基于刚度和模态的重型卡车车架轻量化设计

摘要

伴随着汽车工业的飞速发展，日益严重的环境污染问题和能源问题等对车辆的轻量化提出了更高的要求。广泛运用于运输业的重型卡车在整个国民经济中占有重要地位。近年来重型卡车载重量因超载问题的整治而减少，需要对重型卡车轻量化设计以减轻汽车质量，增加载重量。车架作为重型卡车的重要承载部件，车架的轻量化是改善车辆燃油经济性的有效措施，在现代汽车设计中占有重要地位，在保证车架基本性能的前提下，尽可能使车架轻量化对企业降低设计制造成本、增强市场竞争力等具有重要意义。
　　 本文考虑某重型卡车车架的弯曲刚度、扭转刚度和一阶模态三个工况，提出了一种基于刚度和模态的多工况优化设计方法。在考虑弯曲、扭转刚度和一阶模态的情形下，对车架零件厚度进行优化设计以实现轻量化设计。建立了车架的有限元模型，分四个工况计算并校核了车架强度。基于虚拟仪器技术对车架进行静动态电测实验，车架静动态电测实验各应变测试点的应力分析校核了车架的强度，满载静态工况实验与有限元结果对比验证了有限元模型的合理性。
　　 在经验证的有限元模型基础上对车架进行刚度和模态计算，得到了车架的弯曲与扭转刚度值;模态计算提取了车架的前十阶自由模态，通过固有频率和振型评估了车架的动态特性。以有限元模型为基础，求得的一阶频率、弯曲和扭转刚度值为车架的优化设计提供了数据依据，对车架零件的厚度进行灵敏度分析，筛选出具有优化潜力的零件作为优化设计变量。
　　 应用均匀拉丁方试验设计方法，采集了车架质量、弯曲刚度、扭转刚度和一阶固有频率的设计变量样本值。在此基础上利用径向基函数构建了车架优化设计的近似模型:总质量为目标函数，一阶固有频率和弯曲刚度、扭转刚度为约束。近似模型在通过误差评估后运用遗传算法进行求解，获得的优化结果参数代入实际模型，优化后车架的总质量减少18.37kg，近似模型的优化结果与有限元分析结果的对比分析表明该方法比较可靠。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 有限元法在汽车结构优化中应用现状

1．3 近似模型在汽车结构优化中的应用

1．4 本文的主要研究内容

第2章 某重型卡车车架的有限元建模

2．1 车架分析的有限元法计算原理

2．2 车架有限元模型的建立

2．2．1 车架结构形式和材料特性

2．2．2 车架整体有限元模型的建立

2．3 本章小结

第3章 某重型卡车车架静强度分析与实验

3．1 车架静强度分析

3．1．1 静态分析概述

3．1．2 车架静态工况分析

3．2 车架电测实验

3．2．1 实验原理和测试设备

3．2．2 实验工况及应变测点布置

3．2．3 车架电测实验及结果分析

3．3 本章小结

第4章 某重型卡车车架刚度和模态分析

4．1 车架有限元模态求解

4．1．1 有限元模态分析

4．1．2 模态求解结果

4．2 车架刚度计算

4．2．1 弯曲刚度计算

4．2．2 扭转刚度计算

4．2．3 刚度计算结果分析

4．3 本章小结

第5章 某重型卡车车架结构优化

5．1 车架灵敏度分析

5．2 车架优化模型建立

5．2．1 优化设计模型的建立

5．2．2 拉丁方试验设计

5．2．3 径向基函数响应面法构造优化模型

5．3 车架优化计算

5．3．1 遗传算法的基本步骤

5．3．2 近似模型求解及结果验证

5．4 本章小结

总结及展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文

附录B 攻读学位期间所参加的科研项目