摘 要

随着全球汽车工业的不断向前发展，由汽车带来的能源消耗问题和环境污染问题越来越严重。而汽车的油耗与整车质量密切相关，车架作为整车之中质量较大的一个总成，减轻车架质量对整车重量的降低有着很重要的作用。

本文在总结国内外汽车车架轻量化设计人员经验的基础上，总结出了汽车车架轻量化设计的一般方法。首先选取某目标SUV车型的车架，通过三维设计软件CATIA建立车架的三维几何模型，使用hypermesh有限元软件建立出车架的有限元模型。通过对车架施加载荷和约束利用optistruct对车架进行刚度和模态分析，分析的结果表明目标车架有很大的轻量化潜力。接下来介绍了车架轻量化设计的方法。运用optistruct软件进行了尺寸优化设计，优化的结构显示车架的质量减轻了约12%，达到车架轻量化设计的目的。

关键词：车架；轻量化设计；有限元；刚度；模态

Abstract

With the continuous development of the global auto industry, brought about by the automobile energy consumption and environmental pollution problem is getting worse. The fuel consumption and vehicle quality cars is closely related to the quality of the frame as the vehicle into a larger assembly, reduce the quality of the frame to reduce the weight of the vehicle has a very important role.

This paper summarizes domestic and international experience in automotive lightweight design personnel frame basis, summed up the general method of automobile frame lightweight design. First, select a target frame SUV models, CATIA build three-dimensional geometric model of the frame by the three-dimensional design software, using finite element software hypermesh establish a finite element model of the frame. By applying a load to the frame and the frame were bound to use optistruct stiffness and modal analysis, analysis of the results indicates that the target frame is very lightweight potential. Next comes the method frame lightweight design. Optistruct software using size optimization design, optimization of the structure of the display quality of the frame is reduced by about 12%, to achieve the purpose of the frame lightweight design.

Key Words:frame；lightweight design；finite element；stiffness；modal

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 论文研究背景 1

1.1.1 车架概述 1

1.1.2 国内外研究现状 1

1.2 论文研究目的和意义 1

1.3论文主要研究内容及思路 2

1.3.1 论文研究内容 2

1.3.2 论文研究思路 2

第2章 某型SUV车架有限元建模 3

2.1 有限元法基本理论 3

2.2 应用软件的选择 3

2.3 SUV车架的三维实体建模 4

2.4 SUV车架有限元建模 4

2.4.1几何清理 5

2.4.2 网格划分 6

2.4.4 建立材料卡片参数 8

2.4.5 边界条件的模拟 8

2.5 本章小结 9

第3章 SUV车架刚度分析和模态分析 10

3.1 车架强度和刚度评价指标 10

3.1.1 车架强度评价指标 10

3.1.2 车架刚度评价指标 10

3.2 车架载荷工况的计算和分析 11

3.2.1 满载弯曲工况 11

3.2.2 车架弯曲刚度有限元分析结果 11

3.2.3 满载扭转工况 14

3.2.4 车架扭转刚度有限元分析结果 14

3.3 车架有限元模态分析 15

3.3.1 模态分析的理论基础 16

3.3.2 基于hyperworks模态分 16

3.3.3车架动态特性评估 18

3.4 本章小结 19

第4章 SUV车架轻量化设计研究 20

4.1 设计变量的选取 20

4.2 状态变量的选取 21

4.3 目标函数的建立 21

4.4 尺寸优化结果 21

4.5 本章小结 22

第5章 全文总结与展望 23

5.1 全文总结 23

5.2 研究展望 23

参考文献 24

致 谢 25

第1章 绪论

1.1 论文研究背景

1.1.1 车架概述

对于非承载式的汽车来说，车架是汽车上一个重要的总成，车架是整个汽车的装配基体和承力基体，车架在整个汽车占比重比较大，车架对整个汽车行驶的稳定性和安全性有非常重大的关系，发动机、变速器等零部件需要通过车架来固定他们的位置，车架的作用是支承连接汽车的各零部件，并承受来自车内外的各种载荷。

汽车车架的结构形式包括三种，分别为边梁式车架、中梁式车架和综合式车架。^[1]轿车车架的形式复杂多样，这主要取决于汽车的行驶条件和运用的范围，现在越来越多的汽车采用承载式车身的结构，这样可以不使用车架从而可以使整车质量大大下降，但是对于一些特种车辆来说，车架对于汽车行驶的稳定性和安全性有很大的决定作用，所以部分车型通过使用车架牺牲整车质量的方式来加大汽车行驶的安全性。对汽车工程师设计车架来说，汽车工程师首先要考虑的是车架在汽车整体布置中的要求，当用户驾驶汽车行驶在各种不同的路面上时，要求那些通过车架固定的零部件在运动时不发生干涉，车架也应该有足够的强度和刚度避免车架断裂或者产生较大的变形，在满足使用的条件下，应该尽量降低车架的总质量从而降低整车的质量来达到经济学和安全性的要求。

1.1.2 国内外研究现状

从汽车出现开始，汽车轻量化设计经历了一段漫长的过程，汽车的轻量化设计受基本数学理论和计算效率的限制，刚开始时汽车轻量化设计并没有取得很大的进展，在1970之后，随着全世界计算机的发展和基本数学力学理论的发展，汽车轻量化设计开始取得进步，有限元法在汽车上的运用也加快了汽车设计的步伐。1991年Matsumoto和Masahide在通过对摩托车车架进行尺寸优化设计减轻摩托车车架的质量。^[2]Lan在2004年应用计算机软件ANSYS对某大型客车车架进行了有限元分析，接下来他们用实验验证了有限元分析的准确性。^[3]另外，我国汽车轻量化设计技术也飞速发展取得了大量优秀成果和积累了大量经验。2009年1月，武汉理工大学范世斌对某种特别专用车的结构厚度进行了有限元分析研究。 ^[4]

1.2 论文研究目的和意义

剧大量的统计数据表明，汽车的质量对整车油耗有很大的影响，汽车质量如果可以降低100kg，汽车行驶一百公里平均可以节约0.6升油；汽车如果减重百分之十，油耗平均可降低6%~8% 。^[5]75%的油耗与汽车的整车质量有关，汽车排放量和整车质量也有很大的关系，车架作为一个承受载荷的重要总成，其质量在整车中占有很大比例，所以车架质量对整车的排放和燃油消耗有较大的影响，故我们需要对车架进行优化从而降低其质量。

车架轻量化设计不仅能节约化石能源，汽车的排放对全球的环境污染有很大的影响，所以通过优化设计车架降低车架重量从而减轻整车重量对于环境保护而言也有重大的意义。在车辆设计过程中可以节约大量钢材，并能改善车辆的燃油消耗和尾气排放。将有限元方法运用到汽车设计过程中，使汽车的设计技术大大提高，汽车的性能也增长成本降低，对于减轻汽车质量来说，有限元法在减轻汽车整车质量有广泛的应用。

1.3论文主要研究内容及思路

1.3.1 论文研究内容

在已知的车架模型基础上制定车架轻量化优化设计方案，选取某型号SUV车架，利用CATIA建立车架三维实体模型；运用有限元软件hypermesh软件建立车架有限元仿真的模型，对车架进行刚度和模态分析，在前面的基础上在对车架进行轻量化的优化设计；利用有限元开展车架模态刚度性能分析，我们选取汽车运动过程中的典型工况进行分析计算，从而得到车架的刚度和模态数据，在前面的基础上对车架的结构性能进行分析评价；在建立车架有限元仿真模型基础上，确立优化设计方案完成车架轻量化设计的基本目标。

1.3.2 论文研究思路

选取某型SUV车架运用三维软件CATIA建立目标车架的三维模型，然后利用hypermesh软件建立车架的有限元模型，对车架进行刚度和模态分析，然后对车架进行轻量化的优化设计减轻其质量。具体技术方案如下：选取某型号SUV为目标车型，通过已有车架数据利用三维软件CATIA建立目标车型车架模型，得到车架几何实体模型之后，利用有限元软件hypermesh建立车架有限元模型，对于典型工况给车架模型施加载荷进行有限元分析计算，得到分析结果进行评价，然后运用尺寸优化的方法减轻整车的质量达到本次优化设计的目标。