載重貨車車架設(shè)計(jì)及有限元分析【獨(dú)家課程畢業(yè)設(shè)計(jì)含UG三維1張CAD圖紙+帶開題報(bào)告+外文翻譯】

載重貨車車架設(shè)計(jì)及有限元分析

摘要

汽車車架是整個(gè)汽車的基體，是汽車設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。車架支撐著發(fā)動(dòng)機(jī)離合器、變速器、轉(zhuǎn)向器、非承載式車身和貨箱等所有簧上質(zhì)量的重要機(jī)件，承受著傳給它的各種力和力矩。因此，車架必須要有足夠的彎曲剛度，也要有足夠的強(qiáng)度，以保證其有足夠的可靠性與壽命。同時(shí)，隨著現(xiàn)在汽車的發(fā)展，載重貨車的乘坐舒適性，操控性能也在不斷提高，因此車架的設(shè)計(jì)還應(yīng)同時(shí)兼顧舒適性和操控性。

本文以商用載重貨車為研究目標(biāo)，結(jié)合貨車的各項(xiàng)參數(shù)，對(duì)車架進(jìn)行設(shè)計(jì)。確定了車架總成以及縱梁橫梁的各項(xiàng)參數(shù)。運(yùn)用solidworks軟件做出了車架的三維模型圖。同時(shí)利用ANSYS WORKBENCH有限元分析軟件對(duì)車架的四種典型工況做出靜力分析，得到各種工況下的變形情況和應(yīng)力分布情況，同時(shí)對(duì)車架進(jìn)行了模態(tài)分析。最后根據(jù)分析結(jié)果對(duì)車架做出優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞: 載重貨車；車架；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元分析

目錄

摘要 I

ABSTRACT II

1 緒論 1

1.1車架總成概述 1

1.2國內(nèi)外研究情況及其發(fā)展 2

2 車架總成設(shè)計(jì) 6

2.1參考車型及其參數(shù) 6

2.2車架類型的選擇 6

2.3車架設(shè)計(jì)的技術(shù)要求 11

2.4車架的輕量化 13

2.5車架的參數(shù)設(shè)計(jì) 13

3 車架的有限元靜力學(xué)分析 19

3.1車架幾何模型的建立 19

3.2車架有限元模型的建立 19

3.3車架的靜力學(xué)分析 21

3.4 基于靜力分析的車架輕量化 35

4  車架的模態(tài)分析 37

4.1車架模態(tài)分析的基本理論 37

4.2車架有限元模態(tài)分析結(jié)果 39

4.3車架外部激勵(lì)分析 43

5 總結(jié)與展望 46

5.1總結(jié) 46

5.2工作展望 46

參考文獻(xiàn) 48

致謝 50

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設(shè)計(jì)（論文） 題目 載重貨車車架設(shè)計(jì)及有限元分析 設(shè)計(jì)（論文） 類型 （劃“√”） 工程設(shè)計(jì) 應(yīng)用研究 開發(fā)研究 基礎(chǔ)研究 其它 √ 一、 本課題的研究目的和意義 汽車車架作為重型載重汽車的基體，支承著發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器、轉(zhuǎn)向器、駕駛室、和貨箱等所有簧上質(zhì)量的有關(guān)機(jī)件。并且使用條件十分惡劣受力狀況非常復(fù)雜，承受著來自車內(nèi)外的各種力和力矩。同時(shí)載貨汽車行駛路況復(fù)雜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。因而車架應(yīng)該有足夠的剛度、強(qiáng)度和足夠的可靠性與壽命。車架剛度不足會(huì)引起振動(dòng)和 噪聲，也是的汽車的舒適性和操作穩(wěn)定性下降。同時(shí)汽車的扭轉(zhuǎn)你剛度不宜過大，否則將使車架和懸架系統(tǒng)的載荷增大并使汽車車輪的的接地性變差。因此在車架設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮這些問題。傳統(tǒng)的車架設(shè)計(jì)方法很難綜合考慮汽車的復(fù)雜受力及變形情況，利有限元法正好能夠解決這一問題。同時(shí)利用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，可以得到車架結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。從設(shè)計(jì)上避免車架出現(xiàn)共振的現(xiàn)象。通過對(duì)車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以進(jìn)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(duì)降低車架的成本具有重要的意義。通過本次設(shè)計(jì)要熟練掌握載重汽車車架的設(shè)計(jì) 流程及車架設(shè)計(jì)參數(shù)確定，同時(shí)更好的提高自己的二維三維作圖能力和有限元分析能力。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(yīng)用于車架設(shè)計(jì)做好基礎(chǔ)性工作。通過運(yùn)用有限元軟件對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可供車架設(shè)計(jì)提供參考。對(duì)所研究的車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)特性分析，為車架的設(shè)計(jì)提供理論支持。最后對(duì)車架的設(shè)計(jì)做出優(yōu)化，盡量做到輕量化，提高車架的強(qiáng)度。同時(shí)盡可能的節(jié)省成本。 二、 本課題的主要研究?jī)?nèi)容（提綱） 鑒以往經(jīng)驗(yàn)結(jié)合目前國內(nèi)路況設(shè)計(jì)車架總成結(jié)構(gòu)。確定車架的總成 參數(shù)，對(duì)車架縱梁參數(shù)，橫梁參數(shù)計(jì)算。對(duì)總體車架進(jìn)行強(qiáng)度剛度等校核。符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。做出三維模擬圖。 據(jù)受到的載荷信息結(jié)合限元分析軟件對(duì)車架進(jìn)行靜態(tài)和模態(tài)分析。 三、 文獻(xiàn)綜述（國內(nèi)外研究情況及其發(fā)展） 早期汽車所使用的車架，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，以類似階梯的方式加上許多左右相連的副梁制造而成。車體建構(gòu)在車架之上，至于車門、沙板、引擎蓋、行李廂蓋等鈑件，則是另外再包 覆于車體之外，因此車體與車架其實(shí)是屬于兩個(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。由于鋼骨設(shè)計(jì)的車架必須通過許多接點(diǎn)來連結(jié)主梁和副梁，加之籠狀構(gòu)造也無法騰出較大的空間，因此除了制造上比較復(fù)雜、不利于大量生產(chǎn)。隨后單體結(jié)構(gòu)的車架在車壇上成為主流，籠狀的鋼骨車架也逐漸改由這種將車體與車架合二為一的單體車架所取代，這種單體車架一般以“底盤”稱之。 關(guān)于單體車架，簡(jiǎn)單的說就是將引擎室、車廂以及行李廂三個(gè)空間合而為一，這樣的好處除了便于大量生產(chǎn)，模組化的運(yùn)用也是其中主要的考慮。通過采取模組化 生產(chǎn)的共用策略，車廠可以將同一具車架分別使用在數(shù)種不同的車款上，這樣也可節(jié)省不少研發(fā)經(jīng)費(fèi)。 除了有利于共用，車體車架也可以通過材料的不同來發(fā)揮輕量化的特性，鋁合金是 80 年代末期相當(dāng)熱門的一種工業(yè)材料，雖然重量比鐵輕，但是強(qiáng)度卻較差，因此如果要用鋁合金制成單體車架，雖然在重量上比起鐵制車架更占優(yōu)勢(shì)，但是強(qiáng)度卻無法達(dá)到和鐵制車架同樣的水準(zhǔn)。除非增加更多的鋁合金材料，利用更多的用量來彌補(bǔ)強(qiáng)度上的不足。不過這樣一來，重量必然會(huì)相對(duì)增加，而原本出于輕量化考量而采用鋁合金材料的動(dòng)機(jī)，當(dāng)然也就失去了意義。也正因?yàn)檫@個(gè)原 因，鋁合金車架在車壇上并未成為主流，少數(shù)高性能跑車或是使用了強(qiáng)度更高的碳纖維，或是用碳纖維結(jié)合蜂巢狀?yuàn)A層鋁合金的復(fù)合材料取代了鋁合金。但是要用碳纖維制成單體車架，在制作上相當(dāng)復(fù)雜且費(fèi)時(shí)，成本也相對(duì)更高，所以至今仍無法普及到一般市售車上，而僅有少數(shù)售價(jià)高昂的跑車使用，這些是不可能用在載重貨車上的。 盡管鋁合金車架鮮有車廠使用，不過用鋼鐵車架搭配鋁合金鈑件的方式，近年來卻受到不少車廠的重視，這樣的結(jié)構(gòu)不僅可以保留車架本身的強(qiáng)度，同時(shí)也可以通過鈑件的鋁合金化來取得輕量化效果，在研發(fā)成本上自然也不像碳纖維制的單體車 架那樣昂貴。 載貨汽車行駛路況復(fù)雜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。目前國內(nèi)商用車車架設(shè)計(jì)開始從原有的單純經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)入優(yōu)化設(shè)計(jì)階段 ,主要特點(diǎn)是以有限元計(jì)算分析等手段輔助設(shè)計(jì) ,在零件試制之前對(duì)產(chǎn)品就有了初步判斷 ,可以提前解決相當(dāng)數(shù)量的設(shè)計(jì)問題 ,但目前有限元分析還只局限在強(qiáng)度計(jì)算方面 ,壽命計(jì)算做的較少再有一點(diǎn)就是目前國內(nèi)車架的開發(fā)很少經(jīng)過臺(tái)架強(qiáng)度和壽命試驗(yàn) ,而目前國內(nèi)各汽車生產(chǎn)廠車架臺(tái)架試驗(yàn)所需的硬件應(yīng)該沒有問題 ,主要問題缺少參數(shù)輸入方面的積累。另外 ,由于目前國內(nèi)還無法杜絕超載現(xiàn)象的 存在 ,所以我們的車架設(shè)計(jì)偏于保守。相反 ,國外商用車車架開發(fā)過程中有限元分析應(yīng)用比較廣泛 ,而且臺(tái)架試驗(yàn)應(yīng)用也被大量采用 ,有比較成熟的車架臺(tái)架試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn) ,比如奧地利斯太爾公司的臺(tái)架試驗(yàn)現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟 ,車架總成在通過斯太爾的 250 小時(shí)脈沖臺(tái)架試驗(yàn)后只需要進(jìn)行 300 小時(shí)的場(chǎng)地試驗(yàn) ,檢驗(yàn)連接件的可靠性即可 ,通過這兩項(xiàng)試驗(yàn) ,車架的使用壽命可到 100 萬公里 ,目前 公司仍利用斯太爾的試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行車架臺(tái)架試驗(yàn) ,它們的車架如果不經(jīng)過脈沖試驗(yàn) ,整車不投產(chǎn)。從材料的使用情況看 ,目前在節(jié)油、輕量化的壓力 下 ,國內(nèi)外重型商用車車架普遍采用了高強(qiáng)度鋼板 ,2S\500鋼板已經(jīng)廣泛應(yīng)用 從成型工藝方面看 ,傳統(tǒng)的縱梁制造工藝采用大型沖壓設(shè)備及大型模具沖壓成型 ,一次性生產(chǎn)準(zhǔn)備投入大 ,周期長 ,柔性化差 ,精度不高 ,很難適應(yīng)產(chǎn)品和市場(chǎng)的變化。而且 ,隨著縱梁所用材料強(qiáng)度等級(jí)的不斷提高 ,采用傳統(tǒng)制造工藝所需的沖壓設(shè)備會(huì)越來越大 ,對(duì)材料的成型性能要求也高 ,很難適應(yīng)發(fā)展的需要。所以目前普遍采用的是縱梁滾壓成型制造工藝 ,其特點(diǎn)是 :柔性化好 ,精度高 ,一次性生產(chǎn)準(zhǔn)備投入小。 歐美從 90 年代開始逐漸提高了撞擊事故的安全防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，這 也是凸現(xiàn)出車架剛性重要的另一原因。許多車廠為了在撞擊事故發(fā)生時(shí)能夠確保車內(nèi)乘員的安全，惟有針對(duì)車架以及車體進(jìn)行全面強(qiáng)化，這也使得除了車架以外的強(qiáng)度有所改善，包括鈑件厚度的改變以及各種輔助梁的增設(shè)也成為各廠慣用的手法。不過在這樣的情況下，伴隨而來的是車重相對(duì)增加，這也正是歐美日許多市售車的重量比起10 年前、 20 年前增加不少的主要原因。 關(guān)于剛性的確保，大多數(shù)車廠在新車的設(shè)計(jì)階段，都是利用電腦計(jì)算出車架的剛性需求，并以此作為設(shè)計(jì)依據(jù)。有些車廠在用電腦完成設(shè)計(jì)雛形后，還會(huì)再由專業(yè)的試車人員進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。 中國第一 汽車集團(tuán)凌源汽車制造有限公司汽車車架 U 型槽合數(shù)控沖孔生產(chǎn)線競(jìng)標(biāo)成功。 汽車車架 U 型槽合數(shù)控沖孔生產(chǎn)線是我公司繼兩年前成功設(shè)計(jì)制造了合肥江淮汽車廠汽車縱梁數(shù)控平板沖孔生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，在汽車縱梁數(shù)控沖孔方面的又一標(biāo)志性成果，填補(bǔ)了國內(nèi)設(shè)計(jì)制造汽車車架 U 型槽合數(shù)控沖孔生產(chǎn)線的空白。汽車車架 U 型槽合數(shù)控沖孔生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)制造成功，在汽車制造行業(yè)具有劃時(shí)代的意義，標(biāo)志著中國在汽車車架數(shù)控沖孔加工的生產(chǎn)設(shè)備方面達(dá)到了國際先進(jìn)水平，降低了汽車制造行業(yè)購置汽車車架數(shù)控沖孔生產(chǎn)線的巨大費(fèi)用，積極推動(dòng)了中國汽車制造業(yè)的飛速發(fā)展， 為中國汽車制造業(yè)早日與國際接軌奠定了基礎(chǔ)。 目前我國的車架企業(yè)基本擁有剪切、沖壓、焊接、鉚接、油漆、機(jī)加工六大工藝能力和完善的檢測(cè)手段、研究設(shè)計(jì)中心，具有 16 噸至 3000 噸的冷沖壓能力，具備了開發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)各種類型車架 四、 擬解決的關(guān)鍵問題 1、運(yùn)用大學(xué)期間所學(xué)的專業(yè)課程知識(shí)、理論和畢業(yè)實(shí)習(xí)中學(xué)到的實(shí)踐知識(shí)，設(shè)計(jì)一款重型貨車車架總成，確定各方面詳細(xì)參數(shù)，完善汽車車架，選擇合適的車架材料和加工工藝，保證車架的剛度和強(qiáng)度。按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車架進(jìn)行校核。做出三維模擬圖。 2、利用 限元分析軟件 對(duì)車架進(jìn)行靜態(tài)和模態(tài)分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)車架進(jìn)行優(yōu)化。 五、 研究思路和方法 1、首先采用類比的方法，查閱目前國內(nèi)外市場(chǎng)上載重貨車的車架類型及參數(shù)，分析消化，對(duì)已有的某一款車架作出改進(jìn)，重新確定其總成及參數(shù)。對(duì)車架的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行校核。 2、分析貨車的各種典型行駛工況，確定其所受到的各種動(dòng)態(tài)載荷形式，利用限元分析軟件根據(jù)其所受載荷進(jìn)行靜態(tài)和模態(tài)分析，確定其強(qiáng)度及使用可靠性。 3、根據(jù)分析結(jié)果對(duì)車架做出優(yōu)化改進(jìn)。 六、 本課題的進(jìn)度安排 第 3 查閱資料確定課題，填寫開題報(bào) 告。查找翻譯英語譯文。 第 5 車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定車架總成，車架縱梁、橫梁確定，強(qiáng)度校核。 第 8 車架二維圖紙，三維模型建立。 第 10 對(duì)車架進(jìn)行有限元分析并作出優(yōu)化。 第 14 寫畢業(yè)論文，做畢業(yè)答辯。 七、 參考文獻(xiàn) [1] 陳家瑞 . 汽車構(gòu)造 . 北京：人民交通出版社， 2008,168 [2] 余志生 . 汽車?yán)碚?. 北京 : 機(jī)械工業(yè)出版社 , 2000,103 [3] 尹輝俊 ,沈光烈 . 貨車車架有限元分析 [J]. 機(jī)械設(shè)計(jì) 6～ 38 [4] 肖柳勝 ,劉健 ,袁艷艷 ,馬曉偉 ,吳漢川 . 基于多工況的的重載壓裂車架靜動(dòng)態(tài)強(qiáng)度分析 [J]. 西華大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版 ), 2015,2. 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