汽車車身輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計

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1、 2011屆 　　 　　 　　　　　分類號： 　　　　　　　　　　　　　　　　　 單位代碼 ：10452 本科專業(yè)職業(yè)生涯設(shè)計 題目 汽車車身輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計 姓 名 　　　　　 學 號 　　 　　　　　 年 級 　 2007級 　　　　　 專 業(yè) 　　　 車輛工程 　　　　　 系　（院）　　　工學院 　　　　　 指導教師

2、 2011年4月24日星期日 目錄 人生需要夢想 2 （一） 引言 3 （二） 自我分析 4 （三） 環(huán)境條件分析 4 3.1 家庭條件分析 4 3.2 社會環(huán)境的分析 4 摘 要 5 ABSTRACT 5 第1章汽車車身輕量化概述 6 1.1 汽車輕量化的意義 6 1.2 汽車輕量化的發(fā)展 6 第2章 汽車車身輕量化設(shè)計的材料選擇 7 2.1 高強度鋼是占主導地位的輕量化材料 7 2.2鋁合金是最有希望取代鋼鐵材料的輕量化材料 11 2.3塑料和復合材料 12 第3章汽車輕量化設(shè)計的分析 13 3.1輕量化設(shè)計的分析原則

3、 13 3.2減重：輕量化評價參量 14 3.3性能：滿足各類碰撞法規(guī) 15 3.4輕量化與成本的關(guān)系 16 第4章運用CAE技術(shù)進行某微型客車車架結(jié)構(gòu)的分析與優(yōu)化設(shè)計 16 4.1 CAE技術(shù) 16 4.2動力學分析 17 4.3靜力分析 20 4.4優(yōu)化設(shè)計 23 第五章 結(jié)束語 24 參考文獻 25 謝 辭 26 人生需要夢想 1 引言 實現(xiàn)夢想的第一步就是要有夢想，即人生需要夢想。沒有夢想對于每個人來說是非?？膳碌囊患虑椋缤瑹o頭蒼蠅似的到處碰壁?，F(xiàn)代社會很多人由于商品經(jīng)濟的發(fā)展和變化很快，很難對自己的人生進行一個長期的規(guī)劃。佛家有云：“緣自性空

4、”、“空無自性”。的確在現(xiàn)代社會，人們的生活節(jié)奏加快，社會更新?lián)Q代同樣很快。如果我們不加緊自己的腳步，跟隨時代的步伐，不斷學習，將很難有長足的進步。 而有一份長期穩(wěn)定的規(guī)劃是有必要的。首先，職業(yè)生涯規(guī)劃是幫助個人對抗變幻莫測的世界的一種不變的工具。中國人講究“以不變應萬變”，因此更加需要有一份穩(wěn)定的職業(yè)生涯規(guī)劃了。其次，穩(wěn)定性的追求是符合人性的，按照馬克思的觀點，在科學高度發(fā)展的現(xiàn)代社會應該是沒有宗教的。但現(xiàn)代社會宗教的不斷發(fā)展，信眾的不斷增加導致了馬克思思想的直接破產(chǎn)。為什么在科學不斷發(fā)展人類認識水平不斷發(fā)展的今天還是有如此之多的人信仰宗教呢？其中一個原因就是因為宗教提供了人一個穩(wěn)定性的

5、追求和信仰…… 那么對于在校大學生該怎樣規(guī)劃自己的職業(yè)生涯呢？對于在校大學生，首先要對自己有一個清醒的認識，知曉自己的優(yōu)點、缺點等等。另外在對自己有一個比較完備的認識的時候要明確自己的興趣，明確自己的目標，通過目標的明確要找準自己日后的社會地位定位，履行好自己的社會角色。當然在這個過程當中必須不斷提高和完善自己的能力，并對當代社會對自己的職業(yè)的要求和職業(yè)本身的發(fā)展前景要有一個清醒的認識。 我是一個不善于規(guī)劃自己人生的人，我認為“理想與現(xiàn)實總是相差很遠”。其實很多時候人的一生只要掌握好它的大體方向就可以了，我們不必苛求每一件事情都做到盡善盡美，那樣太累。只要做事無愧于心，走到哪里都可以挺

6、起胸膛，我的人生沒有白來。我想在自己的人生路上先在遠通汽貿(mào)公司的汽車售后方面有所建樹，這幾年先把自己的基礎(chǔ)打牢，然后在談論職位提升的問題。 “生有涯，而學無涯”、“路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索”。“我是一個在海灘上拾石子的人，偶爾拾到了一兩塊石頭，但真理的海洋尚未被我們發(fā)現(xiàn)。 2 自我分析 2.1優(yōu)點 社交能力強，善于交朋友；為人勤奮、正直；樂于探索，有求知的欲望；有理想有目標；在汽車、商業(yè)等方面有鉆研的的精神；做事認真、細致、周到，力求使每件事達到完美的標準；自己認準的事，往往以不記代價的方式達到要求（當然有時這也是一種缺點）。 2.2 缺點 說話啰嗦而且比較直，不善于偽裝

7、自己的喜怒哀樂；朋友多，但會認真對待知心朋友很少；有想法，但往往不能及時實施；生活沒有太多的規(guī)律，使得對新鮮事物有種排斥感；缺乏自信；知識面不夠廣，視野不夠開闊。 2.3 興趣： 對汽車情有獨鐘；愛好汽車和商業(yè)知識；在休閑時刻，喜歡看小說，也喜歡打籃球和羽毛球，注重勞逸結(jié)合。 2.4小結(jié)： 優(yōu)缺點極其明顯，不善于改變自己。希望以后繼續(xù)發(fā)揚優(yōu)點，做到更好。面對缺點，找到差距，制定具體措施，努力彌補。個人愛好是一種難得資源，也是一種充沛的能源，要大力開發(fā)，最大程度地為自己的工作、生活服務。 3 環(huán)境條件分析 3.1 家庭條件分析 我出生于一個農(nóng)村家庭，世代沒有擺脫貧窮的壓迫，父母看到

8、只有知識才是擺脫困境最好的方法，所以，他們將所有的積蓄都用在我和姐弟的學業(yè)上，希望我們能夠走從窮困的小山村，見到外面寬廣的世界。面對父母的期望，面對自己的人生，我能做的只是努力提高自己的能力，實現(xiàn)自己的理想。 3.2 社會條件分析 近三年我國汽車市場產(chǎn)銷發(fā)展迅猛，市場環(huán)境急劇變化，使我國汽車產(chǎn)業(yè)面臨重組和整合壓力，企業(yè)利潤不斷下降。這就迫使汽車企業(yè)不斷地適應市場變化，尋找新的利潤增長，從而獲得長足的發(fā)展。對于我國的汽車生產(chǎn)企業(yè)來講，現(xiàn)實的可行之路就是必須迎合市場需求變化、提高服務水平、建立自主品牌、選擇適合的銷售模式，才可在更加激烈的競爭中尋求自身的發(fā)展。那么針對汽車車架就非常有必要進行結(jié)

9、構(gòu)上的優(yōu)化與設(shè)計！ 汽車車身輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 摘 要 車輛輕量化是減少原材料的消耗 、降低車輛的生產(chǎn)成本、減少排量的最有效措施之一 。減輕汽車車身自重一般有兩種途徑：一是從材料人手，采用輕金屬或現(xiàn)代復合材料等低密度材料制作車架，以減輕結(jié)構(gòu)重量；二是從優(yōu)化設(shè)計入手，對現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)車架進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，在保證承載能力和可靠性的前提下減輕其質(zhì)量。 本文首先介紹了汽車車身輕量化的意義，然后對汽車車身材料進行一個優(yōu)化選擇，進而對汽車車身輕量化設(shè)計進行分析，最后運用CAD技術(shù)對某款車進行車身結(jié)構(gòu)輕量化進行優(yōu)化設(shè)計。 關(guān)鍵詞:汽車車身;輕量化;CAE技術(shù);優(yōu)化設(shè)計 Abstract The

10、 vehicle reducing in weight is most the production cost of dissipation, step - down vehicle that reduces raw materials and reduce to line up quantitative one of the effective measures.Ease autocar car body dead load to generally have two kinds of paths:One from the material hand, low density materia

11、l creation car stands, such as adoption light metal and modern composite material...etc. to ease structure weight;Two from excellent turn a design to commence, carry on structure vs the existing steel structure car stand excellent turn a design, assure that loading capability and the premise of reli

12、ability down ease its mass. This article introduced the meaning of autocar car body reducing in weight first, then carried on one vs the autocar car body material excellent turn a select, then design progress vs the autocar car body reducing in weight analysis, the end makes use of a CAE technique

13、to carry on car body structure vs a certain car reducing in weight the progress Be excellent to turn a design. Key words: autocar car body;educing in weight;CAE technique;is excellent to turn a design. 1 汽車輕量化概述 1.1 汽車輕量化的意義 當前，能源短缺及環(huán)境污染問題已成為制約中國汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的突出問題，無論是從社會效益還是經(jīng)濟效益考慮，低油耗、低排放的汽車都是節(jié)約

14、型社會發(fā)展的需要。汽車輕量化不但可以提高車速，還能降低油耗、減少廢氣排放量和改善安全性（縮短剎車距離和減少碰撞慣性）。然而，汽車輕量化絕非是簡單地將其小型化而已。首先應保持汽車原有的性能不受影響，既要有目標地減輕汽車自身的重量，又要保證汽車行駛的安全性、耐撞性、抗振性及舒適性，同時汽車本身的造價不被提高，以免給客戶造成經(jīng)濟上的壓力。 車輛輕量化是節(jié)能減排的重要手段，實現(xiàn)輕量化對乘用車來說，可以直接提高燃油經(jīng)濟性，高強度材料的使用還可提高安全性；對商用車，可以有效提高單位承運能力和平均燃油效率。當然，對于重型汽車來說，這些優(yōu)越性更能充分體現(xiàn)出來。材料顯示：汽車自重每減少10%，油耗約降低6%～

15、8%、排放降低5%—6%；車橋、變速器等裝置的傳動效率提高10%，燃油效率可提高3%；而燃油消耗每減少1升，二氧化碳的排放量減少2.45kg。當前汽車技術(shù)發(fā)展中，輕量化技術(shù)的應用水平已經(jīng)成為企業(yè)技術(shù)和產(chǎn)品水平的重要衡量標志之一。 1.2 輕量化技術(shù)的發(fā)展 汽車輕量化的技術(shù)內(nèi)涵是：采用現(xiàn)代設(shè)計方法和有效手段對汽車產(chǎn)品進行優(yōu)化設(shè)計，或使用新材料在確保汽車綜合性能指標的前提下，盡可能降低汽車產(chǎn)品自身重量，以達到減重、降耗、環(huán)保、安全的綜合指標。 汽車輕量化技術(shù)包括汽車結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計和輕量化材料的使用兩大方面。一方面汽車輕量化與材料密切相關(guān)；另一方面，優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計也是實現(xiàn)汽車輕量化的有效途徑

16、。與汽車自身質(zhì)量下降相對應，汽車輕量化技術(shù)不斷發(fā)展，主要表現(xiàn)在： (1)輕質(zhì)材料的使用量不斷攀升，鋁合金、鎂合金、鈦合金、高強度鋼、塑料、粉末冶金、生態(tài)復合材料及陶瓷等的應用越來越多； (2)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和零部件的模塊化設(shè)計水平不斷提高，如采用前輪驅(qū)動、高剛性結(jié)構(gòu)和超輕懸架結(jié)構(gòu)等來達到輕量化的目的，計算機輔助集成技術(shù)和結(jié)構(gòu)分析等技術(shù)也有所發(fā)展。 車輛輕量化是減少原材料的消耗、降低車輛的生產(chǎn)成本、減少排放的最有效措施之一 。對于重型汽車，車架自重和其所占整車重量比例均較大。因此減輕車架自重對車輛輕量化研究具有重要的意義。本文以汽車車身材料的選擇和車架的優(yōu)化設(shè)計為重點研究了汽車車架輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化

17、設(shè)計問題 ，給出了參數(shù)化優(yōu)化數(shù)學建模，并結(jié)合某汽車車架進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，給出了優(yōu)化設(shè)計方案 ，在保證原車架承載能力的前提下使其重量減輕約11%。 2. 汽車車身輕量化設(shè)計的材料選擇 2.1．高強度鋼是占主導地位的輕量化材料 2.1.1 高強度鋼的應用及技術(shù)難點 盡管輕金屬材料、塑料、復合材料等近年來在汽車上的應用不斷擴大，但高強度鋼以其在成本、安全、制造工藝等方面的優(yōu)勢，依然是首選的輕量化材料。以某自主品牌白車身為例，其車身沖壓件高強度鋼的應用比例為46.5%，車體（不含四門兩蓋）高強度鋼的應用比例為43%，主要使用了如下高強度鋼：180BH、220BH、P180、P230、ST28

18、0、340LA、590R、TRIP600、TRIP800、590Y 、780Y 、SS400、SAPH440、980Y（進口）等。圖1顯示目前各種材料在汽車制造中的百分比。由圖可見，鋼鐵材料約占汽車重量的60%。 圖1.汽車輕量化設(shè)計材料使用比例 但是，高強度鋼應用的技術(shù)難點在于成形技術(shù)。十年前，高強度鋼成形的主要問題是與范性應變相關(guān)的縮頸與開裂問題，控制要點是使零件的應變程度低于臨界應變。而目前高強度鋼成形的主要問題，則是與彈性應力及應力釋放相關(guān)的零件尺寸精度和回彈問題，見圖2。具體來講，先進高強度鋼（AHSS）成形過程中的主要問題為： （1）變形過程中出現(xiàn)加工硬化，屈服強度提高，

19、流變應力較 （2）由于零件厚度減小，因而不易保持形狀； （3）缺少補償回彈的模具設(shè)計經(jīng)驗。 圖2.鋼板的典型力學性能 表1. 開發(fā)材料的力學性能 為了解決這些問題，對超高強度鋼（AHSS）零件模具的設(shè)計和選材極為關(guān)鍵。表1給出了高強度鋼的發(fā)展目標。在模具設(shè)計過程中，要特別注意兩個突出和三個關(guān)注。兩個突出是，要突出考慮模具結(jié)構(gòu)的高壓承受力，突出考慮模具的回彈補償功能。三個關(guān)注是，要關(guān)注模具基體的剛性與韌性，防止失效；關(guān)注模具表面硬化，防止磨損；關(guān)注模具表面粗糙度，保證零件表面質(zhì)量。在進行模具材料選擇時，應綜合考慮諸多因素，包括： （1）鋼板強度、厚度及表面復層； （2）模

20、具結(jié)構(gòu)、可制造性和可加工性、曲率； （3）有效潤滑； （4）零件成本等。 2.1.2高強度鋼的熱成形技術(shù) 汽車設(shè)計中，兼顧輕量化和碰撞安全性的一個重要手段是采用高強度輕量化材料。因此各類汽車用板的屈服強度和伸長率的關(guān)系就成為了汽車輕量化材料選擇的一個重點。如圖3.但是，目前還難以生產(chǎn)出滿足這一強度級別的雙相鋼和TRIP鋼，即便能夠生產(chǎn)出來，在這樣高的強度下，沖壓構(gòu)件的回彈和模具的磨損等問題也難以解決。于是，熱成形高強度馬氏體鋼及相應的成形工藝和應用技術(shù)應運而生。目前凡是達到U-NCAP碰撞4星或5星級水平的乘用車型，其安全件（A、B、C三柱和保險杠防撞梁、門防撞桿、保險杠防沖柱等）大都

21、采用了抗拉強度1500MPa、屈服強度1200MPa的馬氏體鋼。對高強度鋼的熱成形技術(shù)，我們需要重點關(guān)注的是用鋼選擇、熱成形用鋼的表面鍍層、模具設(shè)計和熱成形零件的檢測問題。用鋼選擇是保證熱成形零件性能的重要一環(huán)。目前，世界上熱成形零件用鋼幾乎都選用硼鋼種，因為微量的硼（B）可以有效地提高鋼的淬透性，可以使得零件在模具中以適宜的冷卻速度，獲得所需的馬氏體組織，從而保證零件的高的強度水平。 IF—無間隙原子鋼;Mild—低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼;HSSIF—高強度IF鋼;BH—烘烤硬化鋼;IS—各向同性鋼;CMn—碳錳鋼;HSLA—高強度低合鋼;DP—雙相鋼;CP—復相鋼;TRIP—相變誘發(fā)塑性鋼; M

22、art—馬氏鋼; TWIP— 孿晶誘發(fā)塑性鋼; Stainless—不銹鋼; B steel—熱沖壓用鋼 圖3各類汽車用板的屈服強度和伸長率的關(guān)系 常用的鋼種包括：Mn-B系（上海寶鋼開發(fā)）熱成形用鋼、Mn-Mo-B系（北美、歐洲等多用此系列）、Mn-Cr-B系（高淬透性熱成形鋼）、Mn-Cr系（部分馬氏體熱成形鋼）、Mn-W-Ti-B系（如韓國POSCO 公司開發(fā)的高烘烤硬化細晶粒熱成形鋼）。由于熱成形過程是重新加熱到奧氏體區(qū)的過程，為避免或減少加熱過程的氧化，需要對熱成形鋼進行表面鍍層。目前開發(fā)的用于熱成形的鍍層板包括：鍍Al板、鍍Al-Si合金板和鍍Zn板等。韓國POSCO鋼鐵公

23、司正在開發(fā)納米鍍層板，以提高鍍層的結(jié)合力，防止鍍層在加熱和成形淬火過程中剝落。福特汽車在有關(guān)標準中還說明，Al-Si鍍層的金屬間化合物相為AlxFeySiz，鍍層上層金屬間化合物為Al60-70Fe30-40Si10+微量其它元素，而鍍層下層金屬間化合物則為Al50-60Fe45-55?？紤]到成本問題，有時也采用非鍍層板、熱軋板或冷軋板。圖4表現(xiàn)了我國汽車用鍍鋅板和高強度鋼量占白車身重量的比例。 圖4我國汽車用鍍鋅板和高強度鋼量占白車身重量比例圖 2.2鋁合金是最有希望取代鋼鐵材料的輕量化材料 鋁材料的很多特點使其適宜于在汽車上應用： （1）重量輕，僅為鋼材的1/3，因而可提高車輛

24、有效載荷比例； （2）強度、韌性高，接近于鋼； （3）耐腐蝕性能好，氧化鋁是天然的防腐屏障，不需涂層或襯套，不污染運輸貨物； （4）易于擠壓成形； （5）低溫性能優(yōu)異； （6）物理性能優(yōu)良，包括優(yōu)良的表面反射性能和熱傳導性能、無磁性、不產(chǎn)生火花、無毒等； （7）良好的可再生性。 在轎車上，鋁合金材料被大量用于結(jié)構(gòu)件、車身空間框架和車身覆蓋件。其中結(jié)構(gòu)件包括：發(fā)動機缸體、保險杠系統(tǒng)、散熱器、空氣壓縮機活塞、發(fā)動機支架、懸架零件、制動零件、驅(qū)動軸、座椅支架、車身結(jié)構(gòu)件及零件、車輪、后罩板、懸架支架、儀表板結(jié)構(gòu)件、風周邊結(jié)構(gòu)件、電子分配系統(tǒng)等。就鋁合金在商用車上的應用，有一實例顯示，通

25、過使用鋁合金，鉸接式載貨車可平均減重811公斤，其結(jié)果是每使用一公斤鋁合金可使車輛使用壽命期間CO2排放量減少29.1公斤，使車輛全生命周期內(nèi)CO2排放量減少27.5公斤。又如瑞典SCANNIA的一款牽引車，通過對駕駛室、車體裝飾件、車罩蓋、散熱器、保險杠、引擎、變速箱殼體、輪轂、燃料罐、懸架、框架縱梁、橫梁、車門等使用鋁合金，共可減重1137公斤。鋁合金在客車上可以應用的部件包括：底盤結(jié)構(gòu)件、外覆蓋件、行李廂門、傳動軸套、油箱、鍛造鋁輪轂、后廂蓋板、內(nèi)裝鋁制型材、車頂蒙皮、透光天窗框架、熱交換系統(tǒng)、致光鋁覆蓋板、框架、裝飾條等。相對于使用鋼鐵材料，在商用車上使用鋁合金主要有三方面優(yōu)勢： （

26、1）可減輕整車重量，從而帶來提高有效載荷、降低燃油消耗、提高制動性能、降低整車重心提高安全性、降低對路橋的損壞、提高輪胎壽命等效果； （2）可減少防腐維護費用，因為不再需要噴涂載貨平板或載貨廂，板料有切痕和刮傷時也不致生銹，易于清洗并保持美觀； （3）可設(shè)計額外的美觀裝飾，如設(shè)計光亮的裝飾件、 保險杠、 油罐、踏板等。軋制鋁合金板用于商用車上的不同用途時，產(chǎn)品類型及主要性能要求也有所不同。 表2軋制鋁合金板在商用車上的用途、產(chǎn)品類型及主要性能要求 2.3 塑料和復合材料 與相同結(jié)構(gòu)性能的鋼材相比，塑料和復合材料一般可減輕部件的重量在35％左右。低密度與超低密度片狀成型復合材料的發(fā)

27、展提供了更多的潛力，在重量減輕與強度方面達到甚至超過了鋁材，整體成本通常更低。 塑料是由非金屬為主的有機物組成的，具有密度小、成型性好、耐腐蝕、防振、隔音隔熱等性能，同時又具有金屬鋼板不具備的外觀色澤和觸感。目前，塑料大都使用在汽車的內(nèi)外飾件上，如儀表板、車門內(nèi)板、頂棚、副儀表板、雜物箱蓋、座椅及各類護板、側(cè)圍內(nèi)襯板、車門防撞條、扶手、車窗、散熱器罩、座椅支架等。而后逐漸向結(jié)構(gòu)件和功能件擴展。例如發(fā)電機及其相關(guān)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等。塑料也在向制作車身覆蓋件方向發(fā)展。 ????復合材料即纖維增強塑料，是一種增強纖維和塑料復合而成的材料。常用的是玻璃纖維和熱固性樹脂的復合材料。增強用的纖維除玻璃外

28、，還有高級的碳纖維、合成纖維。復合材料作為汽車材料具有很多優(yōu)點：密度小、設(shè)計靈活美觀、易設(shè)計成整體結(jié)構(gòu)、耐腐蝕、隔熱隔電、耐沖擊、抗振等。目前玻璃鋼復合材料的應用非常廣泛，尤其在歐美車系中。其中尤以SMC和GMT的應用最為廣泛。曼、雷諾、沃爾沃、奔馳、依維柯、達夫等歐洲重型卡車制造商的駕駛室材料中，都大量選用了SMC。在國內(nèi)，SMC材料在汽車領(lǐng)域也得到了廣泛的應用，尤其是商用汽車領(lǐng)域。中國重汽、陜西重汽、福田歐曼、重慶紅巖等主要重型卡車制造商，其駕駛室的制造都不同程度地采用了SMC材料。 2.4 其他輕量化材料 ??????? 精細陶瓷是繼金屬、塑料之后發(fā)展起來的第3大類材料。其發(fā)展史只有

29、20年左右，但具有優(yōu)良的力學性能(高強度、高硬度、耐腐蝕、耐磨損等)和化學性能(耐熱沖擊、耐氧化、蠕變等)。作為輕量化材料用于汽車零件，不僅直接起到輕量化的作用，更因其優(yōu)良的耐熱性、耐腐蝕性和耐磨性，用于汽車發(fā)動機燃燒室及熱交換器等零件，使功率提高，油耗大大下降，從節(jié)能角度看則間接地起到輕量化效果。蜂窩夾層材料是早已在飛機上采用的材料，其最大特點是剛性高、比強度高、密度低。目前應用在汽車上的實例還不多，但應用研究在不斷前進，將來會較多地得到運用。??? 3 汽車輕量化設(shè)計的分析 3.1．輕量化設(shè)計的分析原則 概括起來，輕量化設(shè)計是四個方面的集成，一是不同專業(yè)優(yōu)勢的集成，即是設(shè)計、分析、工

30、藝、材料等不同專業(yè)領(lǐng)域優(yōu)勢的集成；二是不同材料優(yōu)勢的集成，即根據(jù)不同零部件的性能要求采用適宜的材料；三是不同加工工藝和加工方法的優(yōu)勢集成，即根據(jù)零部件和材料特點采用適宜的加工工藝和加工方法；四是綜合考慮零件性能和整車性能的集成，從而達到輕量化、高性能、低成本的效果。因此，當我們評價一個產(chǎn)品的輕量化設(shè)計時，必須考慮功能、減重和成本等三方面內(nèi)容。所謂功能，即要滿足一定的法律法規(guī)要求，如滿足一定的碰撞法規(guī)要求；所謂減重，即要達到一定的減重效果；所謂成本，即功能和減重必須在一定的成本控制前提下來實現(xiàn)。舉例來說，某兩個輕量化白車身用材及在功能、減重和成本上的比較見表3。 表3某兩個輕量化白車身用材及在

31、功能、減重和成本上的比較 3.2 減重：輕量化評價參量 寶馬公司提出了輕量化系數(shù)的概念，作為評價車輛輕量化的參量，其定義為： 其中，L為輕量化系數(shù)；MGer為白車身重量（不包括車門和覆蓋件）；Ct為白車身（包括玻璃）的靜扭剛度，也可取該值的2/3，此時必須保證裝好的擋風玻璃上的載荷可以承受，因為高表面拉應力會引起擋風玻璃損壞；A為輪距與軸距相乘的面積。由于乘用車輕量化的重點是白車身、覆蓋件和懸掛系統(tǒng)，當從不同角度評價一個產(chǎn)品的輕量化水平時，Ct的取值應不同。當側(cè)重以車輛的NVH性能評價輕量化參量時，Ct值取一階彎曲或扭轉(zhuǎn)的固有頻率值；當側(cè)重以輕量化的覆蓋件評價輕量化參量時，Ct值

32、取抗凹性指標值；當側(cè)重以輕量化的懸架系統(tǒng)評價輕量化參量時，Ct值取彈簧的剛度和疲勞壽命。 圖5.Ct值的選取 3.3．性能：滿足各類碰撞法規(guī) 白車身的動態(tài)剛度、靜態(tài)剛度及其他特性與車輛的被動安全密切相關(guān)，是優(yōu)化車身抗沖擊能力并滿足各類碰撞法規(guī)的基礎(chǔ)。圖6展示了各類碰撞法規(guī)。 圖6各類碰撞法規(guī) 3.4輕量化與成本的關(guān)系 成本是輕量化設(shè)計中的重要因素。輕量化結(jié)構(gòu)材料往往伴隨半成品成本、制造裝配成本和維修成本的提高，因此輕量化必須以成本可接受度為前提。從下圖（圖7）可以看出，通過考慮幾何尺寸、結(jié)構(gòu)設(shè)計、載荷大小、使用條件等輕量化設(shè)計手段可以使零件的重量和成本同時下降一定的幅度

33、，如圖中從A點到B點所示。若想進一步減重，則必須同時應用輕量化材料和輕量化設(shè)計兩種手段，如圖中從B點到C點。由于從B點到C點的減重過程伴隨著成本的上升，最終的減重程度將取決于對成本的可接受度，即每減重一公斤所增加的成本的可接受度，從而確定C點的位置，即減重的最大限度點。此外，減重的程度還應考慮結(jié)構(gòu)強度及其他物理特性。 圖7輕量化與成本的關(guān)系示意圖 4 運用CAE技術(shù)進行某微型客車車架結(jié)構(gòu)的分析與優(yōu)化設(shè)計 4.1 CAE技術(shù) CAE（計算機輔助工程分析）技術(shù)的興起及應用，滯后于CAD（計算機輔助設(shè)計）技術(shù)，尤其在汽車工業(yè)以及機械行業(yè)。當前，在中國汽車行業(yè)CAD技術(shù)已廣泛得到應用，在產(chǎn)

34、品設(shè)計過程中已經(jīng)擯棄手工繪圖的時代，將企業(yè)中的圖紙信息數(shù)字化，大大節(jié)省成本。CAE技術(shù)在國外大型企業(yè)已經(jīng)廣泛應用，在國內(nèi)的發(fā)展應用剛剛起步。本文首先計算了靜力撓度，靜態(tài)彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度，然后求解了固有模態(tài)，并在此基礎(chǔ)上獲得典型道路激勵下的瞬態(tài)響應，此外，還對車架典型薄壁梁結(jié)構(gòu)的耐撞性吸能特性進行研究，配合實驗數(shù)據(jù)，對車架結(jié)構(gòu)進行了合理的改進設(shè)計，實現(xiàn)了滿足輕量化要求的靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計目標，彰顯CAE技術(shù)在汽車研發(fā)過程中的作用日益重要。 4.2動力學分析 動力學分析一般是指載荷作用歷程與時間有密切關(guān)系的問題類型，以下包括模態(tài)分析與道路激勵下瞬態(tài)響應分析。 4.2.1模態(tài)分析 表4表明第一階固有

35、頻率出現(xiàn)在18.198Hz，由于車身與車架在整車中是緊固聯(lián)接的，不考慮車架與車身出現(xiàn)共振的危險，而應當考慮發(fā)動機與車架共振的危險，因為發(fā)動機與車架是懸置聯(lián)接，發(fā)動機的爆發(fā)頻率為16～20 Hz；常用車速爆發(fā)頻率為33.3～50 Hz，車身第一階模態(tài)12.922Hz，第二階模態(tài)19.661Hz，有可能發(fā)生共振。 路面不平度對汽車運動所引起的激勵多屬于20 Hz 以下的垂直振動，有激起車架一階扭轉(zhuǎn)共振的可能，但考慮到車身與車架的剛性聯(lián)結(jié)可抑制該階振型，還需要進行整車模態(tài)的分析。 表4 各階模態(tài)列表 模態(tài)階次 固有頻率（Hz） 模態(tài)類型 1 18.198 一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)（繞x軸） 2

36、 31.720 側(cè)向彎曲模態(tài)（繞z軸） 3 34.023 垂向彎曲模態(tài)（繞y軸） 4 40.761 二階扭轉(zhuǎn)模態(tài)（繞y軸） 5 49.077 局部模態(tài)（第六根地板橫梁） 6 50.226 局部模態(tài) 7 50.871 局部模態(tài)（第二根地板橫梁） 8 52.426 局部模態(tài)（第一根地板橫梁） 9 57.690 扭轉(zhuǎn)模態(tài)（繞z軸） 4.2.2道路激勵下瞬態(tài)響應分析 模擬車架滿載工況下受到搓板路中的一個小坡激勵的瞬態(tài)動力學分析，位移激勵設(shè)置在兩前輪的懸架彈簧底部，模擬兩前輪的過坡過程。路面尺寸依據(jù)定遠總后試車場搓板路給出，路面激勵為半正弦波形，坡高20

37、mm，波長400mm，車速定為20km/h，車架承載14088.1N，重力加速度g。 車輛在搓板路上行駛時，兩前輪同時被抬起或落下，在前輪處受沖擊載荷，車架受慣性力作用產(chǎn)生彎曲。前懸、后懸用彈簧單元COMBIN14模擬。后懸底部均為全約束，前懸的14個彈簧單元底部節(jié)點約束除過UZ方向的其他五個自由度，UZ自由度作為位移激勵用，將一個半正弦小坡分為6個載荷步，寫入6個載荷步文件，每個載荷步內(nèi)定義10個子步，時步大小為0.002s，載荷步如圖8，激勵非對稱是想檢驗計算結(jié)果會不會在后兩個載荷步上出現(xiàn)突變，驗證本模型的正確性。 圖8位移激勵曲線 分別取出縱梁上五個不同部位的節(jié)點結(jié)果，進行結(jié)果

38、察看，位移曲線如圖9，由于車架結(jié)構(gòu)對稱，約束對稱，載荷對稱，位移激勵對稱，所以，節(jié)點選取左縱梁還是右縱梁，結(jié)果出入不大。 在激勵點之后的各點起初的位移出現(xiàn)了負值，表明車架縱梁發(fā)生彎曲變形產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，縱梁中部區(qū)域的變形是單調(diào)遞增變化，表明彎曲變形以車架上后懸前端約束位置為中心，圖中出現(xiàn)的曲線交匯點表明，此時刻車架整體有相同的位移，前縱梁已處于回落階段，后縱梁由于相位差仍在上升階段。 圖9縱梁節(jié)點位移曲線 最大應力出現(xiàn)的時刻在0.06s時，即位移激勵最大時，應力最大出現(xiàn)在后縱梁上后懸架前端附近部位，最大值為3.3Mpa，前縱梁上節(jié)點與其他部位上節(jié)點的應力走勢不同，總是有一個相位差存在；在位

39、移曲線的交匯點附近，出現(xiàn)了應力谷，因為此時，前后縱梁有相同位移，相當于車架的各個部位沒有相對位移，也就沒有相對的變形產(chǎn)生，所以，此時的應力狀態(tài)幾乎趨于零值，同時，這也是由于第5載荷步的突變使然。 橫梁上的位移變化走勢與縱梁相應部位走勢一致，第3至第8根橫梁位移是單調(diào)遞增的，第9、10兩根橫梁出現(xiàn)了位移的負值，第1、2兩根橫梁在區(qū)間上存在一個極大值，證明了彎曲的旋轉(zhuǎn)中心在靠近后懸前端約束的縱梁部位；位移的最大值出現(xiàn)在最后一根橫梁上。 在激勵的最后時刻，無論是縱梁還是橫梁，其應力都會有很大的反彈，并且超過第一個峰值，達到最大值，表明搓板路工況下，并非激勵最大時是危險時刻，而是在車過完坡后的回落

40、階段，會出現(xiàn)最大的應力，10.02Mpa處于安全許用范圍；應力曲線上，應力谷的出現(xiàn)再次說明在0.08s-0.09s之間存在突變，表征了此模型的正確性。 圖10縱梁節(jié)點應力曲線 綜觀整體，最大應力出現(xiàn)在第3載荷步的結(jié)束時刻0.06s，整個過坡過程中，車架的平均應力維持在1~10Mpa水平左右。此種工況下車架承受彎曲變形，最大的應力危險出現(xiàn)在第6載荷步的激勵回落時刻，最大應力有10Mpa，車架結(jié)構(gòu)完全可以滿足要求。 4.3 靜力分析 靜力分析是在載荷作用點恒定，加載速度緩慢或者為零，加載量值緩慢變化或保持恒定情況下，計算結(jié)構(gòu)的應力、應變、位移的過程，靜力分析在設(shè)計過程中必不

41、可少，它將提供結(jié)構(gòu)在靜力條件下的性能。 4.3.1靜撓度分析 在進行滿載下車架垂向撓度分析時，將前后懸架用彈簧單元簡化模擬，賦予剛度，一端聯(lián)接在車架上，另一端固定約束。前懸架以及后懸架的前彈簧單元定義為一維，只在Z軸方向有變形運動，而后懸架后彈簧單元定義為二維，因為板簧后端允許有縱向的位移，可在XZ平面做變形運動。車架所承受載荷來自車架以上部分的自重，載荷為14088.1N。由于是承載式車身，所以將該載荷均勻作用在車架的前后縱梁和地板橫梁上，共366個加載點。 圖11結(jié)果表明，車架前部的撓度大于后部，最大值有76.1mm，最小值僅有8.4mm（包括懸架位移）。在滿載下，車架的大部分是低應

42、力狀態(tài)，應力值114.1pa，表明此種車型的設(shè)計滿載值是合理的，車架的狀態(tài)良好。 圖11垂向撓度von-Mises等效應力云圖 4.3.2 車架彎曲剛度分析 進行彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度分析時，不考慮懸架的影響。 在前懸約束所有自由度，后懸板簧的前端部位約束UX、UY、UZ；板簧的后端部位僅約束側(cè)向位移UY和繞Z軸的轉(zhuǎn)動自由度ROTZ。載荷施加在前后縱梁聯(lián)接處的節(jié)點上，共24個加載節(jié)點，載荷大小為1000N。為了避免誤差取這24個位移的平均值，作為撓度，依據(jù)材料力學公式，求得車架的抗彎剛度值CB。 計算得彎曲剛度為，與相關(guān)文獻（6.28×105 Nm2）對比，本車架彎曲剛度值偏小，原因

43、在于本車架是承載式車身車架，車身要承擔很大一部分的抵抗剛度。圖12為位移云圖。 圖12彎曲結(jié)果位移云圖 4.3.3 扭轉(zhuǎn)剛度分析 對于輕型客車的扭轉(zhuǎn)工況我國沒有硬性規(guī)定的標準，參照客車國家標準匯編上的大型客 車電測試驗標準，其約束方式是將四個車輪都用墊板墊成一樣的高度，然后撤去右前輪的墊板，使車輪下沉240mm或480mm。 在右前輪中心處設(shè)置位移邊界條件，使指定節(jié)點向下沉降480mm。右前懸釋放，左前懸以及后懸的前端約束UX、UY、UZ三個線位移和ROTZ，釋放其沿X、Y軸的轉(zhuǎn)動自由度ROTX、ROTY，后懸的后端僅約束UY與ROTZ。 扭轉(zhuǎn)剛度的計算依據(jù)材料力學公式：，其中

44、L為前輪距，F(xiàn)為所施加垂向載荷，h為沿載荷作用點的垂向位移，CT單位為Nm/°。計算所得剛度為： 本車架的扭轉(zhuǎn)剛度比較高，在輕型客車車架中比較突出，由于其橫梁密布，在抵抗扭轉(zhuǎn)變形的過程中作用很大。 4.4 優(yōu)化設(shè)計 綜合以上分析，可以找出車架的薄弱環(huán)節(jié)以及薄弱工況，對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。很明顯，該車架的彎曲剛度相比較而言略小，遂選擇在彎曲工況下進行車架的輕量化優(yōu)化分析。 采用ANSYS7.0參數(shù)化設(shè)計語言（APDL）進行分析，為進行車架輕量化設(shè)計，擬對前縱梁等8個厚度為2mm的部件進行重新設(shè)計，其厚度相對比較大，存在進行輕量化的設(shè)計空間，并且考慮到制造工藝的條件，對其他更薄的部件再進行減

45、厚，會存在工藝難度，增加成本。 優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學模型為： min{wt（thck）} s.t. max_str≤210 0.001≤thck≤0.003， 其中，thck為8個部件的厚度，max_str為車架最大von-Mises等效應力值，wt為車架整體質(zhì)量。 采用一階優(yōu)化方法進行優(yōu)化計算，由于設(shè)計空間比較小，得到一組符合要求的結(jié)果，在滿足應力要求下，其重量減輕了約4kg，厚度變?yōu)?.0017639m，基本滿足了預先的要求。在滿足車架彎曲剛度的條件下，使車架的重量進一步減輕5.9%，對提高該車型的燃油經(jīng)濟性很有幫助。車架最大應力提高到174Mpa，小于材料屈服極限210Mpa，彎

46、曲、扭轉(zhuǎn)剛度的驗算值如表5，經(jīng)過輕量化設(shè)計的車架安全系數(shù)為1.2。 表5優(yōu)化結(jié)果 變量名 優(yōu)化前 優(yōu)化后 max_str（pa） 0.13839E+09 0.17399E+09 thck（m） 0.20000E-02 0.17639E-02 wt（kg） 62.476 58.797 CB（Nm2） 1.06E+05 1.02E+05 CT（Nm/°） 2726.9 2596.2 5 結(jié)束語 綜上所述，輕量化是汽車發(fā)展的一個恒久主題，隨著新理念、新材料、新工藝的發(fā)展，汽車輕量化不僅可以為節(jié)能減排做出貢獻，也將會為汽車制造商和汽車用戶帶來顯著的收益

47、，具有經(jīng)濟和社會雙重效益。同時，輕量化又是一個十分復雜的問題，高強度鋼和鋁合金的大量應用和更先進的加工技術(shù)讓我們的輕量化目標變得清晰且可實現(xiàn)，但必須從理性角度平衡好輕量化與成本的關(guān)系、輕量化與滿足整車碰撞安全要求的關(guān)系。 計算機輔助工程分析（CAE）的方法將隨著中國汽車工業(yè)的逐步強大越來越被重視，分析的能力也將越來越增強，在提高自主研發(fā)能力上CAE工具將大有作為，將為中國汽車企業(yè)降低開發(fā)成本，迅速應對市場變化，本文成功應用ANSYS7.0分析某微型客車的各種工況，以此為基礎(chǔ)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進，取得了良好的效果，積累豐富的經(jīng)驗，提高運用CAE分析的能力。 在這次設(shè)計中雖然存在不少問題，但是收

48、獲也是頗豐的，在這次設(shè)計中我認識到了自己的優(yōu)點和缺點，更加清楚的了解自己，這樣就可以在以后的學習和工作中發(fā)揚優(yōu)點，克服缺點。在本次設(shè)計中感覺收獲了不少知識，把一些原先學過并忘記的知識又從新復習和掌握，另外查閱了大量資料擴大了知識面，豐富了自己，增強了自己的分析問題的能力和實際動手能力。這都是在平時的學習中不能學到的。 另外，由于我個人的能力和水平有限，設(shè)計中難免會出現(xiàn)失誤和紕漏，望老師給予批評與指正。 6 參考文獻 [1].馬　迅, 盛勇生. 車架剛度及模態(tài)的有限元分析與優(yōu)化. 客車技術(shù)與研究. 2004,26(4):8~11 [2].段敏,付鐵軍等.L

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52、論文的最后謝辭了，想了很久，要寫下這一段謝詞，表示可以進行畢業(yè)答辯了，自己想想求學期間的點點滴歷歷涌上心頭，時光匆匆流逝，四年多的努力與付出，隨著論文的完成，終于讓學生在大學的生活，得以劃下了完美的句號。 論文得以完成，首先要感謝臨沂大學工學院的老師，因為論文是在韓老師的悉心指導下完成的。韓老師淵博的專業(yè)知識，精益求精的工作作風，嚴以律己、寬以待人的崇高風范，樸實無華、平易近人的人格魅力對我影響深遠。起初我選擇了無級變速器的研究，限于所學，寫出來的只是一篇文章，所以在韓老師的幫助下，我重新選擇了這個論文題目，因此本論文從選題到完成，每一步都是在韓老師的指導下完成的，傾注了韓老師的大量心血。在

53、此，特向韓廣偉老師表示崇高的敬意和衷心的感謝！ 通過此次的論文設(shè)計，我學到了很多知識，跨越了傳統(tǒng)方式下的教與學的體制束縛；在論文的寫作過程中，通過查資料和搜集有關(guān)的文獻，培養(yǎng)了自學能力和動手能力，并且由原先的被動的接受知識轉(zhuǎn)換為主動的尋求知識，這可以說是學習方法上的一個很大的突破。在以往的傳統(tǒng)的學習模式下，我們可能會記住很多的書本知識，但是通過畢業(yè)論文，我們學會了如何將學到的知識轉(zhuǎn)化為自己的東西，學會了怎么更好的處理知識和實踐相結(jié)合的問題。 總之，此次論文的寫作過程，我收獲了很多，即為大學四年劃上了一個完美的句號，也為將來的人生之路做好了一個很好的鋪墊。 26