基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化和高強(qiáng)度鋼應(yīng)用的重型自卸車輕量化研究_圖文

1、武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化和高強(qiáng)度鋼應(yīng)用的重型自卸車輕量化研究姓名：高金玲申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：車輛工程指導(dǎo)教師：馬力20100401摘要本文主要研究了重型自卸車貨廂和主、副車架的輕量化問題，通過對貨廂進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及對貨廂與車架進(jìn)行高強(qiáng)度鋼板強(qiáng)度等代設(shè)計(jì)，取得了很好的輕量化效果；并推導(dǎo)出了高強(qiáng)度鋼板強(qiáng)度等代設(shè)計(jì)中的鋼板壁厚替換計(jì)算公式，驗(yàn)證了該公式的實(shí)用性以及使用方便性。首先，對重型自卸車輕量化的研究背景進(jìn)行了介紹，闡述了本課題的研究意義；并根據(jù)國內(nèi)外輕量化發(fā)展概況以及研究現(xiàn)狀，提出了采用有限元技術(shù)和應(yīng)用新型材料的輕量化研究方法。其次，在對重型自卸車貨廂和主、副車架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2、進(jìn)行分析后，以企業(yè)所提供的圖紙為依據(jù)來建立貨廂和主、副車架組合幾何模型。采用板殼單元對貨廂和主、副車架主體結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格，采用實(shí)體單元對它們的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散?？紤]到貨廂在舉升瞬間即剛剛離開副車架時(shí)的受力狀況是最惡劣的，因此，在利用分析時(shí)選取舉升瞬間工況來進(jìn)行計(jì)算。該工況下的貨廂整體應(yīng)力分布和貨廂的變形情況均可以通過計(jì)算分析求得，得出的結(jié)果可以為項(xiàng)目委托企業(yè)在開發(fā)設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)提供一個(gè)參考。再次，由于貨廂的整體應(yīng)力水平不高，而且應(yīng)力集中現(xiàn)象比較嚴(yán)重，本文分別對貨廂底架、兩邊側(cè)板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)局部改進(jìn)設(shè)計(jì)，不僅使應(yīng)力集中現(xiàn)象在很大程度上有所減弱，甚至消除了某些局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，而且也使得它們的應(yīng)力分布

3、變得更為合理，最后的優(yōu)化結(jié)果讓貨廂重量得到大幅度下降，使貨廂的質(zhì)量減小了。然后，在貨廂結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的基礎(chǔ)上，再利用結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)優(yōu)化方法對貨廂進(jìn)行輕量化研究，在保證貨廂裝載能力不降低的前提下，使貨廂整體質(zhì)量又減少了；通過采用這兩種結(jié)構(gòu)優(yōu)化輕量化方法，貨廂重量下降了。最后，采用結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的貨廂模型和建立的主、副車架模型進(jìn)行高強(qiáng)鋼強(qiáng)度等代設(shè)計(jì)，在過程中利用推導(dǎo)出的高強(qiáng)鋼壁厚替換公式對其構(gòu)件進(jìn)行壁厚替換，給貨廂與主、副車架的高強(qiáng)鋼強(qiáng)度等代設(shè)計(jì)帶來很大方便。通過最后圓整后的數(shù)據(jù)計(jì)算，貨廂質(zhì)量減輕了；主副車架重量減少了，降幅為。關(guān)鍵詞：重型自卸車，輕量化，優(yōu)化設(shè)計(jì)，高強(qiáng)度鋼，缸，呂，：，乞，獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲

4、明，所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得武漢理工大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的貢獻(xiàn)均已在論文中明確的說明并表示了謝意。研究生簽名：面壘鹼關(guān)于論文使用授權(quán)的說明本人完全了解武漢理工大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)校可以公布論文的全部內(nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。（保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定）研究生躲細(xì)么遜新簽日期：貍！皇：至：夢

5、武漢理：人學(xué)碩十學(xué)位論文引言第一章緒論目前，自卸汽車應(yīng)用相當(dāng)廣泛，長途貨運(yùn)、短途貨運(yùn)、礦山、建筑工地、路橋施工都能看到自卸車的身影。隨著我國建設(shè)速度加快，城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和大型工程項(xiàng)目的不斷上馬，對自卸汽車的需求量越來越大，自卸汽車的種類也越來越多，為自卸車發(fā)展創(chuàng)造了契機(jī)。與牽引車、載貨車相比，自卸車用戶主要行駛路面為國道、省道等高級公路和鄉(xiāng)鎮(zhèn)普通公路，以及砂石土路，極少行駛高速公路。因此，在鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路上自卸車就非常多見。目前國內(nèi)自卸車載重量較大，重型自卸車車載質(zhì)量一般在，自卸車車載質(zhì)量一般在，又由于各自卸車生產(chǎn)企業(yè)為了增加銷量而去生產(chǎn)滿足客戶超載需要的自卸車，繼而導(dǎo)致路面受損【】。近年來，市場

6、對自卸車的要求越來越高，其中就包括載荷噸位越來越大、價(jià)格低廉以及使用成本低。與此同時(shí)，國家對“超載的治理也在不斷深入。在年至年期問，燃油價(jià)格攀升，國際鋼材價(jià)格飛漲。在此背景下，對重型自卸車生產(chǎn)企業(yè)來說，要從國家角度和用戶使用角度綜合考慮，所生產(chǎn)的重型自卸車既要進(jìn)一步提高對各種惡劣工況的適應(yīng)能力，又要對保護(hù)公路和環(huán)境做出積極貢獻(xiàn)，而且還要提高車輛的安全性以及實(shí)現(xiàn)操作人性化】。所以，生產(chǎn)企業(yè)要通過提高研發(fā)水平，采用國際先進(jìn)技術(shù)對其車輛進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究背景和研究意義安全、能源和公害一直是近十多年來世界汽車工業(yè)面臨的三大問題【】。顯而易見，全球石油消耗的重要一部分來源于車輛燃油，目前，全球汽車保有量

7、預(yù)計(jì)到年全球汽車保有量將達(dá)到億輛，主要增幅來自發(fā)展中國家。國際能源機(jī)構(gòu)（）預(yù)計(jì)到年交通用油占全球石油總消耗的以上。美國能源部預(yù)測，年以后，全球石油需求與常規(guī)石油供給之間將出現(xiàn)凈缺口，年的供需缺口幾乎相當(dāng)于年世界石油總產(chǎn)量的兩倍。與此同時(shí)，交通能源消耗也是局部環(huán)境污染和全球溫室氣體排放的主要來源之一。在不降低汽車性能的情況下，為了應(yīng)對可能的能源危機(jī)，降低汽車油耗具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。從環(huán)境方面講，每年有多達(dá)億噸的二氧化碳量由汽車向大氣中排放，占世界全部二氧化碳排放量的，而其它汽車排放物（如氮化物、硫化物、微粒物等）也構(gòu)成了大氣污染的重要因素之一。因而，能源保護(hù)、廢氣排放、噪聲和安全的相關(guān)法令法規(guī)相

8、繼在世界各國出現(xiàn)。武漢理：人學(xué)碩學(xué)位論文圍繞這三大問題進(jìn)行研究是現(xiàn)代汽車技術(shù)發(fā)展的主要方向，其中作為汽車工業(yè)發(fā)展與變革動(dòng)力的能源問題尤其突出。輕量化、環(huán)保回收及節(jié)約能源已成為全球汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢。在汽車技術(shù)的飛速發(fā)展過程中，汽車輕量化的發(fā)展對整個(gè)汽車業(yè)的發(fā)展起到了非常重要作用，主要有以下三個(gè)方面：（）汽車輕量化可以降低燃油消耗。汽車行駛阻力包括滾動(dòng)阻力、爬坡阻力、加速阻力和空氣阻力等。汽車行駛方程式為：朋口，式中：，為汽車行駛阻力；為汽車重力；廠為滾動(dòng)阻力系數(shù)；口為道路坡度；萬為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；為汽車質(zhì)量；為風(fēng)阻系數(shù)；為迎風(fēng)面積；為汽車速度【。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，空氣阻力大約是行駛阻力的。采

9、用流線型車身、全粘接擋風(fēng)玻璃、隱蔽式雨刮器、下地板全封裝等這些方法是目前減少空氣阻力的常用措施，這些措施能將降低到。但是，要把它進(jìn)一步減小的可能性已遇到瓶頸現(xiàn)象，除非目標(biāo)是那些更為流暢低矮的車身。這樣就需要巨大的技術(shù)與資金的投入，更不適用于要求空間寬敞的同常用車，所以通常不會(huì)花費(fèi)很大精力去考慮空氣阻力因素。由上式可知，滾動(dòng)阻力、爬坡阻力和加速阻力均與汽車質(zhì)量成正比，而且它們一起要占行駛阻力的，因此，減輕汽車質(zhì)量就減輕了行駛阻力，從而也就成為節(jié)約燃油的一個(gè)重要措施。）汽車輕量化有利于改善汽車的運(yùn)動(dòng)性能（如行駛、加速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等）和排氣性能等多方面的性能。例如，一輛汽車重量為，若整車重量減輕，可

10、使該車加速到的時(shí)間從原來的秒減少到秒【。發(fā)動(dòng)機(jī)的輕量化可以改善前輪荷重分擔(dān)率，從而汽車的操縱穩(wěn)定性可得到改善，還可為降低噪聲、振動(dòng)、實(shí)現(xiàn)大功率化創(chuàng)造條件。同時(shí)部件振動(dòng)可得到減輕，噪聲也可降低，舒適性能得到提高。某些承載件所承載的重量減輕后，有利于降低元件疲勞，提高耐久性。（）由于汽車各部分的質(zhì)量是相互關(guān)聯(lián)的，汽車輕量化具有波及效果。發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的減輕，同時(shí)可減輕有關(guān)底盤部分，所以汽車整車減少的質(zhì)量會(huì)大于發(fā)動(dòng)機(jī)減少的質(zhì)量；車身零部件的輕量化，可減小支承它的行駛系統(tǒng)（如車架、車橋、車輪和懸架等）負(fù)荷，尺寸和質(zhì)量即可適當(dāng)減小，隨之也可相應(yīng)減小和減輕發(fā)動(dòng)機(jī)和制動(dòng)器【。近幾年，國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，使得自卸

11、車成為市場熱點(diǎn)，其產(chǎn)銷量大幅度增長。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中重型自卸車在專用車市場需求量上約占百分之四十的份額，成為專用車市場的兵家必爭之地。我國自卸車的發(fā)展向重型化和輕型化兩極發(fā)展。年上半年，國內(nèi)重型自卸車市場增長遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于年初的預(yù)期。國家的政策支持直接導(dǎo)致、月份工程重型自卸車走俏；月份，重型自卸車銷售萬輛，同比增長。年汽車全行業(yè)銷售萬輛，同比增長左右；其中，重型自卸車銷售萬輛，同比增長。隨著重型自卸車銷量快速回升，全年銷量略有增長，利潤增長主要來自毛利率的提高。年行業(yè)將完全恢復(fù)正常，預(yù)計(jì)銷量增長幅度在左右，從而帶動(dòng)利潤的持續(xù)增長。年底，國務(wù)院推出了拉動(dòng)內(nèi)需的萬億投資計(jì)劃，其中大部分資金投向了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)

12、域。政府提出的十項(xiàng)規(guī)劃中強(qiáng)調(diào)要加快保障性安居工程建設(shè)、加快農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、加快鐵路及公路和機(jī)場等重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、加快地震災(zāi)區(qū)災(zāi)后重建等要求。這些項(xiàng)目的建設(shè)將需要相當(dāng)數(shù)量的重型自卸車，這對于重型自卸車來說，產(chǎn)生了明顯的拉動(dòng)作用。隨著年基礎(chǔ)建社的開工和災(zāi)后重建工作的逐步完工，對重型自卸車的需求是逐月增加。年雖然重型貨車總銷量前個(gè)月出現(xiàn)以月為最大值，開口向下的拋物線狀，但是重型自卸車逐月不降反升，對重型貨車的貢獻(xiàn)度是逐月增大。由于良好的宏觀經(jīng)濟(jì)環(huán)境刺激，我國自卸車的年需求量近幾年快速增長，“十一五”期間更是進(jìn)入高速增長期。市場對自卸車的需求不僅體現(xiàn)在數(shù)量上，也體現(xiàn)在質(zhì)量上。目前我國有重型自卸車生

13、產(chǎn)企業(yè)多家，主要的生產(chǎn)企業(yè)僅有十多家，這十多家企業(yè)占據(jù)著市場的份額，我國的重型自卸貨車品牌主要集中在福田、東風(fēng)等前個(gè)品牌上，這個(gè)品牌占據(jù)著該行業(yè)以上的市場份額，其余品牌占據(jù)著市場不到的市場份額。本課題的研究對企業(yè)自身、用戶以及整個(gè)社會(huì)都有著重大意義。（）減少原材料的消耗，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。一般情況下，對客車和載貨車而言，車架骨架部分要占整車總質(zhì)量的左右；轎車的車身質(zhì)量約占整車總質(zhì)量的，而重型自卸車的車身和車架占整車總質(zhì)量的比例要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前面的車輛。通過對重型自卸車結(jié)構(gòu)的輕量化，可以節(jié)省能源和減少原材料的消耗，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)成本的降低和利潤的提高。（）提高企業(yè)的設(shè)計(jì)水平和研發(fā)能力。技術(shù)在現(xiàn)代

14、汽車設(shè)計(jì)之中已被廣泛應(yīng)用，許多大型商業(yè)軟件已經(jīng)集成了優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，采用大型商業(yè)軟件對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)是一個(gè)非常先進(jìn)的方法。是支持從研究開發(fā)到產(chǎn)品檢測整個(gè)生產(chǎn)過程的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包括分析、計(jì)算和仿真在內(nèi)的一切研發(fā)活動(dòng)。在現(xiàn)代汽車工業(yè)中，實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化設(shè)計(jì)和制造可以運(yùn)用技術(shù)。對汽車總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化是汽車輕量化的手段之一，有效精簡汽車零部件，并且能使汽車零部件整體化和輕質(zhì)化。通過本課題的研究，生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)計(jì)水平和研發(fā)能力可以得到提升，從而提高生產(chǎn)企業(yè)的競爭力。（）提高用戶的運(yùn)輸效率，降低用戶的運(yùn)輸成本。近年來，世界石油資源緊張，油價(jià)不斷上漲。對汽車工業(yè)和汽車運(yùn)輸業(yè)來說，降低燃油消耗量成為關(guān)鍵。汽車

15、自身質(zhì)量的大小是影響燃油消耗的重要因素之一，所以汽車設(shè)計(jì)輕量化成為發(fā)展趨勢。對重型自卸車用戶而言，減輕自身質(zhì)量還提高了有效運(yùn)載質(zhì)量，即增加了質(zhì)量利用系數(shù)，從而提高運(yùn)輸效率，降低運(yùn)輸成本。（）對于節(jié)能和環(huán)保具有現(xiàn)實(shí)意義。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前行駛在各國的汽車仍以汽油、柴油等石油產(chǎn)品為主要燃料，年消耗石油一百多億桶，超過了全球石油總消耗量的一半以上，巨量石油資源被消耗的同時(shí)，汽車排放出的廢氣也產(chǎn)生了極大的空氣污染。隨著世界能源消耗量的增加，正面臨著地球的礦物能源枯竭，導(dǎo)致環(huán)境問題也不得不受到關(guān)注。隨著可持續(xù)發(fā)展的提出，現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展的主題也就成為了節(jié)能與環(huán)保，減少排放是最有效措施之一從而就需要降低能源消耗

16、，繼而車輛輕量化就被廣大社會(huì)所倡導(dǎo)。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，汽車每減少整車總質(zhì)量的，就可以降低，的油耗，同時(shí)還能有效減少車輛尾氣排放總量。因此，汽車輕量化正成為世紀(jì)汽車技術(shù)的前沿和熱點(diǎn)，對于目前能源緊缺問題的緩解和環(huán)保型社會(huì)的建立，本課題的研究有著積極的作用。（）提高生產(chǎn)企業(yè)運(yùn)用先進(jìn)設(shè)計(jì)方法的意識，有利于追趕國外先進(jìn)的研究水平。我國自卸車產(chǎn)品種類日益豐富，技術(shù)不斷升級，新產(chǎn)品的技術(shù)水平正在與國際接軌。個(gè)別企業(yè)在設(shè)計(jì)中采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，能夠提高產(chǎn)品的市場占有率，其他生產(chǎn)企業(yè)也會(huì)為了提高本企業(yè)的效益而學(xué)習(xí)這種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，所以對整個(gè)行業(yè)來說具有很大帶動(dòng)作用，可以提高行業(yè)中使用先進(jìn)技術(shù)的意識【】。我國輕量

17、化研究是從年代末才開始，相比歐美國家起步較晚，雖然近年來發(fā)展迅速，與國外相比較，還是存在著很大的差距。我們必須密切關(guān)注和跟蹤世界先進(jìn)技術(shù)的研究、應(yīng)用和發(fā)展，本課題研究對國內(nèi)追趕國外先進(jìn)設(shè)計(jì)水平起到重要作用。輕量化技術(shù)發(fā)展概況輕量化技術(shù)涉及了基礎(chǔ)理論、工程設(shè)計(jì)、工廠制造、實(shí)踐驗(yàn)證等課題，由于它的內(nèi)容豐富、涉及廣泛，探索過程頗為艱難。經(jīng)過努力，在不遠(yuǎn)的將來汽車要引導(dǎo)新一代的潮流，將以清潔、強(qiáng)大、輕量的嶄新形象亮相。結(jié)構(gòu)輕量化研究不斷發(fā)展計(jì)算機(jī)輔助集成技術(shù)和結(jié)構(gòu)分析等技術(shù)，通過不斷提高結(jié)構(gòu)優(yōu)化和零部件的模塊化設(shè)計(jì)水平來達(dá)到輕量化的目的，如采用前輪驅(qū)動(dòng)、高剛性結(jié)構(gòu)和超輕懸架結(jié)構(gòu)等。在汽車的前期概念設(shè)計(jì)

18、階段已經(jīng)融合進(jìn)了輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析。目前，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，為了實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化設(shè)計(jì)和制造可以采用一體化技術(shù)【。對于各種實(shí)用程序來說，有關(guān)理論和軟件的不斷發(fā)展進(jìn)步便計(jì)算機(jī)輔助分析過去功能強(qiáng)大，使計(jì)廿一算規(guī)模、計(jì)算容目刖量以及計(jì)算速度不再是主要將來問題，計(jì)算機(jī)輔助分析技術(shù)未來（）的作用將對汽車工生圖及優(yōu)化技術(shù)在汽車開發(fā)中的作用變化的發(fā)展越來越重要。如圖、圖反映出了計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析技術(shù)在汽車開發(fā)設(shè)計(jì)中的地位和作用。它不僅大大縮短了汽車開發(fā)的周期，大量減少了研發(fā)成本，而且還能開發(fā)出更為優(yōu)秀可靠的產(chǎn)品。年，等人建立了摩托車車架的有限元模型，選取梁的截面尺寸和梁的位置為設(shè)計(jì)變量，在

19、保持原剛度不變的情況下，以車架總質(zhì)量為優(yōu)化目圖汽車開發(fā)過程中的變化趨勢標(biāo)對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后使得車架質(zhì)量明顯減輕，優(yōu)化效果顯著。同年，等人建立了直升機(jī)的車身結(jié)構(gòu)有限元模型，應(yīng)用基于非線性規(guī)劃技術(shù)編制的優(yōu)化程序?qū)C(jī)身進(jìn)行了輕量化研究，主要目的是減輕機(jī)身重量、減小機(jī)身振動(dòng)和提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，結(jié)果取得了良好減重效果。通用汽車公司的、密西根大學(xué)的和應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)以碰撞過程中最大吸收能量為目標(biāo)對零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后使零件呈蜂窩結(jié)構(gòu)，在提高安全性的同時(shí)也減輕了結(jié)構(gòu)的重量【到。早在年，東汽車公司技術(shù)中心為實(shí)現(xiàn)汽車后橋殼輕量化，在該后橋殼改進(jìn)設(shè)計(jì)初期，用有限元分析的方法選擇較優(yōu)設(shè)計(jì)方案，

20、預(yù)測后橋殼最高應(yīng)力水平，后橋殼的應(yīng)力集中區(qū)域、后橋殼靜力強(qiáng)度斷裂和疲勞損壞的可能位置，為該后橋殼減輕質(zhì)量提供了依據(jù)【。年，在早期的車架有限元研究中，鄭州工業(yè)大學(xué)的王偉等人應(yīng)用有限元方法對型汽車車架進(jìn)行了靜態(tài)強(qiáng)度分析，在對車架進(jìn)行有限元?jiǎng)澐謺r(shí)，采用的是梁單元模型【。應(yīng)用梁單元模型的優(yōu)點(diǎn)在于建模簡單，單元數(shù)目少，計(jì)算速度快，可以得到較好的變形結(jié)果，但其應(yīng)力分析的能力卻是有限的。梁單元不能很好的描述較為復(fù)雜的車架結(jié)構(gòu)，不能很好的反映橫梁與縱梁接頭區(qū)域的應(yīng)力分布，且忽略了扭轉(zhuǎn)時(shí)截面的翹曲變型，因而其分析結(jié)果是粗糙的。同年，湖南工程學(xué)院的陳華光對電動(dòng)輪自卸車車架結(jié)構(gòu)分別用板單元計(jì)算模型和梁單元計(jì)算模型進(jìn)

21、行了模態(tài)分析【。板單元在其節(jié)點(diǎn)處只有三個(gè)自由度，是用來模擬板件受垂直、平行于板平面的載荷產(chǎn)生彎曲的情況，但在實(shí)際工況中，車架橫梁和縱梁的腹板等結(jié)構(gòu)除了承受以上力外，還存在扭轉(zhuǎn)、剪切等狀況，所以使用板單元也不能有效的模擬車架受載時(shí)的各種變形。而板殼單元除了有彎扭變形外，還存在中面對拉、壓和剪切變形，更接近于車架受力的真實(shí)狀態(tài)。最初由于采用板殼單元前處理工作量太大，計(jì)算時(shí)間太長而很少采用，但是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，這個(gè)問題已經(jīng)得到了很好的解決，因此在此后的研究中大量出現(xiàn)了以板殼單元建立車架有限元模型進(jìn)行研究的例子。年月，陳華光再次對電動(dòng)輪自卸車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，在對實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析后

22、，將車架簡化為以板單元為主的有限元計(jì)算模型，通過計(jì)算結(jié)果，為車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)【。年，徐有忠和高新華針對在汽車車身輕量化設(shè)計(jì)中遇到的技術(shù)難點(diǎn)，對如何將成熟的優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于車身減重的方法進(jìn)行了深入探討，提出了幾種確定優(yōu)化目標(biāo)的思路，并闡述了汽車車身輕量化設(shè)計(jì)中進(jìn)行（主要包括模態(tài)和靜態(tài)剛度）優(yōu)化與碰撞優(yōu)化的理念與方法【。年月，于慶豪等人應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和有限元網(wǎng)格劃分的技巧和方法建立礦用汽車貨箱三維實(shí)體單元有限元模型，有效解決礦用汽車貨箱結(jié)構(gòu)和尺寸龐大的問題，對礦用汽車貨箱進(jìn)行了強(qiáng)度分析【】。年，北京科技大學(xué)的楊鎖望等人建立了型礦用汽車驅(qū)動(dòng)橋殼及形架的有限元模型，選擇極限工況對其進(jìn)行了

23、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度分析，在保證足夠的強(qiáng)度和剛度的條件下將該橋殼的厚度由原來的減為，改進(jìn)后的橋殼質(zhì)量更小，最大應(yīng)力也大幅減小，且應(yīng)力分布更為合理【】。年月，湖南大學(xué)汽車車身設(shè)計(jì)制造試驗(yàn)室的張勇等人利用多目標(biāo)遺傳算法對整車模型進(jìn)行優(yōu)化，使得車身前部吸能部件的板厚和武漢理：入學(xué)碩十學(xué)位論文材料得到合理配置，在滿足安全法規(guī)的同時(shí)，也在一定程度上減小了整車質(zhì)量【們。國內(nèi)在自卸車舉升機(jī)構(gòu)的仿真分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)方醞的研究已比較成熟，相關(guān)方面的論文也層出不窮。年月，張毅等人以舉升過程中工作油缸最大推力最小為優(yōu)化目標(biāo)，對舉升機(jī)構(gòu)的各鉸接點(diǎn)位置布置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使油缸最大推力下降了，為舉升機(jī)構(gòu)布置位置的設(shè)計(jì)提供了參考

24、【。于年月，朱品昌等人在考慮前后懸架剛度和阻尼及整車質(zhì)量參數(shù)的情況下研究了在舉升過程中車輛自激震動(dòng)時(shí)的油缸推力的變化規(guī)律，為舉升機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供了參考【】。同年，趙永輝等采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對某自卸車舉升機(jī)構(gòu)三角臂進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，使得優(yōu)化后結(jié)構(gòu)相對于原結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕約，同時(shí)剛度大大增強(qiáng)，為三角臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考【。文獻(xiàn)利用軟件中參數(shù)化建模與分析功能，建立了自卸車舉升機(jī)構(gòu)的柔性連接模型，分析出三角臂所受拉力和扭矩，對舉升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。年月，喬嬡媛等三人利用建立了考慮運(yùn)動(dòng)干涉的式自卸車舉升機(jī)構(gòu)參數(shù)化模型，開發(fā)出能夠進(jìn)行干涉檢查的式舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)模樊】。綜上所述，可以看到結(jié)構(gòu)輕量化研究主

25、要可分為三點(diǎn)：【）采用現(xiàn)代優(yōu)化技術(shù)對部件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化，從而得到新的輕量化結(jié)構(gòu)，并采用先進(jìn)的制造工藝來生產(chǎn)出產(chǎn)品。（）利用硬件優(yōu)勢，大量考慮動(dòng)態(tài)過程（如碰撞、振動(dòng)過程）中的各種約束，對尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化而得到輕量結(jié)構(gòu)，主要強(qiáng)調(diào)安全性。（）應(yīng)用現(xiàn)代優(yōu)化算法如遺傳算法、蟻群優(yōu)化算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等對結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。新型材料開發(fā)在汽車上應(yīng)用的輕質(zhì)材料有鋁、鎂、高強(qiáng)度鋼、復(fù)合材料、塑料等，它們不僅在前期與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)融為一體，而且還與相應(yīng)的裝配、制造、防腐、連接等工藝的應(yīng)用相聯(lián)系。面對其他競爭材料的上升態(tài)勢，為了應(yīng)對日益嚴(yán)格的環(huán)保挑戰(zhàn)，年在國際鋼鐵協(xié)會(huì)的倡議下，全世界個(gè)國家的個(gè)鋼鐵

26、公司聯(lián)手成立了超輕剛車體計(jì)劃（），其重點(diǎn)是研究車身部分的輕量化，以尋求開發(fā)用于汽車車身的鋼材料以及提高鋼材性能的可能性【】。其目標(biāo)是向世界表明，鋼材在減輕車重、降低成本和提高安全性等方面仍是最合適的材料。此后，在年試制的車身總質(zhì)量與對比車的平均值相比降低了，同時(shí)扭轉(zhuǎn)剛度提高，彎曲剛度提高，一階模態(tài)頻率提高，在滿足了碰撞安傘性璺求的同時(shí)成本比對比車身造價(jià)降低【。韓國漢陽大學(xué)的，【和應(yīng)用的設(shè)計(jì)理念和組合鋼板的工豈，對轎車前車門內(nèi)板進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用了拓?fù)鋬?yōu)化與尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化相結(jié)合的優(yōu)化策略，成功地使前車門內(nèi)板的質(zhì)量減重”。年月啟動(dòng)的超輕覆蓋件（）項(xiàng)目和超輕懸掛件（）項(xiàng)目，作為的后續(xù)項(xiàng)目，也圖

27、鋼材能像手風(fēng)琴一樣吸收碰撞的能量（幽片來源丁參考文獻(xiàn)【剮）在輕量化研究上取得很大成績馴。項(xiàng)目主要目標(biāo)是在不降低車身抗沖擊安全性的情況下對離強(qiáng)度剛制造的車身和車門的覆蓋件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)結(jié)果與對比車輛相比，質(zhì)量降低了。以汽車的懸掛件為對象進(jìn)行輕量化研究作為項(xiàng)目的主要目的，通過鑄造件的鍛造化、實(shí)一，部件的鋼管化等加工方法的改變及部件結(jié)構(gòu)的最佳化實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度與高耐久性與對比車的鋼制懸掛件相比。在同等成本下可減輕曠，與鋁制懸掛件相比在同等重量下可削減成本“。表減重目標(biāo)紐午級車項(xiàng)目（西歐）（北美）柴油汽油紫油汽油整車重量慨（尸（）。（十妒（。參考車重量，（）（）一減重吣（）（）減重率腳為滿足年新的碰撞標(biāo)準(zhǔn)

28、而增加的總最高強(qiáng)鋼的其中一種鋼板即雙相銅（鋼）的制造和加技術(shù)在國外已經(jīng)非常成熟，在年】月正式成立的超輕鋼汽車研究后繼項(xiàng)目（，以下簡稱）計(jì)劃中，雙相鋼在其兩種概念車車身材料中位居主要地位，均達(dá)”。以北美為例，在先進(jìn)汽車概念車身的研究方面，北美開發(fā)的：轎車，在其使用的鋼材中又以雙相鋼為最多。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道當(dāng)采用厚的鋼代替的：鋼板生產(chǎn)車門外板時(shí)，通過分析及實(shí)際試驗(yàn)表明，在其質(zhì)量減少的同時(shí)，抗凹陷性能提高約。隨著科技的不斷進(jìn)步，在鋼的基礎(chǔ)上又開發(fā)出了一系列既具有高強(qiáng)度又有優(yōu)良塑性的高強(qiáng)鋼，可以承受很大的變形而不斷裂。如具有相變誘發(fā)塑性特性的鋼，被世界各國汽車行業(yè)一致看好。如圖所示，車身變形可以吸收碰撞的能

29、量，而鋼材自身的迅速強(qiáng)化，又減少了車身的變形。與上述三個(gè)項(xiàng)目的主要區(qū)別在于，上述三個(gè)項(xiàng)目僅僅研究汽車的一部分，而則是對整車進(jìn)行研究，充分利用高效鋼材和最新技術(shù)，通過整車結(jié)構(gòu)的高效化、輕量化設(shè)計(jì)，達(dá)到動(dòng)力的高效化，同時(shí)在安全方面達(dá)到更高要求。項(xiàng)目將以上三個(gè)項(xiàng)目的研究成果進(jìn)行了整合、優(yōu)化，并在此基礎(chǔ)上有所發(fā)展。通過高效鋼材的使用和制造技術(shù)的創(chuàng)新進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而減輕車體重量，表為項(xiàng)目在滿足年出臺(tái)的更為嚴(yán)格的碰撞標(biāo)準(zhǔn)要求下實(shí)現(xiàn)的減重目標(biāo)。開展項(xiàng)目證明了鋼鐵工業(yè)只要通過技術(shù)創(chuàng)新就完全能夠?yàn)槠嚬I(yè)生產(chǎn)安全、廉價(jià)和環(huán)境友好的汽車提供滿意的材料，而且鋼鐵材料仍然是汽車優(yōu)先選擇的材料。表歐美采用鎂合金制造的

30、部分汽車零件汽車廠家用鎂合金制造的部分汽車零件氣缸蓋、濾油器、空氣濾清器殼、配電器、擋泥板支架、煙灰盒門、轉(zhuǎn)向盤柱、前久燈罩、前久燈托架、發(fā)通用動(dòng)機(jī)罩格柵、進(jìn)氣格柵中心座、前大燈框架、配電器、擋泥板支架、離合器殼、制動(dòng)器福特離合器踏板托架、轉(zhuǎn)向柱定位機(jī)構(gòu)、分動(dòng)器殼克萊斯勒變速器殼體大眾曲軸箱、變速器殼體、增壓器殼、正時(shí)齒輪、離合器殼沃爾沃節(jié)氣門連桿、手制動(dòng)連桿、車門外把手奔馳座椅架奧迪儀表板保時(shí)捷風(fēng)扇、風(fēng)扇架、車輪如表所示，在西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家，開發(fā)與應(yīng)用鋁基、鎂基的金屬基復(fù)合材料已達(dá)到產(chǎn)業(yè)化階段。鋁的密度只有鋼鐵的，它具有良好的機(jī)械性能，機(jī)械加工性能要比鐵高出倍，具有抗腐蝕和導(dǎo)熱性好的特點(diǎn)，而

31、且其合金還具有強(qiáng)度高、方便回收和吸能性好等優(yōu)點(diǎn)【】。鑄造鋁合金和形變鋁合金在汽車工業(yè)中利用最多。但是，在運(yùn)用鋁合金方面還存在著一些難題，例如，鋁合金加工難度要比鋼材高，成型性也沒有鋼材好；鋁合金因鋁的導(dǎo)熱性好導(dǎo)致焊接難度高；也不能像鋼板那樣采用磁力搬運(yùn)等【。關(guān)鍵問題還是成本，目前鋁價(jià)還比較高，在運(yùn)用鋁合金時(shí)，還應(yīng)重視成本控制。鎂合金與鋁合金性能相似，鎂和鋁的密度之比為：，可見鎂的密度要更低，鎂是當(dāng)前最理想、重量最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，因而成為汽車輕量化的首選材料，但它鑄造比較困難，后處理工藝繁瑣，成本非常昂貴舊。我國的鎂資源豐富，儲(chǔ)存量居全球范圍首位。但是，國內(nèi)使用量很少，尤其汽車行業(yè)使用量稀少，

32、因此作為汽車輕量化的新型材料鎂的運(yùn)用前景會(huì)非常廣闊。塑料和復(fù)合材料與相同結(jié)構(gòu)性能的鋼材相比一般可以減輕部件左右的重量【】。低密度與超低密度片狀成型復(fù)合材料在重量減輕與強(qiáng)度方面達(dá)到甚至超過了鋁，而且材料成本往往更是低廉，所以這種復(fù)合材料發(fā)展?jié)摿Ψ浅４?。?fù)合材料又叫作纖維增強(qiáng)塑料，由增強(qiáng)纖維和塑料復(fù)合而成，作為汽車材料常用到的是玻璃纖維和熱固性樹脂的復(fù)合材料。復(fù)合材料密度小、設(shè)計(jì)靈活和美觀、容易設(shè)計(jì)成整體結(jié)構(gòu)，而且還具有抗腐蝕、隔熱和隔電、抗沖擊、抗振等優(yōu)點(diǎn)【。目前，歐美車系應(yīng)用玻璃鋼復(fù)合材料就比較廣泛。繼金屬、塑料之后發(fā)展起來的第三大類材料就是精細(xì)陶瓷。雖然發(fā)展史僅僅年左右，但具有非常優(yōu)良的力學(xué)

33、性能，如強(qiáng)度和硬度非常高，抗腐蝕性好，抗磨損性強(qiáng)等；精細(xì)陶瓷的化學(xué)性能也極為優(yōu)良，如抗熱沖擊性強(qiáng)，抗氧化、蠕變等。精細(xì)陶瓷作為新型輕量化材料被用于汽車零件，輕量化效果明顯，更由于它強(qiáng)大的抗熱性、抗腐蝕性和抗磨性，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室以及熱交換器等零件可采用這種材料，提高了功率，很大程度降低了油耗，從節(jié)能角度看則間接地起到輕量化效果【柏】。目前，應(yīng)用在汽車上的實(shí)例少有聽聞，但隨著應(yīng)用研究的不斷發(fā)展以后會(huì)得到廣泛運(yùn)用。新型加工技術(shù)應(yīng)用汽車輕量化促使汽車制造業(yè)在成形方法和聯(lián)接技術(shù)上不斷創(chuàng)新。專用焊接技術(shù)、專用機(jī)械緊固元件等新型制造加工技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。早在年奧迪汽車公司就將激光焊接用于轎車底板。德國

34、某公司采用激光焊接的焊縫，使其焊接處強(qiáng)度提高。與傳統(tǒng)的電阻焊接相比，采用激光焊接和切割使部件結(jié)構(gòu)受力更合理，提高結(jié)構(gòu)剛度和安全性，可以最合理的使用不同級別、厚度和性能的鋼板，減少零件和模具數(shù)量，從而減少了材料浪費(fèi)，降低制造成本，并且使結(jié)構(gòu)更輕。激光焊接技術(shù)已經(jīng)成為工程車輛制造生產(chǎn)中的最主要焊接方法之一。德國為了丌發(fā)激光在汽車行業(yè)的應(yīng)用，組織了“結(jié)構(gòu)輕型化、“激光感應(yīng)焊接技術(shù)”、“激光和混合焊接技術(shù)、“激光拼焊板等一系列科研項(xiàng)目【】。在不斷開發(fā)新型制造材料的同時(shí)，世界各地的汽車生產(chǎn)企業(yè)也在發(fā)展先進(jìn)的制造工藝。國外某些汽車廠家采用（泰勒法）工藝制造車身零件，用這種工藝沖壓的車門，各處厚度可以不相等

35、。汽車輕量化發(fā)展面臨的問題汽車輕量化的方法、技術(shù)、新型替代材料頗多，各有各的特點(diǎn)，那么使用現(xiàn)有技術(shù)和材料，汽車到底能做到多輕呢？由美國通用汽車公司設(shè)計(jì)的一輛完全手工制造出來的超輕型概念汽車質(zhì)量只有，它的質(zhì)量只是美國家用汽車平均質(zhì)量的，耗油量也僅僅只是美國家用汽車平均耗油量的【。該超輕型概念汽車的研制使用了多項(xiàng)降低重量和提高燃油效率的技術(shù)。不過它作為一輛概念車，現(xiàn)實(shí)意義不夠大，它的數(shù)據(jù)也只具有某種指導(dǎo)意義，因此汽車輕量化前景沒有想象中那么樂觀。若把眼光拉近到現(xiàn)實(shí)中，可以看到，汽車輕量化雖然已成為未來潮流，但目前要在全行業(yè)廣泛應(yīng)用輕量化技術(shù)還為時(shí)尚早，技術(shù)還不完善、成本高是主要原因。下面以取得巨大

36、輕量化成果的奧迪車型為例，使用技術(shù)的全鋁車身減重，以每減重油耗減少來計(jì)算，一輛車在其行駛壽命萬公里期間可省油，但是相比下來，全鋁車身價(jià)格不菲，消費(fèi)者仍然是得不償失【刪。雖然對整個(gè)社會(huì)來說，輕量彳成本成本材料成本制造成本設(shè)計(jì)成本一輕量化程度重量圖輕量化程度與成本關(guān)系圖化將為能源、環(huán)境帶來巨大的好處，但是具體到每一個(gè)消費(fèi)者，他們卻不得不在購車時(shí)為自己的錢包作打算，需要認(rèn)真衡量一下輕質(zhì)汽車的額外高價(jià)與省下的油錢相比哪一項(xiàng)更多。汽車輕量化必須以昂貴的設(shè)計(jì)與制造成本為代價(jià)。圖所示反映了汽車輕量化與設(shè)計(jì)成本、制造成本以及材料成本之間關(guān)系【。生產(chǎn)企業(yè)在考慮重量與成本時(shí)二者需要兼顧，圖中的陰影區(qū)域即為汽車輕量

37、化的最優(yōu)范圍。汽車輕量化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)不能只依靠汽車工業(yè)、汽車廠商自身的開發(fā)研究，同時(shí)還需要上下游產(chǎn)業(yè)的協(xié)作努力，如上游的材料、合金、專業(yè)分析模擬軟件等技術(shù)，下游的回收、再生技術(shù)等，只有這些技術(shù)的不斷進(jìn)步與提高，輕量化的目標(biāo)才能夠很快實(shí)現(xiàn)】。例如，前面有提到采用高強(qiáng)度鋼材料既可以滿足安全標(biāo)準(zhǔn)又可以減輕車重，但是以為代表的傳統(tǒng)高強(qiáng)度低合盒鋼因?yàn)槠淝?qiáng)度比一般都大于，難以滿足汽車制造過程對成型性的要求【。鋼鐵工業(yè)需要努力研制新型的高強(qiáng)度鋼（），以解決高強(qiáng)度與成型性的矛盾。雖然面臨重重障礙，汽車研發(fā)領(lǐng)域的人們?nèi)匀粵]有放棄努力，專業(yè)軟件的開發(fā)成效越來越好，新型材料技術(shù)、新生產(chǎn)技術(shù)和新設(shè)計(jì)方法不斷提高，鋁

38、、鎂、復(fù)合材料和精細(xì)陶瓷等新型材料在汽車制造企業(yè)中的使用率在逐漸加大。雖然在目前看來汽車工業(yè)近年來不會(huì)在減重方向出現(xiàn)歷史性進(jìn)步，但是由于不懈努力，人們實(shí)際上正在逐步靠近制造出輕質(zhì)量、低價(jià)格的新一代汽車的目標(biāo)。課題來源與研究內(nèi)容課題來源于我國某專用車生產(chǎn)企業(yè)委托的實(shí)際科研項(xiàng)目。其研究目的為：在不降低承載能力的前提下，對企業(yè)所提供的典型重型自卸車進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)和輕量化設(shè)計(jì)。課題的研究內(nèi)容根據(jù)企業(yè)的實(shí)際需要和國內(nèi)外研究分析概況來確定，主要的研究內(nèi)容包括以下幾點(diǎn)：（）重型自卸車輕量化總體方案的研究輕量化總體研究方案在整個(gè)研究過程中起著主導(dǎo)性作用，它引導(dǎo)著以后的整個(gè)研究過程。因此，只有先確定了先進(jìn)并易于實(shí)

39、現(xiàn)的總體方案再進(jìn)行研究，才能更頤利的完成該課題。（）用高強(qiáng)度鋼板替代普通鋼板時(shí)強(qiáng)度理論分析及構(gòu)件壁厚的等效計(jì)算研究在利用高強(qiáng)度鋼板進(jìn)行自卸車構(gòu)件強(qiáng)度等代設(shè)計(jì)時(shí)鋼板壁厚的確定問題，推導(dǎo)出在保證原結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不降低的情況下，用高強(qiáng)度鋼板替代普通鋼板時(shí)鋼板壁厚的計(jì)算公式，對重型自卸車?yán)酶邚?qiáng)度鋼板進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)提供良好的理論依據(jù)。（）分析典型重型自卸車特點(diǎn)，建立重型自卸車整車分析模型在科學(xué)有效的整體研究方案確定之后，建立合理良好的重型自卸車整車分析模型尤為重要，它會(huì)對計(jì)算分析結(jié)果產(chǎn)生重要影響。建立重型自卸車整車有限元分析模型，包括幾何模型的建立、有限元模型的簡化、整車力學(xué)特性分析、正確選擇單元與合理劃分

40、網(wǎng)格等。（）對整車模型進(jìn)行精細(xì)化研究，建立重型自卸車輕量化模型通過分析模型找到質(zhì)量過大的原因，只有建立了精確合理的重型自卸車輕量化模型，才可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對重型自卸車進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。（）對自卸車進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，提出輕量化設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證輕量化方案的合理性和可行性，提出的重型自卸車輕量化設(shè)計(jì)方案對降低現(xiàn)有產(chǎn)品的質(zhì)量應(yīng)該效果顯著，實(shí)現(xiàn)課題的研究目標(biāo)，為生產(chǎn)企業(yè)改進(jìn)重型自卸車研究工作提供一定依據(jù)。本課題的研究方案如圖所示。研究總體方案確定高強(qiáng)雩要勰方法分析及公式推導(dǎo)基于整車模型研究貨廂與車架分析模型建立基于舉升機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算分析模型精細(xì)化研究；基于結(jié)構(gòu)參數(shù)輕量化研究基于高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)輕量化研究面向

41、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的綜合研究方案提出總結(jié)分析結(jié)果及輕量化結(jié)果圖課題研究方案路線武漢理：人學(xué)碩學(xué)位論文第二章結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基本方法及理論引言根據(jù)汽車的整體構(gòu)造，車身、發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、內(nèi)外裝備等占汽車總質(zhì)量比重的相當(dāng)大一部分。這樣看來，車身、底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)等部件的輕量化研究對減輕汽車總質(zhì)量存在很大潛力。利用結(jié)構(gòu)分析技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)汽車的結(jié)構(gòu)，對零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)和工藝改進(jìn)，采用薄壁零部件，并且使之中空化、小型化、復(fù)合化等，盡可能地讓零部件的重量降到最小【引。利用技術(shù)實(shí)現(xiàn)汽車輕量化有著以往設(shè)計(jì)手段不可超越的先進(jìn)性。組成汽車的最小單元就是零件，所以汽車零件是汽車輕量化首先應(yīng)該考慮到的。在汽車設(shè)計(jì)過程中，技術(shù)

42、主要用于方案設(shè)計(jì)、建立模型、進(jìn)行工程分析、方案評價(jià)和詳細(xì)設(shè)計(jì)等階段【。在汽車輕量化設(shè)計(jì)中，技術(shù)主要應(yīng)用于以下幾方面：（車身強(qiáng)度、剛性和空氣動(dòng)力學(xué)特性分析采用技術(shù)設(shè)計(jì)車身結(jié)構(gòu)和布局，接著分析汽車各構(gòu)件的形狀、配置以及板材厚度等的變化，在觀察變形量、應(yīng)力變形結(jié)果的同時(shí)，反復(fù)進(jìn)行模擬，由于汽車結(jié)構(gòu)對碰撞特性起著決定性的作用，所以采用碰撞模擬分析技術(shù)模擬汽車正面局部碰撞、側(cè)面碰撞等各種碰撞，再通過運(yùn)用滿足車身強(qiáng)度和剛度的高強(qiáng)度鋁合金、鎂合金材料，努力尋求最合理的設(shè)計(jì)方案【。（）發(fā)動(dòng)機(jī)性能分析利用技術(shù)分析運(yùn)用鋁、鎂合金材料制成的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的進(jìn)氣流，從為實(shí)現(xiàn)理想的燃燒狀況的氣缸、進(jìn)氣歧管、氣門形狀、配氣正

43、時(shí)等眾多因素中，選擇出最合適的條件，同時(shí)可模擬發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)燃燒現(xiàn)象，對燃油消耗率的降低、排放污染的減少和節(jié)能型發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)都具有巨大作用。（）設(shè)計(jì)稚局分析采用技術(shù)分析運(yùn)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)干涉和固定件的布局干涉，在汽車輕量化過程中，一定不能忽略的步驟就是要利用三維數(shù)據(jù)檢查汽車復(fù)雜零部件是否存在相互干涉。務(wù)必要考慮到并要保證零部件的可維修性，這是在尋求合理布局的同時(shí)格外需要注意的情況。（）振動(dòng)、噪聲分析運(yùn)動(dòng)零件的輕量化設(shè)計(jì)可使汽車的噪聲和振動(dòng)減輕，利用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析，以對話方式輸入與圖面尺寸相應(yīng)的零件形狀參數(shù)，自動(dòng)地作成有限元模型。對各部應(yīng)力、剛性進(jìn)行高精度預(yù)測，減重的極限設(shè)計(jì)快速完成，通過實(shí)施有效

44、方武漢理一：人學(xué)碩十學(xué)位論文法，使各部位的振動(dòng)和噪聲盡可能地減到最小。總之，采用和結(jié)構(gòu)解析技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是汽車輕量化的主要途徑，通過采取有效措施實(shí)現(xiàn)零部件的精簡、輕質(zhì)、整體性和合理化，同時(shí)以高強(qiáng)度輕質(zhì)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼鐵材料，最終使得質(zhì)量減輕、燃油消耗率降低以及排放污染減少。技術(shù)概述技術(shù)（，即計(jì)算機(jī)輔助工程）將計(jì)算機(jī)技術(shù)和工程分析技術(shù)相結(jié)合，是一項(xiàng)以有限元法和數(shù)值分析方法為理論基礎(chǔ)的逐步發(fā)展而成的先進(jìn)技術(shù)。有限元法的基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域劃分為一組有限個(gè)、且按一定方式相互連結(jié)在一起的單元的組合體。由于單元本身又可以有不同形狀，因此可以采用幾何形狀復(fù)雜的求解域來進(jìn)行模擬。數(shù)值分析方法是研究實(shí)

45、際可行、理論可靠、計(jì)算復(fù)雜性好的并適合于在計(jì)算機(jī)上使用的數(shù)值計(jì)算方法，近半個(gè)世紀(jì)以來，得到迅猛發(fā)展的數(shù)值分析已經(jīng)逐步形成為數(shù)學(xué)科學(xué)中一門獨(dú)立的學(xué)科筘¨。的核心技術(shù)為有限元技術(shù)與虛擬樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)。主要任務(wù)是采用計(jì)算機(jī)的方式分析工程或產(chǎn)品的性能以及安全可靠性，模擬工程或產(chǎn)品未來的工作狀態(tài)和運(yùn)行行為，確保設(shè)計(jì)缺陷能夠及早被發(fā)現(xiàn)，并對工程或產(chǎn)品的未來性能的可用性與可靠性進(jìn)行證實(shí)。參考文獻(xiàn)擴(kuò)展了的定義，將解釋成為是集成分析、計(jì)算和仿真于一體的一切研發(fā)活動(dòng)，所以它是一個(gè)從產(chǎn)品研究開發(fā)到產(chǎn)品檢測整個(gè)生產(chǎn)過程都能支持的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。軟件是一種綜合性、知識密集型信息產(chǎn)品，涉及到有限元法、數(shù)值

46、分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、圖像處理、工程管理學(xué)、人機(jī)智能工程等多種技術(shù)領(lǐng)域，較為常用的軟件有、等【】。進(jìn)入新世紀(jì)以后，軟件版本正在不斷更新中，在各方面取得了進(jìn)一步完善，比如其功能、性能、前后處理能力、單元庫、解法庫、材料庫等方面都有很大提升，又由于已具有了趨于發(fā)展成熟的用戶界面和數(shù)據(jù)管理技術(shù)，很多理論分析無法解決而實(shí)際工程又需要解決的復(fù)雜問題可以得到完善解決。按照研究對象的物理屬性進(jìn)行分類，分為靜力計(jì)算、動(dòng)力計(jì)算、運(yùn)動(dòng)（干涉）計(jì)算、疲勞計(jì)算、熱分析、流體分析、塑性分析及噪聲分析等；根據(jù)分析目標(biāo)的不同，技術(shù)分為靜態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析、可靠性分析和優(yōu)化分析髀】。軟件簡介集成了結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)等課題，于年由美國武漢理人學(xué)碩士學(xué)位論文公司開發(fā)，屬于一種大型通用有限元分析（）商業(yè)軟件。公司自成立以來，在其創(chuàng)始人教授的領(lǐng)導(dǎo)下，不斷吸取世界最先進(jìn)的計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)，引領(lǐng)著世界有限元分析軟件的發(fā)展】。軟件技術(shù)先進(jìn)，應(yīng)用可靠，并且更是開放實(shí)用，目前在全球工業(yè)界已被廣泛應(yīng)用。的理論基礎(chǔ)和分析思路的理論基礎(chǔ)是有限單元法，其分析的基本思路是：將結(jié)構(gòu)體看成是由有限個(gè)離散而成的單元組成的整體，求解出單元結(jié)點(diǎn)的位移，并以此為基本的未知量。下面大致介紹了有限元法的整個(gè)分析過程：（）單元類型和離散結(jié)構(gòu)的選擇。首先分析結(jié)構(gòu)物的幾何形狀和受力特點(diǎn)，再以此為依據(jù)選