（机械制造及其自动化专业论文）电源车车厢结构分析及轻量化研究.pdf

【i i iiii ii i i iiii iii ii il 18 8 5 2 9 4 t h es t r u c t u r a lo fp o w e rv e h i c l ec o m p a r t m e n t a n a l y s i sa n dal i g h t w e i g h t r e s e a r c h b y m u w e i j i e b e ( l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 7 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m e c h a n i cm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o ry a n gj u n z h i a p r i l ，2 0 11 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名牟纬掇日期汐序磊7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收 录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名 导师签名 日期纫库月7 日 日期： 刃年多月矿日 硕十学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t 】 i 插图索引 附表索引v 第1 章绪论l 1 1 课题的背景及意义1 1 2 国内外研究现状综述2 1 2 1 军用厢式车的国内外研究现状2 1 2 2 汽车轻量化国内外研究现状4 1 2 3c a e 技术国内外形容现状5 1 3 本文主要研究内容6 1 4 本章小结7 第2 章车厢结构分析的有限元理论8 2 1 有限元法基本理论8 2 1 1 线弹性体静力学问题8 2 1 2 求解的收敛条件1 1 2 1 3 边界条件处理l2 2 1 4b e a m l 8 8 单元特性1 2 2 2 软件介绍15 2 3 本章小结15 第3 章电源车车厢骨架有限元模型的建立1 6 3 1 车厢骨架模型的简化l6 3 2 几何模型的生成17 3 3 有限元模型的建立18 3 3 1 材料属性的指定：18 3 3 2 钢板弹簧悬架结构有限元模型18 3 3 3 单元类型19 3 3 4 网格的划分1 9 3 4 本章小结2 0 第4 章车厢骨架结构的有限元静态分析2 1 4 1 车厢骨架技术指标21 4 1 1 车厢骨架强度指标2 l 下厢结构分析及轻量化研究 4 1 2 车厢骨架刚度指标2l 4 2 静态弯曲工况分析2 2 4 2 1 弯曲工况下载荷与约束2 2 4 2 2 弯曲工况结果分析2 2 4 3 车厢骨架扭转工况分析2 3 4 3 1 扭转工况下约束与载荷2 3 4 3 2 扭转工况结果分析2 3 4 4 车厢骨架制动工况分析2 4 4 4 1 制动工况下约束与载荷2 4 4 4 2 制动工况结果分析2 4 4 5 车厢骨架转弯工况分析2 5 4 5 1 转弯工况下约束与载荷2 5 4 5 2 转弯工况结果分析2 5 4 6 本章小结2 5 第5 章车厢骨架结构随机振动分析2 7 5 1 车厢骨架模态分析2 7 5 1 1 模态分析方法2 7 5 1 2 模态分析理论基础2 8 5 1 3 车厢骨架模态分析结果2 9 5 2 车厢骨架随机振动分析3 0 5 2 1 随机振动评价方法3 0 5 2 2 随机过程3 0 5 2 3 随机载荷统计处理3 2 5 2 4 随机振动载荷谱3 2 5 2 5 随机振动结果3 6 5 3 本章小结38 第6 章车厢结构轻量化设计4 0 6 1 优化设计理论j 4 0 6 2 车厢骨架参数化优化4 l 6 3 本章小结4 4 结论与展望4 5 参考文献4 7 致谢5 0 附录a ( 攻读学位期间所发表的学术论文目录) 5 1 硕士学位论文 摘要 本文针对某企业研发的厢式军用电源车，运用a n s y sw o r k b e n c h l 2 1 有限元 软件进行了车厢结构分析及车量化研究。 强度和刚度是车厢结构的基本要求，通过对车厢强度和刚度分析可以查明车 厢的应力分布状况和变形状况，从而揭示车厢强度和刚度的薄弱环节，为结构轻 量化设计提供参考。静力学分析是对满载时的结构强度和刚度进行校核，本文主 要分析以下四种工况的应力和变形情况：静态弯曲工况( 匀速直线运动) 、静态扭 转工况( 通过扭曲路面) 、紧急制动工况和紧急转弯工况。 由于某军用电源车行驶路况较复杂，在静态分析的基础之上，计算了车厢骨 架结构有预应力作用的振动模态，获得了车身的固有频率及相应的振型。然后以 模态分析结果为基础，运用路面位移谱进行了随机振动分析，计算出两种工况下 随机振动的应力应变分布数据。计算结果表明，该军用电源车以4 0 k m h 的速度 在碎石路面上行驶时受到的载荷最大，但是还有轻量化的余地。 为了实现车厢的轻量化设计，本文通过参数化建模，以大型优化软件为平台， 对车厢梁部件截面尺寸进行优化。 本文的研究说明有限元方法为车厢结构静态和动态特性的仿真及优化设计提 供了有效的基础理论及方法，并通过本文的研究找到一种厢式车通用的研究方法， 对其他厢式车的设计也具有一定的参考意义。 关键词：电源车有限元车厢轻量化 a b s t r a c t t h ep a p e ra n a l y z e st h es t r u c t u r e m i l i t a r yp o w e rv e h i c l eb ya p p l y i n gt h e a n ds t u d i e st h el i g h t w e i g h tm e t h o d so fav a n s o f t w a r ea n s y s w o r k b e n c h l 2 1 jn es t r e n g t ha n ds t i f f n e s sa r et h e f r a m e b a s i cr e q u i r e m e n t s t h ep a p e rs t u d i e s t h e s t r e n g t ha n ds t i f f n e s so ft h e c o m p a r t m e n ta st oa s c e r t a i nt h e s t m c t u r e ，s d i s p l a c e m e n ta n dy o nm i s e ss t r e s s ，s ot h a tt h ed e f e c t so f d e s i g nc a nb ef 0 u n do u t a n d t n ec o n c l u s l o nc a n g i v er e f e r e n c e sf o rt h ef o l l o w i n go p t i m i z a t i o n t h ep a p e rm a i n l y s e l e c t sf o u rw o r k i n gc o n d i t i o n st os t u d yt h e s i t u a t i o no fd i s p l a c e m e n ta n ds t r e s s a s 圳o w s ：s t a t i cf l e x ( u n i f o r mm o t i o ni nt h e s t r a i g h tl i n e ) ，s t a t i ct o r s i o n ( t h er o a di s f o rt h es i t u a t i o no ft r a f f i c i sc o m p l i c a t e d ，t h ep a p e rc a l c u l a t e s t h ev i b r a t i o n m o d e sa n dg e t st h e c a rb o d y ， n a t u r a l f r e q u e n c ya n dm o d e s ，b a s e do nt h es t a t i c 锄a 蛳s c a r r yo u tr a n d o mv i b r a t i o n a n a l y s i sb yu s i n gt h er o a d d i s p l a c e m e n t s p e c t r u m ，f i n a l l yt h es o f t w a r ec a l c u l a t e st h ey o nm i s e ss t r e s so f t w 0c o n d i t i o n sb a s e d o nm o d a la n a l y s i s sr e s u l t s t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ev e h i c l eb e a r st h em a x i m u m l o a d w n e n1 t1 sm o v i n go n g r a v e lr o a da tas p e e do f4 0k i l o m e t e r sp e r s e c o n d in ep a p e ro p t l m i z e st h eb e a m s s e c t i o n s p a r a m e t e r sf o rt h el i g h t w e i g h td e s i g n b a s e do ni a r g eo p t i m i z a t i o ns o f tw a r e b yp a r a m e t r i cr o o d e l i n g 1 h e 士1 n l t ee l e m e n t a n a l y s i sp r o v i d e sv a l i dt h e o r ya n dm e t h o d sf o rt h es i m u l a t i o n a n do p t 吼1 z a t l o no f t h ev a nv e h i c l ea n dd y n a m i c c a p a c i t yt h r o u g ht h ep a p e r ss t u d v a n dt h es t u d y w a y so ft h i sp a p e rc a ng i v es o m er e f e r e n c ep o i n t st ot h ed e s i g n o fs o m e k e yw o r d s ：p o w e rv e h i c l e ；f i n i t ee l e m e n t ；v a nv e h i c i e ；l i g h 钿e i g h t 硕十学位论文 插图索引 图2 1有限元分析流程图1 0 图2 23 d 线性应变梁单元b e a m l 8 8 1 3 图3 1军用电源车车厢实物图1 7 图3 2 某电源车车厢骨架三维模型1 7 图3 3 骨架梁单元截面形状1 7 图3 4 钢板弹簧悬架系统1 9 图3 5 车厢骨架有限元模型1 9 图4 1弯曲工况应力图2 2 图4 2 弯曲工况变形图2 3 图4 3 扭转工况应力图2 3 图4 4 扭转工况变形图2 3 图4 5制动工况应力图2 4 图4 6 制动工况变形图2 4 图4 7 转弯工况应力图2 5 图4 8 转弯工况变形图2 5 图5 1 前十阶模态值2 9 图5 2 一阶模态振型云图2 9 图5 3 二阶模态振型云图2 9 图5 4 三阶模态振型云图2 9 图5 5四阶模态振型云图2 9 图5 6 五阶模态振型云图3 0 图5 7 六阶模态振型云图3 0 图5 8 正态分布图3 0 图5 9 路面谱近似曲线3 4 图5 1 0 工况一路面谱密度3 5 图5 1 1 工况二路面谱密度3 5 图5 1 2 工况一1o r 应力图3 6 图5 1 3 工况一1t l r 变形图3 6 图5 1 4 工况一2 盯应力图3 7 图5 1 5 工况一2 仃变形图3 7 图5 1 6 工况二lt l r 应力图3 7 图5 1 7 工况二1o r 变形图3 8 i l l 车厢结构分析及轻量化研究 图5 1 8 图5 1 9 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 图6 6 图6 7 工况二2 盯应力图3 8 工况二2 0 r 变形图3 8 车厢骨架参数4 2 车厢骨架截面参数4 2 最优参数4 3 工况二l 盯应力图4 4 工况二1 仃变形图4 4 工况二2 0 r 应力图4 5 工况二2 0 r 变形图4 5 i v 硕士学位论文 附表索引 表1 1 轻量化材料的性能参数4 表3 1 材料参数1 8 表4 1 该车各部件质量表2 2 表5 1 道路不平的五级分类标准3 3 表5 2 五个级别路面c 。值3 3 表6 1 轻量化前后军用电源车骨架最大变形与最大应力对比4 3 表6 2 轻量化前后随机振动结果对比4 4 v 硕十学位论文 第1 章绪论 现代化战争对部队的机动性提出了越来越高的要求，各种集成化机动作业车 辆应运而生。军用厢式车作为其中的一种得到了世界发达国家军队的高度重视， 近年来已有了较快的发展。随着各国军方对厢式车在资金和科研力量上的投入， 军用厢式车车厢的制作技术也在不断的发展和成熟。其技术成果不仅在现代战争 中发挥了越来越重要的作用，而且已经应用到了民用厢式车上。 2 0 世纪5 0 年代初，机动使用的军用地面装备还是采用散装运输，到达现场后 才组装配套、调试、形成系统。战争实践证明，采用这种方式在运输中军用装备 零部件及备件容易丢失和损坏；在现场调试费力费时，作战反应时间长，难以应 付紧急任务；在临时架设的帐篷内安装和工作，无法保证装备和人员有适宜的工 作环境。这些都直接影响了装备的可靠性和总体作战效能。为此，世界各国逐步 发展和装备了军用厢式车辆，把需要移动的军事装备事先安装在车厢内并调试好， 运抵战场后为军事装备提供可靠的作战平台，并能很快发挥作战效能。与方舱相 比，军用厢式车由于其车厢与装载底盘的一体性，在执行任务时不需要其它装备 支援即可出动，被敌方侦察到后，能迅速的转移阵地，因而具有更强的战术机动 性、随行保障能力和自我防护能力。由于军用厢式车能够为设备和人员提供一定 的环境保护，并且越来越多的军事部门要求军用厢式车能够提供一个更大的工作 空间。为此，军用厢式车应用越来越广，目前已经用于许多先进武器装备，比如 电子对抗、导弹发射。而且在民用的诸多领域得到广泛使用，比如工程抢险、石 油探测，电视直播【lj 。 1 1 课题的背景及意义 在2 l 世纪的今天，节能和环保日益得到广泛的关注，着眼于可持续发展，节 约资源、减少环境污染已成为世界汽车工业有待解决的两大问题。有研究数字显 示，汽车整备质量每减少1 0 0 公斤，百公里油耗可降低o 3 - 0 6 升，汽车重量降 低1 ，油耗可降低o 7 。而在驾驶方面，汽车轻量化后加速性提高，车辆控制 稳定性、噪音、振动方面也均有改善。从碰撞安全性考虑，碰撞时惯性小，制动 距离减小。此外整车质量每减重1 0 0 公斤，二氧化碳排放可减少约5 克公里【2 1 ， 因此减轻汽车重量是节约能源和提高燃料经济性的最基本途径之一，汽车轻量化 正成为汽车技术的前沿和热点。由于军用厢式车多为越野车，运行时路况复杂， 车厢要具备很强的力学性能、通过性、适应性，机动性。同时为保护厢内内燃机 发电机组在特定战场环境下运转正常，车厢要有良好的封闭性。因此，设计出能 满足在特定战场环境下需要的军用电源车，又尽可能的节约资源、减少排放具有 很大意义。通过对本课题的探讨，同时对其他厢式车的设计也有一定的指导意义。 车厢结构分析及轻晕化研究 目前世界上汽车产品开发的新技术不断涌现，使产品的开发周期从6 年缩短 到目前的3 年甚至更短的时间，其主要原因之一是计算机辅助造型( c a s ) 、计算 机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助工程分析( c a e ) 、计算机辅助制造( c a m ) 、计算机 辅助试验( c a t ) 、计算机集成制造系统( c i m s ) 以及计算机虚拟现实系统( v r ) 等一 大批先进技术得到了应用，从而迅速缩短了汽车业的产品开发周期。我国最近几 年有限元法在汽车设计中得到广泛应用，但是在特种车辆改装方面多数企业仍然 主要依靠传统的手段。这一方面造成局部材料强度余量较大而又无法及早判断出 材料浪费程度的情况；另一方面对车辆实际使用过程中出现的局部强度不足的问 题只能采取头痛医头，脚痛医脚的局部加强方案；而且需要进行多次全面的实车 试验才能确定其有效性。而有限元是迄今为止最为经济有效的辅助手段，它包括 有限元辅助设计、有限元辅助分析等一系列内容。可极大地减少资源投入，缩短 工作周期。而且在认真细致的工作作风下可保证较高的准确性和与实际情况十分 理想的吻合程度。因而，在车辆的设计、制造和改进过程中引入有限元法是必要 的。并且可以对军用厢式车车厢设计提供一定的参考，探索一种军用厢式车车厢 设计的通用方法。 1 2 国内外研究现状综述 1 2 1 军用厢式车的国内外研究现状 目前在国外，军用厢式车在指挥、通讯、医疗等专业军兵种中均有所应用， 并有逐步扩大使用范围的趋势。总后勤部后勤科学研究所对美军陆军空降师编配 的制式后勤装备调查统计结果显示厢式车占2 5 ，方舱占3 4 ，集装箱占4 1 。 军用厢式车辆通常与集装箱、方舱等互补组成集装化运输系统。世界发达国家军 队的集装箱、军用厢式车和方舱向着标准化、系列化、通用化、模块化发展。由 三者组成的大型机动组合单元已形成了整体配套、普及应用的趋势，且具有较高 的战略机动性和防护能力1 3 j 。 1 车厢与底盘车联接形式的发展 军用厢式车的车厢与有大变形能力的底盘相联，常常会在联接处造成很高的 应力集中，所以车厢与底盘的联接形式的好坏对整车的可靠性起着至关重要的作 用。目前的联接形式主要有以下四种： ( 1 )车厢与底盘直接固定式。采用原底盘车的联接形式将车厢底板直接固 定在车架上，只是在联接处对车厢底板进行加固，并采取弹性联接方式。这种联 接方式最为简单，其联接处所承受的工况也最为恶劣，但能够获得最低的车厢高 度。 ( 2 ) 普通副车架直接固定式 普通副车架直接固定式是在车厢与底盘之间增加副车架，车厢底板与副车架 的横梁通过螺栓固联在一起，而副车架的纵梁通常通过u 形螺栓与车架联接。这 种形式实际上是通过副车架对车厢底板进行加强，使副车架分担部分扭矩，因而 2 硕士学位论文 这种车厢结构简单，并能获得较低的车厢高度，但在车辆行驶时，车厢也要承受 扭转力矩。 ( 3 ) 管梁固定式 管梁固定式是一种具有创新思维的联接方式，是基于圆管能够最有效的承载 扭矩这一思想所设计的。该联接组件由管梁和托架组成。采用管梁固定式的车厢 在车辆行驶过程中可避免外部扭转力矩对车厢的直接作用，改善车厢工作条件， 提高可靠性但车厢底板高度较普通副车架直接固定型式要高，对整车高度会产生 一定的影响。 ( 4 ) 管梁、弹性支撑复合固定式 管梁、弹性支撑复合固定式是将管梁和副车架有效的结合在一起，因而综合 了上述2 、3 两种固定方式的优点，既能有效的降低车厢的扭转力矩，又使车厢 底板离地高度不至于过高，同时可以采用板式车厢结构，降低车厢结构重量，但 是结构比较复杂。 2 军用厢式车发展的总体趋势 世界各国由于自身实力和作战对象不同，其军用厢式车的发展方向也不相同， 但现代战争的共同点促使军用厢式车朝着以下几个方面进行发展。 ( 1 ) 三防设计。英国、意大利、德国也都在发展三防车厢方面，已经从指挥、 控制、通讯厢式车扩大到机械维修、电气、电子设备维修、医疗、炊事厢式车， 军用厢式车具有三防功能也成为重要发展趋势。 ( 2 ) 电磁屏蔽设计。目前美军在硬壁车厢上的电磁屏蔽设计已经相当的成熟， 电磁屏蔽的衰减量达到6 0 d b 以上，要求高的甚至在8 0 d b 以上，但在扩展式军用 厢式车上仍存在一定难度。所以美军目前仍在继续改进电磁屏蔽设计，谋求新的 电磁屏蔽手段和方式。 ( 3 ) 提高车厢的抗爆炸和防洞穿能力。随着高新技术在军事领域的应用，先 进的高精度制导武器将会大量使用，未来常规上的火力强度和密集度将进一步加 大。当今的军用厢式车是极易被探测和遭摧毁的目标。因此，美军认识到加固军 用厢式车的车厢壁板使其具有一定的防超压和防洞穿能力是今后车厢发展的重要 工作，并把其作为近、中、远期发展的重点之一。美国主要采用强度高、重量轻 的结构材料( 如k e v l a r 层压材料等) 来制造车厢壁板以承受超压和防洞穿。目前美 国正在研究和试验车厢壁板上用的陶瓷、石墨、玻璃纤维等复合材料，以提高抗 超压和防洞穿能力。 1 2 2 汽车轻量化国内外研究现状 国内外对汽车进行轻量化的研究主要从以下三个途径【4 】： 1 利用材料技术对汽车进行轻量化( 材料轻量化) 采用轻质材料取代传统的钢铁材料是汽车轻量化的重要手段。表1 1 列举了 可供选择的主要轻质材料的性能参数。汽车工业运用最多的轻质材料是铝合金。 3 车厢结构分析及轻量化研究 铝合金比重约为钢铁的1 3 ，用铝合金代替钢铁大约可减重5 0 。但运用铝合金 也面临不少问题，铝合金加工难度比钢材高，成型性还需继续改善。 另外铝的价格比较高，铝合金零部件成本比传统钢材零部件成本要高很多， 这大大减小了铝合金零部件的市场竞争力，因此成本控制对铝合金的运用非常重 要。镁合金具有与铝合金相似的性能，但是镁的密度更低，其比重只有1 8 9 e r a 3 ， 其尺寸稳定性、机加工性、铸造性、吸振性都很好。用镁合金取代钢铁制造某些 汽车零部件，可获得6 0 的减重效果。 表1 1 轻量化材料的性能参数 2 利用革新制造工艺实现汽车轻量化 在利用优化设计和轻型材料实现汽车减重时，常需要革新制造工艺，从而进 一步减少质量降低成本。国内外在革新制造工艺方面的研究主要集中在三个方面： ( 1 ) 轻型结构件的创新制造工艺 轻型结构件的创新制造工艺有管件液压胀形新工艺和塑料中空成型工艺。美 国福特公司的m o n d e o 轿车的发动机支架采用液压胀形技术后，与传统的加工技 术相比，零件个数由6 个减少为一个，制造工序由3 2 道减少为3 道，构件质量由 1 2 k g 减少为8 k g ，成本又2 0 英镑减为1 0 英镑。 ( 2 ) 轻型结构件新的优化连接工艺 将高压成形的管件，按优化的尺寸加工好端面并清洗后，采用激光焊接将构 件连接成轻型结构件。有的还可采用超塑性扩散连接新工艺。 ( 3 ) 产品开发中的集成创新工艺设计 在产品结构设计时，事先就把新选定的材料与减小质量的工艺集成到设计中 去，从而收到既能缩短制造过程工艺链，又能显著减小质量并降低生产成本的效 果。整体无缝式汽车驱动桥壳与轿车副车架的设计就是这种方法的范例。 3 利用汽车结构优化实现汽车轻量化 在现代汽车工业中，c a d c a e 一体化技术起着非常重要的作用，涵盖了汽 4 硕士学位论文 车结构设计和分析的各个环节。利用c a d c a e 技术进行结构优化设计，在确保 结构性能的前提下，消除多余或无用材料，寻求各部件壁厚的减薄、数量的精简 和结构的整体化、合理化，以达到结构最轻的目的。 1 2 3c a e 技术国内外研究现状 计算机辅助工程c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 指工程设计中的分析计算 与分析仿真，而有限元法f e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是计算机辅助工程c a e 5 】 中的一种，另外c a e 还包含了边界元法b e m ( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ) 和有限差 分法f d m ( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ) 等。这几种方法各有其优缺点，各有其应用领 域，但有限元法的应用最广，它可以对各种类型的工程和产品的物理力学性能进 行分析、模拟、预测、评价和优化，以实现产品技术创新，故已广泛应用于各种 力学、电学、磁学、振动【6 】及很多学科领域。同时，由于它能够处理耦合问题， 使得其有更大的应用前景。在汽车结构设计中，通过有限元来分析汽车动、静态 特性，来解决许多以往手工计算根本无法解决的问题，为企业带来巨大的经济效 益以及社会效益【7 1 。随着科学的进步和发展，汽车计算机辅助工程系统已经在许 多大的汽车制造公司应用，特别是计算机性能的进一步提高，推动了该系统的发 展。通过计算机辅助工程系统，可以形成一套以分析计算、设计以及实验为内容 的汽车设计分析系统。 有限元技术的应用越来越广，已经应用到了各行各业。结构静力学分析： 这是在车辆和各种零部件设计【lo 】中最常见的问题，可以分析计算结构与时间无关 的应力分布和变形情况，例如有限元汽车车身分析【1 1 】。结构动力学问题【1 2 】：可 以求解结构或系统本身的动态特性，还可以进行强迫响应分析。温度场分析d 3 】： 可以分析结构内部温度的分布情况以及热应力和热变形的情况，包括瞬态和稳态 的问题。流场分析【1 4 】：分析流体力学方面问题，例如车辆外形对行驶阻力的影 响的分析、对发动机冷却系统的分析等。噪声分析【l5 】：在汽车行驶过程中，汽 车各个总成及零部件振动引起噪声，这些噪声使乘客感到疲劳和不舒服，同时还 给环境带来噪声污染，对汽车噪声特性的预测、设计放在非常重要的地位。有限 元技术不仅在汽车设计和分析中得到很好的应用，研究汽车行驶过程的应用 2 4 - 2 5 】，而且在和汽车联系密切的交通运输部门也得到很好的应用1 7 】。 有限元技术已成为车身结构分析领域中最为方便、准确的工具【”】。美国 c h r y s l e r 公司的r o g e r s 工程师把有限元分析与试验分析进行过比较，并指出有限 元计算结果的最大变形误差不超过5 ，而应力误差不会超过1 0 1 9 l 。在汽车车 身结构设计中，为了满足各项性能要求，先进的轻量化设计【2 0 】理念是十分重要的， 基于有限元法的结构优化与灵敏度分析【2 l 】是保证这种指导作用正确性的一种极 为有效的方法，有限元在汽车上的应用已经深入到各个领域，从汽车的设计制造 到汽车后期的实验等等，都离不开有限元的分析。有限元在汽车开发中的应用非 5 车厢结构分析及轻晕化研究 常广泛：汽车强度、刚度的分析【2 2 】：采用有限元法( f e m ) 可以对汽车零部件的 应力和变形进行强度和刚度分析【2 3 1 ，像a n s y s l 0 0 以及h y p e r m a s h 软件就使这种 强度和刚度分析变得简单。有限元法在汽车强度、刚度的分析中最显著的应用是 在车身设计中的应用【2 4 1 ，有车身结构和模态分析【2 5 1 。汽车被动安全性方面的应 用：安全是汽车行业面临的热点问题之一，如何提高车身的抗碰撞能力是汽车被 动安全性中需要解决的问题。汽车碰撞【2 6 】是动态的大位移和大变形的过程，接触 和高速冲击载荷影响着碰撞全过程，系统具有几何非线性和材料非线性等多重非 线性。对上述系统的模拟计算则需采用动态非线性有限元方法。 1 3 本文主要研究内容 本文的主要工作是以某企业生产的某型军用电源车为研究对象，根据工程图 纸建立车厢骨架的有限元模型；采用有限元软件a n s y sw o r k b e n c h l 2 1 进行车厢 骨架结构的静动态分析和轻量化设计，通过查阅文献，同时结合课题的研究需要， 确定本文的研究内容如下： 1 解决车厢骨架有限元模型建立的精度问题 由于该种军用电源车车厢骨架结构复杂，在对整个系统建模时，有很大的难 度。在建模时为了真实反映车厢骨架各个组成部分的特征，要采用多种单元混合 使用进行建模，同时还必须要解决不同单元之间的连接所带来的误差，本文使用 合理的方法有效地提高了系统模型的精度。为正确的进行静、动力学特性分析和 计算打好前提基础。 2 对该车厢骨架进行静力学刚度与强度研究 静力学分析包括刚度分析和强度分析，利用电源车车厢骨架有限元模型对该 车运行过程中的四种典型工况：静态弯曲、车厢骨架扭转、制动、转弯分别进行 强度分析，得出了车厢骨架的应力图、变形图。 3 对车厢骨架进行结构动力学特性研究 该电源车属于军用越野车，在运输行驶的过程中所承受的载荷比较复杂，同 时车速的变化范围又比较广，对其进行动力学特性分析非常必要。通过模态分析 得出该车的前十阶自振频率，并进行了车辆以8 0 k m h 的速度在混凝土路和以 4 0 k r n h 的速度在碎石路两种行驶工况的随机振动分析，得出了车厢骨架应力图和 变形图。车厢骨架的动力学分析为决定车辆行驶速度与路况的匹配能力以及合理 地安装车载仪器提供了依据。 4 结构轻量化设计 为了实现车厢的轻量化设计，人们总是希望在满足强度和刚度要求的前提下 尽量使车厢的质量最小。结构优化设计可以为车厢的轻量化提供一种科学的设计 方法，本文以a n s y sw o r k b e n c h 优化软件为平台，对车厢骨架梁部件截面尺寸 6 硕+ 学位论文 进行优化，优化过程中目标函数是骨架质量，设计变量是各梁的截面尺寸，约束 条件为最大应力。 1 4 本章小结 本章从轻量化设计和有限元法的研究背景、意义及国内外现状等方面阐述 该课题的实践意义。最后简单的介绍了本文所要研究的内容：对某型军用电源车 车厢骨架进行动、静态分析，提出轻量化方案。军用电源车轻量化技术已经成为 军用电源车发展的趋势之一，在满足使用性能的前提下，减轻军用电源车的质量 已经成为目前电源车行业中的研究热点。 7 车厢结构分析及轻量化研究 第2 章车厢结构分析的有限元理论 有限元是数学、力学及计算机科学相互渗透、综合利用的边缘科学，是现代 科学和工程计算方面最令人鼓舞的重大成就之一。其基本思想是把要分析的连续 体假想地分割成有限个单元所组成的组合体，简称离散化。这些单元仅在顶角处 相互联接，称这些联接点为结点。离散化的组合体与真实弹性体的区别在于：组 合体中单元与单元之间的联接除了结点之外再无任何关联。但是这种联接要满足 变形协调条件，即不能出现裂缝，也不允许发生重叠。显然，单元之间只能通过 结点来传递内力。通过结点来传递的内力称为结点力，作用在结点上的荷载称为 结点荷载。当连续体受到外力作用发生变形时，组成它的各个单元也将发生变形， 因而各个结点要产生不同程度的位移，这种位移称为结点位移。在有限元中，常 以结点位移作为基本未知量。并对每个单元根据分块近似的思想，假设一个简单 的函数近似地表示单元内位移的分布规律，再利用力学理论中的变分原理或其他 方法，建立结点力与位移之间的力学特性关系，得到一组以结点位移为未知量的 代数方程，从而求解结点的位移分量。然后利用插值函数确定单元集合体上的场 函数。显然，如果单元满足问题的收敛性要求，那么随着缩小单元的尺寸，增加 求解区域内单元的数目，解的近似程度将不断改进，近似解最终将收敛于精确解。 通过上述分析可以看出，有限单元法的基本思想是“一分一合”，分是为了进行单 元分析，合则是为了对整体结构进行综合分析1 2 7 j 。 2 1 有限元法基本理论 2 1 1 线弹性体静力学问题 在整个结构有限元分析过程中，线弹性体的静力分析问题非常重要。它主要 由以下步骤完成： 1 问题及求解域定义。根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。 如求解的是结构位移场的问题还是温度场问题或是电磁场问题，这将决定选择何 种单元以及如何建立控制方程。 2 求解区域离散化。离散化从数学意义上来讲，就是把连续的微分方程近似 地化为离散的代数方程组。 3 选择位移模式。单元的位移模式是表示单元内任意点位移随位移变化的函 数式往往用单元的节点位移来表示。一般不可能精确地反映单元中真实的位移分 布，这就带来了有限元法的一个基本近似性。为了能用结点位移表示单元体的位 8 硕十学位论文 移、应变和应力，在分析连续体问题时，必须对单元中位移的分布做出一定的假 设，也就是假定位移是坐标的某种简单函数，这种函数称为位移模式或插值函数。 选择适当的位移模式是有限元分析的关键。通常选择多项式作为位移模式，其原 因是多项式的数学运算比较方便，并且由于所有函数的局部都可以用多项式逼近。 至于多项式的项数和阶次的选择，则要考虑到单元的自由度和解的收敛性要求， 一般来说，多项式的项数应等于单元的自由度数，它的阶次应包含常数项和线性 项等。 根据选定的位移模式，即可导出单元位移与结点位移关系式： 厂) = 【】 万r ( 2 1 ) 式中： 厂 单元内任一点的位移列阵； 毋。单元的结点位移列阵； 【】单元位移模式矩阵。 由上式( 2 1 ) 可导出结点位移表示的单元应变关系式： s ) = 【剀 万 。 ( 2 2 ) 式中： 占 单元内任一点的应变列阵； 【明单元应变矩阵。 【b 】= r 利用式( 2 2 ) 可以导出结点位移表示的单元应变关系式： 盯 = 【d 】【召】 万 。 ( 2 3 ) 式中： 盯卜一单元内任一点的应力列阵； 【d 】与单元有关的弹性矩阵。 4 推导单元刚度方程 【k 】。= i l l b r d b d x d y & ( 2 4 ) 用变分原理来建立单元方程，在位移法中应用最小势能原理，建立单元刚度 方程，它实际上是单元的各个节点的平衡方程，其系数矩阵称为单元刚度矩阵， 即 扩 。= 【k 】。 万r ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 中，右上角标e 表示单元编号 f ，8 代表节点力列阵， k 】。称为单元 刚度矩阵，它的每一个元素都反映了一定的刚度特性，即产生单位位移所需施加 的力。 5 集合单元刚度方程，形成有限元法基本方程。有限元法的分析过程是先分 后合。即先进行单元分析，在建立了单元刚度方程以后，再进行整体分析，把这 些方程集合起来，形成整个求解区域的刚度方程，即有限元位移法基本方程。集 9 车厢结构分析及轻晨化研究 合所遵循的原则是各相邻单元在共同节点处具有相同的位移。集合过程包括单元 刚度矩阵集合成总刚度矩阵，以及单元节点力列阵集合成总的节点载荷列阵。 图2 1 有限元分析流程图 1 0 有限元程序 上7 i 求解器 i 弋 l 后处理器 硕十学位论文 【k 】 艿) = 埘 ( 2 6 ) 式中： 田总节点位移列阵； 灭) _ 总节点载荷列阵。 此时面力载荷和体力载荷以及作用在节点外的集中力载荷等均已事先被移置 到有关节点上，成为等效节点载荷 k 】是总刚度矩阵，且 【刚= 旧。 ( 2 7 ) e 6 求解基