摘 要

随着全球的汽车的需求量日益增加，能源缺失和空气、土地等环境污染的问题日益严重，车辆轻量化成为当今车辆工业的一项重点且具有重要意义的研究项目。车架变轻有利于减小滚动阻力、加大燃料的利用率。并且减小车辆的重量可以提高车辆控制的稳定性，并且对提高燃油经济性都有很大的利处。

车架是车辆上重要的承受载荷的部件，不仅承受来自车辆传递过来的装载的货物和车辆自身的重力载荷，而且还要承受从行驶途中传递过来的各类多变的负载和力矩，所以车架结构的设计效果对整车的结构性能具有关键的影响。对车架的性能进行基于有限元法的结构分析，使得车架拥有充足的力学性能条件下，尽可能的使车架的总体重量减小，这对降低设计和制造成本，提升车辆结构性能的利用率，提高市场竞争力都具有非常重要的实用意义。

本篇论文里的轻量化设计的理论方法采取的是有限元法，并以某型号重载卡车边梁式车架作为分析对象。基于UG和ANSYS软件，先建立了卡车车架的三维模型，再根据车架装配件的构造特点选择合理的单元类型和材料属性，之后利用ANSYS壳单元完成了卡车车架的有限元模型的建立，基于以上步骤之后研究了扭转和弯曲两种情形下的载荷和约束添加方式，在ANSYS里分别计算出了两种情况下的形变和应力分布，通过初步分析，找出了原设计的车架的可优化的区域，最后针对可优化区域做出合理的优化建议。

关键词：车架，轻量化，有限元法，UG，ANSYS

Abstract

With the increasing demand for automobiles in the world, the problems of energy loss and air pollution such as air and land are becoming more and more serious. Lightweight of vehicles becomes a key and important research project of today's vehicle industry. The frame becomes lighter to reduce rolling resistance and increase fuel utilization. And reduce the weight of the vehicle can improve the stability of vehicle control, and to improve the fuel economy has a lot of benefits.

    The frame is an important load-bearing part of the vehicle, not only from the load from the vehicle and the vehicle's own load load, but also from the road from the various complex loads and moments, while the frame is also subject to their own large quality The design effect of the frame structure has a key influence on the structural performance of the vehicle. The finite element method is used to analyze the performance of the frame structure, so that the frame has sufficient mechanical performance conditions, as far as possible to reduce the overall weight of the frame, which reduces the design and manufacturing costs, enhance the use of vehicle structure Rate, to enhance the market competitiveness has a very important theoretical value and practical value.

In this paper, the lightweight design of the use of finite element method to a heavy truck side beam frame as a research object. Based on the UG and ANSYS software, the three-dimensional model of the truck frame was established, and the reasonable element type and material properties were selected according to the structural characteristics of the frame assembly. Then, the finite element model of the truck frame was established by ANSYS shell. The stress distribution and deformation of the two kinds of working conditions were calculated in ANSYS, and the optimized area of the original frame was found out. Finally, Can optimize the region to make reasonable optimization recommendations.

Key Words：Frame,lightweight, finite element method,UG,ANSYS.

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题的来源 1

1.2 课题的研究背景 1

1.3 课题研究的意义与目的 2

1.4 国内外车架结构轻量化现状研究 3

1.4.1 国外车架结构轻量化现状研究 3

1.4.2 国内车架结构轻量化现状研究 4

1.5 本文主要研究内容 4

第二章 车架结构轻量化设计理论研究方案 5

2.1 车架轻量化设计方法的选择 5

2.2 有限元法基本理论 5

2.2.1 有限元法的基本思路 5

2.2.2 壳体单元基本理论 6

2.2.3 有限元法的求解步骤 8

2.3 本章小结 9

第三章 卡车车架三维几何模型的建立 10

3.1 车架三维实体模型的建立 10

3.1.1 车架几何模型的简化 11

3.1.2 抽取中面 11

3.1.3 建立车架几何模型 11

3.2 本章小结 15

第四章 车架的有限元模型的建立 16

4.1 建立车架有限元模型 16

4.1.1 导入几何模型 16

4.1.2 定义单元类型 16

4.1.3 定义质点质量 17

4.1.4设置壳单元特性 18

4.1.5 定义材料属性 19

4.1.6 划分网格 20

4.1.7 建立刚性区域 20

4.2 边界条件的模拟 21

4.2.1载荷的施加 21

4.2.2 约束条件的处理 22

4.3 本章小结 22

第五章 车架有限元计算分析及轻量化设计 23

5.1 车架强度和刚度评价指标 23

5.1.1 车架强度的评价指标 23

5.1.2 车架刚度评价指标 23

5.2 车架各工况有限元分析 24

5.2.1 满载弯曲工况 24

5.2.2 满载扭转工况 27

5.3 车架轻量化设计 30

5.4 本章小结 30

第六章 环境影响及经济性分析 31

6.1 环境影响分析 31

6.2 经济性分析 31

第七章 结论和展望 33

7.1 结论 33

7.2 展望 33

参考文献 34

致谢 36

第一章 绪论

1.1 课题的来源

本课题是基于某款重载卡车的基础上，根据汽车行业和运输业的发展趋势以及需求，在满足车辆的力学等性能条件下，降低卡车车架整体的重量，来加大车辆的准许装载的货物量，相应提升卡车的运输效率。车辆的轻量化两大方法是轻质新材料的采用和基于CAE的有限元方法的采用等，本课题将通过采用有限元方法对卡车车架的优化分析来减轻车辆的重量。

1.2 课题的研究背景

伴随着全球经济的高速发展，因燃料的燃烧所产生的污染逐渐恶化和一次性燃料的大量消耗，节能、环保等成为汽车行业发展的新的指向标。因此节能、环保成为整个汽车行业须要加大投入和发展的议题。

随着八十年代来以来我国的制造能力不断提升，大陆的车辆工业也在大跨步前进，而车辆燃料的大量消耗，使得某些区域出现了能源相对缺少的境况，对地区的交通行业和经济的发展产生了一些不利的抑制影响。