某型载货汽车车架轻量化研究

【摘要】自1973年石油危机以后，对汽车的改进已经成为汽车行业创新的一个重要方向，轻量化问题是人们尤其关注的焦点，其中主要有两个原因：第一是能源问题；第二是地球环境问题。随着能源和环境的压力不断增大，世界各国越来越重视资源和环境的协调发展，载货汽车要想得到可持续发展，必须在节能和环保方面不断改进。载货汽车车架轻量化研究对企业自身、用户及整个社会都具有重要意义。为了研制开发结构性能好、自重轻、整车达到全国行业领先水平的高性能产品，长沙福田汽车科技有限公司与湖南大学合作，对某型载货汽车车架性能进行分析与优化改进。本文研究内容源自于此项目，主要任务是对载货汽车车架进行轻量化研究，在满足刚度、强度以及振动性能的基础上达到载货汽车车架轻量化的目的。论文主要研究工作如下(1)对载货汽车车架进行有限元建模。运用长沙福田汽车科技有限公司提供的CAD模型，在HyperMesh软件中建立了某型载货汽车车架结构的有限元模型；分析讨论了有限元模型建立时需要注意的一些关键问题，如：单元尺寸的选择、圆孔的处理以及结构的简化原则。(2)在车架结构有限元模型的基础上，对载货汽车车架结构进行两种典型工况，即弯曲工况与扭转工况下的静态响应分析，得出了车架在两种典型工况下的应力和位移分布情况，并对该分析结果进行了强度的校核。从静态响应分析结果可以看出，该载货汽车的车架拥有良好的结构性能，能很好的满足静强度要求，为车架的进一步优化设计与结构改进提供了依据。(3)在建立的车架结构有限元模型的基础上，选用Nastran软件中的Lanczos算法对车架结构进行了模态分析，求得载货汽车车架结构的一阶扭转频率为8.90Hz，一阶横向弯曲频率为15.42Hz。有限元模态分析结果表明，该载货汽车车架前几阶固有频率均在要求的频率范围之内，有效的避免了共振现象的发生。(4)以载货汽车车架有限元模型为研究对象，以板件厚度为设计变量，建立了车架最大弯曲应力、最大扭转应力的响应面近似模型，并运用显著性分析方法对所得到的模型进行了误差分析，表明相应的响应面模型是可靠的，可以用于后续的研究分析。采用遗传算法对近似模型进行优化，根据优化结果获得车架板件的最优厚度值。优化后车架的质量从712.6kg减少到652.2kg，减少了60.4kg，在保证刚度和强度的前提下，较好的达到了轻量化的目的。本文以某载货汽车车架为研究对象，在对车架进行有限元分析的基础上，以两种典型工况下的最大应力值为约束条件，运用响应面近似模型与优化方法对车架进行了轻量化设计。对车架结构有限元模型的建立、车架结构静态特性分析、模态分析以及车架轻量化设计进行了系统的研究，取得了明显的轻量化效果。论文研究成果对载货汽车车架实际研发具有一定的指导意义。
【作者】尹晓平；
【导师】于德介；谭黎军；
【作者基本信息】湖南大学，机械工程，2013，硕士
【关键词】有限元；轻量化；近似模型；响应面；优化设计；

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