摘 要

车架是车辆上负责承载的部件，其在结构上的性能将直接影响到车辆设计的成败。本文采用有限元法对车架的结构进行分析，考虑车架的结构优化，这对提高车辆的性能，降低设计成本、整车制造成本以及提高市场竞争力都有重要意义。

通过对Catia和Ansys软件的使用，建立具有实体单元的轻卡载货汽车的有限元模型。Ansys软件以其庞大的分析功能和高可靠性，在静态分析、动态分析和优化设计等方面都具有非常强大的优势。在此基础上，对轻卡载货汽车的静态与动态性能进行研究，建立基于实体单元的拓扑优化模型。本文通过分析车架优化设计的原理和方法，通过对某轻卡载货汽车车架进行有限元分析和优化，得到对车架结构有益的结论。

最后，本文介绍了车架优化的基本概念、方法和原理，并且在各类弯曲、制动、扭转的极端工况下，建立了实体单元的优化模型，并对优化的结果进行分析，提出优化建议。

关键词：轻型载货汽车车架；Ansys；模态分析；拓扑优化

Abstract

The frame is an important part of automobile assembly.The performance of frame structure directly affects the success or failure of automobile design.The finite element method is used to analyze the structure of automobile frame, and the optimization of automobile frame structure is taken into account.

By studying Catia and Ansys software, the finite element model of light truck with solid element is established.With its powerful analysis function and high reliability, Ansys software has incomparable advantages in static analysis, dynamic analysis and optimization design.On this basis, the static and dynamic performance of truck frame structure is studied.The topology optimization model based on entity unit are established.The principle and method of optimal design are analyzed.Through the finite element analysis and optimization of the frame structure of a light truck, a beneficial conclusion is drawn for the frame structure design.

Finally, this paper introduces the basic concept, method and principle of optimization.Under various conditions of bending, braking and torsion, the optimization model of solid element is established, the optimization results are analyzed, and the optimization suggestions are put forward.

KEY WORDS：light-truck's frame,Ansys,modal analysis, topology optimization

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题的背景 1

1.2 论文选题的目的及意义 1

1.2.1 基本内容 1

1.2.2 选题的目标 2

1.2.3 选题的意义 2

1.2.4 国内外车架设计的研究概况 2

1.2.5 国内外车架有限元分析概况 3

第2章 有限元原理与软件介绍 5

2.1 有限元分析的原理与方法 5

2.1.1 构造的离散化和位移函数 5

2.1.2 单元特性分析 6

2.1.3 单元组设置 7

2.2 Catia软件介绍 7

2.2.1 Catia发展历史 7

2.2.2 Catia功能介绍 8

2.3 Ansys软件介绍 10

2.3.1 Ansys发展概述 10

2.3.2 Ansys主要功能介绍 10

2.3.3 Ansys提供的分析类型 12

2.3.4 Workbench软件介绍 13

第3章 车架结构选型与建模 14

3.1 车架选型 14

3.1.1 选择现有车型及相关参数 14

3.1.2 车架基本结构形式的选取 14

3.1.3 车架宽度的选取 16

3.1.4 车架长度的选取 16

3.1.5 车架工艺及材料的选取 16

3.1.6 车架断面形状的选取 17

3.1.7 车架连接方式的选取 18

3.1.8 横梁连接板设计 19

3.1.9 车架三维装配图 19

3.2 车架受载情况模拟 20

3.2.1 静载荷分析 20

3.2.2 动载荷分析 21

3.2.3 车架前后轴载荷分配 21

第4章 车架静力学分析 23

4.1 车架静力学分析意义 23

4.2 车架有限元模型简化 23

4.3 网格划分 24

4.3.1 网格类型选取 24

4.3.2 网格尺寸选择 25

4.3.3 网格质量检查 25

4.4 静力学分析 27

4.4.1 构建悬架模型 27

4.4.2 弯曲工况下车架的有限元分析 27

4.2.3 制动工况下车架的有限元分析 30

4.4.4 弯扭工况一下车架的有限元分析 31

4.4.5 弯扭工况二下车架的有限元分析 34

4.5 车架的拓扑优化 37

4.6 车架设计改进建议 38

第5章 车架模态分析 39

5.1 模态分析介绍 39

5.2 车架模态分析意义 39

5.3 模态分析过程 40

5.4 结果分析 43

第6章 总结 45

参考文献 46

致 谢 48

第1章 绪论

1.1 课题的背景

时至今日，随着人民群众日常生活水平的进步，车辆已经成为人们旅行的重要的和不可或缺的交通工具。对于现代车辆，车架是整车的基础，除少数车外的大多数车辆都使用车架作为整车的承载结构。整个车辆的大部分是由车架固定的，所以车架的设计、校准和优化是极为重要的。

汽车工业是高科技产业之一，为了设计功能更安全、功用上更优越的车辆，有必要进行工程结构的计算机设计、制造和分析。所以，在汽车工业中，每个生产设计部门都极为重视计算机技术的设计和制造。有限元法是近几十年来在各种计算机辅助设计软件中开发的一种新算法、新技术，能够处理许多工程师无法应对的问题，为社会和各大车企都带来巨大的经济和社会效益。

有限元法可广泛应用于各种车辆组件，包括发动机、传动系统、悬架、转向系统、驾驶室、货箱和转向机构等部件，从而提高车辆的设计水准。当工程师设计车架时，目前的方法仍然是采用简化车架计算，并由相关人员进行有限元分析和计算。该类车架的设计方法容易导致以下两个问题：1、车架的简化计算精度不足以保证强度和刚度要求，使车架变重且制造成本增加。2、设计与计算的分离不利于提高相关人员的专业水平。

我们要在车架设计的水准上有所进步，就必须要提高车架有限元分析的技术水平，使得产品在市场上愈加具有竞争力。本文以轻卡载货汽车的车架设计为例，对车架进行三维的建模和二维图纸的绘制，并构造有限元模型，在各种工况下进行车架的有限元模型静态分析和动态特性分析。

1.2 论文选题的目的及意义

1.2.1 基本内容

1、搜集资料，研究车架设计和分析技术的国内外发展现状，确定研究总体方案。

2、选择一款现有的轻卡载货汽车车型，确定车辆总体参数；

3、完成车架总布置的设计和零部件的选型；

4、计算和确定车架的主要性能参数。（参数包括：车架长度、车架宽度、横纵梁断面尺寸、横梁个数），进行横纵梁结构形式和连接方式的研究；

5、利用Catia三维建模软件对轻卡载货汽车车架进行建模，包括总成建模和关键零部件的建模；

6、研究不同截面形状梁的力学性能，并利用Matlab编写横纵梁的截面模量计算程序；

7、使用Ansys对车架进行模态分析，对主要工况进行静态分析，完成设计的优化和改进；

1.2.2 选题的目标

根据学院的具体要求和国内外研究现状，本课题研究目标为：针对现有具体车型的轻卡载货汽车提供车架的设计方案，通过静态和模态分析，使设计的车架满足强度、刚度和振动的要求，通过有限元分析保证设计的车架具有良好的可制造性。本课题的研究可以为国内外轻型卡车的设计提供有价值的参考，具有较好的经济价值、现实意义和社会效益。

1.2.3 选题的意义

车架是框架梁，是桥接在前桥和后桥之间的横梁与纵梁的组合。车架的最主要的功能是支撑和连接车辆上的各种部件，以支撑来源于车辆内部和外部的各类载荷；能够更好地缓冲地面施加在车轮上的冲击，使得连接在车架上的组件位置保持不变。因此，车架在设计上需要有足够的强度和刚度。

车架属于特别复杂的超静定结构。车辆处于静止状态时，车架由悬架系统支撑，在受到车辆上的部件和载荷的重力作用作用时，会产生纵梁弯曲和局部偏心扭转。如果车辆所在的道路不平，则车架也将呈现整体扭曲。当车辆在行驶状态下，车架必须承受由于路面不平或车辆传动的过程中所产生的不规则振动。车辆各部分的载荷、重量和工作负荷都会使得车架所承受的动态载荷发生变化，使得车架的弯曲和扭曲更加严重，甚至可能出现侧弯或菱形等较大形变的情况。同时，车架上的部件和货物运输货物也需要由车架支撑，这也使的车架的结构分析复杂化。最后，当前的车架在连接上还要有大量的焊接和铆钉，这将会导致大量的工艺缺陷，也会降低车架的承载能力，并影响车辆的行驶稳定性。

所以，在设计阶段，必须进行优化以改善机械性能、减少误差累积，还要保证车辆在没有过度变形的情况下正常运行。我们研究车架设计的目的主要是为了减轻车辆重心，以确保在车辆的轻量化前提下提高车辆的行驶稳定性。车辆轻量化可以减少设计和制造所必要的材料、降低制造成本、减轻重量、提高制造经济性。

1.2.4 国内外车架设计的研究概况

在1900年，由梅赛德斯奔驰车辆公司首次采用冲压钢架。在早期，车架由木材和钢管制成。那时，发动机刚性固定在车架上，虽然有助于增加车架的刚性，但是发动机的振动会导致车身剧烈振动。

在1930年左右，由于发动机在挠性连接在车架上，提高行驶时的舒适性。为了车架提高的扭转刚度，可将其改为X梁和箱侧梁的结合，或者使用管状梁制成中梁式的车架。

在20世纪80年代后期，为了满足车辆轻量化，铝合金成为非常抢手的车架工业材料。铝合金比铁轻，但强度低于铁。如果强度需要达到与铁车架相同的水平，就需要添加更多的铝合金材料来弥补强度的不足。然而，这将会增加车架的重量，与车辆轻量化的要求相悖。因此，铝合金车架并没有成为汽车行业的主流。

在20世纪90年代，针对碰撞的安全法规开始在美国和欧洲逐步改善，车架和车身得到完全加强，以确保发生碰撞时乘客在车内的安全，但这也增加了车辆的重量。

而在21世纪，中国生产车架的企业基本上都拥有了剪切力、冲压、焊接、铆接、涂装和加工六大技术能力，具有完善的测试方法和研发设计中心，还拥有了从16吨到3000吨得到冷冲压能力，和开发、设计、生产各类车架的能力。

1.2.5 国内外车架有限元分析概况

在早期阶段，车架开发在设计和测试之间交替进行，车架在结构上完全成形之前需要进行多次设计、反复重新优化，才到最终成型。该方法易出现设计周期长和设计成本高的缺点。在积累了众多设计工程师经验的基础上，将计算技术应用于车架结构设计中，或者以相同类型的市面上已有的样车做为参考进行车架结构设计。然而，这类措施会造成车架各处强度分布不均匀，还会使得车架在局部处的强度裕值过大，造成浪费材料的情况。

自20世纪60年代以来，外国工程师和技术人员开始采用有限元分析的办法来计算车辆车架的强度和刚度。1970年，美国国家航空航天局首次将有限元分析程序引进到车辆结构分析当中。采用有限元法对车架的静强度进行了分析，并完成轻量化分析。目前，领先的外国车辆公司使用有限元软件对车架的结构进行静态和模态的分析。该技术正变得越来越成熟，他们的重点主要集中在瞬态响应谱分析、噪声分析和碰撞分析等领域。

在中国，自20世纪70年代以来，有限元方法已应用于车架的结构设计和分析优化。我国最早采用的是梁单元进行结构离散化，但由于梁单元本身存在缺陷，导致分析结果不准确，不能准确地反映出横梁和纵梁的应力分布。后期采用的是板壳单元，可以克服梁单元在建立车架有限元模型和应力分析中的局限性。最近十几年来，随着计算机技术的高速进步，板壳单元逐步运用于车辆车架的结构分析，相比以往大幅度地提升了计算分析的精度，使得有限元分析的运用得以向更深入的层次研究。

在车架静力分析研究方面，早期车架的静力分析是利用力学理论的经验公式来进行分析，这也是车架刚度和强度设计的主要方法。这种措施根据复合梁的强度理论，在表面上看简单易行，但它在结构上做了大量的割舍，最终无法达到设计的最优化结果。随着现代车辆设计要求的逐步提升和生产周期的缩短，工程师们将有限元方法应用于车架设计。在车辆领域，目前国内的拓扑优化技术已进一步应用于客车、轿车和货车的车架。

2008年，潘峰等人在机械设计和研究中，基于简化模型和优化准则，对微型卡车车架的局部结构进行了优化，达到了15.63%的减重效果。2013年，谢伦杰等人在《车辆工程》中，综合考虑静动态特性对电动车辆车身结构进行了多目标拓扑优化。2014年，王思祖等人在《机械设计与制造》中，对全承载式客车车身进行了极限工况下的拓扑优化，以满足强度和刚度要求。改造后的新型客车车身结构布局更加合理，轻质效果显著。2015年，葛冬冬等人在《科技通报》中，在基于Optistruct软件对电动车辆车身骨架进行拓扑优化，得到的车身骨架结构优化方案比优化前的质量减少18. 96%。2016年，郑文杰等人在《车辆工程学报》中，采纳拓扑优化方法对赛车车架在结构上进行优化，重构后进一步进行尺寸优化，优化后的车架质量降低13.5%。2018年，解运等人在《农机装备与车辆工程》中，对某专用车辆进行了单工况和多工况的拓扑优化设计，设计出了一种桁架式车架，已在工程实车中应用；在设计阶段，引入拓扑优化的理论和方法，可以适当地提升车架力学性能，同时后续还可以进行尺寸优化，从而达到更佳的轻量化效果。^[9]

然而，中国目前对车架进行有限元分析时，仅限于在一些极端工况下进行自由模态、约束模态、弯曲载荷和扭转载荷的分析。但由于当前软件和硬件的限制，计算模型依然较小，模型的细化程度还需要改进。所以，试验结果的刚度和强度分析还相对粗糙，在未来的研究道路上依然还有很大的进步空间。

第2章 有限元原理与软件介绍

有限元模型的建立是有限元分析的根基，精度是影响分析结果的主要要素之一。在本章中，我们使用参数化建模来创建有限元模型。在获得Catia主模型的原始结构后，我们使用Ansys建立有限元模型并进行静态和动态分析。通常，结构分析方法通常分为两类：经典分析和数值分析。

经典的分析标准包括精确和近似的解。控制微分方程直接用于处理给定边界条件下的工程上的难题。因为几何结构、材料性能和外荷载面积具有不规则性，经典的分析方法能够解决多个问题，但在工程范畴中很难得到实际问题的分析解。数值分析手段主要包括能量法、边界元法和有限元法。有限元法是当前工程实践中非常关键的数值计量方法。它是处理实际工程问题的强大数值工具。

2.1 有限元分析的原理与方法

在实际应用中，弹性动力学必须经历完整的弹性离散过程、元素特征分析、建立所有刚体方程、计算等效节点和讨论解决方案收敛和执行步骤。目前，结构优化和拓扑优化也是在有限元法的基础上进行的，并在工程中得到了应用。

有限元分析主要涉及结构离散化、位移函数的确定、单元特征分析、单元聚类、未知节点位移的解和应力计算。

2.1.1 构造的离散化和位移函数

由各种元素组成的计算模型称为单元细分。离散的柱单元通过单元节点彼此连接。应根据问题的性质，需要描述的变形形式以及计算的准确性来确定元素节点的设置、性质和数量。一般而言，单位划分越具体，变体描述越准确。换句话说，它将更贴近实际上的变形，但计算也会更庞大复杂。所以，通过有限元方法分析的结构不再是原始对象或结构，而是以某种方式在一些单元中连接相同材料的离散对象。有限元分析得到的结果是近似的，如果拆分单元数量高且合理，则结果与实际情况一致。

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