基于ANSYS的汽车车架结构设计.doc

1、摘 要这篇文章对东风汽车公司出产的J6P重型车进行车架结构设计，然后利用CATIA三维画图软件对车架进行建模。之后在ANSYS有限元软件中建立此车车架的有限元模型，一方面对此车架在典型工况中做静力分析，另一方面对其进行模态分析，在静态与模态分析基础上对汽车车架结构作出优化。关键词：车架 ；有限元法；结构分析；优化AbstractFirstly,the content of this article is the design of J6P heavy duty truck frame structure which produced by DONGFENG company.Then the f

2、rame is modeled by CATIA 3D drawing software.After that,the finite element model of the frame is set up in the finite element software ANSYS.Static analysis in typical operating conditions and modal analysis are carried by using the finite element software.On the basis of these analyses,this topic u

3、ses ANSYS to make further optimization of the frame structure.Key words：Frame; Finite element method; Structure analysis;Optimization目 录摘 要IIIAbstractIV1绪 论11.1引言11.2选题的背景12车架设计22.1设计目标车辆主要参数22.2车架结构的确定22.3车架结构形式的设计22.3.1车架宽度的断定22.3.2车架纵梁方法的断定32.3.3车架横梁方法的断定32.3.4车架纵梁与横梁衔接型式的断定32.4车架的受载分析32.4.1静载荷42

4、.4.2对称的垂直动载荷42.4.3斜对称的动载荷42.4.4其它载荷42.5弯曲强度核算时的基本假定42.6纵梁的剪力和弯矩的计算52.7车架材料的确定62.8纵梁截面特性的计算62.9弯曲应力计算与校核62.10临界弯曲应力的计算和校核72.11横纵梁尺寸72.11.1纵梁72.11.2横梁72.11.3连接板82.12 CATIA三维实体建模82.13本章小结83车架的静态分析93.1车架有限元建模93.2车架材料性能参数93.3车架网格划分103.4车架载荷分布103.5满载弯曲工况下的静力分析114车架模态分析154.1车架的有限元模态分析154.2结果分析194.3本章小结215车

5、架纵梁的结构优化225.1优化前纵梁的静力分析225.2优化后车架纵梁的静力分析255.3优化小结286结 论29参考文献30致 谢32III 第2章 车架设计1绪 论1.1引言汽车行业的历史已经有一百多年，随着汽车行业不断扩大发展，包括汽车产品现如今的大批量生产，汽车已经对加快现代人类生活以及发展世界经济起到了不可估量的重大影响。现如今，在一些经济相对发达的国家，汽车的普及率已经达到了很高的水平，虽然我国每个家庭的汽车普及率比不上一些相对发达的国家，但是我国庞大的人口对汽车行业的发展扩大了很大市场，根据前瞻产业研究院发布的2015-2020年中国成品油行业市场调研与投资预测分析报告显示，自新

6、中国成立以来，中国居民汽车的保有量迅速扩大。到2008年底，全国民用汽车突破五千万辆。其中，载货汽车就有1126.07万辆，这样的形势对我国汽车行业发展有着很大的影响。此外我国汽车行业在经历了多年的风雨历程之后，已经形成了一个相对良好的工业发展体系。1.2选题的背景一切皆有两面性，有好的一面便有不好的一面。如今汽车行业的不断扩大与发展给现代生活带来了很多便利，同时也造成了很多问题，例如能源问题和环境问题。在能源方面，每年汽车耗费的石油量相当庞大，并且有逐年加多的趋势，然而能源是有限的，按照这样的趋势下去，地球会面临相当可怕的能源危机；此外，在环境方面，汽车尾气对环境的污染以及人体的危害是相当之

7、大的，每年汽车向大气层排放的有毒气体占据了大气污染物的很大比例，可见其污染之严重，并且汽车尾气中所排放的气体尤其是二氧化碳会加剧温室效应，所以节能环保在汽车行业的发展中是不可避免的环节。为此，对汽车设计进行进一步的优化设计就显得尤为重要，而汽车车架作为汽车的载体，对车架进行优化设计便能带动整车的优化。本课题便是以上文所论述的内容为背景所展开，在确保不影响汽车自身功用的前提下，对其车架结构进行合理的静态与模态分析，进而在静态与模态分析的基础之上对车架结构进行优化。2车架设计2.1设计目标车辆主要参数参考车型：解放J6P载货汽车详细参数：外形尺寸（长宽高）：1198024703350mm货箱栏板内

8、尺寸：95002294800mm总质量：29400kg 整备装置：11405 kg额定载质量：17800kg 接近角/离去角：32/20前悬/后悬：1250/2530 轴距：1900+5000+1300mm最高车速：90 km/h 轴数：4 前轮距：1950 mm 后轮距：1860 mm弹簧片数：（前/后）9/10 2.2车架结构的确定本课题以边梁式车架作为研究对象。边梁式车架在载货车架中是由多根梁组合而成，其中包括两根开口朝内但是相互平行的槽型纵梁和一些开口槽型横梁，皆是由冲压制成。一般情况下，纵梁两端的下表明会随着应力情况的变化相应的减小，然而纵梁的上表面则不然，沿着全长不变或者有点降低。

9、车架宽度多为全长等宽。挑选的方案的利益：边梁式车架在大客车、特种车和载重货车上被广泛的使用，由两根纵梁和若干根横梁组成，这样的结构有利于设置驾驶室、车箱以及其它总成。22.3车架结构形式的设计2.3.1车架宽度的断定汽车车架的宽度是指左、右纵梁腹板外旁边面之间的距离。2汽车车架前部宽度的最大值由汽车前轮的最大转角限制，而最小值又由发动机的外廓宽度所决定。3汽车车架后部宽度的最大值则主要根据钢板弹簧片宽和汽车车架外侧的轮胎等尺寸来断定。一般增大汽车车架的宽度可以提高汽车的横向稳定性。2一般而言，汽车整体安置的参数可以断定汽车车架的宽度，并且整车宽度要求要小于等于2.5m。本课题选取车架的宽度为8

10、60mm。2.3.2车架纵梁方法的断定车架纵梁的构造，在满足整车整体安置需求的前提下还要保证汽车车架的自身功用，并且为了简化它的制造技术和成本，应该要求其构造尽量简单。纵梁的长度约为汽车轮距的1.4倍至1.7倍，通常约为汽车的长度。根据本课题的要求，考虑到纵梁截面的特点，本设计方案的纵梁选用上、下翼面是平直等高的槽形钢，纵梁总长为11500mm。优点：能被广泛地运用于各种载货汽车上，结构简单，制造方便牢靠，便于安装各个汽车部件，有很好的的抗弯强度，不仅能够节约生产成本，还能简化制造工艺，降低工人的作业强度。2.3.3车架横梁方法的断定汽车车架的左、右两根纵梁由若干根横梁连接在一起，组成一个稳定

11、的结构，从而使车架有满意的抗弯刚度。3汽车主要总成经过横梁来支承。载货汽车的横梁一般由若干根横梁组成，每一根横梁的用处均不同。2本设计课题是关于重型车车架构造规划，选用开口断面，大小共11根横梁.2.3.4车架纵梁与横梁衔接型式的断定铆接、焊接和螺栓衔接等方法皆为横梁和纵梁的固定办法。4螺栓衔接的方法在本课题研究中将被大量使用以衔接横梁与纵梁。总而言之，汽车车架结构的安排需要充分考虑各方面的因素，不仅要考虑到整车的合理安置，还要参考公司企业的制造工艺和技术才能，所以一定要合理选择横梁与纵梁的衔接方法以及纵梁截面的高度和横梁的构造方法，3这样才能是汽车车架能够满足汽车运用的要求，以到达较好的经济

12、效益和社会效益。2.4车架的受载分析实际情况中，汽车的使用情况十分多样化，从而导致其受力情况也不同，所以作用在汽车车架上的载荷亦是多样性的，3根据车架承受的载荷不同可以进行不同的分类：2.4.1静载荷汽车静止时，悬架弹簧以上的载荷便是汽车车架所承受的静载荷。也就是指客车或货品的总质量（有效载荷）、隶属件的质量、装置在车架的各总成、车身质量以及车架质量的总和。2.4.2对称的垂直动载荷对称的垂直动载荷作用在汽车车架上容易发生弯曲变形。这种载荷一般都是在汽车以相对较高的车速在比较平坦的道路上行驶的时候会发生。作用在汽车车架上的静载荷、静载荷的分布以及垂直振动加速度与它的大小有关，路面的作用力使车架

13、承受这样对称的垂直动载荷。52.4.3斜对称的动载荷斜对称的动载荷作用在汽车车架上容易发生扭转变形。这种载荷一般是汽车行驶在路面高低起伏的道路上发生的。汽车的前后轮在这种情况下不在同一个面上，所以造成汽车车身以及车架一块倾斜，车身、悬架和车架的刚度以及道路不平整的程度都与这种载荷的大小有关。32.4.4其它载荷汽车车架会因汽车行进过程中转弯产生的离心力而受到侧向力的作用；3会因行进过程中加速或者制动产生的惯性力而重新分配汽车车架前后部载荷；2会因一个前轮的正面撞在道路面凸起上而在水平方向发生剪力变形；还有安装在汽车车架上的各个部件（如减振器、转向摇臂及发动机等）运作时而产生的力；纵梁也会因为载

14、荷的作用线不经过纵梁的截面弯曲中心而另外产生局部转矩。3综上所述，实际情况中汽车车架的承受载荷的情况多样杂乱，一方面是因为多种多样的车架纵梁与横梁的截面形状以及不同的衔接点，另一方面是因为受到了一定的空间力系的作用。2.5弯曲强度核算时的基本假定为了便于弯曲强度的核算，对车架进行以下基本假定：1、汽车前后轴的简支梁由纵梁来支承。因为汽车车架有对称的结构，左右纵梁受到相差不大的力。2、两根纵梁的全部长度上均匀分布着空载时的簧载质量，其中包括汽车车架的自重。根据车底盘构造的统计数据，其值差不多可以估量出来。一般轻型和中型载货汽车上的簧载质量差不多是汽车自重的三分之二。53、汽车车箱全长上均匀分布有效载荷。4、所有作用力均经过截面的弯曲中心。 2.6纵梁的剪力和弯矩的计算用一个三跨连续梁简化纵梁，如下图2.1所示。图2.1 纵梁受力简化图已知L1=1.3m, L2=1.9m, L3=5m,L4=1.3m,L5=2m,汽车满载时所受静载荷mg=（29.4+17.8）*9.8=462.56（KN）,计算可知：汽车受满载静载荷时，前一轴地面反力F1 = 120.9KN、前二轴地面反力F2 = 120.9KN、后一轴地面反力F3 = 110.38 KN、后二轴地面反力F4 = 110.38 KN。因此连续梁的剪力图和弯矩图分别由下图2.2和图2.3表示。