汽车车身轻量化结构设计

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2011届　　　　　　　　　分类号：　　　　　　　　　　　　　　　　　单位代码：10452本科专业职业生涯设计题目汽车车身轻量化结构设计姓名　　　　　学号　　　　　　　年级　2007级　　　　　专业　　　车辆工程　　　　　系　（院）　　　工学院　　　　　指导教师26 2011年4月24日星期日目录人生需要梦想2（一）引言3（二）自我分析4（三）环境条件分析43.1家庭条件分析43.2社会环境的分析4摘要5ABSTRACT5第1章汽车车身轻量化概述61.1汽车轻量化的意义61.2汽车轻量化的发展6第2章汽车车身轻量化设计的材料选择72.1高强度钢是占主导地位的轻量化材料72.2铝合金是最有希望取代钢铁材料的轻量化材料112.3塑料和复合材料12第3章汽车轻量化设计的分析133.1轻量化设计的分析原则133.2减重：轻量化评价参量143.3性能：满足各类碰撞法规153.4轻量化与成本的关系16第4章运用CAE技术进行某微型客车车架结构的分析与优化设计164.1CAE技术164.2动力学分析174.3静力分析204.4优化设计23第五章结束语24参考文献25谢辞2626 人生需要梦想1引言实现梦想的第一步就是要有梦想，即人生需要梦想。没有梦想对于每个人来说是非常可怕的一件事情，如同无头苍蝇似的到处碰壁。现代社会很多人由于商品经济的发展和变化很快，很难对自己的人生进行一个长期的规划。佛家有云：“缘自性空”、“空无自性”。的确在现代社会，人们的生活节奏加快，社会更新换代同样很快。如果我们不加紧自己的脚步，跟随时代的步伐，不断学习，将很难有长足的进步。而有一份长期稳定的规划是有必要的。首先，职业生涯规划是帮助个人对抗变幻莫测的世界的一种不变的工具。中国人讲究“以不变应万变”，因此更加需要有一份稳定的职业生涯规划了。其次，稳定性的追求是符合人性的，按照马克思的观点，在科学高度发展的现代社会应该是没有宗教的。但现代社会宗教的不断发展，信众的不断增加导致了马克思思想的直接破产。为什么在科学不断发展人类认识水平不断发展的今天还是有如此之多的人信仰宗教呢？其中一个原因就是因为宗教提供了人一个稳定性的追求和信仰……那么对于在校大学生该怎样规划自己的职业生涯呢？对于在校大学生，首先要对自己有一个清醒的认识，知晓自己的优点、缺点等等。另外在对自己有一个比较完备的认识的时候要明确自己的兴趣，明确自己的目标，通过目标的明确要找准自己日后的社会地位定位，履行好自己的社会角色。当然在这个过程当中必须不断提高和完善自己的能力，并对当代社会对自己的职业的要求和职业本身的发展前景要有一个清醒的认识。我是一个不善于规划自己人生的人，我认为“理想与现实总是相差很远”。其实很多时候人的一生只要掌握好它的大体方向就可以了，我们不必苛求每一件事情都做到尽善尽美，那样太累。只要做事无愧于心，走到哪里都可以挺起胸膛，我的人生没有白来。我想在自己的人生路上先在远通汽贸公司的汽车售后方面有所建树，这几年先把自己的基础打牢，然后在谈论职位提升的问题。“生有涯，而学无涯”、“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”。“26 我是一个在海滩上拾石子的人，偶尔拾到了一两块石头，但真理的海洋尚未被我们发现。2自我分析2.1优点社交能力强，善于交朋友；为人勤奋、正直；乐于探索，有求知的欲望；有理想有目标；在汽车、商业等方面有钻研的的精神；做事认真、细致、周到，力求使每件事达到完美的标准；自己认准的事，往往以不记代价的方式达到要求（当然有时这也是一种缺点）。2.2缺点说话啰嗦而且比较直，不善于伪装自己的喜怒哀乐；朋友多，但会认真对待知心朋友很少；有想法，但往往不能及时实施；生活没有太多的规律，使得对新鲜事物有种排斥感；缺乏自信；知识面不够广，视野不够开阔。2.3兴趣：对汽车情有独钟；爱好汽车和商业知识；在休闲时刻，喜欢看小说，也喜欢打篮球和羽毛球，注重劳逸结合。2.4小结：优缺点极其明显，不善于改变自己。希望以后继续发扬优点，做到更好。面对缺点，找到差距，制定具体措施，努力弥补。个人爱好是一种难得资源，也是一种充沛的能源，要大力开发，最大程度地为自己的工作、生活服务。3环境条件分析3.1家庭条件分析我出生于一个农村家庭，世代没有摆脱贫穷的压迫，父母看到只有知识才是摆脱困境最好的方法，所以，他们将所有的积蓄都用在我和姐弟的学业上，希望我们能够走从穷困的小山村，见到外面宽广的世界。面对父母的期望，面对自己的人生，我能做的只是努力提高自己的能力，实现自己的理想。3.2社会条件分析近三年我国汽车市场产销发展迅猛，市场环境26 急剧变化，使我国汽车产业面临重组和整合压力，企业利润不断下降。这就迫使汽车企业不断地适应市场变化，寻找新的利润增长，从而获得长足的发展。对于我国的汽车生产企业来讲，现实的可行之路就是必须迎合市场需求变化、提高服务水平、建立自主品牌、选择适合的销售模式，才可在更加激烈的竞争中寻求自身的发展。那么针对汽车车架就非常有必要进行结构上的优化与设计！汽车车身轻量化结构优化设计摘要车辆轻量化是减少原材料的消耗、降低车辆的生产成本、减少排量的最有效措施之一。减轻汽车车身自重一般有两种途径：一是从材料人手，采用轻金属或现代复合材料等低密度材料制作车架，以减轻结构重量；二是从优化设计入手，对现有钢结构车架进行结构优化设计，在保证承载能力和可靠性的前提下减轻其质量。本文首先介绍了汽车车身轻量化的意义，然后对汽车车身材料进行一个优化选择，进而对汽车车身轻量化设计进行分析，最后运用CAD技术对某款车进行车身结构轻量化进行优化设计。关键词:汽车车身;轻量化;CAE技术;优化设计AbstractThevehiclereducinginweightismosttheproductioncostofdissipation,step-downvehiclethatreducesrawmaterialsandreducetolineupquantitativeoneoftheeffectivemeasures.Easeautocarcarbodydeadloadtogenerallyhavetwokindsofpaths:Onefromthematerialhand,lowdensitymaterialcreationcarstands,suchasadoptionlightmetalandmoderncompositematerial...etc.toeasestructureweight;Twofromexcellentturnadesigntocommence,carryonstructurevstheexistingsteelstructurecarstandexcellentturnadesign,assurethatloadingcapabilityandthepremiseofreliabilitydowneaseitsmass.Thisarticleintroducedthemeaningofautocarcarbodyreducinginweightfirst,thencarriedononevstheautocarcarbodymaterialexcellentturnaselect,thendesignprogressvstheautocarcarbodyreducinginweightanalysis,theend26 makesuseofaCAEtechniquetocarryoncarbodystructurevsacertaincarreducinginweighttheprogressBeexcellenttoturnadesign.Keywords:autocarcarbody;educinginweight;CAEtechnique;isexcellenttoturnadesign.1汽车轻量化概述1.1汽车轻量化的意义当前，能源短缺及环境污染问题已成为制约中国汽车产业可持续发展的突出问题，无论是从社会效益还是经济效益考虑，低油耗、低排放的汽车都是节约型社会发展的需要。汽车轻量化不但可以提高车速，还能降低油耗、减少废气排放量和改善安全性（缩短刹车距离和减少碰撞惯性）。然而，汽车轻量化绝非是简单地将其小型化而已。首先应保持汽车原有的性能不受影响，既要有目标地减轻汽车自身的重量，又要保证汽车行驶的安全性、耐撞性、抗振性及舒适性，同时汽车本身的造价不被提高，以免给客户造成经济上的压力。车辆轻量化是节能减排的重要手段，实现轻量化对乘用车来说，可以直接提高燃油经济性，高强度材料的使用还可提高安全性；对商用车，可以有效提高单位承运能力和平均燃油效率。当然，对于重型汽车来说，这些优越性更能充分体现出来。材料显示：汽车自重每减少10%，油耗约降低6%～8%、排放降低5%—6%；车桥、变速器等装置的传动效率提高10%，燃油效率可提高3%；而燃油消耗每减少1升，二氧化碳的排放量减少2.45kg。当前汽车技术发展中，轻量化技术的应用水平已经成为企业技术和产品水平的重要衡量标志之一。1.2轻量化技术的发展汽车轻量化的技术内涵是：采用现代设计方法和有效手段对汽车产品进行优化设计，或使用新材料在确保汽车综合性能指标的前提下，尽可能降低汽车产品自身重量，以达到减重、降耗、环保、安全的综合指标。汽车轻量化技术包括汽车结构的合理设计和轻量化材料的使用两大方面。一方面汽车轻量化与材料密切相关；另一方面，优化汽车结构设计也是实现汽车轻量化的有效途径。与汽车自身质量下降相对应，汽车轻量化技术不断发展，主要表现在：(1)轻质材料的使用量不断攀升，铝合金、镁合金、钛合金、高强度钢、塑料、粉末冶金、生态复合材料及陶瓷等的应用越来越多；26 (2)结构优化和零部件的模块化设计水平不断提高，如采用前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等来达到轻量化的目的，计算机辅助集成技术和结构分析等技术也有所发展。车辆轻量化是减少原材料的消耗、降低车辆的生产成本、减少排放的最有效措施之一。对于重型汽车，车架自重和其所占整车重量比例均较大。因此减轻车架自重对车辆轻量化研究具有重要的意义。本文以汽车车身材料的选择和车架的优化设计为重点研究了汽车车架轻量化结构优化设计问题，给出了参数化优化数学建模，并结合某汽车车架进行了结构优化设计，给出了优化设计方案，在保证原车架承载能力的前提下使其重量减轻约11%。2.汽车车身轻量化设计的材料选择2.1．高强度钢是占主导地位的轻量化材料2.1.1高强度钢的应用及技术难点尽管轻金属材料、塑料、复合材料等近年来在汽车上的应用不断扩大，但高强度钢以其在成本、安全、制造工艺等方面的优势，依然是首选的轻量化材料。以某自主品牌白车身为例，其车身冲压件高强度钢的应用比例为46.5%，车体（不含四门两盖）高强度钢的应用比例为43%，主要使用了如下高强度钢：180BH、220BH、P180、P230、ST280、340LA、590R、TRIP600、TRIP800、590Y、780Y、SS400、SAPH440、980Y（进口）等。图1显示目前各种材料在汽车制造中的百分比。由图可见，钢铁材料约占汽车重量的60%。26 图1.汽车轻量化设计材料使用比例但是，高强度钢应用的技术难点在于成形技术。十年前，高强度钢成形的主要问题是与范性应变相关的缩颈与开裂问题，控制要点是使零件的应变程度低于临界应变。而目前高强度钢成形的主要问题，则是与弹性应力及应力释放相关的零件尺寸精度和回弹问题，见图2。具体来讲，先进高强度钢（AHSS）成形过程中的主要问题为：（1）变形过程中出现加工硬化，屈服强度提高，流变应力较（2）由于零件厚度减小，因而不易保持形状；（3）缺少补偿回弹的模具设计经验。图2.钢板的典型力学性能表1.开发材料的力学性能26 为了解决这些问题，对超高强度钢（AHSS）零件模具的设计和选材极为关键。表1给出了高强度钢的发展目标。在模具设计过程中，要特别注意两个突出和三个关注。两个突出是，要突出考虑模具结构的高压承受力，突出考虑模具的回弹补偿功能。三个关注是，要关注模具基体的刚性与韧性，防止失效；关注模具表面硬化，防止磨损；关注模具表面粗糙度，保证零件表面质量。在进行模具材料选择时，应综合考虑诸多因素，包括：（1）钢板强度、厚度及表面复层；（2）模具结构、可制造性和可加工性、曲率；（3）有效润滑；（4）零件成本等。2.1.2高强度钢的热成形技术汽车设计中，兼顾轻量化和碰撞安全性的一个重要手段是采用高强度轻量化材料。因此各类汽车用板的屈服强度和伸长率的关系就成为了汽车轻量化材料选择的一个重点。如图3.但是，目前还难以生产出满足这一强度级别的双相钢和TRIP钢，即便能够生产出来，在这样高的强度下，冲压构件的回弹和模具的磨损等问题也难以解决。于是，热成形高强度马氏体钢及相应的成形工艺和应用技术应运而生。目前凡是达到U-NCAP碰撞4星或5星级水平的乘用车型，其安全件（A、B、C三柱和保险杠防撞梁、门防撞杆、保险杠防冲柱等）大都采用了抗拉强度1500MPa、屈服强度1200MPa的马氏体钢。对高强度钢的热成形技术，我们需要重点关注的是用钢选择、热成形用钢的表面镀层、模具设计和热成形零件的检测问题。用钢选择是保证热成形零件性能的重要一环。目前，世界上热成形零件用钢几乎都选用硼钢种，因为微量的硼（B）可以有效地提高钢的淬透性，可以使得零件在模具中以适宜的冷却速度，获得所需的马氏体组织，从而保证零件的高的强度水平。26 IF—无间隙原子钢;Mild—低碳铝镇静钢;HSSIF—高强度IF钢;BH—烘烤硬化钢;IS—各向同性钢;CMn—碳锰钢;HSLA—高强度低合钢;DP—双相钢;CP—复相钢;TRIP—相变诱发塑性钢;Mart—马氏钢;TWIP—孪晶诱发塑性钢;Stainless—不锈钢;Bsteel—热冲压用钢图3各类汽车用板的屈服强度和伸长率的关系常用的钢种包括：Mn-B系（上海宝钢开发）热成形用钢、Mn-Mo-B系（北美、欧洲等多用此系列）、Mn-Cr-B系（高淬透性热成形钢）、Mn-Cr系（部分马氏体热成形钢）、Mn-W-Ti-B系（如韩国POSCO公司开发的高烘烤硬化细晶粒热成形钢）。由于热成形过程是重新加热到奥氏体区的过程，为避免或减少加热过程的氧化，需要对热成形钢进行表面镀层。目前开发的用于热成形的镀层板包括：镀Al板、镀Al-Si合金板和镀Zn板等。韩国POSCO钢铁公司正在开发纳米镀层板，以提高镀层的结合力，防止镀层在加热和成形淬火过程中剥落。福特汽车在有关标准中还说明，Al-Si镀层的金属间化合物相为AlxFeySiz，镀层上层金属间化合物为Al60-70Fe30-40Si10+微量其它元素，而镀层下层金属间化合物则为Al50-60Fe45-55。考虑到成本问题，有时也采用非镀层板、热轧板或冷轧板。图4表现了我国汽车用镀锌板和高强度钢量占白车身重量的比例。26 图4我国汽车用镀锌板和高强度钢量占白车身重量比例图2.2铝合金是最有希望取代钢铁材料的轻量化材料铝材料的很多特点使其适宜于在汽车上应用：（1）重量轻，仅为钢材的1/3，因而可提高车辆有效载荷比例；（2）强度、韧性高，接近于钢；（3）耐腐蚀性能好，氧化铝是天然的防腐屏障，不需涂层或衬套，不污染运输货物；（4）易于挤压成形；（5）低温性能优异；（6）物理性能优良，包括优良的表面反射性能和热传导性能、无磁性、不产生火花、无毒等；（7）良好的可再生性。在轿车上，铝合金材料被大量用于结构件、车身空间框架和车身覆盖件。其中结构件包括：发动机缸体、保险杠系统、散热器、空气压缩机活塞、发动机支架、悬架零件、制动零件、驱动轴、座椅支架、车身结构件及零件、车轮、后罩板、悬架支架、仪表板结构件、风26 周边结构件、电子分配系统等。就铝合金在商用车上的应用，有一实例显示，通过使用铝合金，铰接式载货车可平均减重811公斤，其结果是每使用一公斤铝合金可使车辆使用寿命期间CO2排放量减少29.1公斤，使车辆全生命周期内CO2排放量减少27.5公斤。又如瑞典SCANNIA的一款牵引车，通过对驾驶室、车体装饰件、车罩盖、散热器、保险杠、引擎、变速箱壳体、轮毂、燃料罐、悬架、框架纵梁、横梁、车门等使用铝合金，共可减重1137公斤。铝合金在客车上可以应用的部件包括：底盘结构件、外覆盖件、行李厢门、传动轴套、油箱、锻造铝轮毂、后厢盖板、内装铝制型材、车顶蒙皮、透光天窗框架、热交换系统、致光铝覆盖板、框架、装饰条等。相对于使用钢铁材料，在商用车上使用铝合金主要有三方面优势：（1）可减轻整车重量，从而带来提高有效载荷、降低燃油消耗、提高制动性能、降低整车重心提高安全性、降低对路桥的损坏、提高轮胎寿命等效果；（2）可减少防腐维护费用，因为不再需要喷涂载货平板或载货厢，板料有切痕和刮伤时也不致生锈，易于清洗并保持美观；（3）可设计额外的美观装饰，如设计光亮的装饰件、保险杠、油罐、踏板等。轧制铝合金板用于商用车上的不同用途时，产品类型及主要性能要求也有所不同。表2轧制铝合金板在商用车上的用途、产品类型及主要性能要求2.3塑料和复合材料与相同结构性能的钢材相比，塑料和复合材料一般可减轻部件的重量在35％左右。低密度与超低密度片状成型复合材料的发展提供了更多的潜力，在重量减轻与强度方面达到甚至超过了铝材，整体成本通常更低。26 塑料是由非金属为主的有机物组成的，具有密度小、成型性好、耐腐蚀、防振、隔音隔热等性能，同时又具有金属钢板不具备的外观色泽和触感。目前，塑料大都使用在汽车的内外饰件上，如仪表板、车门内板、顶棚、副仪表板、杂物箱盖、座椅及各类护板、侧围内衬板、车门防撞条、扶手、车窗、散热器罩、座椅支架等。而后逐渐向结构件和功能件扩展。例如发电机及其相关系统、冷却系统等。塑料也在向制作车身覆盖件方向发展。    复合材料即纤维增强塑料，是一种增强纤维和塑料复合而成的材料。常用的是玻璃纤维和热固性树脂的复合材料。增强用的纤维除玻璃外，还有高级的碳纤维、合成纤维。复合材料作为汽车材料具有很多优点：密度小、设计灵活美观、易设计成整体结构、耐腐蚀、隔热隔电、耐冲击、抗振等。目前玻璃钢复合材料的应用非常广泛，尤其在欧美车系中。其中尤以SMC和GMT的应用最为广泛。曼、雷诺、沃尔沃、奔驰、依维柯、达夫等欧洲重型卡车制造商的驾驶室材料中，都大量选用了SMC。在国内，SMC材料在汽车领域也得到了广泛的应用，尤其是商用汽车领域。中国重汽、陕西重汽、福田欧曼、重庆红岩等主要重型卡车制造商，其驾驶室的制造都不同程度地采用了SMC材料。2.4其他轻量化材料       精细陶瓷是继金属、塑料之后发展起来的第3大类材料。其发展史只有20年左右，但具有优良的力学性能(高强度、高硬度、耐腐蚀、耐磨损等)和化学性能(耐热冲击、耐氧化、蠕变等)。作为轻量化材料用于汽车零件，不仅直接起到轻量化的作用，更因其优良的耐热性、耐腐蚀性和耐磨性，用于汽车发动机燃烧室及热交换器等零件，使功率提高，油耗大大下降，从节能角度看则间接地起到轻量化效果。蜂窝夹层材料是早已在飞机上采用的材料，其最大特点是刚性高、比强度高、密度低。目前应用在汽车上的实例还不多，但应用研究在不断前进，将来会较多地得到运用。   3汽车轻量化设计的分析3.1．轻量化设计的分析原则概括起来，轻量化设计是四个方面的集成，一是不同专业优势的集成，即是设计、分析、工艺、材料等不同专业领域优势的集成；二是不同材料优势的集成，即根据不同零部件的性能要求采用适宜的材料；三是不同加工工艺和加工方法的优势集成，即根据零部件和材料特点采用适宜的加工工艺和加工方法；四是综合考虑零件性能和整车性能的集成，从而达到轻量化、高性能、低成本的效果。因此，当我们评价一个产品的轻量化设计时，必须考虑功能、减重和成本等三方面内容。所谓功能，即要满足一定的法律法规要求，如满足一定的碰撞法规要求；所谓减重，即要达到一定的减重效果；所谓成本，即功能和减重必须在一定的成本控制前提下来实现。举例来说，某两个轻量化白车身用材及在功能、减重和成本上的比较见表3。26 表3某两个轻量化白车身用材及在功能、减重和成本上的比较3.2减重：轻量化评价参量宝马公司提出了轻量化系数的概念，作为评价车辆轻量化的参量，其定义为：其中，L为轻量化系数；MGer为白车身重量（不包括车门和覆盖件）；Ct为白车身（包括玻璃）的静扭刚度，也可取该值的2/3，此时必须保证装好的挡风玻璃上的载荷可以承受，因为高表面拉应力会引起挡风玻璃损坏；A为轮距与轴距相乘的面积。由于乘用车轻量化的重点是白车身、覆盖件和悬挂系统，当从不同角度评价一个产品的轻量化水平时，Ct的取值应不同。当侧重以车辆的NVH性能评价轻量化参量时，Ct值取一阶弯曲或扭转的固有频率值；当侧重以轻量化的覆盖件评价轻量化参量时，Ct值取抗凹性指标值；当侧重以轻量化的悬架系统评价轻量化参量时，Ct值取弹簧的刚度和疲劳寿命。26 图5.Ct值的选取3.3．性能：满足各类碰撞法规白车身的动态刚度、静态刚度及其他特性与车辆的被动安全密切相关，是优化车身抗冲击能力并满足各类碰撞法规的基础。图6展示了各类碰撞法规。图6各类碰撞法规26 3.4轻量化与成本的关系成本是轻量化设计中的重要因素。轻量化结构材料往往伴随半成品成本、制造装配成本和维修成本的提高，因此轻量化必须以成本可接受度为前提。从下图（图7）可以看出，通过考虑几何尺寸、结构设计、载荷大小、使用条件等轻量化设计手段可以使零件的重量和成本同时下降一定的幅度，如图中从A点到B点所示。若想进一步减重，则必须同时应用轻量化材料和轻量化设计两种手段，如图中从B点到C点。由于从B点到C点的减重过程伴随着成本的上升，最终的减重程度将取决于对成本的可接受度，即每减重一公斤所增加的成本的可接受度，从而确定C点的位置，即减重的最大限度点。此外，减重的程度还应考虑结构强度及其他物理特性。图7轻量化与成本的关系示意图4运用CAE技术进行某微型客车车架结构的分析与优化设计4.1CAE技术CAE（计算机辅助工程分析）技术的兴起及应用，滞后于CAD（计算机辅助设计）技术，尤其在汽车工业以及机械行业。当前，在中国汽车行业CAD技术已广泛得到应用，在产品设计过程中已经摈弃手工绘图的时代，将企业中的图纸信息数字化，大大节省成本。CAE技术在国外大型企业已经广泛应用，在国内的发展应用刚刚起步。本文首先26 计算了静力挠度，静态弯曲、扭转刚度，然后求解了固有模态，并在此基础上获得典型道路激励下的瞬态响应，此外，还对车架典型薄壁梁结构的耐撞性吸能特性进行研究，配合实验数据，对车架结构进行了合理的改进设计，实现了满足轻量化要求的静态优化设计目标，彰显CAE技术在汽车研发过程中的作用日益重要。4.2动力学分析动力学分析一般是指载荷作用历程与时间有密切关系的问题类型，以下包括模态分析与道路激励下瞬态响应分析。4.2.1模态分析表4表明第一阶固有频率出现在18.198Hz，由于车身与车架在整车中是紧固联接的，不考虑车架与车身出现共振的危险，而应当考虑发动机与车架共振的危险，因为发动机与车架是悬置联接，发动机的爆发频率为16～20Hz；常用车速爆发频率为33.3～50Hz，车身第一阶模态12.922Hz，第二阶模态19.661Hz，有可能发生共振。路面不平度对汽车运动所引起的激励多属于20Hz以下的垂直振动，有激起车架一阶扭转共振的可能，但考虑到车身与车架的刚性联结可抑制该阶振型，还需要进行整车模态的分析。表4各阶模态列表模态阶次固有频率（Hz）模态类型118.198一阶扭转模态（绕x轴）231.720侧向弯曲模态（绕z轴）334.023垂向弯曲模态（绕y轴）440.761二阶扭转模态（绕y轴）549.077局部模态（第六根地板横梁）650.226局部模态750.871局部模态（第二根地板横梁）852.426局部模态（第一根地板横梁）957.690扭转模态（绕z轴）4.2.2道路激励下瞬态响应分析模拟车架满载工况下受到搓板路中的一个小坡激励的瞬态动力学分析，位移激励设置在两前轮的悬架弹簧底部，模拟两前轮的过坡过程。路面尺寸依据定远总后试车场搓板路给出，路面激励为半正弦波形，坡高20mm，波长400mm，车速定为20km/h，车架承载14088.1N，重力加速度g。26 车辆在搓板路上行驶时，两前轮同时被抬起或落下，在前轮处受冲击载荷，车架受惯性力作用产生弯曲。前悬、后悬用弹簧单元COMBIN14模拟。后悬底部均为全约束，前悬的14个弹簧单元底部节点约束除过UZ方向的其他五个自由度，UZ自由度作为位移激励用，将一个半正弦小坡分为6个载荷步，写入6个载荷步文件，每个载荷步内定义10个子步，时步大小为0.002s，载荷步如图8，激励非对称是想检验计算结果会不会在后两个载荷步上出现突变，验证本模型的正确性。图8位移激励曲线分别取出纵梁上五个不同部位的节点结果，进行结果察看，位移曲线如图9，由于车架结构对称，约束对称，载荷对称，位移激励对称，所以，节点选取左纵梁还是右纵梁，结果出入不大。在激励点之后的各点起初的位移出现了负值，表明车架纵梁发生弯曲变形产生转角，纵梁中部区域的变形是单调递增变化，表明弯曲变形以车架上后悬前端约束位置为中心，图中出现的曲线交汇点表明，此时刻车架整体有相同的位移，前纵梁已处于回落阶段，后纵梁由于相位差仍在上升阶段。26 图9纵梁节点位移曲线最大应力出现的时刻在0.06s时，即位移激励最大时，应力最大出现在后纵梁上后悬架前端附近部位，最大值为3.3Mpa，前纵梁上节点与其他部位上节点的应力走势不同，总是有一个相位差存在；在位移曲线的交汇点附近，出现了应力谷，因为此时，前后纵梁有相同位移，相当于车架的各个部位没有相对位移，也就没有相对的变形产生，所以，此时的应力状态几乎趋于零值，同时，这也是由于第5载荷步的突变使然。横梁上的位移变化走势与纵梁相应部位走势一致，第3至第8根横梁位移是单调递增的，第9、10两根横梁出现了位移的负值，第1、2两根横梁在区间上存在一个极大值，证明了弯曲的旋转中心在靠近后悬前端约束的纵梁部位；位移的最大值出现在最后一根横梁上。在激励的最后时刻，无论是纵梁还是横梁，其应力都会有很大的反弹，并且超过第一个峰值，达到最大值，表明搓板路工况下，并非激励最大时是危险时刻，而是在车过完坡后的回落阶段，会出现最大的应力，10.02Mpa处于安全许用范围；应力曲线上，应力谷的出现再次说明在0.08s-0.09s之间存在突变，表征了此模型的正确性。26 图10纵梁节点应力曲线综观整体，最大应力出现在第3载荷步的结束时刻0.06s，整个过坡过程中，车架的平均应力维持在1~10Mpa水平左右。此种工况下车架承受弯曲变形，最大的应力危险出现在第6载荷步的激励回落时刻，最大应力有10Mpa，车架结构完全可以满足要求。4.3静力分析静力分析是在载荷作用点恒定，加载速度缓慢或者为零，加载量值缓慢变化或保持恒定情况下，计算结构的应力、应变、位移的过程，静力分析在设计过程中必不可少，它将提供结构在静力条件下的性能。4.3.1静挠度分析在进行满载下车架垂向挠度分析时，将前后悬架用弹簧单元简化模拟，赋予刚度，一端联接在车架上，另一端固定约束。前悬架以及后悬架的前弹簧单元定义为一维，只在Z轴方向有变形运动，而后悬架后弹簧单元定义为二维，因为板簧后端允许有纵向的位移，可在XZ平面做变形运动。车架所承受载荷来自车架以上部分的自重，载荷为14088.1N。由于是承载式车身，所以将该载荷均匀作用在车架的前后纵梁和地板横梁上，共366个加载点。26 图11结果表明，车架前部的挠度大于后部，最大值有76.1mm，最小值仅有8.4mm（包括悬架位移）。在满载下，车架的大部分是低应力状态，应力值114.1pa，表明此种车型的设计满载值是合理的，车架的状态良好。图11垂向挠度von-Mises等效应力云图4.3.2车架弯曲刚度分析进行弯曲刚度、扭转刚度分析时，不考虑悬架的影响。在前悬约束所有自由度，后悬板簧的前端部位约束UX、UY、UZ；板簧的后端部位仅约束侧向位移UY和绕Z轴的转动自由度ROTZ。载荷施加在前后纵梁联接处的节点上，共24个加载节点，载荷大小为1000N。为了避免误差取这24个位移的平均值，作为挠度，依据材料力学公式，求得车架的抗弯刚度值CB。计算得弯曲刚度为，与相关文献（6.28×105Nm2）对比，本车架弯曲刚度值偏小，原因在于本车架是承载式车身车架，车身要承担很大一部分的抵抗刚度。图12为位移云图。26 图12弯曲结果位移云图4.3.3扭转刚度分析对于轻型客车的扭转工况我国没有硬性规定的标准，参照客车国家标准汇编上的大型客车电测试验标准，其约束方式是将四个车轮都用垫板垫成一样的高度，然后撤去右前轮的垫板，使车轮下沉240mm或480mm。在右前轮中心处设置位移边界条件，使指定节点向下沉降480mm。右前悬释放，左前悬以及后悬的前端约束UX、UY、UZ三个线位移和ROTZ，释放其沿X、Y轴的转动自由度ROTX、ROTY，后悬的后端仅约束UY与ROTZ。扭转刚度的计算依据材料力学公式：，其中L为前轮距，F为所施加垂向载荷，h为沿载荷作用点的垂向位移，CT单位为Nm/°。计算所得刚度为：26 本车架的扭转刚度比较高，在轻型客车车架中比较突出，由于其横梁密布，在抵抗扭转变形的过程中作用很大。4.4优化设计综合以上分析，可以找出车架的薄弱环节以及薄弱工况，对结构进行优化。很明显，该车架的弯曲刚度相比较而言略小，遂选择在弯曲工况下进行车架的轻量化优化分析。采用ANSYS7.0参数化设计语言（APDL）进行分析，为进行车架轻量化设计，拟对前纵梁等8个厚度为2mm的部件进行重新设计，其厚度相对比较大，存在进行轻量化的设计空间，并且考虑到制造工艺的条件，对其他更薄的部件再进行减厚，会存在工艺难度，增加成本。优化设计的数学模型为：min{wt（thck）}s.t.max_str≤2100.001≤thck≤0.003，其中，thck为8个部件的厚度，max_str为车架最大von-Mises等效应力值，wt为车架整体质量。采用一阶优化方法进行优化计算，由于设计空间比较小，得到一组符合要求的结果，在满足应力要求下，其重量减轻了约4kg，厚度变为0.0017639m，基本满足了预先的要求。在满足车架弯曲刚度的条件下，使车架的重量进一步减轻5.9%，对提高该车型的燃油经济性很有帮助。车架最大应力提高到174Mpa，小于材料屈服极限210Mpa，弯曲、扭转刚度的验算值如表5，经过轻量化设计的车架安全系数为1.2。表5优化结果变量名优化前优化后max_str（pa）0.13839E+090.17399E+09thck（m）0.20000E-020.17639E-02wt（kg）62.47658.797CB（Nm2）1.06E+051.02E+05CT（Nm/°）2726.92596.226 5结束语综上所述，轻量化是汽车发展的一个恒久主题，随着新理念、新材料、新工艺的发展，汽车轻量化不仅可以为节能减排做出贡献，也将会为汽车制造商和汽车用户带来显著的收益，具有经济和社会双重效益。同时，轻量化又是一个十分复杂的问题，高强度钢和铝合金的大量应用和更先进的加工技术让我们的轻量化目标变得清晰且可实现，但必须从理性角度平衡好轻量化与成本的关系、轻量化与满足整车碰撞安全要求的关系。计算机辅助工程分析（CAE）的方法将随着中国汽车工业的逐步强大越来越被重视，分析的能力也将越来越增强，在提高自主研发能力上CAE工具将大有作为，将为中国汽车企业降低开发成本，迅速应对市场变化，本文成功应用ANSYS7.0分析某微型客车的各种工况，以此为基础进行结构优化与改进，取得了良好的效果，积累丰富的经验，提高运用CAE分析的能力。在这次设计中虽然存在不少问题，但是收获也是颇丰的，在这次设计中我认识到了自己的优点和缺点，更加清楚的了解自己，这样就可以在以后的学习和工作中发扬优点，克服缺点。在本次设计中感觉收获了不少知识，把一些原先学过并忘记的知识又从新复习和掌握，另外查阅了大量资料扩大了知识面，丰富了自己，增强了自己的分析问题的能力和实际动手能力。这都是在平时的学习中不能学到的。另外，由于我个人的能力和水平有限，设计中难免会出现失误和纰漏，望老师给予批评与指正。26 6参考文献[1].马　迅,盛勇生.车架刚度及模态的有限元分析与优化.客车技术与研究.2004,26(4):8~11[2].段敏,付铁军等.LZ6400轻型客车行驶的平顺性及后悬架的改进设计.吉林大学学报(工学版).2002,32(3):48~52[3].罗开玉,李伯全等.轻型客车悬架机构模拟研究.机械设计与研究.2003.19(2):66~68[4].MahmoodHF,PalusznyA.Designofthinwalledcolumnsforcrashenergymanagement-Theirstrengthandmodeofcollapse.SAEPaperNo.811302.[5].陈波,刘延林.轻型客车车架动态应力应变特性分析.洛阳大学学报.2002,17(4):76~81[6]王予望主编.汽车设计第4版.北京：机械工业出版社，2004年8月[7]刘惟信主编.汽车设计第1版.北京：清华大学出版社，2001年7月[8]高维山主编.汽车设计丛书变速器.北京：人民交通出版社，1990年8月[9]濮良贵，纪名刚主编.机械设计第7版.北京：高等教育出版社，2001年6月[10]陈宗荣.钢制超轻量汽车开发计划的发展现况[J].技术与训练,1999,24(5):932101.[11]徐祖耀.马氏体相变与马氏体[M].第2版.北京:科学出版社,1999.[12]　沈浩,陈昌明,等.客车车身轻量化分析[J]1客车技术与研究,2003,(3):8210.[13]　王国强，实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践[M]1西安:西北工业大学出版社,1999.[14]蔡春源主编.机械零件设计手册第3版.北京：冶金工业出版社，1995年10月26 [15]吴宗泽主编.机械设计使用手册.北京：化学工业出版社，2001年5月[16].朱西产，钟荣华.薄壁直梁件碰撞性能计算机仿真方法的研究.汽车工程.2000,22(2):85~897谢辞经过几个月的查资料、整理材料、写作论文，今天终于可以顺利的完成论文的最后谢辞了，想了很久，要写下这一段谢词，表示可以进行毕业答辩了，自己想想求学期间的点点滴历历涌上心头，时光匆匆流逝，四年多的努力与付出，随着论文的完成，终于让学生在大学的生活，得以划下了完美的句号。论文得以完成，首先要感谢临沂大学工学院的老师，因为论文是在韩老师的悉心指导下完成的。韩老师渊博的专业知识，精益求精的工作作风，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。起初我选择了无级变速器的研究，限于所学，写出来的只是一篇文章，所以在韩老师的帮助下，我重新选择了这个论文题目，因此本论文从选题到完成，每一步都是在韩老师的指导下完成的，倾注了韩老师的大量心血。在此，特向韩广伟老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！通过此次的论文设计，我学到了很多知识，跨越了传统方式下的教与学的体制束缚；在论文的写作过程中，通过查资料和搜集有关的文献，培养了自学能力和动手能力，并且由原先的被动的接受知识转换为主动的寻求知识，这可以说是学习方法上的一个很大的突破。在以往的传统的学习模式下，我们可能会记住很多的书本知识，但是通过毕业论文，我们学会了如何将学到的知识转化为自己的东西，学会了怎么更好的处理知识和实践相结合的问题。总之，此次论文的写作过程，我收获了很多，即为大学四年划上了一个完美的句号，也为将来的人生之路做好了一个很好的铺垫。26