《农用运输车车架的力学探析与结构设计》16000字（论文）

绪论1.1研究背景农用运输车，其定义是在农村或野外道路上用柴油机驱动的货物的低速车辆，通常分为三轮农用运输车和四轮农用运输车。运输车辆。相对而言，农用运输车辆保留了拖拉机的原始耕地工作和动力输出能力，从而提高了运输能力，驾驶条件和行驶速度。据统计，我国目前的农业人口约为2亿，农用运输车辆的数量超过2000万，平均有10名农民拥有一辆农用运输车辆。农业生产和农业货运等劳动活动的一半以上是通过农业运输工具完成的。根据2015年国家统计，全国城乡货物运输总量超过120亿吨，农村农田运输量超过170亿吨，年均增长10%以上。预计未来10年，农用运输车辆将增长2-3倍，达到5000万辆，市场潜力巨大。截至2015年底，有超过200家企业从事家用农用运输车的生产。企业数量的年增长率约为5%，农用运输车辆的数量为2500种，世界排名第一。家用农用运输车辆主要在农村和郊区销售，尤其是在山区和丘陵地区。农用运输车辆由于使用柴油发动机，因此具有比普通汽油运输车辆便宜，燃料消耗少和马力大的特点。它受到农民的欢迎，并在城乡建设中发挥着越来越重要的作用。1.2研究意义进入21世纪，我国的农用运输车市场前景广阔，发展迅速，但具有品种单一，设计水平低，技术含量低等缺点。随着经济社会的发展，用户对农用运输车的要求越来越高，对车辆的可靠性，耐用性和便利性提出了更高的要求。为了扩大市场，增强企业竞争力，减少国外先进农机技术的影响，国内农用运输车企业应着重解决以下问题：（1）在城乡道路段，丘陵和山区，由于道路条件恶劣，农用运输车的车架经常断裂，严重变形，不能满足设计寿命的要求。（2）在传统的农用运输车辆的设计阶段，几乎没有考虑底盘系统和行车道激励的组合，从而导致底盘框架的过度振动。（3）为了提高框架的强度和刚度，传统的底盘系统使钢板和厚底变厚，使得框架越来越大，浪费的材料也越来越大。反之亦然，是当今“节能”倡导者的技术主流。（4）框架的技术含量较小，通过用户反馈基本改善了结构，没有有效的结构优化设计过程。如果存在上述问题，则农用运输车的框架强度不足并且刚性不足，从而在使用过程中导致梁断裂或疲劳损坏，严重影响农用运输车的寿命和可靠性，并且存在重大的安全风险。另外，农用运输车辆的车架设计和生产与整车的性能不匹配，因此优化车架的性能是提高整车性能的关键。如果框架存在问题，则设计人员通常会采用经验方法来改进框架的设计，例如增加钢板的厚度或对断裂区域添加加固，但是仍然有很多改进。缺点和周期长，难以适应现代高效的设计要求。因此，需要寻找用于框架研究和开发的新的设计和分析方法，特别是农用车辆框架的设计，突破传统的设计思想，并使用现代设计方法优化农业运输的结构。车架。在满足使用性能和制造工艺的前提下，增加了框架的强度，增加了刚性，降低了生产成本，满足了节能减排的要求。1.3国内外研究现状1.3.1国外研究现状在口益严格的排放标准和环保要求的压力下，全球汽车企业在降低车辆油耗、减少排放、提高安全性方面进行了大量的研究。从表层上看，在保证强度与刚度前提下降低车辆质量是减少油耗的有效方法，从更深的层面上看，减轻车辆质量还有助于减少有害物的排放和降低不可再生资源的消耗。通过查阅大量文献，总结了国外对车架进行有限元分析与结构优化的研究主要包括：（1）对框架进行有限元静力分析，分析框架的刚度和强度，并确保框架满足设计要求。（2）基于模态分析理论，对框架进行计算模态分析和实验模态分析，研究框架本身的固有特性，为深层结构动力优化设计奠定基础。（3）驾驶时对车架进行瞬态分析，研究车架在路面上的激励引起的动力响应，为底盘系统的设计和开发提供依据。（4）采用现代优化方法对框架进行多学科的优化设计，提高了框架的整体性能，减轻了框架的重量。自1960年代以来，国外学者就一直使用有限元方法对框架进行静态分析，并取得了良好的效果。基于有限元理论，比尔曼提出了一种模拟框架纵梁和相交梁的新方法，即梁单元和平板单元的混合建模方法。分析结果表明，该混合建模方法可以模拟框架的结构特征。Kim和Huh使用有限元方法对框架进行了断裂分析，并根据计算结果详细讨论了框架失效的原因和预防措施。在确保计算精度的前提下，A0使用板单元分析框架的扭转刚度，以减少有限元模型的计算量，并通过分析结果了解框架的扭转刚度特性。Hadad和Ramezani使用有限元方法对框架进行了模态分析，并根据分析结果总结了框架的动态特性，并提出了修改框架设计的思路。此外，国外学者还分析了车架的动力学和疲劳特性。Lee等人使用完全有限元方法来验证开放式框架的强度性能，并获得了框架在加速制动，转向和冲击条件下的机械性能。Kwon和Yu使用灵敏度信息方法分析了框架的耐用性，研究了框架在准静态和瞬态条件下的疲劳寿命，并比较了两种条件下的寿命曲线。研究结果证明了敏感性。在预测框架耐久性方面的分析方法。基于二阶时频分布理论，Chandra和Barai对框架进行了结构损伤评估，并在此基础上，分析了结构损伤与固有特性之间的相关性，以证明衰减分布与固有特性之间的相关性。框架损坏。Vineet和Gangbing通过将钛酸锆钛酸铅压电陶瓷片粘贴在框架表面上，研究了三层框架框架的振动特性。研究表明，反馈信号可以达到90%或更高的精度，极点组成控制方法可以有效地预测框架的动态特性。在频率限制下，Yamada和Kanno7使用方程式相关方法来优化框架的结构拓扑，并获得高质量的全局最优解。研究发现，框架的最佳结构与工作频率范围有关。国外使用有限元方法对框架进行研究还处于早期阶段，有限元建模和框架的静态和动态性能研究可以追溯到1960年代。经过几十年的发展，它已经是比较完整的框架建模以及静态和动态性能分析技术，但是具有丰富的实践经验。在国外，有限元方法在框架结构分析中的应用很重要，并获得了许多研究成果，Bemrmxa，HJ提出了一种使用梁板混合单元的合理简化连接方法。通过对卡车车架的垂直梁和横梁汽车的总体设计过程进行仿真和优化，日本日产汽车公司大大缩短了设计周期，提高了汽车的整体性能，减轻了汽车的重量，降低了生产成本，并且大大提高了产品的竞争力。Ao.Kazuo等人解释了使用有限元方法设计框架结构的具体过程，Kim，HS等人则解释了在静态极限载荷下框架的变形和应力。分析了主要的故障模式。自1990年代以来，国外对汽车结构的动力学特性进行了许多研究，并获得了丰富的研究成果。Krawczuk，Marek等人建立了框架全板和壳单元的有限元模型。使用有限元模型进行框架动力分析，然后Hadad，H，Ramezani，A等对框架进行模态分析，并使用模态分析结果对框架的结构设计进行修改框架。2005年，Fredrieson和Harald总结了拓扑优化技术在汽车行业中的应用，对拓扑优化在汽车工程中的使用进行了统计调查，并对新领域的应用进行了详细介绍。1.3.2国内研究现状国内对车架的研究晚于国外，国内对车架的结构分析着重于强度和刚度指标，底盘系统的结构强度和刚度测试结果主要作为设计中的关键指标。海外汽车制造商将强度低阶模态参数以及车身和车架的重量用作产品设计的关键指标，并通过综合分析来完成产品。当前，中国许多大学和企业都将重点放在框架统计，模态分析，瞬态分析和结构优化设计上。王家使用有限元软件分析了大型特种车辆车架的强度，并在此基础上讨论了车架的轻量化问题，优化了车架的拓扑结构，提高了材料利用率。于传文以重型卡车车架为研究对象，使用Hypermesh和ANSYS软件对其进行建模和分析，研究了车架的静态和动态特性，并采用参数优化设计方法对车架结构进行了优化。侯伟在有限元网格划分软件Hypermesh中建立了车架的有限元模型，然后将其导入到有限元分析软件ANSYS中，并使用该块提取了车架在自由状态下的前15阶。Lanzos方法随后将模态参数与模态测试结果进行了比较，以确认框架有限元模型的合理性。研究低速卡车车架的王慧云使用SHELL63装置在ANSYS软件中对车架进行了网格划分，并对车架进行了静态分析，以获得在各种工作条件下车架的弯曲和扭转应力分布它为框架的改进设计提供了合理的建议。王遂峰使用MSC.NASTRAN软件对微型车框架进行结构有限元分析，获得了框架的应力分布，弯曲强度，刚度曲线，模态特性和疲劳寿命，并使用了ANSYS/LS-。DYNA软件，模拟墙到框碰撞。卢丽萍使用HyperWorks的Optistruct优化模块为卡车车架建立拓扑优化模型，其中将每个工作条件的最小应变能作为目标函数，将体积比作为约束函数。基于变密度法，对框架进行了拓扑优化计算，为框架的结构改进提供了参考。郭长成使用有限元软件Hypermesh对框架进行了有限元建模，在自由约束下对框架进行了模态分析，并获得了框架的前12个固有频率和振型。比较计算出的模态结果，以检查有限元模型的准确性。比较了实验模态结果。郭日坤以中型商用车零部件的优化为研究背景，研究了车架对车辆静态扭转和弯曲刚度的影响，并分析了设计区域结构的物理参数。假设车辆根据拓扑结构是刚性的，则优化理论优化了车架的设计，将车架的重量减少了百分之几。赵子春根据框架有限元模型的荷载和设置约束，根据有限元原理分析框架的强度和刚度，并利用Optistruct平台获得应力集中区域以及最大位移和变形位置评估框架结构的强度和刚度。有限元法是利用计算机技术开发的用于解决各种工程问题的数值计算方法。使用离散概念将连续解域离散化为一组以特定方式连接在一起的有限单元。然后，对于每个元素，我们选择一个相对简单的函数来近似元素的物理量，引入载荷和边界条件以求解代数方程，获得数值解，并获得应变，应力分布和其他结构特性。有限元方法的基本思想可以追溯到1940年代。Courant在三角形子区域中使用多边形分割差异方法发表了一篇论文，以研究扭转问题，但他的离散化概念并不吸引人。直到1960年代，克拉夫在进行平面应力分析时才广泛接受“有限元”一词。从那时起，有限元法就位移法和力法进行了讨论，并且有限元法的应用领域越来越广泛。随着科学技术的飞速发展，汽车设计师开始了解有限元方法在汽车领域的重要性，并开始开发框架结构及其有限元模型。1.4农用运输车的研究现状几年前，国外开始重视有限元方法在农用运输车车架结构分析中的应用，产生了许多研究成果。为了获得承重框架的重力分布，Chuaymung等人对轻型农用运输车辆进行了实验测试和计算模拟，对单轮和两轮悬架条件进行了详细研究，并改善了框架结构。已提出。为了获得农用运输车车架的最佳设计结构，Uys等人采用了基于坡度的方法来考虑局部和疲劳约束来优化农用运输车车架的结构。优化的结果是，坡度是农用运输车辆的基本方法，结构优化的可能性很高。Paraforos等人基于农村道路和田间地面信息的收集分析了农用运输车辆的疲劳特性，并将直接光谱估计方法的预测结果与常规方法进行了比较。Sun等人建立了一种预测农用运输车辆安全特性的数值方法，实验结果表明，该数值方法在求解中比常规方法更有效。在尚未开发的有限元商业软件时代，由于无法定量计算农用运输车车架的结构变形和应力分布，国内农用运输车制造商基本上对有问题的车架采用整体加厚和局部加固，造成了材料浪费。随着中国有限元技术的发展，国内企业和大学科研人员对农用运输车的车架进行了许多静态分析，动态分析和结构优化计算。杨罗成使用有限元分析软件ANSYS对农用运输车车架的静，动力进行了分析，获得了动力条件下的固有频率，振型和随机响应，以及在静态条件下车架的应力分布。框架的疲劳寿命也得到系统地分析和讨论。向飞飞使用Hyperworks软件对农用运输车车架进行了有限元分析，然后完成了车架的电气测试实验，并使用ANSYS软件对车架结构进行了优化。经过结构优化后，获得了垂直梁。李波使用ABAQUS软件对欠载条件下车架的弯曲，弯曲和扭转条件进行了有限元分析，得出了两种常见条件下农用运输车车架的位移分布规律和危险应力位置。框架的重量已经过优化，经过优化后，框架的重量减少了90.5kg。华勇将3D农业运输框架模型导入到有限元分析软件Hyperworks中，然后使用Hyperworks对框架进行自由模态分析。此外，使用LMSTestLAB振动测试系统进行了实验模态测试。实验结果表明，低频区域有限元的计算结果与实验结果非常接近。王云使用ProE软件对农用运输车车架的三维对象进行建模，然后将简化的三维模型导入到有限元软件AYSYS中，以分析车架在两种常见工作条件下的位移和应力。充电时扭曲，充电时弯曲分配，指出需要改进的结构零件。2农用运输车车架有限元模型的建立2农用运输车车架有限元模型的建立有限元方法是解决数学物理建模问题和工程应用问题的数值计算方法，是解决土木工程，机械和材料中结构问题的有效分析工具。作为农用运输车辆组装的重要组成部分，该框架可承受道路上的许多复杂载荷和载荷，其刚度和强度在农用运输车辆的总体设计中特别重要。本章首先介绍了有限元方法的基本概念和理论基础，然后使用ANSYS软件建立了农用运输车车架的有限元模型，为统计和动态分析提供了必要的条件。2.1有限元法的理论基础2.1.1有限元法的基本思想及特点有限元法是一种基于数学和力学理论的计算机辅助工程分析工具，用于数值计算。现代数学，力学，物理学和计算机技术。有限元方法被发明在1950年，随着数值算法的繁琐发展和电脑的计算速度的越来越快，有限元法已经成为了计算当代力学和计算工程中极度有效，以及应用最广泛的计算方法。有限元法由于其适用于解决各个领域的连续性和现场性问题，且具有高效的求解效率和超数值稳定性而受到越来越多的科研人员和工程师的青睐。有限元计算软件的诞生促进了有限元方法的普及，并完善了有限元方法的理论。有限元软件已成功解决了大规模的科学和大规模的工程计算问题，并为许多领域的社会发展做出了贡献工程技术的发展与经济的发展。有限元方法理论认为，真实对象的整个结构可以看作是节点之间相互连接的有限数量的小单元的集合，并且可以将小单元视为整个建筑物的砖块。（整个结构），以某种方式将其拼接在一起，使其成为具有完整性能和局部特征的整体结构。有限元方法的节点通常位于元素的边界，并且元素划分和节点配置非常灵活，因此可以应用于各种结构。对象几何的复杂性和外部边界条件使得难以获得科学和工程中许多计算问题的解析解。只能使用数值方法和有限元方法研究复杂的工程问题。最经典的之一。有限元方法的定义：连续弹性体被认为是由有限数量的小元素组成的离散模型。（1）单位分析。根据元素的性质，根据某些规则为每个元素建立节点交互作用和未知量之间的关系。例如，在结构静力分析过程中，为了根据位移方法从模拟元素（分析类型）近似位移的连续分布形状，首先选择多项式，然后使用位移插值函数确定单元节点的位移和单元的任意点。最后，通过虚功或虚拟位移原理推导单元节点力与单元节点位移之间的关系，最后单元刚度矩阵为从有限元静态分析中获得。（2）全面分析。在特定条件（例如连续性条件和变形调整条件）下，根据特定的特征关系将所有离散元素叠加在一起，以形成整体特征关系，并在整个模型节点的载荷和每个节点的位移之间建立关系。然后，我们形成整个有限元方程，并获得整个刚度矩阵。在引入边界条件之后，对整个有限元方程进行数值求解，以获得在整个模型的节点处可以找到的变量（例如位移，应力和应变）。与常规分析方法相比，有限元方法在概念和逻辑上更易于理解。由于有限元方法是从严格的机械和数学概念衍生而来的，因此其直观的物理意义有利于人们的理解，因此受到了工程师的欢迎。通常，有限元方法具有以下特征：（1）由于网格形状的可变性，网格分割几乎不局限于对象的几何形状，并且可以很好地适应复杂的几何形状和边界条件。（2）通过求解偏微分方程获得方程的近似解，这是一个具有保证精度和强稳定性的近似数值解。（3）可以适应各种连续，不连续和突变的边界条件和载荷条件。（4）以数学矩阵的形式解释离散模型有助于准备计算机程序并提高解决方案的效率。（5）它可以解决大型和复杂的工程问题，例如非线性接触，非线性材料，非线性流体动力学和非线性电磁场。图2-1车架前梁分析2.1.2有限元分析软件ANSYS简介ANSYS软件是有限元商业分析软件，它集成了结构力学，力学，流体力学，热力学，声学和电磁学。工业和科学研究领域，例如机械制造，航空航天，汽车运输，土木工程，能源和电力，石化，生物医学和核工业。ANSYS软件是被有限元分析公司ANSYS发明的，该软件本身具有强大的3D建模功能，并允许您使用GUI图形界面来创造复杂的3D几何模型。此外，ANSYS软件提供了灵活的数据界面和图形界面，可与各种商业CAD软件共享和交换数据，并且是用于现代产品设计的高级设计支持工具。ANSYS软件主要包括三个部分：预处理模块，求解模块和后处理模块。预处理模块提供了强大的3D实体建模功能和网格划分工具，用户可以轻松地建立对象的3D几何模型并轻松进行网格划分以获得出色的有限元分析模型。求解器模块包括结构分析模块，动力学分析模块，流体力学分析模块，热分析模块，电磁场分析模块，声学分析模块，压电分析模块和多物理耦合分析模块，优化分析模块。后处理模块提供了多色显示界面，可以在等高线图显示，梯度显示，粒子流显示，矢量显示，透明和半透明显示中显示计算结果，还可以提供各种计算，例如曲线，图标，表格等输出结果。2.2农用运输车车架结构有限元模型的特点车辆的主要承重结构是框架，同时，框架也是车辆结构有限元分析的主要对象。大多数卡车的车架是支撑和连接发动机总成，悬架系统，车身和各种零件，并支撑车身和道路载荷的整个车架。农用运输车辆的车架大多是侧梁车架，主要由两个纵梁和几根横梁组成，纵梁和纵梁通过焊接或铆接形成整体结构。纵向梁可以是横截面恒定的梁，也可以根据实际情况采用横截面可变的梁。梁通常旨在确保整个框架的扭转刚度，并支撑汽车的主要部件，例如发动机，变速器等。图2-1车架总配成图农用运输车车架结构有限元模型的特点是：（1）使用板壳单元对农用运输车有限元建模，并附加少量实体单元以形成组合的模型结构。其车架纵梁的长宽是钢板厚度的2倍以上，所以对板和壳有限元分析，从而减少了单元的数量并准确设置了各种复杂的表面形状。与实体单元相比，将板壳单元用于纵梁会导致更好的单元属性和更高的计算精度。（2）农用运输车辆的框架基本上是基于焊接和铆接的，因此有必要在框架的有限元模型中反映这两种连接方法。可以在布尔运算中将焊接连接模拟为粘合，并且可以通过在焊接零件上添加焊接设备或对焊接零件进行刚性连接来确保实际焊接零件的结构连续性。在有限元模型中，通常使用约束方程方法或非线性接触方法来模拟框架中的铆钉，或者在铆钉点执行MPC。（3）在农用运输车车架正常工作条件下，工作应力一般在线性弹性范围内，属于线性小变形，因此基本上可以将线性弹性单元和线性弹性材料用于有限元建模。在农用运输车辆框架的有限元建模中还存在一些非线性材料，例如橡胶垫和空气弹簧。为了简化建模过程并提高计算效率，通常将弱非线性材料几乎线性化。2.3农用运输车车架有限元模型的建立（1）建立农用运输车辆框架的有限元分析计划，例如分析目标，分析类型和分析目的。（2）收集农用运输车车架结构模型信息，得到农用运输车车架的CAD模型，物理性能和连接关系。（3）建立农用运输车车架的有限元模型。（4）检查农用运输车辆车架的有限元模型，并检查车架的网格质量，例如长宽比，锥度，偏度等。（5）载荷施加和边界条件确定。（6）计算框架有限元模型的解。（7）结果的后处理。2.3.1车架的参数化三维建模CAD软件在实际设计中引入了“参数设计”的概念，由于其强大的使用价值而得到积极推广。ANSYS软件中的参数化建模通过参数化几何模型的特定尺寸，将其与一组几何约束相关联并使用预定义的方法将其同时嵌入，从而在图形中设置了一组约束。我们将所有连接输入到程序中，然后根据输入框的形状修改模型参数的大小，最后通过根据参数表执行表达式来实现设计方法。ANSYS参数化设计语言（APDL）是ANSYS软件的参数化设计语言，有限元建模基于APDL语言进行参数化设计。使用APDL语言来建立农用运输车辆车架的有限元建模，您可以执行静态分析，模态分析和瞬态动力学分析，以及使用ANSYS随附的优化算法进行自动优化设计。性能框架，提高了优化效率并节省了计算时间。ANSYS软件的参数化建模过程如下：（1）进入如图2-1所示的ANSYS软件预处理模块，在“工具”菜单上单击“工具菜单-参数-标量参数”，然后在框架模型中输入需要参数化的尺寸。将农用运输车放在对话框中。在农用运输车辆的参数工程中，纵向梁和横梁的厚度以及纵向梁或横梁的长度和宽度通常以参数方式定义，并且相关尺寸的链条必须以3D形式形成建模过程。图2-2参数化示意图（2）完成农用运输车车架的参数化建模后，保存建模过程的“有效”指令流，该指令流的后缀为.lgw。为了开始新的分析过程，当ANSYS使用/INPUT命令读取后缀为.lgw的命令流时，将通过振动运行相关的参数化程序，然后调用参数建模和数值算法。早期的框架有限元分析通常使用梁单元进行建模，并且梁单元的横截面形状反映了框架的实际结构。但是，梁元件不能在纵向和横向上完全反映出框架的几何横截面特性，并且梁元件也不能反映出框架中的应力集中。因此，不可能仅使用梁单元精确地提取框架的位移和应力分布来执行框架的有限元建模。如果仅使用实体元素对框架进行网格划分，太多的元素将消耗大量的计算时间。因此，在本文中，我们采用板式，梁式，弹簧式相结合的方法对农用运输车进行有限元参数化建模，有效地模拟了各种工况下农用运输车车架的载荷变形，框架应力集中位置，为结构优化设计打下基础。2.3.2车架载荷工况的确定及受力分析农用车辆的框架是支撑农用车辆的主要负载的部件。在运行期间，不仅需要承受运输车辆各个部分的静态载荷，例如运输车辆的重量和载荷，质量，而且还要承受柴油机和驾驶员的功率，以及发动机运转时的动态负载是通过减振装置从地面传递过来的，反作用力，张力松弛力等在加速牵引时也会受到惯性力的影响。您会看到它可以确保运输车辆的寿命和可靠性。侧面起着非常重要的作用，因此有必要仔细判断和分析框架的负载情况。图2-3车架前梁除了在框架的有限元分析中将框架离散化为有限元模型外，还必须引入框架约束。农用运输车辆的车身通过两个纵梁连接至车架，来自地面的反作用力通过悬架传递至车架。不同的悬挂系统会对车架及其强度和刚度产生更大的影响。价格约束是否准确直接影响到计算结果的准确性。从实际的结构角度来看，车辆价格的限制主要源于前后悬架系统，车轴，轮胎和地面。前悬架系统和后悬架系统均使用板簧，并且在模型仿真期间应遵循以下原则。应该有足够的约束来消除结构的刚体位移，但不要过于约束。否则，您可能会得到一个错误。它应与实际结构匹配。在有限元计算过程中，合理确定计算模型以更好地反映实际情况，将板簧模拟为两个垂直弹簧和一个刚性梁，并且由于轮胎接触地面，与轮胎的连接点均为平移自由度处于中间位置，限制在最后。3农用运输车车架的静强度有限元分析3农用运输车车架的静强度有限元分析农用运输车辆的车架不仅必须承受发动机总成，驾驶室和货物的载荷，而且还要承受由于路面不平而引起的强制位移载荷，因此各种力和力矩作用在车架上。同时。因此，框架必须具有足够的刚度和强度。否则，框架可能会过度变形，并且框架可能会折断或断裂，从而导致严重的交通事故。为了保证框架具有足够的刚度和强度，有必要在各种常见工作条件下检查框架的静态强度，并进行静态分析，为结构优化设计提供依据。在本章中，您将使用ANSYS软件对农用运输车车架的弯曲，扭转和制动情况进行静态分析，并研究车架的静态强度性能。3.1有限元静力学分析的理论基础3.1.1静力学分析的基本理论及流程结构静态分析是对系统在恒定载荷下的响应的研究，该载荷不会随时间变化，例如位移模式，变形，应力分布和约束结构的反作用力。在结构静力分析中不考虑系统的质量和内部摩擦特性，因此，通过惯性和阻尼作用作用在结构上的位移，力，应变和应力可以忽略不计。实际上，不随时间变化的静态负载是理想的假设，并且随时间缓慢变化的负载也是等于近似静态负载的静态负载。有限元结构静力分析中施加的外部载荷通常具有集中力和分布压力。有限元力学分析主要基于弹性力学理论，从静态，几何和物理三个方面研究结构的特性，并通过平衡微分方程，几何方程，物理方程和物理方程来推导结构的内部应力。边界条件分量与物理力和表面力之间的关系，应变与位移之间的关系，应变与应力之间的关系。与上述三个关系相对应的方程是平衡方程，几何方程和物理方程。平衡方程。当结构在外力作用下处于平衡状态时，平衡方程为：（3-1）几何方程。在忽略位移导数的高次项后，描述应变与位移关系的几何方程为：（3-2）综合上述的平衡方程、几何方程和物理方程及边界条件，有限元分析中的静力学基本方程可以描述为：（3-3）式中：K是结构的总体刚度矩阵；U是位移列向量；F是载荷列向量。式3-3中，总体刚度矩阵K是由单元刚度矩阵组成，位移列向量U是由个节点位移组成，载荷列向量是作用在单元节点上力的集合。有限元结构静力学的分析流程如图3-1所示，具体步骤为：（1）单位分析。单元分析的主要任务是引入位移函数，以解释单元内任意点位移与节点位移之间的关系，并推导单元节点力与节点位移之间的关系以获得单元刚度矩阵。图3-1结构静力学分析流程（2）全面分析。根据一定的规则，将每个单元的刚度矩阵进行组合，获得结构的总刚度矩阵，从而建立整体结构。（3）药物分析。约束分析包括确定研究对象的边界条件，消除刚度矩阵的特异性并将其转换为计算结果。（4）阵列和外部碳化热矢量，方程3-4转换，确保了捐赠的全部金额。（5）计算单位共振力，应力和应变。根据可变位移计算设备的谐振力，应力和应变。（6）结果的后处理。通过对结果进行后处理，显示结构的应变和应力云图，并显示响应最迅速的关键点的替换和机理，以获取响应关键点。3.1.2等效应力理论第四强度理论（也称为变形能理论）认为，材料将因变形能密度的变化而屈服。小单位均方根的大小是衡量破坏的重要因素。如果均方根剪切力超过某个值，则材料将屈服，并且如果剪切力继续增加，则材料可能会破裂。农用运输车辆的框架是复杂的机械结构，并且该结构本身必须具有足够的刚度和强度，以使框架具有基本功能，否则可能发生严重的交通事故。农用运输车的车架通常用钢板焊接或铆接，材料的破损通常通过发生塑性变形来表示，因此可以根据第四项检查农用运输车的车架的强度理论。3.2农用运输车车架的静强度工况分析农用运输车辆在行驶时承受各种类型的载荷，更常见的载荷是弯曲载荷，扭转载荷，拉伸载荷，横向载荷和纵向载荷。在平坦的道路上行驶时，农用运输车辆的弯曲载荷主要是由货物，车身，车载设备，乘客和各个部件的重力引起的，并且框架根据弯曲作用显示弯曲变形状态。当农用运输车辆在崎岖不平的道路上行驶时，它们会在障碍物的作用下抬起车轮并将道路激励作用于车辆悬架系统。本质是通过对框架施加强制位移激励而产生的。扭力负载的特殊信号悬挂在前轮的空气中。当农用运输车辆在紧急情况下突然制动时，较大的惯性力会施加到车辆的车架和货物上，导致局部应力集中并损坏车架的正常形状，因此需要进行深入分析静态强度测试。在本章中，根据农用运输车车架的实际工作环境和车架结构，使用ANSYS软件对农用运输车车架的三种常见工况进行静态分析，以确定其静态强度。农用运输车辆框架。三种常见的工作条件是满负荷弯曲状态，满负荷扭转状态和满负荷紧急制动状态。以上三个工作条件基本上包括农用运输车辆使用过程中车架的损坏形式，分析结果可为企业提供改进车架的依据。图3-2前保险杠左支架3.2.1满载弯曲工况充电不足弯曲条件是在充电不足状态下模拟农用运输车辆在平坦土地上的正常行驶的条件，在该行驶状态下，农用运输车辆的四个车轮同时着陆在地面上，行驶路线是直的。在实际驾驶过程中，绝对不可能在平坦的道路上驾驶农用运输车辆。崎岖不平的道路会在农用运输车辆的垂直方向上产生额外的加速度。道路越崎岖，附加加速度越大。驾驶环境更加恶劣。静态强度测试的目的是充分考虑最坏情况下农用运输车辆的强度性能，因此在分析带电弯曲条件时应考虑道路不平所引起的额外载荷。在ANSYS静态分析中，通常使用动态载荷系数代替载荷。动态负载系数与道路状况，车辆行驶状况和车辆结构系统（例如悬架系统）有关。为了简化分析过程，本章基于经验和半经验方程，在计算农用运输车车架的电气负载条件时，动态负载系数为3。在分析框架装料的弯曲条件时，约束为：在左右前轮板簧的节点处约束三个平移自由度（UX，UY，UZ），在前轮板簧的节点（ROTX，ROTY，ROTZ）处释放左右三个自由度），左右限制在右后轮板簧（UY，释放左后轮板簧和右后轮板簧（UX，UZ）中的节点的2个平移自由度，3个旋转自由度（ROTX，ROTY，ROTZ）。图3-3车架第六横梁左支撑3.2.2满载扭转工况当农用运输车辆在崎岖不平的道路上行驶时，道路上的障碍物会将车轮举至一侧。在此过程中，道路对农用运输车辆施加了较大的扭矩。框架的扭转变形是由于扭矩的作用而发生的，如果变形较大，则框架可能会发生塑性变形而不能正常工作。因此，在充电过程中应在扭转的条件下检查农用运输车辆的框架的强度，以确保框架的强度性能足够。框架荷重的扭转分析中的约束为：限制右前轮板簧（UX，UY，UZ）上节点的3个变换自由度。释放节点的3个旋转自由度。右前轮板簧（ROTX，ROTY，ROTZ，释放左右后轮板簧中节点的所有自由度，限制左后轮板簧和右后轮板簧中节点的垂直平移自由度）（UY，释放左和右后轮板簧2个平移自由度（UX，UZ）和3个旋转自由度（ROTX，ROTY，ROTZ））。图3-4车架第三横梁右加固板4农用运输车车架的结构优化设计4农用运输车车架的结构优化设计4.1优化设计的理论基础4.1.1结构优化的流程在产品设计过程中，通常需要合理确定产品的各种参数：质量，性能，成本等。设计师总是试图从每个计划中获得最佳的设计计划。这是优化。问题。优化问题可以总结如下：在特定的材料，技术和环境条件下获得具有最佳设计计划的一项或多项指标。在1960年代，随着计算机技术的发展和应用，优化设计逐渐应用于工程设计领域，并得到迅速推广。当前，优化设计方法在诸如机械，电子和电气，土木工程，石油，化学工业，核能和冶金学等许多领域中得到积极推广。优化设计问题主要涉及两个方面：解析法和数值法。分析方法是利用数学微分和变换的原理在求解域中找到最优解，该方法具有概念简单，计算清晰准确的特点，但由于实际问题的复杂性，该分析方法具有以下特点：可以使用小型优化到目前为止，该问题尚未能够解决大规模的实际工程优化问题。数值方法是基于已知信息的特定思想，通过迭代迭代找到最优解的数学方法，通常用于解决大规模优化问题。它具有良好的稳定性和强大的应用特性诸如大型且耗时的解决方案之类的问题。结构优化设计是优化设计的重要组成部分，它是一种利用优化理论和数值计算方法通过计算机在约束域内找到最优结构设计方法的设计方法。产品的结构优化设计是通过数学表达式描述结构设计特征和结构性能目标。结构优化设计的一般过程可以分为以下步骤：（1）在进行市场研究和分析之后，我们将根据产品设计要求和性能追求来定义结构优化设计问题，并且要追求的最佳目标可以是单个或多个。（2）根据应用数学理论和优化理论，结合实际问题，建立了有效的结构优化数学模型。（3）结构优化根据数学模型的特点和结构优化问题的特点，选择合适的优化算法在设计区域内寻找最优解。（4）确定结构优化设计的空间（约束区域）和结构优化设计的初始迭代点。（5）使用计算机编程技术，将结构优化数学模型转换为计算机可执行程序，并调用适当的结构优化算法，以数值方式求解结构优化数学模型，以获得最佳的结构设计参数。（6）确定结构优化方案，进行结构优化分析和确认，确定是否满足结构优化设计要求。图4-1车架第二横梁左角板如图4-1所示，根据各种优化设计目标，结构优化设计可以分为尺寸优化，形状优化和拓扑优化三种类型。其中，在产品的详细设计阶段执行尺寸优化，在产品的基本设计阶段执行形状优化，在产品的概念设计阶段执行拓扑优化。尺寸优化是结构优化的基础，形状优化是结构优化的发展，拓扑优化是结构优化的高级步骤。4.1.2结构优化的数学模型为了执行机械产品的结构优化设计，必须将结构设计问题转换为数学问题，并将产品的物理模型转换为优化方程所描述的数学模型。结构优化数学模型的三个主要元素分别是：（1）目标函数。目标函数是结构优化设计追求的目标，在构建优化模型时，通常使用一个或多个性能指标来定义目标函数。（2）限制。为了保证设计质量和资源分配，提出了对结构优化模型提出约束的约束条件，约束条件的适当性对最优解有很大影响。（3）设计变量。影响结构优化目标函数变化的参数称为设计变量。结构优化设计的目的是找到一组设计变量，以使设计指标（目标函数）达到顶峰。机械产品结构优化设计数学模型的表达式为：（4-1）在结构优化数学模型表达式4-1中，目标函数可以是权重，频率，位移等指标，并且约束可以分为性能约束和边界约束。被约束包围的设计空间称为可执行区域，将可行区内的设计点称为可行点，并将设计变量的数量称为设计空间尺寸。设计变量越多，可用的设计选项越多，但解决方案越复杂。图4-2车厢前支架模拟4.2农用运输车车架结构优化模型的建立农用运输车车架的结构优化设计是为了提高车架的静态和动态性能。遵循结构优化过程，在本章中，您需要确定农用运输车辆车架结构优化设计中的目标函数，设计变量和约束。4.2.1目标函数的确定确定目标函数是农用运输车车架结构优化设计的最重要决定之一。农用运输车辆可以用作优化设计的目标函数：成本，重量，应力，应变，固有频率，位移响应和其他指标。在本章中，在最大应力不超过允许应力的前提下，基于静力和模态分析的结果，选择框架的重量作为目标函数，以改善框架的结构优化设计。完成了农用运输车辆的整个车辆的静态操作机械和动态特性。4.2.2设计变量的选择农用运输车车架结构包含多个可变的几何尺寸，若将所有的几何尺寸都设置为设计变量，不仅降低了结构优化的效率，还有可能引起结构优化模型数学解的发散，导致无法获得结构优化解集。本章对农用运输车车架进行结构优化设计，需要忽略一些对车架结构性能影响不大且没有必要作为设计变量的几何尺寸，如导角、圆角等。图4-3车架第三横梁优化设计图4-4车架第四横梁优化设计图4-5车架第五横梁优化设计4.2.3约束条件的确定本章的农用运输车车架结构优化设计中包含两类约束条件：参数边界约束条件和性能约束条件。车架的参数边界约束条件是设计变量的上限和下限，而性能约束条件则是对于最大结构应力的限制(最大结构应力不超270MPa。4.3优化结果分析在本章中，我们使用ANSYS软件的集成优化平台来优化农用运输车车架的结构。框架结构优化的预处理包括确定设计变量，设置设计变量的上限和下限，确定目标函数，输入约束以及输出模型响应。在本章中，我们将执行框架的结构优化设计，并使用梯度法进行优化。优化前后的农用运输车框架之间的比较是验证有限元静态强度分析和模态分析有效性的一种可行方法。根据第三章对农用运输车车架的静态强度性能分析，在紧急制动条件下，车架中的应力集中在电荷中最为明显，最大应力值达到372.654MPa。因此，在本章中，我们将从三个方面来分析农用运输车辆车架的结构：车架优化前后的结构参数比较，以及在紧急情况下在充电过程中车架结构优化后的静态强度分析。框架结构优化后的模态分析。优化效果并验证。4.3.1车架优化前后结构参数的对比结构参数的变化是农用运输车辆框架结构变化的几何反映。用于优化农用运输车辆框架结构的八个设计变量是前横梁的厚度，第一横梁的厚度，第一横梁的宽度，第二横梁的厚度，第三横梁的厚度横梁的厚度，后横梁的厚度和纵梁的厚度。优化前后的农用运输车车架结构参数变化如表4-1所示。表4-1车架优化前后结构参数的对比优化前优化后变化率前横梁厚度/mm159-40%第一横梁厚度/mm1215+25%第一横梁宽度/mm80112+40%第二横梁厚度/mm1210-20%第三横梁厚度/mm1410-40%第四横梁厚度/mm1412-14%.后横梁厚度/mm1210-20%纵梁厚度/mm129-25%车架总质量/kg884.2802.3-9.27%如表5-1所示，结构优化后农用运输车车架的第一横梁厚度、第一横梁宽度都增大，变化率分别是+25%和+40%；前横梁厚度、第二横梁厚度、第三横梁厚度、第四横梁厚度、后横梁厚度和纵梁厚度都有所减小，变化率分别是-40%、-20%、-40%、-14%、-20%和-25%。优化后，农用运输车车架的总质量从原来的884.2kg'下降到802.3kg，重量下降了9.27%。由此可知，以减重为目标的车架结构优化设计取得了成效。4.3.2紧急制动工况下车架结构优化后的