东风某电动汽车车架轻量化设计毕业论文

2020-02-17 17:06:20

摘要

作为汽车整车的重要组成部分，汽车车架需要承受各种复杂载荷。这对汽车的行驶安全性有着直接的影响。因此，在相关的汽车设计与研究中，我们要重视车架的结构设计，来保证汽车的使用性能和安全性。通过有限元法来分析车架结构的各项性能参数，并对其进行尺寸结构优化，进而在保证性能的条件下达到降低重量的目的。本文以某电动货车车架为研究对象，利用软件Hyperworks对该车架进行有限元分析，研究并分析其刚度性能和模态性能是否符合设计要求。然后通过采取轻量化材料，并且进行尺寸优化设计，对优化后的车架模型进行刚度性能分析。同时对比分析优化前后车架的质量。通过对比分析，被研究车架的刚度性能和模态特性满足设计要求。经优化后，该车架刚度性能参数满足设计要求，且轻量化效果明显。

关键词：有限元分析，结构分析，模态分析，轻量化

Abstract

As an important part of automobile, the frame of automobile needs to bear various complex loads. This has a direct impact on the driving safety of automobiles. Therefore, in the relevant automobile design and research, we should pay attention to the frame structure design to ensure the performance and safety of the car. Finite element method is used to analyze the performance parameters of frame structure and optimize its size and structure, so as to achieve the goal of reducing weight under the condition of guaranteeing performance. In this paper, the frame of an electric freight car is taken as the research object, and the finite element analysis of the frame is carried out by using Hyperworks. The stiffness performance and modal performance of the frame are studied and analyzed whether it meets the design requirements. Then, the stiffness performance of the optimized frame model is analyzed by taking lightweight materials and optimizing the size. At the same time, the quality of frame before and after optimization is compared and analyzed. Through comparative analysis, the stiffness and modal characteristics of the studied frame meet the design requirements. After optimization, the stiffness performance parameters of the frame meet the design requirements, and the lightweight effect is obvious.

Key Words：finite element analysis, structural analysis, modal analysis, lightweight

第1章绪论 1

1.1 课题背景和研究意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文研究的主要内容 3

第2章车架有限元模型 4

2.1 有限元法简介 4

2.1.1 有限元法基本理论 4

2.1.2 有限元法一般流程 4

2.2 Hyper Works 软件简介 4

2.3 建立有限元模型 5

2.3.1 几何模型 5

2.3.2 网格划分 7

2.3.3 网格质量检查 7

2.3.4 有限元模型 8

2.4 本章小结 9

第3章车架刚度性能分析 10

3.1 车架刚度理论与评价方法 10

3.2 车架弯曲刚度性能分析 11

3.3 车架扭转刚度性能分析 12

3.4 本章小结 13

第4章车架结构模态分析 14

4.1 模态分析理论概述 14

4.2 模态分析基本步骤 14

4.3 车架模态计算结果与分析 14

第5章车架优化设计 16

5.1 车架尺寸优化方法 16

5.2 优化结果及其分析 16

5.3 本章小结 17

第6章结论及展望 18

6.1 结论 18

6.2 展望 18

参考文献 19

致谢 20

第一章绪论

1.1 课题背景和研究意义

这几年，我国汽车工业发展的速度是非常快的，汽车保有量每年都有所增加。由工业发展和大量燃油汽车排放尾气所带来的环境污染和能源短缺的问题越来越严重。人们已经意识到这些问题的严重性，开始朝着可持续发展的目标前进，寻求解决这些问题有效方法。我们国家汽车市场前景还是比较良好的，再加上国家政策的支持，我国新能源汽车产业也得到了迅速发展，各种新能源车型不断出现在市场，包括乘用车和电动物流车。但是，对于新能源汽车来说，最重要、与实际使用最密切相关的是续航里程，而汽车总体质量是影响电动汽车续航里程的主要因素。在电池容量不变的条件下，通过汽车轻量化来提高电动汽车续航里程是最有效的措施之一。因此,在保证汽车的整体性能的条件下,减轻整车的质量是至关重要的。

本文主要以国产某电动载货车车架为研究对象，主要研究与讨论车架结构有限元静态分析，尺寸优化及其轻量化效果。车架作为主要承重结构，除了要承受内部载荷以外，还要承受货物载荷和不同工况下的路面冲击。在汽车静止的时候，车架承受着汽车各部件重力及货物载荷。在汽车行驶的时候，由于汽车自身重力和工作中存在的各种负荷，在这种复杂的载荷情况下，车架会产生弯曲、扭转、侧弯等变形^[1]。因此，我们可以表明车架自身重量和结构会对车辆的使用性能产生影响，最重要的是这会影响到行驶的安全性，关乎生命安全。在有限分析的研究过程中，需要通过建立三维模型，并将其导入到有限元分析软件中进行网格划分、求解运算等工作。这样可以准确的获取我们所需要的有关模型的特性参数。因此，在汽车设计的相关领域，研究人员们都采用有限元技术对结构进行分析及优化。在保证车架强度、刚度满足使用要求以及动态特性良好的前提下, 对电动汽车车架结构进行尺寸优化，从而达到减轻车架自身的重量目的。这样就可以相对地提高电动汽车的续航里程。因此，我们可以得出一个结论，在满足车架结构使用性能的前提下，对车架进行优化分析设计，实现车架的轻量化是十分重要。

1.2 国内外研究现状

我们都知道的是汽车车架在货车中起到承受载荷和冲击的作用。因此，面对这种复杂承载情况，我们有必要利用有限元软件来分析车架的强度、刚度以及模态特性这些性能参数。这些性能参数直接关系到车辆在使用过程中的安全性，关乎人身和财产安全。

目前，利用有限元法对汽车零部件等结构或者整车进行分析的技术已经相对成熟，在其他方面的分析也有所应用。随着不断的发展和经验的积累，国内外学者及工程人员在车架的有限元分析方面进行了大量的研究分析和试验验证，并取得了一些重要结果。2004 年，Hadad 等学者利用有限元方法分析了车架的模态特性，并据此进行了车架的优化设计^[2]。在2009年，I Musa 采用有限元法确定了卡车底盘的动态特性，并进行实了验模态分析，从而验证了有限元模型的合理性。2015年，Vinayak R. Tayade通过保持材料和尺寸相似来重新设计用于卡车的改进底盘，并且使用I形横截面而不是C形截面，从而产生更安全的应力，分析了模型的强度和弯曲刚度^[4]。2016年，Singh Manoj Kumar;Vali R. Hussain;Yagnasri P.等人分析了汽车车架的扭转刚度和弯曲刚度以及模态特性，通过改变车架的几何尺寸和结构性能参数来提高车架的刚度，并达到了轻量化的目的。如今，有限元法已经被广泛应用于汽车设计优化及分析。

我国研究者在有限元分析在汽车设计与优化方面也取得了较多成果。目前，我国汽车领域的研究人员在对汽车相关零部件或整车进行优化设计分析时，都是在计算机辅助分析下通过有限元法来进行相关研究的。2002 年马迅、盛勇生等学者在优化分析时，建立了使用壳单元和梁单元组合形式的有限元模型，在分析过程中，他们以车架的部分截面尺寸为变量，以模型的一阶模态频率及其变形为约束条件，在弯曲工况和扭转工况的条件下，获得了13.31%的减重效果，减重效果较为明显^[6]。2004年，杜海珍研究了拓扑优化方法在汽车结构上的应用，并提出了一个全新的优化准则，解决了因材料分布不均所导致的应力集中问题，研究结果表明该优化准则的效果良好^[7]。2012年阮君通过有限元法分析了某轻卡车架的刚度性能和模态特性，并且对车架进行了拓扑优化分析，获得了车架各项性能参数均有所提高效果^[8]。2015年张燕冲以某SUV车架为研究对象，对车架进行模态和刚度性能分析，并对车架进行结构尺寸优化设计和灵敏度分析。根据灵敏度分析结果，选出一些车架部件的板厚作为尺寸优化的设计变量，以减轻车架质量为目标，得到满足设计要求的尺寸优化结果，车架结构减重效果较为明显^[9]。

在国内外的研究现状的调查和分析中，我们可以发现有限元分析方法在汽车的轻量化设计中的应用是十分广泛的。可以看出有限元分析技术在设计分析研究中的应用给我们的分析研究带来了极大的便利，可以在相对较短的时间内获取我们所需的分析数据或者有关分析结果。

1.3 本文研究的主要内容

本文主要是根据有限元理论，使用有限元分析软件分析东风公司开发的一款电动载货车车架。主要任务是查阅相关研究文献，对轻量化研究有进一步的认识和了解。对车架的静态刚度和模态进行研究分析；并对其进行优化，尽可能达到车架轻量化的目的。本文研究的主要内容是：通过有限元分析软件建立该车架的有限元模型；对该汽车车架进行刚度性能和模态特性的分析；再对该汽车以纵横梁的尺寸厚度为变量进行尺寸优化；最后对优化后的车架进行刚度分析，并对比分析优化前后的数据，分析其轻量化效果。

第2章车架有限元模型

2.1 有限元法简介

2.1.1 有限元法基本理论

有限元法已经成为我们在结构分析，优化设计等方面的一个非常实用的方法，它在静力学，甚至流体力学等学科方面也有着非常广泛的应用。社会现代化发展非常快速，计算机辅助设计技术也随之得到了快速发展，在计算机辅助设计的帮助之下，一些复杂物体的模型的建立也变得相对容易一些，我们只需在三维建模软件中进行相关建模操作。在有限元方法中，最核心的概念是有限元单元。我们将连续的几何体的看成由离散的简单几何单元组成。我们将这些简单的几何单元称为有限元单元。我们通过赋予这些有限元单元材料属性等有关数据，然后并对其进行分析。

2.1.2 有限元法一般流程

现在的有限元分析软件产品种类繁多。现在绝大多数汽车类产品的开发设计基本上都借助有限元分析软件进行。有限元分析的一般流程可分为三个阶段，依次为前处理、求解和后处理等三个主要部分。一般流程图如下图2.1所示。

静力分析，动态响应分析，模态分析等

分析结果的显示与校核

绘制应力应变图形

计算数据处理

建立结构几何模型

有限元网格划分与处理李

设置材料特性、载荷、约束

前处理

求解

后处理

图2.1 有限元分析的一般流程^[1]

2.2 HyperWorks 软件简介

Hyperworks软件是由美国Altair公司开发的一款产品。该软件集成了设计与分析所需的各种相关工具，而且还提供了 CAD、CAE等软件的接口。这个模型导入接口可以支持其他三维建模软件模型的导入，并且可以尽可能避免数据丢失。在计算机辅助分析方面, HyperWork有限元网格划分功能也是十分强大的。一般来说，在进行计算机辅助分析时，研究人员都在建立有限元模型、修改和网格划分上使用了较多的时间。因此，在研究过程中我们需要采用一个功能比较强大，使用起来十分方便的有限元前后处理工具。与其他的有限元分析软件相比较，HyperWork有着十分友好的图形用户界面，对于初次使用的人来说是十分友好的。我们可以通过软件的内置导入接口将三维CAD几何模型导入，这样的没有数据丢失的导入，有利于后面有限元网格的生存，可以减少不必要的一些重复性的工作，从而可以将更多的精力和时间到用到分析计算工作上去。同样，HyperWork软件的后处理功能也是非常强大的，可以通过云图，动画等方式来展示各种各样的仿真结果。以下是我们常用的HyperWorks的几个功能模块：

(1) 几何清理模块：之前，我们已经说明了几何清理的重要性。导入到 HyperWorks里的几何模型可能会存在破面、几何重叠等有关模型几何问题，这些问题会严重影响到网格质量，从而影响我们的分析结果。我们需要进行网格清理的工作。这样就有利于生成高质量的有限元网格，而且还能加快有限元网格生成的速度。

（2）网格划分模块：在该有限元分析软件中，有不同的网格划分模块。对于大多数情况来说，我们可以采用自动网格划分模块，但是有些时候需要进行手动操作。

（3）边界条件模块：该模块的功能是帮助使用者设置相应的边界条件。主要包括各种约束及载荷类型，比如集中力载荷，均布力载荷等不同载荷类型。

（4）网格质量检查模块：在整个分析过程中，我们需要通过该模块来检查网格质量，以及进行网格质量优化的工作，同时还可以统计模型的有关单元质量信息。

（5）后处理模块：我们可以通过后处理模块来显示求解分析之后的结果。在分析刚度、强度性能时，我们可以通过过应力云图，位移变形图来展示分析结果。还可以以生成 JPG、EPS 等图形文件以及使用动画格式来演示动态变化的一个过程。

2.3 建立有限元模型

2.3.1几何模型

在三维模型建立完成之后，我们需要将其保存为IGES 的格式，然后通过Hypermesh 的导入面板将模型导入。在模型导入完成之后，我们首先需要检查模型的几何信息是否完整，有无缺失的情况。这些内容完成之后，我们可以将其命名，这样有利于我们后面的操作。之后对存在问题的几何模型进行适当处理工作，有利于划分出具有较高单元质量的有限元网格，得到更好的有限元模型，提高计算精度。

图2.2模型导入面板

以下是详细的处理过程：

（1）抽取中面。先对导入的模型检查有没有存在信息丢失的情况，进行几何清理操作，然后再使用 Geom面板中的midsurface 来抽取中面。如果我们需要分析的模型较为复杂，由多个复杂部件组成时，我们可以通过多次抽取中面完成这一步的操作。这样就避免在一次整体抽取中面过程中可能存在的问题，从而影响到符合要求的中面生成。