货车车架CAE工程应用研究

摘要

随着计算机辅助工程（CAE）技术的不断发展和完善，其在汽车设计中的应用也越来越广泛。本文以某货车车架为例，将CAE分析中的有限元分析、多体动力学仿真、疲劳寿命分析以及结构优化设计等技术应用到车架的设计中，形成较为完整的CAE工程应用体系，达到为以后的设计提供指导的目的。 本文首先建立车架的CAD和有限元模型，对车架进行静强度分析和在运动过程中各种典型的极限工况的动强度分析，同时提出修改意见。为更好地设计车架的动态性能，分析车架受到激励时的动态响应特性，进一步作了车架模态分析和模态评价。 在有限元分析的基础上，为能够更加准确地分析车架在实际使用中的动态应力特性，根据现在汽车仿真设计的需要以及多体系统动力学研究的成果，建立其动力学仿真模型。同时将车架作为一个柔性体，实现了多刚体机械系统仿真（MSS）与有限元分析（FEA）的更好结合，为后面的疲劳寿命分析提供更为准确的载荷数据，也可以获得车架上的动态应力描述，从而达到更有效地改进车架设计的目的。 在通过车架动力学分析得到车架上动态载荷数据的基础上，对车架进行了全寿命、裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命的分析，得出了现有模型可以满足使用要求的结论，同时也提出了改进意见，以便能够更充分地利用结构的潜能，节约材料。 最后将结构优化技术引入到车架的设计中，利用尺寸优化技术对车架中关键部件进行了刚度灵敏度、模态频率灵敏度以及静动态结构响应的综合权重灵敏度分析，为改进车架设计提供了很好的参考。且进行了车架的轻量化设计，对不同的轻量化设计方案进行校核，得到了可行的方案。同时利用拓扑优化技术，以柔度、特征根以及多个目标对车架的概念设计作了探讨，提出新的车架模型设计方案。 本文的研究，形成了汽车车架设计统一可行的CAE工程应用体系，对今后车架或类似结构的改型或重新设计有一定的指导意义。所进行的汽车计算机辅助设计通用软件的联合仿真分析，对以后的研究具有一定的参考价值。本文所积累的一些分析数据，也为以后相应的工程分析规范提供一些参考与指导。