摘 要

车架作为重型货车的重要承载支撑部件，是整个重型货车的基体，其工作状况十分复杂，承载着驾驶室，发动机，燃油箱，储气罐，传动装置，钢板弹簧，驱动轴等重要部件。同时受到各种由汽车其他部件传递来的许多外界载荷和力。所以其设计好坏直接影响到重型货车设计的成败。由于传统数学方法无法准确计算其工作状况，而各项产品测试都在设计后期才能进行，一旦发生问题，除了必须付出设计成本，而且相关前置工作也要改动，发现问题时间越晚，付出的成本将会越高。将有限元分析应用于车架的设计中，能有效的缩减开发时间、减少开发费用、提高设计质量。具有重要的现实意义。

本文先初步确定重型货车车架的基本参数和模拟工况下的受力情况。利用Catia软件建立三维模型，再利用Hypermesh对模型进行前处理，绘制网格，然后添加约束，力与载荷。对车架模型进行静态受力，弯曲扭转分析。分析结果表明，重型货车车架所受的最大应力小于车架材料的强度极限，达到设计要求。

关键词：重型货车 车架 有限元分析，三维建模

ABSTRACT

As an important bearing support member of the heavy truck, frame is matrix of the heavy truck, its working condition is very complicated, carrying the cab, engine, fuel tank, storage tank, transmission device, steel plate spring, drive shaft, and other important components. At the same time it was taken many external load and force passed by other parts of the car. So its design has a direct impact on the success or failure of the design of the heavy truck. Due to the traditional mathematical methods cannot accurately calculate the working condition, and the test can be done in design of late, once a problem occurs, in addition to pay the cost of design and related pre work also need to be changed The later we found the problems , the cost will be higher. Using the finite element method in the design of its analysis, can effectively improve the product design quality, reduce product development time, reduce the cost of product development test. Has important practical significance.

In this paper, the basic parameters of the heavy truck frame and the stress condition of the simulation condition are determined. Using Catia software to establish a three-dimensional model, and then use the Hypermesh to pre process the model, draw the grid, and then add the constraint, force and load. The frame model is subjected to static loading and bending torsion analysis. The analysis results show that the maximum stress of heavy truck frame is smaller than the strength limit of the frame material, which can meet the design requirements.

Key words: heavy truck, frame, finite element analysis,3D modeling

目录

第一章 绪论 1

1.1国内外研究现状 1

1.2研究背景 2

1.3研究目的 2

1.4研究意义 2

1.5研究的基本内容 2

第二章 车架结构方案的选择 3

2.1车架总体结构型式 3

2.2纵梁结构形式 3

2.2.1纵梁的截面形状 3

2.2.2纵梁的截面变化 3

2.3横梁结构型式 4

2.4横梁和纵梁的连接结构 4

2.5材料选择 5

2.6本章小结 5

第三章 车架三维模型的建立 6

3.1 Catia软件介绍 6

3.1.1CATIA V5 功能模块简介 6

3.1.2CATIA V5 软件的特点 6

3.1.3CAD 产品设计的一般过程 6

3.2三维模型的建立 6

3.3.1车架总体设计 6

3.3.2纵梁的建模 7

3.3.3前、后横梁的建模 7

3.3.4发动机前悬置横梁 8

3.3.5发动机后悬置右（左）支架和横梁 8

3.3.6驾驶室后悬置横梁 8

3.3.7后钢板弹簧的前后支架横梁 9

3.3.8车架连接钢板弹簧吊耳 9

3.3.9油箱支架 9

3.3.10模型总装配 10

3.4本章小结 10

第四章 车架有限元模型的建立 11

4.1有限元法介绍 11

4.3车架前处理和施加网格 11

4.3.1打开模型文件 11

4.3.2使用midsurface工具创建模型中面 12

4.3.3缝合自由面 12

4.3.4绘制网格 12

4.3.5移除部分孔与面倒圆 12

4.3.6重新绘制网格 13

4.3.7检查网格质量，重新手动修改网格 13

4.3.8施加刚性约束 13

4.3.9定义材料，属性 14

4.4车架满载弯曲工况分析 14

4.4.1满载弯曲工况边界条件处理 14

4.4.2满载弯曲工况载荷处理 15

4.4.3计算结果和分析 16

4.5满载扭转工况 17

4.5.1满载扭转工况边界条件 17

4.5.2满载扭转工况载荷处理 17

4.5.3计算结果和分析 17

4.6本章小结 18

第五章 结论 20

参考文献 21

致谢 22

第一章 绪论

1.1国内外研究现状

纵观车架的设计历史，在车架设计之初主要采用了设计和实验轮流进行。在车架结构定型之前往往经过长时间多次反复设计，历经样品制造—试验—修改—再设计的多次循环流程，这种流程导致整个设计时间十分漫长，进而造成人、财、物严重浪费^[1]。

怎样改变这种局面？人们又开始了不断摸索积累的进程，一是人们将汽车车架结构性能的分析及设计与计算技术相结合。初期将车架简化成单根纵梁的是通过架结构性能计算，校核车架的弯曲强度。这种计算方法至今还在沿用，但它的弊处是汽车车架结构性能的设计要求达不到应有的水准。二是人们提出的车架结构扭转强度计算方法，这种方法好处是只能计算纯扭转工况，弊处不能考虑车架的实际工况，并且，计算比较复杂，工作量大，在实际运用中存在着很大的困难。三是在车架设计中将比较设计的思想的理念应用其中。即以同一类型的成熟样车为参考来进行车架的基础设计，这种设计理念是我们国家目前采用的车架结构初步设计的主要方法。但是，这种方法可能没有周全考虑到新设计车架的特殊性进而容易造成车架各处强度不均匀，某些局部强度富裕较大，产生材料浪费等弊端。

因航空工业的需要美国波音公司的研究人员在20世纪50年代第一次运用三节点三角形单元进行计算， Clough教授于1960年在其著作《平面应力分析的有限单元法》中第一次提到的有限单元法一词得到了学术界的一致的肯定^[1]。有限元法在其后迅速进步，很多领域的科学家参与到有限元法的研究中，奠定了其理论基础，应用领域也得到了很大的拓展。到了20世纪70年代，应用范围发展到了工程方面的所有领域，在连续介质问题的数值解法中，它成为了最热门的分支^[2]。从之前只研究固体力学，到后来在电磁学,流体力学，热力学等的应用，在工程方面很多的问题都能够通过有限元方法进行求解。