车架结构有限元分析与优化设计

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1、第1章概论第1章概论1．1研究背景与意义如今，随着世界范围内经济的快速迅猛发展，汽车已经成为人们日常生活中必不可少的必需品，在人们的生活中发挥着日益重要的作用。在现城市化、现代化、科技化日益发展的今天，汽车工业得到了飞速的发展，而作为汽车生产厂家，更快的生产出用途多、结构好、质量高、性能全、安全性强和价格合理的汽车来占有市场已经是它们生存的直接方式，自然也成为了他们以及购买者共同关注的焦点。所以，几乎所有汽车制造商都积极投入到了新型现代的汽车的研发当中，以满足市场的越来越高的需求。如今，不仅仅是国外，国内的汽车行业竞争也十分激烈，促使生产厂家不得不让汽车新产品的开发周期一减再减，由原来需要的

2、几年缩短到现在仅仅需要几个月，然而，这不断的高要求对于设计与优化汽车的配置，以及在汽车的改进阶段，精确的对汽车进行各种性能的预测和评估，提出了很大挑战。所以目前，研究人员在进行汽车设计与优化改进时，较常采用两种分析方法：第一种是传统设计法(经验设计法)，第二种是现代设计法(有限元分析计算法)。但是在不断的生产实践中，研究人员发现，传统设计法存在很多的弊端，一方面它具有一定的盲目性，因为通过传统设计法即经验设计法设计改进的汽车，都不会有明显的突破，汽车的整体性能也得不到合理的解决，同时让汽车的设计周期变得更长，使汽车的更新换代的速度愈来愈慢，很显然地不能适应日益竞争白热化的现代化商品经济时代。

3、另一方面，传统的设计方法，只能从宏观上考虑问题，而无法对汽车结构的刚度分布和应力分布进行定量分析，因此，在汽车的设计过程中，不可避免的要造成汽车某些部分应力分配不合理的现象出现。这自然而然会造成汽车设计的成本提高。并且汽车的一些部位强度不够，也很容易导致交通事故的发生；而另外一些部分的强度又过于富裕，造成了不必要的浪费，进而达不到优化设计的目的。经过对传统设计法等等不合理的分析，研究人员把有限元技术应用到了汽车领域新产品的开发，从此，有限元技术也成为了现代汽车产商应对汽车行业竞争日益激烈的重要手段之一。因为，在新产品的开发设计之初，有限元方法第l章概论可以预测、评估出汽车的各种性能，很好的避

4、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。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，

5、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、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

6、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，

7、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，在满足车架结构的静、动态特性分析下，得到优化结果，该