重型自卸车车架的拓扑结构设计与轻量化方法研究

摘要

随着车辆外廓尺寸及总质量新标准出台，双转向四轴货车的最大质量限值从40T降低至31T。为了提高整车质量利用系数，提高载货效率，车型降重成为目前企业亟待解决的问题，因此，需要对车架总成进行轻量化设计，要求全新车架降重至少8％以上。
　　本文对重型自卸车车架进行了拓扑结构设计及轻量化优化方法研究，以企业一款标载8×4自卸车车架为例，描述了拓扑优化及轻量化方法指导传统设计的可行性。首先结合拓扑理论及传统设计方法对车架进行了结构设计，并根据密度模型中横梁刚度分布进行横梁合理选型，有效的实现了拓扑结构的工程化。其次对车架初步方案进行静动态校核，并结合尺寸优化方法对车架进行轻量化设计，最终得到的车架基本满足设计要求，并从理论层面验证了拓扑优化及轻量化方法的实用性。纵观全文，主要得出了以下结论:
　　1)结合传统设计方法及拓扑优化设计方法，可以较为准确的确定合适的车架设计方案。车架拓扑模型及其工况的加载在很大程度上决定了车架模型计算的迭代时间及结构的准确性，在设计初期定义合适的加载及边界条件，可以得到较为理想的拓扑结果，说明拓扑优化应用于自卸车车架结构设计是可行的。
　　2)针对自卸车车架的强度刚度验证，需要针对不同工况建立不同的模型，可以得到比较接近实际的应力分析结果。车架初步方案在举升30度工况下不满足强度设计要求，需重新优化，说明拓扑结构存在局限性，无法针对实际工况进行拓扑结构布置。
　　3)通过对车架的尺寸优化设计及部分零件改进设计，最终得到的车架模型，既满足强度的要求，其扭转刚度也略有提升。最终主车架模型质量比原方案降低了91.74kg，降重比例为8.25％，有效实现了车架的轻量化，证明了本文研究内容的价值。
　　车架在设计完成后进行了样件试制，并进行了模态试验，对比分析计算模态和试验模态的结果，进一步验证了仿真分析的准确性。另外本文研究内容基于实际整车设计项目，从理论层面拓展至实用领域，进一步验证了本文理论的正确性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 课题研究目的及意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 课题研究内容

2 基于有限元法的车架轻量化技术及拓扑优化方法描述

2．1 有限元法概述

2．2 车架轻量化方法

2．3 连续体拓扑优化理论

2．3．1 连续体结构拓扑优化的数学模型

2．3．2 连续体结构拓扑优化的最小势能原理

2．3．3 连续体结构拓扑优化的计算方法

2．4 本章小结

3 重型自卸车车架拓扑结构设计

3．1 引言

3．2 车架纵梁结构形式

3．3 车架横梁拓扑结构设计

3．3．1 车架拓扑优化分析模型

3．3．2 车架拓扑优化工况及加载方式

3．3．3 车架优化迭代过程

3．3．4 车架优化结果分析

3．3．5 车架横梁形式的选择

3．4 车架结构初步方案

3．5 车架理论弯曲强度校核

3．5．1 数学模型

3．5．2 模型计算结果分析

3．6 本章小结

4 重型自卸车车架静力学强度、刚度分析

4．1 弹性力学基础

4．1．1 弹性力学的基本假设

4．1．2 板壳理论

4．2 车架强度分析有限元模型的建立

4．2．1 几何清理

4．2．2 网格类型及大小选择

4．2．3 各总成的网格处理及连接关系

4．2．4 网格质量控制

4．2．5 整车轴荷分配

4．2．6 车架分析工况及边界条件

4．2．7 车架强度分析模型

4．3 车架强度分析结果

4．3．1 满载弯曲工况

4．3．2 满载扭转工况

4．3．3 满载转向工况

4．3．4 满载制动工况

4．3．5 举升0度工况

4．3．6 举升30度工况

4．3．7 车架强度校核

4．4 车架刚度分析

4．4．1 车架刚度分析理论

4．4．2 车架刚度分析模型

4．4．3 车架弯曲刚度分析评价

4．4．4 车架扭转刚度分析评价

4．5 本章小结

5 重型自卸车车架模态分析

5．1 模态分析基本理论

5．1．1 模态分析的基本假设

5．1．2 车架模态分析的理论建模过程

5．2 车架自由模态分析模型的建立

5．2．1 参数设置

5．2．2 车架模态分析模型

5．3 车架自由模态分析结果

5．3．1 车架模态分析结果评价标准

5．3．2 自由模态分析结果

5．4 本章小结

6 重型自卸车车架的轻量化优化设计

6．1 车架尺寸优化

6．1．1 车架尺寸优化数学模型

6．1．2 车架灵敏度分析数学模型

6．1．3 车架优化参数软件设置

6．1．4 尺寸优化结果

6．2 车架结构改进设计方案

6．3 优化后车架的静力学校核

6．3．1 优化后车架强度分析

6．3．2 优化后车架刚度分析

6．4 优化后车架模态分析

6．5 车架试验模态分析

6．5．1 模态试验准备

6．5．2 试验与仿真结果对比

6．6 本章小结

7 全文总结及展望

7．1 全文总结

7．2 论文展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢