载货汽车车架设计及有限元分析

载货汽车车架设计及有限元分析导师:答辩人:班级：学号：2023/2/1目录绪

论载货汽车车架设计车架有限元模型的建立车架工况分析12342023/2/1第一章绪论

汽车作为重要的交通运输工具，目前绝大多数汽车都是以车架为整车骨架的。汽车绝大多数部件和总成都是需要通过车架来固定位置的，

譬如发动机、传动系、转向系、驾驶室、悬架、货厢等有关部件和总成。车架需要承受来自道路和装载的各种复杂载荷，同时也要起到支撑连接汽车各零部件的作用，因此车架的刚度和强度在车辆总体设计中显得非常重要。

简单的数学方法是无法对车架进行较为准确的分析的，原因是车架的工作状态比较复杂。随着计算机的飞速发展，在设计阶段我们可以利用计算机软件建立较为精确的几何模型，然后建立有限元模型，并对其进行分析，最后获得产品较为精确的设计结果。1.1课题的来源及意义2023/2/11.2本文主要研究工作三维建模利用SolidWorks软件设计车架三维模型分析计算利用UGNastran有限元软件对车架进行弯曲和扭转工况的分析计算，得到它的应力分布图和变形图结果汇总对结果进行汇总2023/2/1第二章车架设计

边梁式车架：边梁式车架又称梯形车架，它是由位于两边的两根纵梁和若干横梁所组成，它们之间可以通过焊接或铆接的方式连接成刚性构架。这类车架的构造便于安放驾驶室、发动机、车厢和别的总成，因此被广泛地应用在载货汽车、特种汽车、越野车和大客车上。2.1车架的类型2023/2/1中梁式车架

中梁式车架（或称脊梁式车架）只有一根位于中央且贯穿前后的较粗的纵梁和若干根悬伸托架组成。中间的纵梁可以是圆管状（可以称其为中梁管式车架），也可以是箱形断面。这类车架的扭转刚度合适，使车轮能有较大的运动空间，适合采用独立悬架，可以提高汽车的越野性，但制造工艺复杂。2023/2/1综合式车架

综合式车架（又称复合式车架），这类车架的前后部分是边梁式车架和中梁式车架的组合，因此它同时具有两种车架的特点，中部为一短脊梁管，传动轴从短管内穿过，使之密封防尘。该车架的边梁可以用来安装发动机，其悬伸出来的可以固定车身，中部的抗扭刚度合适，但中部地板凸包较大。制造工艺复杂。2023/2/12.2车架设计要求（1）有足够的强度（2）有足够的弯曲刚度（3）有适当的扭转刚度（4）尽量减轻质量2023/2/12.3车架的结构设计

纵梁是车架的主要承载部件，在汽车行驶中受较大的弯曲应力。车架纵梁根据截面形状分有工字梁和槽形梁。由于槽形梁具有强度高、工艺简单等特点，因此在载货汽车设计中选用槽形梁结构。另外为了满足低速载货汽车使用性能的要求，纵梁采用直线形结构。这样既可降低纵梁的高度，减轻整车自身重量，降低成本，又可保证强度。纵梁由P610L钢板冲压而成，车架纵梁长6000mm，最大剖面尺寸为：200×70X8mm(高×宽×厚)。2.3.1纵梁形式的确定2023/2/12.3.2横梁形式的确定

横梁是车架中用来连接左、右纵梁，构成车架的主要构件。横梁本身的抗扭性能的好坏及其分布，直接影响着纵梁的内应力大小及其分布，所以合理设计横梁，可以保证车架具有足够的扭转刚度。

本文设计采用槽型纵梁、槽型横梁，横、纵梁间采用铆接连接，一共有五根横梁.2023/2/12.3.3纵梁与横梁的连接

轿车车架的纵、横梁采用焊接方式连接，而货车则多以铆钉连接。铆钉连接具有一定弹性，有利于消除峰值应力，改善应力状况，这对于要求有一定扭转弹性的货车车架有重要意义。

车架铆接示意图1—横梁；2—横梁连接板2023/2/12.3.4车架的三维模型建立选取绘图平面大致绘制草图尺寸标注、添加几何关系结束草图绘制选用特征装配

当今，使用SolidWorks软件建立复杂结构的三维模型是一种十分常见的方法。使用SolidWorks软件建模不仅可以有效的节省工作时间，而且还可以提高设计的工作效率。2023/2/1

车架装配模型图2023/2/1第三章车架有限元模型的建立3.1有限元法的基本介绍

有限元分析是利用数学近似的方法对真实的几何或载荷工况进行模拟的一种方法。同时，利用单元这种简单而又相互作用的元素，可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实结果。

将物体(连续求解域)离散成有限个单元，并且按照一定的方式相互联结在一起，来模拟或逼近原来的物体。物体被离散成有限个单元后，通过对这些单元求近似解，然后得到整个物体的解。2023/2/13.2前处理阶段

3.2.1将车架几何模型导入到Nastran软件

因为Nastran软件不能直接识别SolidWorks软件形成的成文件，所以在车架的装配模型完成后，将该模型转化为Nastran软件可以识别的格式，在SolidWorks软件中可以通过文件——另存为实现这个操作。启动Nastran软件后，通过命令选项导入车架的三维几何模型文件。2023/2/13.2.2理想化模型的建立

为了建立优质的有限元模型，需要对几何模型进行必要的简化。因为有限元建模的主要任务之一就是在尊重实际和不影响计算精度的情况下，使复杂的问题简单话，便于计算，力求使有限元模型的单元和节点数较少，以减少计算的工作量，同时还要保证单元的质量。对部分部件件进行去圆角的处理，抽取中面等操作。2023/2/13.2.3划分网格

在有限元模型建立中划分网格，是一个重要的环节之一，它需要考虑的问题比较多，需要的工作量较大，所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响。车架划分完成后，其中部件中的单元总数为：60837；部件中的节点总数为：49801。2023/2/13.2.4车架材料的选择

在仿真模型下对车架零部件定义材料，然后再对各零部件定义好设计的厚度。车架材料应该有足够的屈服极限和抗拉极限，车架的材料性能如下表所示。材料屈服极限抗拉极限P510L355500P610L500600Q235235350ZG270-5002484602023/2/13.2.5模型的连接

因为车架是由各个零部件通过相应的装配方式连接而成的，从而形成车架整体，所以对车架中的各种连接方式的模拟也直接影响到车架计算结果的可信性。本文通过RBE2单元来模拟作为传递力和力矩的刚性组件。2023/2/1第四章车架工况分析4.1载荷的处理2023/2/1

按照载荷在车架上的分布情况，可以将载荷分为分布载荷以和集中载荷两种。本文将车身质量按分布载荷处理，平均分布在车架的纵梁上，而发动机、驾驶室、油箱、蓄电池等各部件的质量对车架的作用按集中载荷处理，作用在其支撑位置上。车架满载为8T，其它各部件的质量如下表所示：名称质量/Kg货箱载货质量8000发动机300驾驶室500油箱（含油）120蓄电池50

载货汽车定型实验规程规定：车辆必需以一定的车速在各种道路上行驶一定里程。而汽车最常见的两种工况为弯曲工况和扭转工况，整车分析多基于这两种工况，下面就这两种工况分别分析讨论。2023/2/14.2计算结果

满载弯曲工况主要分析汽车在满载状态下，四轮着地时的结构强度变化情况，其行驶路面良好，汽车保持高速、匀速直线行驶的状态。

2023/2/14.2.1满载弯曲工况分析2023/2/1最大应力345.12Mpa。满载弯曲工况应力图满载弯曲工况变形图2023/2/1最大总变形量为2.111mm

从以上图可以看出：汽车高速匀速行驶过程中，车架整体应力分布均匀，中部应力较大。载荷8T时，车架最大应力为354.22MPa；位于右纵梁安装油箱附近，最大应力小于车架材料P510L的屈服强度355MPa，安全系数为1.002，载荷为8T时满足设计要求。

车架的变形主要发生在车架左纵梁第二横梁和第三横梁之间，8T载荷的最大总变形量为3.123mm。2023/2/14.2.2满载扭转工况分析

扭转工况分析汽车在满载状态下，路面行驶状态较差，路面状态崎岖不平。本工况模拟一个车轮骑障或悬空时，车架发生扭转的转态。本文模拟右前轮被抬起100mm时的情形。2023/2/1扭转工况应力分布图2023/2/1最大应力300.56MPa扭转工况下车架变形图2023/2/1最大变形量3.56mm

从以上图表可以看出：在扭转工况中，载荷8T时，车架最大应力317.69MPa，位于第三