qiáng)筋加強(qiáng)平行30X20嶼摩3332加強(qiáng)筋根部sus r 5 3単.皆方管加強(qiáng)筋加強(qiáng)相交30X2017 4286加強(qiáng)筋根部su

59、s r 5 4MB單臂方管加強(qiáng)筋加強(qiáng)平行30X 20襟忡4335 1加強(qiáng)筋根部第3童雙橫債扭桿是架的分析和姑構(gòu)改進(jìn) 第3章雙橫腎扭桿懸架的分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn) 3.4懸架改進(jìn)結(jié)果的整體分析根據(jù)前面的分析結(jié)果可以得到如下兒種慫架的優(yōu)化方案，見表33。懸架 的優(yōu)化不僅要考慮強(qiáng)度剛度的條件，而且還要使懸架盡量的輕量化，同時(shí)考慮 加工的成本和安裝的難度，選擇最合適的方案。表3-3懸架分析小結(jié)連接方式規(guī)格最大應(yīng)力面積優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)矩形管加粗40X25壁厚5196550結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單繁重短形管加粗40X30壁厚4199496圓管加粗40壁厚5186550結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單笨重圓通管不可行圓管相交加強(qiáng)筋032壁厚5 I194424加工

60、制造簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng) 力集中明顯圓管平行加強(qiáng)筋032壁厚5191424雙矩形管平行加強(qiáng)30 X 30壁厚4175416X2強(qiáng)度靖好結(jié)構(gòu)臃腫，重 量大雙炬形管相交加強(qiáng)30X30壁丹.4198416X2矩形管平行加強(qiáng)筋30X20!J74194336加工制造簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成 力集中明顯矩形管相交加強(qiáng)筋30X20壁厚4197336根據(jù)本慈架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)最后選擇矩形管的單臂加粗的方案，矩形管規(guī)格為40X25壁厚4,并旦去掉了沒有貢獻(xiàn)的兩個(gè)懸膺之冋的加強(qiáng)筋，在ANSYS環(huán)境里直接建模，一共采用了五種單元1州1佝，見表34：表3-4懸架單元使用說明單元類型懸架部位單元數(shù)約束PIPE16懸臂6BEAM4遷接扭桿