车架结构有限元-分析与优化设计

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1、第l章概论可以预测、评估出汽车的各种性能，很好的避免了经验设计法所带来的盲目性，为新产品的开发成功提供了一定的保障。另外在汽车的三维设计阶段，有限元方法还可以对车架的强度、动态、刚度和疲劳寿命等特性进行准确的分析和预测，指导汽车工程师对产品进行优化设计。作为一门新兴的高科技技术，有限元分析计算法优化设计在现代汽车设计中得到了普遍应用，使现代工程产品设计的达到了最优化的布置。汽车车架作为汽车总体的一个重要部分，承载着来自道路及装载的各种复杂载荷任务，而且汽车上许多重要总成件都是以车架为载体，因此，在汽车总体设计中，车架的设计就显得尤为重要，关系着成败

2、。这时，采用现代的分析方法，把有限元方法和优化设计进行完美结合，对汽车车架进行静态和动态分析，对于汽车的设计具有重要的实际意义。1．2有限元分析运用在车架研究的状况．科技的进步推动着社会的发展，社会的发展促使着生活的改变，尤其促进了汽车工业的发展，日常生活中，人们对汽车的越来越渴望，自然也对汽车的结构性能要求也越来越高，因此，如何才能生产出一辆性价比都好的汽车，变成了汽车领域的人们竞相讨论的话题。在汽车研究领域，研究汽车整车静、动态性能的方法有很多种，然而目前最为成功和应用最广的还是有限元法。国外在汽车领域利用有限元法分析比较早，对车架的建模及静、

3、动态性能的研究也可追溯到20世纪60年代，发展到现在己经具备了较全面的车架建模和动态性能分析技术，同时也拥有了丰富的分析经验。较之国外的发展，国内在这一领域起步比较晚，研究也比较落后，国内在20世纪70年代初期才开始有人用有限元法进行车架的静态分析。近年来，随着科技的日新月异，众多汽车工程技术人员业开始了解到有限元法在汽车领域的重要性，都开始对车架结构动态性能分析及其有限元模型的建立进行了探讨。1．2．1国内的研究现状当前国内对于有限元法应用于车架结构分析的研究主要是针对车架或车架结构在静态扭转、弯曲载荷以及几种极限工况载荷作用下的分析，得出车架结

4、构的静态应力分布，并对其进行了局部的修改，由于软硬件对计算模型规模的限制，模型的细化程度不够，因而结构的刚度、强度分析的结构还比较粗略，2第1章概论计算结果多用来进行结构的方案比较，离虚拟试验的要求还有相当大的差距。2002年马迅、盛勇生等针对车架的一些结构进行了优化设计，其目的是为了减轻质量，最后在弯曲与扭转和动态约束的情况下，取得了减重13．31％的效剽¨。2003年10月李娜等分析了建模的方法，选择板壳单元建立有限元模型，最后对其进优化，最后减轻重量176．4Kg【21。2005年4月吉林大学的余传文等利用板壳单元建立有限元模型，在满足车架结

5、构的静、动态特性分析下，得到优化结果，该结果明显质量减轻了【31。2007年，武汉理工大学的邓亚东教授对轻型载货汽车车架进行有目标对车架进行优化设计，得出优化结剽4J。2009年，清华大学的扶原放老师对微型电动车车架进行结构可靠性优化设计，在考虑了多种行驶工况的冲击载荷对车架的破坏作用下，对该微型电动车车架进行拓扑优化分析得出优化结果，根据拓扑优化结果建立满足各总成的布置和实际行驶要求的新设计结构，基于结构可靠性和有限元法对新设计车架的结构参数进行了可靠性优化设计【5】。限元分析与优化，对车架有限元模型进行了刚度强度分析、模态分析，并以车架的总质量

6、最小为优化。1．2．2国外的研究现状当前，国外利用有限元法在汽车车架的结构分析方面的应用已经比较成熟睁‘丌。国外十分重视应用有限元方法对汽车车架结构进行分析与设计，早在60年代中后期就开始了对车架的静态有限元分析，并取得了大量的研究成果18J。1991年Ao．Kazuo，Niiy锄a等人，对车架进行了优化设计，得出了满足车架静态要求的更好的结剁91。1995年黼czuk，Marek等人，对一货车车架进行了动态分析研究，通过结果来评价汽车的承载性能，最后对该车车架进行了改进【1oJ。1999年Ⅺm，H．S等人，分析车架的静态研究，在极限静态载荷下，分

7、析车架的刚度与强度，最后得出一个系统的研究方法【ll】。2003年Enol(i，S№iclli等人，对某轿车的车身通过用壳单元与梁单元分别进模，分别对两种不同的模型进行结构刚度和动态分析，对这两个结果进行比较，来说明在车身的有限元分析中，使有梁单元分析可以减少设计与改进周期112J。2004年Hadad，H，RamezaIli，A等人，对车架进行了全面的动态分析，从实验到模拟，充分得用机械振动学与汽车振动学的相关知识，对利用振动学理论，主要对车架进行有限元模态分析，根据分析结果和实验的导引，来修改车架，最后得到优化的结果【131。2005年，Fre

8、耐cson，H删d总结了拓扑技术运用在汽车行业的所有涉及的应用，分析在哪3第1章概论方面的作用效果更大，为以后汽车的优化提