摘 要

作为汽车的支撑基础，车架受到很多连接部件传来的力和扭矩。分析车架的强度、刚度和模态是保证车辆性能的重要过程。随着汽车行业的进步和社会的发展，轻量化成为汽车发展的趋势。碳纤维复合材料作为新兴材料，有比传统金属材料高的比强度和比刚度，密度只有传统金属的五分之一。使用碳纤维制造的车架在强度提高的同时减少了很大一部分重量。碳纤维复合以其优异的性能在汽车轻量化的进程中起着重要的作用。本文用ABAQUS对某轻型卡车车架完成建模和有限元分析。计算了车架在传统金属材料和碳纤维复合材料下的强度、刚度和模态参数。从以上三个方面验证碳纤维复合材料相对于传统金属材料车架的优势。

关键字：车架；有限元；碳纤维复合材料

Abstract

As the supporting base of the car, the frame is subject to the forces and torques transmitted by many connecting components. Analysing the strength, stiffness and modality of the frame is an important process to ensure vehicle performance. With the advancement of the automotive industry and the development of society, lightweight has become the trend of automobile development. As an emerging material, carbon fiber composite materials have higher specific strength and specific rigidity than conventional metal materials, and the density is only one-fifth that of conventional metals. Frames made of carbon fiber reduce the weight while increasing the weight. Carbon fiber composite plays an important role in the process of automotive lightweighting with its excellent performance. This article uses ABAQUS to complete modeling and finite element analysis of a light truck frame. The strength, stiffness, and modal parameters of the frame under conventional metal materials and carbon fiber composites were calculated. From the above three aspects, the advantages of the carbon fiber composite material relative to the conventional metal material frame are verified.

Key Words: Frame ; Finite element ; Carbon fiber composite

目 录

第一章 绪论 1

1.1选题的背景 1

1.2国内外研究现状 2

1.3研究的内容 4

第二章 车架模型建立 5

2.1车架参数及结构布置 5

2.2结构简化及车架模型建立 5

2.3车架材料确定 6

2.4车辆静载荷的定义 7

2.5车架典型工况及约束情况定义 9

2.6网格质量控制及网格划分 10

2.7本章小结 11

第三章 车架刚度分析 12

3.1弯曲刚度分析 12

3.2扭转刚度分析 14

3.3本章小结 16

第四章 车架强度分析 17

4.1 传统金属材料车架强度分析 17

4.2 碳纤维复合材料车架强度分析 20

4.3本章小结 22

第五章 模态频率分析 23

5.1 传统金属材料车架模态分析 24

5.2 碳纤维复合材料车架模态分析 26

5.3本章小结 27

第六章 结论 29

参考文献 31

致 谢 33

第一章 绪论

1.1选题的背景

汽车作为陆地交通的主要工具，每年的产量和销量都是一个巨大的数字。2017年仅仅我国汽车产量就达到2901.54万辆，销量达到2887.89万辆。如此多的汽车对石油的消耗占比也是一个极高的数目，现在全球开采的石油70-80%被用作汽车燃料。另外化石燃料的燃烧而造成的环境污染问题日益突出。在能源危机和环境污染愈来愈严峻的情况下，汽车行业的排放法规愈来愈严格，节能减排成为汽车行业未来的一个偏向。有研究表明，车体的质量减小可提高燃油效率和减少排放污染，当车体重量减少10%，则燃油消耗大约减少6-8%^[1]。汽车行业因此开始向着减重的方向发展，轻量化走上汽车的发展历程，设计师开始从布局和材料两方面对车辆进行质量优化。车架作为车上的主要支撑部件，固定着车上的其他部件并承受着发动机、变速箱、驾驶室、货箱及载货的重量。车架的性能决定了车辆行驶的安全性。在车架的设计中车架的强度、刚度和模态分析是最常见也最重要的考虑因素。强度保证车辆在额定载荷下不会发生失效破坏，刚度保证车辆不会发生大的变形，模态频率则决定着车辆的行驶平顺性和乘坐舒适性。

在优化结构的同时，新兴材料的出现大大加快了汽车的轻量化进程，汽车设计开始使用合金材料和复合材料。目前汽车领域内两种很受欢迎的轻量化材料分别是铝合金和碳纤维材料。像Tesla，Audi，未来汽车采用铝合金制造了车身，Mclaren， BMW采用碳纤维制造了车身。与传统金属材料对比，复合材料的比强度和比刚度更高、密度更小、抗疲劳机能更好、减振机能更好、高低温机能更好、膨胀系数较小、破损安全性能更好（个体纤维断裂，仍能安全使用）^[2]。目前，碳纤维在汽车领域内的广泛应用还存在一些问题，譬如材料成本高，自动化大批量生产困难，碰撞后不易修复，材料没法回收充分使用。当然随着研究的不断深入，现在这些问题在一定程度上得到了解决。卡车车架因为结构简单、便于加工，所以可以用碳纤维来制造。碳纤维车架相对于传统金属材料车架，在保证强度足够的情况下，大大降低车架及整车的重量。载货车作为陆上交通运输的主要工具，车辆自重的减小不仅可以减少燃油消耗，同时可以增加载货量以提高性价比。

Cherdsak Chuaymung等人为了得到轻型农用卡车载荷下框架中的应力预测，在ANSYS中模拟车辆在单轮斜坡和双轮斜坡上的情况得到应力数据，同时安排实际行驶情况下的应力测量，比较分析两种不同研究方法得到的应力数据，结果表明静态有限元分析能够很好的模拟车架实际情况^[3]。而相比试验测量，在车辆设计中采用有限元软件对车辆进行建模分析可以很大程度的节约时间和成本，因此有限元分析被认为是汽车结构设计的重要手段。