青岛理工大学大学生科技创新项目
车架轻量化设计及其软件开发
立 项 人：范文旭 张翼 李路
指导教师：张丽霞 潘福全 王吉忠
青岛理工大学汽车与交通学院
2010年11月
摘 要
车辆轻量化是降低能量消耗的有效措施之一，资料表明，车重减轻10%，燃油消耗可降低6% -8 %。客车、货车的车架骨架质量约占整车质量的60%，对于专用车，车架所占的质量比例则更大。因此，减小车架质量可为车辆轻量化提供最大的潜力。轻量化还可以减少原材料的消耗，降低车辆的生产成本。
本课题以车架轻量化及软件开发为目的，以汽车与交通实验中心的某车架为研究对象，用ANSYS软件建立其有限元模型，对车架进行受力分析。分析各种工况下车架的强度和刚度，对性能进行评估。结合ANSYS提供的优化方法，在强度分析的基础上实现车架结构参数的优化设计，利用Visual Basic6.0和APDL(ANSYS Parametric Design Language)开发相应可视化软件，方便快捷的对车架轻量化进行车架结构参数的优化设计。
关键词：车架；轻量化；优化设计；软件开发
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目录
摘 要............................................................................................................................... i 目录................................................................................................................................ ii 第1章 绪论.................................................................................................................. 1
1.1研究目的及意义.............................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状............................................................................................. 1 1.3 研究主要内容................................................................................................. 2 第2章 车架的静力学分析.......................................................................................... 3
2.1有限元软件简介.............................................................................................. 3 2.2 车架有限元模型的建立................................................................................. 3
2.2.1 单元类型的选择.................................................................................. 4 2.3.2 网格的划分.......................................................................................... 6 2.3.3 边界条件的建立.................................................................................. 7 2.3 车架的静强度分析与计算............................................................................. 7
2.3.1 车架基本载荷和工况的确定.............................................................. 8 2.3.2各工况下的强度计算........................................................................... 8 2.5计算结果分析.................................................................................................. 9 第3章 车架的模态分析............................................................................................ 11
3.1车架的模态分析............................................................................................ 11 第4章 车架的轻量化研究与软件开发.................................................................... 13
4.1车架优化设计理论基础................................................................................ 13
4.1.1优化变量的选择................................................................................. 13 4.1.2 生成分析文件.................................................................................... 14 4.1.3定义优化变量..................................................................................... 16 4.2 轻量化设计软件开发................................................................................... 21
4.2.1优化设计软件流程图......................................................................... 21 4.2.2优化设计软件界面............................................................................. 22
第5章 大学生创新项目总体情况介绍.................................................................. 26
5.1项目完成情况................................................................................................. 26 5.2项目成果......................................................................................................... 26 5.3项目的目的意义、达到的目标和学习收获................................................. 26
5.3.1 项目的目的意义................................................................................ 26 5.3.2达到的目标......................................................................................... 26 5.3.3 学习收获............................................................................................ 27 5.4对大学生创新项目的建议............................................................................. 27 参考文献...................................................................................................................... 28
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第1章 绪论
1.1研究目的及意义
目前，世界汽车的保有量约为7亿辆，每年新生产的各种汽车约4000万辆，汽车每年的石油消耗量约占世界每年石油产量的一半以上。在我国，近几年随着汽车数量的迅猛增长，能源的消耗也在大量增长，石油依赖进口的程度越来越大，我国是能源贫乏国家，无论从战略角度，还是从可持续发展角度，都不利于我国的长远发展。
安全与节能是现代汽车工业的重要主题，其中保证结构性能的安全性是现代汽车设计制造的首要原则，汽车的任何设计都是以保证安全为前提的。而车架作为汽车的承载基体，不仅承担发动机、底盘和货物的质量，而且还要承受汽车行驶过程中所产生的各种力和力矩。因此车架的强度不仅关系到整车能否正常行驶，而且还关系到整车的安全性，对汽车车架的结构性能分析就显得尤为重要。
车辆轻量化是降低能量消耗的有效措施之一，资料表明，车重减轻10%，燃油消耗可降低6% -8 %。客车、货车的车架骨架质量约占整车质量的60%，对于专用车，车架所占的质量比例则更大。因此，减小车架质量可为车辆轻量化提供最大的潜力。轻量化还可以减少原材料的消耗，降低车辆的生产成本。
截止到2009年底，我国机动车保有量已达到1.86亿。据预测，到2010年底，我国机动车保有量将达到2亿。这么多的车辆将耗掉我国大量的能源。车辆车架的轻量化设计不但能够节约大量钢材，而且能够节约大量能源，保护环境。因此，本项目对货车车架进行轻量化设计，并开发相应可视化软件，不但能够为汽车企业在产品设计、改造和优化等方面提供重要的参考和指导，而且能够为企业在降低产品的生产成本、提高产品的设计水平和竞争力等方面提供思路和方法。因此，本研究项目具有重要的研究意义和应用价值。 1.2 国内外研究现状
受能源和环境保护的压力，汽车工业发达国家较早就开始了汽车轻量化研究。但是研究多集中在使用轻金属、现代复合材料于现代车辆上，从而减轻车辆的重量。然而，这些新材料应用成本很高，难以在较短时间内推广与普及。车辆的传统材料是钢材，由于其强度高、成本低、工艺成熟，并且是最有利于回收循环利用的材料。因此，目前利用钢材实现轻量化的可能性受到关注。目前国内外对车辆的轻量化都主要集中在车身上，对车架的轻量化研究也集中在对轿车和客车的研究，真正将轻量化应用到重型车和专用车结构方面的还相当少。对于车架
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占据绝大部分质量的重型车辆来说，减小其车架质量可为车辆轻量化提供最大的潜力挖掘空间，并且可以减少车辆的燃油消耗，从而节约能量，有利于可持续发展。
1.3 研究主要内容 （1）建立车架有限元模型
选择汽车与交通实验中心的某货车车架为研究对象，采用ANSYS软件建立其有限元模型。
（2）在典型工况下，对车架进行受力分析。
根据实际车架受力情况对车架进行加载，分析各种工况下车架的强度和刚度，对性能进行评估； （3）车架的模态分析研究。
选用了ANSYS中的Block Lanczos法对车架进行了有限元模态分析得到了车架的前五阶固有频率和固有振型。 （4）建立车架轻量化设计模型。
结合ANSYS提供的优化方法，在强度分析的基础上实现车架结构参数的优化设计。
（5）车架轻量化设计可视化软件开发。
为了提高工作效率，减小劳动强度，利用Visual Basic6.0和APDL(ANSYS Parametric Design Language)开发相应可视化软件，若输入相应参数，就可方便快捷的对车架轻量化进行车架结构参数的优化设计。
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