摘 要

因车企间的激烈竞争和愈发严重的环境问题，作为遏制上述问题加剧的主要手段，汽车轻量化已成势不可挡的趋势。轻量化设计是降低能耗、减少排放的最有效措施之一，对减排和降低制造成本有重大意义，但是乘用车的轻量化研究已到达瓶颈，而专用车尤其是油罐车的轻量化优化有极大的空间。

通过Catia建立油罐车三维模型，使用Hypermesh对模型进行前处理，网格划分及工况模拟，对半挂油罐车罐体车架进行性能校核，发现模型在五种工况下都符合其安全使用范围，且具有较大的轻量化潜力。

以总质量为目标函数，定义约束函数得到油罐车轻量化设计近似模型，利用Optistruct进行尺寸和形状优化设计，再对优化后的模型进行静力学及模态分析，结果表明其能安全使用。相比于优化前，油罐车减重22%，达到了轻量化目的。

关键词：油罐车，有限元，轻量化设计，结构优化

Abstract

Due to fierce competition among car companies and increasingly serious environmental problems, as a major measure to curb the aggravation of the aforementioned problems, the lightweighting of cars has become an unstoppable trend. Moreover, lightweight design is one of the most effective measures to reduce energy consumption and emissions, and it is of great significance for reducing emissions and reducing manufacturing costs. However, lightweight research on passenger vehicles has reached a bottleneck, and special vehicles, especially tankers There is plenty of room for lightweight optimization.

The three-dimensional model of the tank car was established by catia, and the model was pre-processed using hypermesh, and the meshing and working conditions were simulated. The performance check of the tank frame of the semi-trailer tanker was performed. It was found that the model was in conformity with the five working conditions. Its safe use range, and has greater potential for lightweighting.

Using the total mass as an objective function, the constrained function was defined to obtain an approximate model of the lightweight design of the tanker. The Optistruct was used to optimize the size and shape of the design. The optimized model was then subjected to statics and modal analysis. The results showed that it can be used safely. Compared with the optimization, the tanker had a weight reduction of 22%, achieving the goal of lightweighting.

Key words: tanker, Finite element analysis, lightweight design, structural optimizatio

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外油罐车轻量化研究现状 1

1.3 本文主要研究内容 2

第2章 有限元理论基础及Hypermesh软件介绍 4

2.1 有限元法基本理论 4

2.1.1 油罐车有限元法基本思想 4

2.1.2 薄板弯曲理论 4

2.1.3 有限元分析步骤 6

2.2 Hyperworks软件介绍 6

第3章 油罐车CAD与CAE模型建立 8

3.1 半挂式油罐车介绍 8

3.2 油罐车三维模型建立 9

3.2.1 罐体三维模型的建立 9

3.2.2 车架三维模型的建立 11

3.2.3 油罐车罐体车架三维模型的建立 12

3.3 油罐车罐体与车架有限元模型建立 13

3.3.1油罐车罐体与车架有限元模型建立原则 13

3.3.2 模型前处理 13

3.3.3 网格划分及连接方式模拟 14

3.3.4 约束及载荷施加 15

3.4 本章小结 15

第4章 油罐车罐体与车架静力学分析 16

4.1 弯曲工况 16

4.2 扭转工况 17

4.3 转弯工况 17

4.4 制动工况 18

4.5 启动爬坡工况 19

4.6 本章小结 20

第5章 油罐车罐体与车架结构轻量化设计 21

5.1 Optistruct结构优化理论基础 21

5.2 油罐车尺寸优化设计 21

第6章 优化后油罐车罐体与车架性能校核 24

6.1 罐体与车架静力学分析 24

6.2 线性动力分析理论基础 28

6.3 罐体车架空载模态分析 29

6.4 罐体车架满载模态分析 31

6.5 本章小结 33

第7章 结论与展望 34

7.1 结论 34

7.2 展望 34

参考文献 35

致谢 36

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

目前，随着汽车工业的快速发展，汽车保有量的不断增加，汽车工业面临着世界范围内的严峻挑战。从德国的工业4.0到美国每十年的减重计划等昭示着汽车污染及能源消耗已成为汽车工业发展的掣肘。而轻量化设计是降低能耗、减少排放的最有效措施之一，对减排和降低制造成本有重大意义。

我国专用车起步于20世纪50年代末，随着国内互联网 模式的发展,物流市场逐渐趋近成熟。专用车作为汽车工业的重要组成部分，近年来得到了快速的发展。而其中半挂油罐车因为有很高的运输效率、低运输成本、安全可靠以及灵活方便等特点^[1-2]，又扮演着运输中重要的角色。同时随着国家相关法规的出台及3R战略的提出，绿色化、轻量化、智能网联化、信息化成为了专用车新需求，此外，市场关注点从购车成本到TCO的转变也更加促使专用车向轻量化发展^[3]。