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太原理工大学硕士研究生学位论文 t y 型观光车车架稳瞬态特性分析 摘要 随着我国旅游业的发展，观光车的安全性得到越来越多的关注。车架 作为观光车的主要承载部件，其力学性能直接影响整车的可靠性。本文以 1 y 型观光车车架为研究对象，针对车架运行中存在的开裂问题，运用有限 元方法与多体系统动力学理论知识，对其开裂原因进行分析，提出改进措 施，并对改进后的车架进行了详细动力学特性分析，验证了改进措施的合 理性。 论文建立了车架的有限元模型，对车架弯曲和扭转两种典型工况进行 了稳态分析，得出车架受力最大的部位，并与车架开裂位置对比分析，提 出车架改进措施，又从稳态方面验证了结构改进措施的可行性；通过对改 进后车架的自由模态分析，得出了车架的固有频率及其对应的各阶振型， 对容易引起车架共振的频率进行分析，为厂家改进车架结构提供相应的参 考；考虑到路面、轮胎、悬架对车架受力的影响，利用模态分析得到的数 据，生成车架的m n f 文件，在a d a m s 中对改进后车架进行了柔性化处 理，建立起整车刚柔耦合模型，通过仿真分析，得到车架上应力最大的热点， 从瞬态应力方面验证了车架结构局部改进的可行性，同时导出悬架与车架 连接处各点的载荷谱；利用a n s y s 与a d a m s 的接口，导入a n s y s 中对 车架进行了瞬态响应分析，从瞬态位移方面验证了车架结构局部改进的可 行性：利用仿真数据对车架进行了疲劳寿命分析，从疲劳寿命方面验证了 车架结构局部改进措施的可行性。论文的研究方法对观光车动力学分析具 太原理工大学硕士研究生学位论文 有一定的指导意义，研究成得到实际应用，具有较强的工程实用价值。 关键词：观光车车架，稳态分析，刚柔耦合，瞬态响应分析，疲劳寿命分 析 太原理工大学硕士研究生学位论文 t yt o u r i s mc a rf ra m es t e a d ya n d t ra n s i e n ts t a t ea n a l y s i s a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft o u r i s ti n d u s t r yt o u r i s mc a rs a f e t yg e t sm o r ea n d m o r ea t t e n t i o n m e c h a n i c a l p r o p e r t yd i r e c t l y a f f e c t sv e h i c l e o p e r a t i o n p e r f o r m a n c e ，w h i c hi st h em a i ns u p p o r t i n gb o d yo f t r a v e lt o u r i s mc a r ：b a s e do n t yt o u r i s mc a rf r a m ea n da i ma tc r a c k i n gq u e s t i o no ft yt o u r i s mc a rf r a m e ， a n a l y s e st h er e a s o no ff r a m ec r a c kt h r o u g ht h em u l t i - b o d yd y n a m i c sa n df m i t e e l e m e n tt h e o r y , p r o p o s e s i m p r o v e m e n tm e a s u r e ，d e t a i l e da n a l y s i s o ft h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c si sd o n et oi m p r o v e df r a m ea n dv e r i f i e st h ei m p r o v e m e n t m e t h o di sr a t i o n a l t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ef r a m ei sb u i l ti nt h ep a p e r , t h el a r g e s ts t r e s s p o s i t i o n sw e r ef o u n dt h r o u g hs t e a d y s t a t ea n a l y s i s o nt w ot y p i c a lw o r k i n g c o n d i t i o n so fb e n d i n ga n dt w i s t i n g a n di m p r o v e m e n tm e t h o dw e r ep u tf o r w a r d t h r o u g hc o m p a r a t i v ea n a l y s i s o ft h ec r a c k i n gp o s k i o no nt h ef r a m ea n d s i m u l a t i o nr e s u l t ，a n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ef r a m es t r u c t u r ei m p r o v e m e n tm e t h o d i sp r o v e dr i g h tf r o ms t e a d y - s t a t ea n a l y s i s t h r o u g hf r e em o d a la n a l y s i so f i m p r o v e df r a m es t r u c t u r et h en a t u r a lf r e q u e n c yo ft h e f r a m ea n de a c ho r d e r m o d e si so b t a i n e d ，t h en a t u r a lf r e q u e n c yo ft h ef r a m ew h i c hc a u s eo ft h e v i b r a t i o ne a s i l yi sa n a l y z e d ，a n dt h ed a t eh a sc e r t a i nm e a nt of r a m es t r u c t u r e m 太原理工大学硕士研究生学位论文 i m p r o v e m e n t ；c o n s i d e r e dt h ei n f l u e n c eo ft h er o a d ，t i r e sa n ds u s p e n s i o n st ot h e s t r e s so ft h ef r a m e ，u s i n go b t a i n e dm o d a la n a l y s i sd a t a ，m n ff i l e so fi m p r o v e d f r a m eo r eg e n e r a t e d ，a n dr i g i d f l e x i b l ec o u p l i n gm o d a lo ft h ew h o l ec a ri sb u i l t , t h r o u g hs i m u l a t i o nh o ts p o t sw h i c hh a v et h eb i g g e s ts t r e s sa r ef o u n d ，t h e f e a s i b i l i t yo ft h ef r a m es t r u c t u r ei m p r o v e m e n tm e t h o di sp r o v e dr i g h tf r o m t r a n s i e n t d i s p l a c e m e n ta n a l y s i s ，l o a d i n gs p e c t r u m s a tc o n n e c t e d p o s i t i o n s b e t w e e ns u s p e n s i o n sa n df r a m ea r eg o ti ns i m u l a t i o n ；t a k i n ga d v a n t a g eo ft h e c o n n e c t e rb e t w e e na n s y sa n da d a m s ，t h ef r a m et r a n s i e n tr e s p o n s ea n a l y s i s i sd o n et h r o u g hi n t r o d u c t i o nt ot h ea n s y s s o f t w a r e ，a tt h es a m et i m eu s i n g s i m u l a t i o n d a t af a t i g u el i f e a n a l y s i sh a sb e e nf i n i s h e d ，t h ef e a s i b i l i t yo ft h e f r a m es t r u c t u r ei m p r o v e m e n tm e t h o dh a sb e e np r o v e dr i g h tf r o mf a t i g u el i f e a n a l y s i s t h er e s e a r c hm e t h o di nt h ep a p e rh a sc e r t a i ng u i d i n gs i g n i f i c a n c et o t o u r i s mc a rf r a m ed y n a m i c s a n a l y s i s ，r e s e a r c hr e s u l th a sb e e na p p l i e di n p r o d u c t i o na n dh a ss t r o n ge n g i n e e r i n gp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：t h ef r a m eo ft o u r i s m c a r ，s t e a d y - s t a t ea n a l y s i s ，r i g i d f l e x i b l e c o u p l i n g ，t r a n s i e n tr e s p o n s ea n a l y s i s ，f a t i g u el i f ea n a l y s i s i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 随着社会的发展和人民生活水平的不断提高，旅游业也逐渐成为社会的支柱产业。 2 0 0 9 年底，国务院出台关于加快发展旅游业的意见，提出将旅游行业培育成国民经 济的支柱产业，为推动旅游业发展指明方向。观光车作为适应这一市场需求的特殊车辆 产品，其属于区域用车的一种，专为旅游景区，公园，大型游乐园，封闭社区，校园， 花园式酒店，度假村，别墅区，城市步行街，港口等区域开发的自驾游，区域巡逻，代 步专用的比较环保的乘用车辆。旅游景区一般的配套设施都很有讲究，所以景区对观光 车的外观、性能以及排放等方面的要求都比较严格。在外观方面，漂亮，材料耐老化耐 腐蚀，使用寿命长，维护费用小等特点在观光车上已经得到了充分的应用。在性能方面， 除了拥有一般轿车的配置外，排放污染小，噪声低，传动平稳连续，悬架刚度和阻尼适 中等特点。在乘客的乘坐观景方面，具有宽大的一体化前挡风玻璃，两侧具有开阔视眼 的框架结构，非常低的地板和宽阔的通道，叫旅客感受n , b 情的愉快等人性化设计是观 光车应该具备的。它的优点越来越被广大消费者、使用者认可，所以观光车的在中国有 着越来越大的市场空间。 而旅游光观车正是在此种国内外形势下兴起的。此时我们与国外造车企业几乎是站 在同一起跑线上，所以谁抢先研发出能够满足顾客需求而且具有观光车特点的车型，谁 就抢先占领了市场。然而车架在整个观光车的结构中，不管从成本或者是重量来讲，其 重要性是不言而喻，同时车架结构设计的好坏直接影响着整车各项性能指标的高低。 因此，吸收先进国家的车架设计方法，千方百计提升车架自主研发能力己成为亟待 解决的重要问题。这就要求汽车企业掌握现代设计和试验方法，在短时间内建立产品数 据库，这对于提高我国汽车企业的车架设计水平和市场竞争力具有重要的意义。这就要 求国内车企彻底改变单靠生产经验为主要生产方法的生产模式，而应该更加注重现代化 具有高质量、短周期、低成本的的设计方法。而c a e 技术已成为当代汽车设计的中重要 手段，以仿真和试验技术相结合的方法成为了研究的重点方向。 1 2 本课题来源及研究意义 太原理工大学硕士研究生学位论文 本课题来源于一款t y 型观光车，车架是全承载式焊接结构，采用内燃机驱动，其 整车参数为：外形尺寸( 长宽高) 为3 7 1 0 x1 5 5 0 2 0 3 0 m m ，轴距为2 5 5 0 m m ，前后轮距 均为1 3 1 5 m m ，最大总质量为2 0 2 5 k g ，满载前后轴荷为9 5 5 1 0 7 0 k g ，整备质量为1 1 4 5 k g ， 乘员数为1 1 人，最小离地间隙为1 2 5 r m n ，最小转弯半径为l l m 。利用三维软件u g 所建 立的车架模型如( 图卜1 ) 所示。 图l - 1t y 型观光车车架三维图 一 f i g l - 13 df r a m em o d e lo f t yt o u r i s mc a r 从客户的反馈意见了解到，在t y 型观光车的使用寿命内，经常车架某些特定地方 会出现开裂的情况。这不仅给客户留下了不好的印象，而且影响了厂家的声誉，甚至给 厂家造成很大的经济损失。本课题正是以解决此实际问题为研究目的。车架是观光车最 重要的部件，主要是由封闭的槽钢作为骨架和两根槽钢作为纵梁焊接构成，所以它的结 构和受力都比较复杂。应用有限元法把车架结构虚拟地离散成由一定数目规则单元构成 的集合，将求解域看成是由许多小的互相连接的子域( 单元) 组成，对每一子域假定一个 合适的较简单的近似解，然后经过推导和分析得到问题的解。通过模拟仿真受力单元在 不同受力条件下的响应，得出需要单元的应力和应变情况，确定了车架开裂开裂处的各 项力学指标没有达到设计要求，从根本上找出车架开裂的主要原因。同时针对开裂的位 置提出相应的改进措施，并对提出的改进措施从稳态、瞬态以及疲劳方面进行了验证， 证实了改进措施的可行性。 本课题应用c a e 现代化分析技术，在短时间内解决了生产中的实际问题，改善了车 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 架的力学性能，缩短了车架开裂问题分析的时间，间接地降低了厂家的生产成本具有重 要的意义。同时分析过程中，多种c a e 分析软件之间的联合仿真分析也值得厂家借鉴， 从而提升了厂家理论分析的能力。 1 3 国内外研究现状 自从十九世纪七十年代开始，c a e 分析软件逐步用于汽车分析领域。国外用有限元 分析软件来分析车架和车身受力分析、模态分析、瞬态响应分析等。这些分析和研究都 取得了很大的成果。有限元分析法起初是用来分析固体力学问题而出现在二十世纪五十 年代，那时仅仅是结构分析矩阵的一个分支。国际上在二十世纪中期通过有限元分析了 车架结构的相关力学特性。接着用同样的方法但是壳单元结构分析了汽车的车架。1 9 7 4 年，l u k i n j l 对车身焊接点用板单元进行了分析【l 】。1 9 9 5 年，b e e m a l u l nh j 用有限元 模型中的两种单元混合对车架的静态工况进行分析，分析的精度有了相应的提高。接下 来g a r r o l 用有限元板模型建立起了整车车身，用梁单元连接焊点，模拟了整个车身在 受力下的变形情况【2 】。用有限元对车架进行轻量化的分析是h u a n g j 建立起相应的有限 元模型，通过改变相关设计参数，得出了在车架力学性能得到满足的情况下，最省料的 结构 3 】。n i k o l a i d i s 也是用相同的分析方法即壳单元分析车身连接处部件的性能【4 】。 h o n g j y 创新性地把车架连接处简化为短梁结构，使得模型得至ut # t 大的简化，而且分 析精度有相应的提高【5 1 。早期外国许多公司都开发了有限元应用软件，而且单元类型多 种多样，随着计算机技术的发展和计算机硬件设施水平的逐步提高，单元类型也在逐渐 的增加，从以前的壳单元到现在的实体单元，计算结果也越来越精确，有限元分析方法 得到了广泛的应用。在多体动力学和疲劳寿命分析方面，a n d r e ac a r p i n t e f i 和a n d r e a s p a 盟o l 一进行了缺口试件在多轴载荷情况下的疲劳寿命研究。s r i d h a rs r i k a n t a n ，s h e k a r y e r r a p a l l i 和h a m i dk e s h t k a r 7 使用现场实车测试数据进行了卡车车体结构的疲劳分 析。k i r nhs ，y i mhj 和k i mcb 【8 】利用多体系统动力学仿真软件对某客车建立整车刚 柔耦合模型，进行了多体动力学分析和疲劳寿命分析。 随着计算机技术的飞速发展以及计算方法的日益创新，用于工程分析的软硬件设施 也有了很大的提高。从以前的普通微机发展到现在的超级计算机和计算中心，所以一些 通用化、商业化的有限元软件也日趋完善；有限元模型建立的技术和方法也日趋丰富； 模型的规模从最初的几十、几百个单元发展到如今的几万甚至几亿个混合单元；分析对 太原理工大学硕士研究生学位论文 象也多元化由静态应力扩展到动态响应、噪声、碰撞和优化设计。应用在汽车分析方面 的有限元方法也取得了不少的成绩1 9 】。应用大型有限元软件，建立汽车模型，进行汽车 的静动态特性分析，完成汽车的优化设计，已是各大汽车公司普遍采用的一种手段。 世界上很多知名汽车企业比如美国的通用和福特，日本的丰田、本田和日产还有规 模很大的汽车零部件供货商如博世等，他们都拥有雄厚的硬件和二次开发能力，这样就 会形成软件前后处理和分析的高度自动化，在整车系统仿真、总成和零部件方面的c a e 应用水平也比较高，其研发团队用c a e 技术在指导设计，提高质量，降低开发成本方面 发挥着重要的作用。在汽车的研发过程中，每一个开发车型都会组成专门的研发分析小 组，从车身概念到造型出炉，从动力匹配到性能分析，都会有c a e 分析技术的参与【l 。 c a e 技术在国内汽车行业的应用起步于二十世纪八十年代中期，历经十几年的慢速 发展，到九十年代后期开始加速，目前已经进入高速发展期。其中北京理工大学对特定 的车型模拟了正面碰撞，通过对仿真结果的详细分析，对车身结构设计中的不足加以指 出【1 1 】。郑州轻工业学院马宇和郑州大学常永英对某车架进行了模态分析，求得车架的前 7 阶模态，并根据分析的结果，对车架做了相应的改进，而且进行瞬态响应分析，得到 位移响应的最大值【1 2 1 。东南大学卢正红应用c a e 分析软件a n s y s ，对轻型客车进行有限 元分析，同时对行驶的正弦波路面进行瞬态响应分析，分析得到了静态应力最大点的时 间历程响应数据【1 3 1 。在有限元动态响应分析方面，对模态分析作了较多的研究，而对车 架在各种随机载荷输入下的响应情况方面的研究相对较少，而模态分析的结果只能用来 评价车架的固有属性，而要更好的评价车架的动态响应情况，就需要车架在各种随机载 荷下的响应情况【1 4 - 1 5 】。在疲劳寿命分析方面，同济大学吴利辉等人应用多体系统动力学 及有限元法相关知识，对整车进行了疲劳寿命分析【16 1 。北京航空航天大学的朱涛等人对 焊点用疲劳寿命的方法对某型号轿车b 柱进行分析估计，估计出的疲劳寿命结果与实际 情况相符【l7 1 。合肥车桥厂与合肥工业大学合作对轿车的悬架进行了动力学仿真分析，并 且得出其应力特性和疲劳寿命【1 8 】。虽然在有限元和疲劳分析方面国内做了许多工作，但 是利用有限元和系统动力学联合仿真方面的研究工作并不是很多。福田雷沃利用 n a s t r a n 和a d a m s v j e w 建立装载机的多体系统动力学模型，通过在模型上加载输入各 种曲线来模拟路面对轮胎的激励并进行分析计算，其结果与物理样机的测试结果基本一 致【1 9 1 。 随着外国汽车以及零部件生产企业逐步在中国建立研发中心，其c a e 的应用水平也 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 会逐步提高。有的公司借助一些曾经在国外大汽车公司工作过的人员带回的经验，并结 合本企业c a e 应用的经验，开始建立自己的c a e 应用规范和仿真流程。同时用c a e 软 件分析车辆的多项性能时，往往要几种软件联合仿真才能实现。而在这种情况下，在国 内c a e 软件之间的联合仿真就更加少，所以建立c a e 软件之间的联合仿真来提高仿真的 精度，成为亟待解决的问题。而目前在国内，已经开展了众多高等院校与企业方面联合 应用c a e 技术与试验相结各的方法对车架静、动态特性、优化设计以及抗疲劳设计等展 开了研究。 1 4 主要研究内容 本课题以解决工厂t y 型观光车车架在使用寿命内某些特定的位置产生裂纹的原因 为主要研究方向，应用有限元和多体系统动力学相关知识，通过对车架进行稳态分析， 找出车架发生裂纹的主要原因，并对车架进行局部的结构改进。对改进后的车架进行稳 态、瞬态以及疲劳寿命分析，验证了改进措施的正确合理性。本课题观光车车架分析流 程图如图1 2 所示。 具体的内容如下： 1 ) 用u g 软件建立观光车的车架三维模型，并对车架受力分析影响不大的部位进 行简化。 2 ) 把三维数模导入到a n s y s 中，通过适当的前处理，用壳单元对车架进行网格 划分，建立起车架的有限元模型。 3 ) 在a n s y s 软件中对车架加载载荷和施加适当的约束，对车架在稳态下的弯曲 和扭转典型工况进行分析，通过分析计算结果，得到车架特定位置开裂的具体原因，并 提出相应的结构局部改进措施，并对改进后的车架在相同载荷和约束条件下，进行稳态 分析，对比车架改进前后位置的应力结果，车架改进后裂纹位置的应力完全小于材料的 屈服极限，从稳态方面证明了改进措施的合理性。 4 ) 对车架在a n s y s 中进行模态分析，同时导出改进后车架的中性文件( m n f 文件) 。 5 ) 在a d a m s 动力学仿真软件中，建立观光车的整车刚体模型，然后把生成的中 性文件导入a d a m s 中替代观光车车架的刚体模型，从而建立整车的刚柔耦合模型，对 此模型在d 级随机路面进行动力学仿真，得到车架受力最大的十三个热点的应力值小 太原理工大学硕士研究生学位论文 于材料的屈服极限，从而在瞬态分析中，从应力方面肯定了车架局部改进措施的合理性。 同时导出悬架与车架连接点的载荷谱。 陌菊两羽一u 【。，。，：j 匿鍪稳 山产一。 对比车架开裂位置 图1 2 观光车车架分析流程图 f i 9 1 2a n a l y s i sf l o wc h a r to f t o u r i s me s r 6 ) 利用a n s y s 与a d a m s 之间的接口，把悬架与车架连接点的载荷谱导入 a n s y s 中，对车架进行了瞬态响应分析，通过分析车架改进位置变形位移的大小，在 瞬态分析中，从位移方面肯定了改进措施的合理性。 7 ) 利用瞬态响应分析生成的r s t 文件，导入f e s a f e 疲劳分析软件中，对改进 后的车架进行疲劳寿命分析。从分析的结果，得出车架改进位置的疲劳寿命值，同时也 是疲劳寿命分析中车架的最小疲劳寿命，其值大于车架的设计要求，从而从疲劳寿命方 面验证了车架改进措施的合理性。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章t y 型观光车车架稳态分析 观光车车架发生断裂或者是疲劳破坏的原因是多种多样的。其中，若车架结构某些 部位设计不合理，就会导致该部位的应力过大，同时在使用过程中由于各种工况下动载 的交替出现，可能会在应力较大区域首先出现损坏。所以，对观光车车架结构进行稳态 条件下的典型工况的强度分析，找出哪些区域受到的应力较大，进而对这些部位进行改 进设计，以减小产生损坏的几率。 2 1 车架有限元模型的建立 模型的精确程度对有限元分析结果是否正确起到关键的作用，尤其是所建立模型要 考虑在有限元分析中是否能够收敛。有限元模型既可以通过专业的c a d 软件建立之后导 入有限元分析软件，也可以直接在有限元软件中建立模型。由于观光车车架模型比较复 杂，所以在用a n s y s 软件对观光车车架进行有限元划分时，需要考虑以下因素： 1 ) 明确分析目的 首先应明确所关心的是零件或结构的强度( 应力、疲劳寿命) 、刚度( 位移和载荷 的关系) 、温度场还是重量的最小化等。分析目的不同，则建模方法也不同。本文的模 型比较复杂，是在u g 中建立车架模型，经过一些简化导入a n s y s 中，在对关心的刚度 区域，应该细化网格。 2 ) 选取适当的分析类型 常用的分析类型包括静力分析、动态分析、准静态分析等。本文主要研究车架在典 型工况下的稳态特性和在随机路面的行驶工况。所以它的建模过程比较复杂，而且不确 定性因素也比较多，所以要用到静态和瞬态分析。 3 ) 建立合理的几何模型 借助现今的c a d 软件，可以模拟出产品外形和内部结构的每一个微小细节。但对于 有限元模型来说，很多几何模型的细节往往不是必需的，如果进行模拟则可能会造成不 必要的细化网格，大大增加计算时间。本文在建立有限元模型时，将几何模型中的所有 细节忽略，例如可以去掉远离关键部位的小孔，用光滑的圆孔来代替螺纹孔，用尖凭来 代替小圆角，用直线来代替小的过渡圆弧等；本文在建立观光车车架的过程中忽略以下 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 部分：省略去功能件和非承载件。有些结构仅为满足结构或使用上的要求而设置，并非 根据强度的要求而设置，例如：各种小件的支架，这些零件对车身结构的受力分析影响 很小甚至可以忽略不计，所以在建模的过程中可以完全不予考虑；对于两个贴合的面， 在建模时按一个面处理；在连接部位如果有圆弧出现，则简化为直角过渡；对于结构上 的孔、台阶、凹槽、翻边等尽量简化，对结构受力影响不大的特征予以忽略；本文只研 究整个观光车车架的整体受力情况，对焊接部分按整体处理。 4 ) 划分合理的网格 实际建模分析时，要正确地划分网格，对一些重要部位( 应力集中处、大变形处、 接触面上) 要细分网格，而对于一些不重要的部位可以粗画网格，这样可以节省大量的 计算时间，本文中对关键部位( 如顶棚后立柱与底盘的连接处等) 进行分割( p a r t i t i o n ) 操作，生成局部细化的网格，而在应力很小和远离关键部位的区域划分比较粗的网格； 5 ) 选取适当的材料属性 弹塑性分析的收敛难度和计算时间都大大高于线弹性分析。对于一般的强度分析， 使用弹性材料就可以满足工程需要。如果在弹性分析的结果中看到某些区域的m i s e s 应 力大于屈服应力( 同时可以看到等效塑性应变p e e q o ) ，就可以判断这些区域会发生塑 性应变。如果发生塑性变形的区域仅仅是很小的局部应力集中区域，而不是贯穿部件截 面的大部分区域，就可以认为部件不会发生塑性破坏。在本文中车架所使用的材料大部 分为q 2 3 5 ，屈服强度达到2 3 5 m p ，而两根纵梁采用的是w l 5 1 0 型号钢，屈服强度大于 3 5 5 m p , 抗拉强度达到5 1 0 m p ，而且分析的对象是车架的整体受力，所以认为不会发生 塑性变形。 6 ) 定义合理的边晃条件、载荷和相互作用 边界条件不足是分析中最常见的问题。由于本文主要考虑观光车车架整体结构设计 是否合理，作为一个整体考虑，忽略了焊接处的影响。而在瞬态响应分析中，对边界条 件的设置比较困难，约束位置的不同，分析结果就有很大的不同。 7 ) 评价和理解分析结果 得到分析结果后，首先要根据实践经验和力学的基本原理来评价这些结果的正确 性，尽可能理解出现这样结果的可能原因，常用的方法包括：检查分析结果的数量级； 与以往的同类分析做比较；应力奇异是评价分析结果时经常会遇到的问题。根据力学的 基本理论，在尖角处以及边界条件、接触关系、约束条件发生变化的位置，应力是奇异 太原理工大学硕士研究生学位论文 的，有限元分析所得到的这些位置上的应力结果是不可靠的。 8 ) 得出能够指导实践的结论 建立了正确的模型，得到了准确的分析结果，但所得到的结论只是理论上的，产品 设计是否可行，是否可以投产。这样的结论确实很难做出，往往需要多年的实践经验。 具有如何根据有限元分析结果来判断产品设计方案的可行性，各大企业一般都有成熟的 内部技术规范，有些情况下客户会提出一定的要求，例如疲劳寿命或变形量需要达到的 某种标准。 9 ) 优化和改进产品设计 优化和改进产品设计，是有限元分析的重要职责之一，在优化和改进的过程中，主 要应考虑以下因素： ( 1 ) 力学性能：例如应力、应变、位移、疲劳寿命等。需要注意的是，力学性能并 不是越高越好，过高就可能是所谓的“o v e r d i m e n s i o n e d ”，即尺寸过大，使用了过多不 必要的材料，无谓地增大了成本和质量； ( 2 ) 材料和质量：现代工业产品的发展趋势是“轻薄短小”，在满足强度和使用功 能的前提条件，追求使用最少的材料，达到最轻的质量； ( 3 ) 尺寸和空间的限制：修改零部件的尺寸和外形时，应考虑与相邻部件的空间位 置关系，不要引起装配冲突： ( 4 ) 零件加工的可能性：例如，过于复杂的几何形状是否会导致铸造困难，是否够 满足车床和磨床的工艺要求等； ( 5 ) 成本：上面各个因素，都涉及到成本的问题。 综合上述考虑，本文由于该车架两根纵梁采用的是w l 5 1 0 薄钢板折成的槽钢，而 其余车架结构全部由薄壁封闭槽钢焊接而成，又因为车架槽钢的长厚比很小，所以选择 壳单元。本文采用s h e l l 9 3 壳单元划分网格，单元格边长取l o m m 。车架除两根纵梁外 材料都为q 2 3 5 ，密度是7 8 5 0 k g m 3 ，弹性模量为2 0 6 m p a ，泊松比为0 3 ，屈服极限为 2 3 5 m p a ，材料厚度为2 5 r a m 。两根纵梁材料的屈服极限为5io m p a ，泊松比为o 3 ，密 度为7 8 5 0 k g m 3 ，弹性模量为1 9 2 m p a ，厚度为3 2 m m 。选定了单元类型，单元大小和 材料，对车架模型进行网格划分。施加的载荷( 观光车满载工况下) 有：乘客和驾驶员 共1 1 人，按照平均每人8 0 k g ，蓄电池重2 1 k g ，发动机重1 1 7 k g ，油箱重4 5 k g ，水箱重 l o k g ，座椅共1 1 个，每个重5 k g 。对于乘客以及座椅载荷的施加按照每个座椅固定在 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 地板上的位置，换算成单位压强加载到对应位置。而车身附件载荷的施加，是在各个附 件与车架的连接点处，按照各个附件的重量进行集中力加载。本文中车架有限元模型共 有9 3 5 7 2 个单元，有2 8 7 5 8 4 个节点构成。t y 型观光车车架有限元模型如图2 1 所示， 前悬架顶盖有限元模型放大图如图2 2 所示。 图2 1t y 型观光车车架有限元模型 f i 9 2 - 1t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft yt o u r i s mc a rf l a m e 图2 - 2 前悬架硕盖有限元模型放大图 f i 9 2 - 2e n l a r g e m e n tf i g u r eo f t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e li nt h e t o pc a po ff r o n ts u s p e n s i o n 2 2 典型工况稳态分析 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 观光车在满载运行中，其车架受力的形式复杂多变。但总结起来，观光车车架的受 力主要有弯曲和扭转两种典型工况，车架的受力分析在很大程度上与这两种工况相关。 所以本文主要以这两种工况进行分析。各工况下的边界约束条件都约束在悬架与车架的 安装位置。车架载荷的加载按照下列方式处理： 1 ) 对于车架自身的重量，在a n s y s 软件中，设定材料的密度后，软件就可以根 据模型的三维尺寸自动算出车架的重量，从而合理的分布在整个车架上。 2 ) 乘客的重量可以直接作用在座椅上，而座椅和乘客的总重力可以按照座椅直接 在地板上的接触位置分配到接触处。 3 ) 布置在车架上的汽车各总成、设备的重力，如发动机、变速箱、油箱、水箱、 蓄电池等，可以按照集中载荷处理，按照静力等效原则按安放点的实际位置及各位置所 分担的重力，施加于相应的节点上。 2 2 1 弯曲工况 图2 - 3 弯曲工况车架结构应力云图 f i 9 2 3t h ev o n m i s e ss t r e s so f t a m eo nb e n d i n gc o n d i t i o n 观光车满载情况下，在平顺路面上匀速直线行驶叫称为弯曲工况，此时车架处于一 种动平衡的状态。而观光车车架与前后悬架接触处受到近似恒定的载荷的加载而发生弯 太原理工大学硕士研究生学位论文 曲变形。弯曲工况下所约束的边界条件为：约束前悬架与车架装配位置处的三个平动自 由度，释放三个旋转自由度：约束后悬架与车架装配位置处节点垂直方向平动自由度， 释放其它所有自由度。车架整体结构在弯曲工况下的应力图如图2 3 所示，应力最大的 两处位置l 和2 如图2 4 所示。 图2 - 4 弯曲工况下压力最大两个位置 f i 9 2 - 4t w ob i g g e s ts t r e s sp o s i t i o no nb e n d i n gc o n d i t i o n 由弯曲工况的仿真结果可以看出，除了顶棚后支柱和底盘的连接处以及发动机舱 与中间地板的连接处应力超出材料屈服强度，其余部分的应力是比较低的，完全低于车 架所用材料的屈服强度，而且还有足够的盈余。对于中间地板安装座椅支架的小纵梁会 造成应用集中与实际情况不符，主要是因为本计算中在小纵梁上加载均布载荷来模拟座 椅支架对地板施加的力，而实际座椅支架有一定的跨度，每个支架都要跨过其中的一根 横梁，横梁分担了更多的压力。而顶棚后支柱和底盘的连接处应力值为6 4 9 m p ，发动机 舱与中间地板的连接处应力值为7 3 4 m p ，都远远大于材料的屈服极限。所以对这两处 应该在结构上进行加强，顶棚后支柱和底盘的连接处可以添加一个加强筋如图2 - 5 所 示，而发动机舱与中间地板的连接处由于空间所限只能增加焊接厚度来提高强度，在有 限元模型的具体操作是：改变焊接位置处的单元厚度为5 m m 来近似模拟焊点的加厚。 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 5 顶棚后立柱与底盘连接处的加强筋 f i g 2 5t h er e i n f o r c i n gr i bb e t w e e nc e i l i n gr e a rp i l l a ra n dt h ec h a s s i s 对改进后的两处结构在相同载荷和约束条件下，进行扭转工况受力分析，其改进 后车架的应力云图如图2 - 6 所示，顶棚后支柱和底盘的连接处的加强筋应力云图如图2 7 所示。可以看到虽然最大应力仍然处于此两个位置，整个车架最大应力变为1 1 6 m p , j 、 于材料的屈服强度，这说明添加加强筋的改进措施是可行的。 图2 6 改进后弯曲工况车架应力云图 f i g 2 - 6t h ev o n m i s e ss t r e s so ff r a m eo nb e n d i n gc o n d i t i o na f t e ri m p r o v e m e n t 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 7 顶棚后立柱与底盘连接处加强筋应力云图 f i g 2 - 7t h ev o n m i s e ss t r e s so fr i bb e t w e e nc e i l i n gr e a rp i l l a ra n dt h ec h a s s i s 2 2 2 扭转工况 在观光车行驶过凸包或是凹坑时，一个车轮处于悬空或者是被抬高的状态，此种 工况被称为扭转工况。当观光车行驶过不平路面时，那么肯定是缓慢地匀速通过，所以 扭转工况主要用在满载低速通过凹凸不平的路面时，此时悬架传到车架上的力和加速度 都比较小，可以看做静态来处理。而这个推论也是与实际的实验结果想符合的，完全可 以用静态扭转工况来分析车架的强度【2 0 】。 由于观光车车架结构上左右对称，所以采取左前轮悬空和右前轮悬空的效果是一 样的。本文设定左前轮离地即悬在空中，那么所设定的边界约束条件为：约束右前轮悬 架与车架装配位置处节点的三个平动自由度，释放三个转动自由度，释放左前轮装配位 置处节点的所有自由度，约束后轮悬架与车架装配位置处节点的垂直方向自由度，释放 剩余自由度。 车架整体结构在扭转工况下的应力云图如图2 8 所示。扭转工况下应力最大位置如 图2 - 9 所示。 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 - 8 扭转z - ) j l 车架结构位移云图 f i 9 2 - 8t h ev o nm i s s e ss t r e s so f t h ef r a m eo nd i s t o r t i n gc o n d i t i o n 图2 - 9 扭转_ v - - ) ) l 下应力最大的位置 f i 9 2 9t h eb i g g e s ts t r e s sp o s i t i o no nd i s t o r t i n gc o n d i t i o n 由扭转工况的仿真计算可以看出，除了前悬架顶部与车架的焊接处，整个观光车车 架的应力都低于材料的屈服强度，而且还有一定的盈余。但是前悬架顶部与车架的焊接 处( 图2 8 指出) 的应力值达到3 0 1 0 m p ，主要由于前悬架顶盖和观光车车架焊接的横 太原理工大学硕士研究生学位论文 梁跨度不够大，而且末端没有封闭，在没有封闭的末端拐角处产生应力集中，时间长就 会造成槽钢发生扭曲甚至开裂。所以此处应该进行结构改进，此处改为贯通式连接，而 取消断开 图2 1 0 结构改进图 f i 9 2 - 10t h ef i g u r eo ft h ef r a m ei m p r o v e m e n t 图2 1 1 改进结构后扭转工况车架结构位移云图 f i 9 2 11t h ev o nm i s s e ss t r e s so ft h ef r a m eo nd i s t o r t i n gc o n d i t i o na f t e ri m p r o v e m e n t 太原理工大学硕士研究生学位论文 一 图2 - 1 2 结构改进后应力图 f i 9 2 - 12t h ev o nm i s s e ss t r e s sf i g u r ea f t e rt h ef r a m ei m p r o v e m e n t 对改进后的结构在相同载荷和约束条件下，进行弯曲工况受力分析，其改进后车架 的应力云图如图2 1 1 所示，车架的最大应力变为1 3 9 m p ，最大应力的位置仍然处于改 进前的位置，但是可以看到应力已经降低很多，远远小于材料的屈服极限2 3 5 m p ，可见 前悬架顶部与车架的焊接处结构改为贯通式是合理的。 图2 1 3 车架局部结构改进图 f i 9 2 13p a r t i a lf r a m ei m p r o v e m e n tf i g u r e 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 总结稳态分析的两种典型工况分析的结果，车架出现裂纹的主要原因是局部应力超 出了材料的屈服强度。观光车车架结构改进位置如图2 - 1 3 中加亮部分。 2 3 本章小结 本章首先根据t y 型观光车实体车架，经过适当的简化建立起u g 三维实体数模，导 入a n s y s 分析软件中，建立起全部由壳单元组成的车架有限元模型。通过对车架在弯曲 和扭转两种典型工况下的模拟分析，得出观光车车架应力集中区域，与实物车架出现裂 缝的位置进行对比分析，找出了车架产生裂纹的原因。并采取了加强措施，顶棚后支柱 和底盘的连接处左右各添加一个加强筋，而发动机舱与中间地板的连接处由于空间所限 只能增加焊接厚度，前悬架顶盖和观光车车架焊接的横梁改用贯通式。同时在相同载荷 和约束条件下，再次对改进后的结构进行应力分析，得到改进后的应力值全部小于材料 的屈服强度，从而从稳态方面验证了结构改进措施是可行的。 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章基于a d a m s 观光车多体动力学模型 3 1 悬架模型建立 悬架是现代汽车的重要组成部分之一，它把车架( 或车身) 与车轴( 或车轮) 弹性地连 接起来。其主要作用是传递施加在车轮和车架( 或车身) 之间的力和力矩；缓和由不平路 面引起的车架( 或车身) 的冲击，衰减由此引起的承载系统的振动，保证汽车行驶的平顺 性；保证车轮在不平路面和变化载荷的情况下，具有