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基于结构优化和高强度钢应用的重型自卸车轻量化研究
武汉理工大学 硕士学位论文 基于结构优化和高强度钢应用的重型自卸车轻量化研究 姓名：高金玲 申请学位级别：硕士 专业：车辆工程 指导教师：马力
武汉理。Ｔ：人学硕十学位论文摘要本文主要研究了重型自卸车货厢和主、副车架的轻量化问题，通过对 货厢进行结构优化设计以及对货厢与车架进行高强度钢板强度等代设计， 取得了很好的轻量化效果；并推导出了高强度钢板强度等代设计中的钢板 壁厚替换计算公式，验证了该公式的实用性以及使用方便性。 首先，对重型自卸车轻量化的研究背景进行了介绍，阐述了本课题的 研究意义；并根据国内外轻量化发展概况以及研究现状，提出了采用有限 元技术和应用新型材料的轻量化研究方法。 其次，在对重型自卸车货厢和主、副车架的结构特点进行分析后，以 企业所提供的图纸为依据来建立货厢和主、副车架组合几何模型。采用板 壳单元对货厢和主、副车架主体结构划分网格，采用实体单元对它们的局 部结构进行离散。考虑到货厢在举升瞬间即刚刚离开副车架时的受力状况 是最恶劣的，因此，在利用ＡＮＳＹＳ分析时选取举升瞬间工况来进行计算。该工况下的货厢整体应力分布和货厢的变形情况均可以通过计算分析求得，得出的结果可以为项目委托企业在开发设计产品时提供一个参考。 再次，由于货厢的整体应力水平不高，而且应力集中现象比较严重， 本文分别对货厢底架、两边侧板结构进行了结构局部改进设计，不仅使应 力集中现象在很大程度上有所减弱，甚至消除了某些局部应力集中现象， 而且也使得它们的应力分布变得更为合理，最后的优化结果让货厢重量得 到大幅度下降，使货厢的质量减小了８２０．４３ｋｇ。 然后，在货厢结构改进后的基础上，再利用结构尺寸参数优化方法对 货厢进行轻量化研究，在保证货厢装载能力不降低的前提下，使货厢整体 质量又减少了２４４ｋｇ；通过采用这两种结构优化轻量化方法，货厢重量下 降了２４．５％。最后，采用结构改进后的货厢模型和建立的主、副车架模型进行高强 钢强度等代设计，在过程中利用推导出的高强钢壁厚替换公式对其构件进 行壁厚替换，给货厢与主、副车架的高强钢强度等代设计带来很大方便。通过最后圆整后的数据计算，货厢质量减轻了１０９９．４２ｋｇ；主副车架重量 减少了２８６．６８ｋｇ，降幅为１５．１３％。关键词：重型自卸车，轻量化，优化设计，高强度钢武汉理Ｊ：人学硕十学位论文ＡＢ ＳＴＲＡＣＴＴｈｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｍａｉｎｌｙ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｏｆ ｔｈｅ ｄｕｍｐ ｔｒｕｃｋ ｂｏｘ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｒａｍｅ．ｏｎＴｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｚｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｗａｓ ｇｏｏｄ ｂｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆｈｉｇｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｓｔｅｅｌ．Ｔｈｅ ｆｏｒｍｕｌａ ｏｆ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｗａｓ ｄｅｒｉｖｅｄ，ａｎｄ ｉｔｓ ｐｒａｃｔｉｃａｌｉｔｙａｎｄ ｕｓｅｒ－ｆｒｉｅｎｄｌｉｎｅｓｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｖｅｒｉｆｉｅｄ． Ｆｉｒｓｔ ｏｆ ａｌｌ，ｔｈｅ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｖｙ ｔｒｕｃｋ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ＷａＳ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ，ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｄｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｅｗｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｅｒｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｄｕｍｐ ｔｒｕｃｋ ｂｏｘ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｒａｍｅ， ｔｈｅ ｄｕｍｐ ｔｒｕｃｋ ｂｏｘ ａｎｄ ｆｒａｍｅ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｍｏｄｅｌ ｗｅｒｅ ｂｕｉｌｔｏｎｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒａｗｉｎｇｐｒｏｖｉｄｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｃｌｉｅｎｔ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆｔｈｅ ｄｕｍｐ ｔｒｕｃｋ ｂｏｘａｎｄ缸ｎｅ ｗａｓ ｍｅｓｈｅｄ ｂｙＳｈｅｌｌ６３ ｅｌｅｍｅｎｔｓ，ａｎｄ Ｓｏｌｉｄ４５ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｍｅｓｈ ｏｔｈｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｓｔａｎｔ ｌｉｆｔｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｄｕｍｐ ｔｒｕｃｋ ｂｏｘ ｓｕｆｆｅｒｅｄ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｍｏｍｅｌ＇ｌｔ，ｉｔ ｗａｓ ｃｈｏｓｅｎａｓｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ．Ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ 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本低。与此同时，国家对“超载＂的治理也在不断深入。在２００７年至２００８年期 问，燃油价格攀升，国际钢材价格飞涨。在此背景下，对重型自卸车生产企业来 说，要从国家角度和用户使用角度综合考虑，所生产的重型自卸车既要进一步提 高对各种恶劣工况的适应能力，又要对保护公路和环境做出积极贡献，而且还要 提高车辆的安全性以及实现操作人性化ｆ２】。所以，生产企业要通过提高研发水平， 采用国际先进技术对其车辆进行优化设计。１．２研究背景和研究意义安全、能源和公害一直是近十多年来世界汽车工业面临的三大问题【３】。显而 易见，全球石油消耗的重要一部分来源于车辆燃油，目前，全球汽车保有量预计 到２０２０年全球汽车保有量将达到１２亿辆，主要增幅来自发展中国家。国际能源 机构（ＩＥＡ）预计到２０２０年交通用油占全球石油总消耗的６２％以上。美国能源 部预测，２０２０年以后，全球石油需求与常规石油供给之间将出现净缺口，２０５０年的供需缺口几乎相当于２０００年世界石油总产量的两倍。与此同时，交通能源 消耗也是局部环境污染和全球温室气体排放的主要来源之一。在不降低汽车性能的情况下，为了应对可能的能源危机，降低汽车油耗具有重要的现实意义。从环境方面讲，每年有多达４０亿吨的二氧化碳量由汽车向大气中排放，占世界全部二氧化碳排放量的２５％，而其它汽车排放物（如氮化物、硫化物、微粒物等）也构成了大气污染的重要因素之一。因而，能源保护、废气排放、噪声和安全的相关法令法规相继在世界各国出现。武汉理．Ｉ：人学硕＋学位论文围绕这三大问题进行研究是现代汽车技术发展的主要方向，其中作为汽车工 业发展与变革动力的能源问题尤其突出。轻量化、环保回收及节约能源已成为全 球汽车产业发展的趋势。在汽车技术的飞速发展过程中，汽车轻量化的发展对整 个汽车业的发展起到了非常重要作用，主要有以下三个方面： （１）汽车轻量化可以降低燃油消耗。 汽车行驶阻力包括滚动阻力、爬坡阻力、加速阻力和空气阻力等。汽车行驶 方程式为：Ｆ＝Ｇ?ｆ＋Ｇ?ｓｉｎｃｔ＋６?朋?口＋０?Ａ－１，２／２１．１５式中：，为汽车行驶阻力；Ｇ为汽车重力；厂为滚动阻力系数；口为道路坡度； 万为汽车旋转质量换算系数；ｍ为汽车质量；ｅ为风阻系数；Ａ为迎风面积；ｖ为汽车速度【４ｊ。 根据经验数据，空气阻力大约是行驶阻力的２５％。采用流线型车身、全粘 接挡风玻璃、隐蔽式雨刮器、下地板全封装等这些方法是目前减少空气阻力的常 用措施，这些措施能将ｅ降低到０．３。但是，要把它进一步减小的可能性已遇到 瓶颈现象，除非目标是那些更为流畅低矮的车身。这样就需要巨大的技术与资金 的投入，更不适用于要求空间宽敞的同常用车，所以通常不会花费很大精力去考 虑空气阻力因素。由上式可知，滚动阻力、爬坡阻力和加速阻力均与汽车质量成 正比，而且它们一起要占行驶阻力的７５％，因此，减轻汽车质量就减轻了行驶 阻力，从而也就成为节约燃油的一个重要措施。 《２）汽车轻量化有利于改善汽车的运动性能（如行驶、加速、制动、转向等） 和排气性能等多方面的性能。例如，一辆汽车重量为１５４３ｋｇ，若整车重量减轻 ２５％，可使该车加速到６０ｋｍ／ｈ的时间从原来的１０秒减少到８秒【５１。 发动机的轻量化可以改善前轮荷重分担率，从而汽车的操纵稳定性可得到改 善，还可为降低噪声、振动、实现大功率化创造条件。同时部件振动可得到减轻，噪声也可降低，舒适性能得到提高。某些承载件所承载的重量减轻后，有利于降低元件疲劳，提高耐久性。 （３）由于汽车各部分的质量是相互关联的，汽车轻量化具有波及效果。 发动机质量的减轻，同时可减轻有关底盘部分，所以汽车整车减少的质量会大于发动机减少的质量；车身零部件的轻量化，可减小支承它的行驶系统（如车 架、车桥、车轮和悬架等）负荷，尺寸和质量即可适当减小，随之也可相应减小和减轻发动机和制动器【６ｊ。近几年，国民经济的快速发展，使得自卸车成为市场热点，其产销量大幅度 增长。据统计，中重型自卸车在专用车市场需求量上约占百分之四十的份额，成为专用车市场的兵家必争之地。２武汉理Ｉ：人学硕十学位论文我国自卸车的发展向重型化和轻型化两极发展。２００９年上半年，国内重型 自卸车市场增长远远好于年初的预期。国家的政策支持直接导致３、４月份工程 重型自卸车走俏；８月份，重型自卸车销售５．６８万辆，同比增长５．９３％。２００９ 年汽车全行业销售１２４７万辆，同比增长３３％左右；其中，重型自卸车销售５７ 万辆，同比增长５．５％。随着重型自卸车销量快速回升，全年销量略有增长，利 润增长主要来自毛利率的提高。２０１０年行业将完全恢复正常，预计销量增长幅 度在１５％左右，从而带动利润的持续增长。２００８年底，国务院推出了拉动内需的４万亿投资计划，其中大部分资金投向了基础设施建设领域。政府提出的十项规划中强调要加快保障性安居工程建 设、加快农村基础设施建设、加快铁路及公路和机场等重大基础设施建设、加快 地震灾区灾后重建等要求。这些项目的建设将需要相当数量的重型自卸车，这对 于重型自卸车来说，产生了明显的拉动作用。 随着２００９年基础建社的开工和灾后重建工作的逐步完工，对重型自卸车的 需求是逐月增加。２００９年虽然重型货车总销量前５个月出现以３月为最大值， 开口向下的抛物线状，但是重型自卸车逐月不降反升，对重型货车的贡献度是逐 月增大。 由于良好的宏观经济环境刺激，我国自卸车的年需求量近几年快速增长，“十 一五”期间更是进入高速增长期。市场对自卸车的需求不仅体现在数量上，也体 现在质量上。目前我国有重型自卸车生产企业９０多家，主要的生产企业仅有十 多家，这十多家企业占据着市场８５％的份额，我国的重型自卸货车品牌主要集中 在福田、东风等前１２个品牌上，这１２个品牌占据着该行业８０％以上的市场份额，其余品牌占据着市场不到２０％的市场份额。本课题的研究对企业自身、用户以及整个社会都有着重大意义。 （１）减少原材料的消耗，降低企业的生产成本。 一般情况下，对客车和载货车而言，车架骨架部分要占整车总质量的６０％左右；轿车的车身质量约占整车总质量的２５％，而重型自卸车的车身和车架占整车总质量的比例要远远大于前面的车辆。通过对重型自卸车结构的轻量化，可以节省能源和减少原材料的消耗，进而实现企业生产成本的降低和利润的提高。 （２）提高企业的设计水平和研发能力。ＣＡＤ／ＣＡＥ技术在现代汽车设计之中已被广泛应用，许多大型商业软件已经集成了优化设计模块，采用大型商业软件对产品进行设计是一个非常先进的方法。ＣＡＤ／ＣＡＥ是支持从研究开发到产品检测整个生产过程的计算机系统，包括分析、计算和仿真在内的一切研发活动。在现代汽车工业中，实现汽车的轻量化设计和制造可以运用ＣＡＤ／ＣＡＥ技术。对汽车总体结构进行分析和优化是汽车轻武汉理：Ｉ：人学硕十学位论文量化的手段之一，有效精简汽车零部件，并且能使汽车零部件整体化和轻质化。 通过本课题的研究，生产企业的设计水平和研发能力可以得到提升，从而提高生 产企业的竞争力。 （３）提高用户的运输效率，降低用户的运输成本。 近年来，世界石油资源紧张，油价不断上涨。对汽车工业和汽车运输业来说， 降低燃油消耗量成为关键。汽车自身质量的大小是影响燃油消耗的重要因素之一，所以汽车设计轻量化成为发展趋势。对重型自卸车用户而言，减轻自身质量 还提高了有效运载质量，即增加了质量利用系数，从而提高运输效率，降低运输成本。 （４）对于节能和环保具有现实意义。 据统计，目前行驶在各国的汽车仍以汽油、柴油等石油产品为主要燃料，年 消耗石油一百多亿桶，超过了全球石油总消耗量的一半以上，巨量石油资源被消 耗的同时，汽车排放出的废气也产生了极大的空气污染。随着世界能源消耗量的 增加，正面临着地球的矿物能源枯竭，导致环境问题也不得不受到关注。随着可 持续发展的提出，现代汽车工业发展的主题也就成为了节能与环保，减少排放是 最有效措施之一．从而就需要降低能源消耗，继而车辆轻量化就被广大社会所倡 导。根据有关数据，汽车每减少整车总质量的１０％，就可以降低６０／ｏ，．．８％的油耗， 同时还能有效减少车辆尾气排放总量。因此，汽车轻量化正成为２ｌ世纪汽车技 术的前沿和热点，对于目前能源紧缺问题的缓解和环保型社会的建立，本课题的 研究有着积极的作用。 （５）提高生产企业运用先进设计方法的意识，有利于追赶国外先进的研究水 平。我国自卸车产品种类日益丰富，技术不断升级，新产品的技术水平正在与国 际接轨。个别企业在设计中采用先进的设计方法，能够提高产品的市场占有率， 其他生产企业也会为了提高本企业的效益而学习这种先进的设计方法，所以对整个行业来说具有很大带动作用，可以提高行业中使用先进技术的意识【７】。我国轻 量化研究是从８０年代末才开始，相比欧美国家起步较晚，虽然近年来发展迅速， 与国外相比较，还是存在着很大的差距。我们必须密切关注和跟踪世界先进技术 的研究、应用和发展，本课题研究对国内追赶国外先进设计水平起到重要作用。１．３轻量化技术发展概况轻量化技术涉及了基础理论、工程设计、工厂制造、实践验证等课题，由于它的内容丰富、涉及广泛，探索过程颇为艰难。经过努力，在不远的将来汽车要 引导新一代的潮流，将以清洁、强大、轻量的崭新形象亮相。４武汉理．１：人学硕十学位论文１．３．１结构轻量化研究不断发展计算机辅助集成技术和结构分析等技术，通过不断提高结构优化和零部件的模块化设计水平来达到轻量化的目的，如采用前轮驱动、高刚性结构和 超轻悬架结构等。在汽车的前期概念设计阶段已经融合进了轻量化的结构设计和分析。目前，由于计算机技术的飞速发展，为了实现汽车的轻量化设计和制造可以采用 ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ一体化技术【８１。对于各种实用程序来说，有关理论和软件的不断 发展进步便计 算机辅助分析过去 功能强大，使计廿一 目刖算规模、计算容量以及计算速 度不再是主要 问题，计算机辅将来助分析技术未来 （ＣＡＥ）的作用 将对汽车工生ｋ 的发展越来越重要［９１。如图１．１、图１．２反映出了计算机辅助结构优化设计分析 技术在汽车开发设计中的地位和作用。它不仅大大缩短了汽车开发的周期，大量 减少了研发成本，而且还能开发出更为优秀可靠的产品。 １９９１年，Ｍａｔｓｕｌｎｏｔ等人建立了摩托车车架的有限元模型，选取梁的截面尺 寸和梁的位置为设计变量，在保持原刚度不变的情况下，以车架总质量为优化目图１．１ ＣＡＥ及优化技术在汽车开发中的作用变化标对其进行优化设计，经过结构优化后 使得车架质量明显减 轻，优化效果显著 ｉｌｏｌ。同年，Ｓａｒｅｅｎ等 人建立了Ｂｅｌｌ ＡＨ―ＩＧ直升机的车身结图１．２汽车开发过程中的变化趋势构有限元模型，应用基于非线性规划技术编制的优化程序对机身进行了轻量化研究，主要目的是减轻 机身重量、减小机身振动和提高结构的疲劳寿命，结果取得了良好减重效果‘１１１。通用汽车公司的Ｒ．Ｒ．ＭＡＹＥＲ、密西根大学的Ｎ．ＫＩＫＵＣＨＩ和Ｒ．Ａ．ＳＣＯＴＴ应用拓扑优化技术以碰撞过程中最大吸收能量为目标对零部件进行优化设计，优化后使５武汉理一ｌ：人学硕十学位论文零件呈蜂窝结构，在提高安全性的同时也减轻了结构的重量【ｌ到。 早在１９９４年，东ＪｘＬ汽车公司技术中心为实现ＥＱｌ０９０Ｅ汽车后桥壳轻量化， 在该后桥壳改进设计初期，用有限元分析的方法选择较优设计方案，预测后桥壳 最高应力水平，后桥壳的应力集中区域、后桥壳静力强度断裂和疲劳损坏的可能 位置，为该后桥壳减轻质量８ｋｇ提供了依据【ｌ ３１。２０００年，在早期的车架有限元 研究中，郑州工业大学的王伟等人应用有限元方法对ＳＪＺ６３０型汽车车架进行了 静态强度分析，在对车架进行有限元划分时，采用的是梁单元模型【ｌ ４１。应用梁单 元模型的优点在于建模简单，单元数目少，计算速度快，可以得到较好的变形结 果，但其应力分析的能力却是有限的。梁单元不能很好的描述较为复杂的车架结 构，不能很好的反映横梁与纵梁接头区域的应力分布，且忽略了扭转时截面的翘曲变型，因而其分析结果是粗糙的。同年，湖南工程学院的陈华光对电动轮自卸 车车架结构分别用板单元计算模型和梁单元计算模型进行了模态分析【ｌ ５１。板单元在其节点处只有三个自由度，是用来模拟板件受垂直、平行于板平面的载荷产生 弯曲的情况，但在实际工况中，车架横梁和纵梁的腹板等结构除了承受以上力外， 还存在扭转、剪切等状况，所以使用板单元也不能有效的模拟车架受载时的各种 变形。而板壳单元除了有弯扭变形外，还存在中面对拉、压和剪切变形，更接近 于车架受力的真实状态。最初由于采用板壳单元前处理工作量太大，计算时间太 长而很少采用，但是随着计算机技术的不断发展，这个问题已经得到了很好的解 决，因此在此后的研究中大量出现了以板壳单元建立车架有限元模型进行研究的 例子。２００８年９月，陈华光再次对电动轮自卸车车架结构进行有限元分析，在 对实际结构进行研究分析后，将车架简化为以板单元为主的有限元计算模型，通 过计算结果，为车架结构的优化设计奠定了基础【ｌ ６１。２００５年，徐有忠和高新华针对在汽车车身轻量化设计中遇到的技术难点，对如何将成熟的ＣＡＤ／ＣＡＥ优化技术应用于车身减重的方法进行了深入探讨，提 出了几种确定优化目标的思路，并阐述了汽车车身轻量化设计中进行ＮＶＨ（主 要包括模态和静态刚度）优化与碰撞优化的理念与方法【ｌ ７１。２００７年３月，于庆 豪等人应用计算机辅助设计和有限元网格划分的技巧和方法建立ＳＧＡ３７２３矿用汽车货箱三维实体单元有限元模型，有效解决矿用汽车货箱结构和尺寸庞大的问 题，对矿用汽车货箱进行了强度分析【１３】。２００６年，北京科技大学的杨锁望等人建立了ＳＧＡ３５５０型矿用汽车驱动桥壳及Ａ形架的有限元模型，选择极限工况对 其进行了结构强度和刚度分析，在保证足够的强度和刚度的条件下将该桥壳的厚度由原来的３０ｍｍ减为２０ｍｍ，改进后的桥壳质量更小，最大应力也大幅减小，且 应力分布更为合理【１９】。２００９年２月，湖南大学汽车车身设计制造试验室的张勇等人利用多目标遗传算法对整车模型进行优化，使得车身前部吸能部件的板厚和６武汉理’１：入学硕十学位论文材料得到合理配置，在满足ＣＭＶＤＲ２９４安全法规的同时，也在一定程度上减小了整车质量【２们。 国内在自卸车举升机构的仿真分析及优化设计方酝的研究已比较成熟，相关 方面的论文也层出不穷。２００５年３月，张毅等人以举升过程中工作油缸最大推力最小为优化目标，对举升机构的各铰接点位置布置进行了优化设计，使油缸最大推力下降了２７％，为举升机构布置位置的设计提供了参考【２１１。于２００６年７月， 朱品昌等人在考虑前后悬架刚度和阻尼及整车质量参数的情况下研究了在举升 过程中车辆自激震动时的油缸推力的变化规律，为举升机构的动态设计提供了参 考【２２】。同年，赵永辉等采用拓扑优化技术对某自卸车举升机构三角臂进行了拓扑 优化设计，使得优化后结构相对于原结构质量减轻约２０％，同时刚度大大增强， 为三角臂的优化设计提供了参考【２３１。文献［２４］利用ＡＤＡＭＳ软件中参数化建模与 分析功能，建立了自卸车举升机构的柔性连接模型，分析出三角臂所受拉力和扭 矩，对举升机构的设计具有指导意义。２００８年８月，乔嫒媛等三人利用ＡＤＡＭＳ 建立了考虑运动干涉的Ｔ式自卸车举升机构参数化模型，开发出能够进行干涉检查的Ｔ式举升机构设计模樊２５】。综上所述，可以看到结构轻量化研究主要可分为三点：【１）采用现代优化技术对部件进行拓扑优化、形状优化和尺寸优化，从而得到新的轻量化结构，并采用先进的制造工艺来生产出产品。 （２）利用硬件优势，大量考虑动态过程（如碰撞、振动过程）中的各种约束， 对尺寸参数进行优化而得到轻量结构，主要强调安全性。（３）应用现代优化算法如遗传算法、蚁群优化算法和人工神经网络算法等对结构进行轻量化设计。１．３．２新型材料开发在汽车上应用的轻质材料有铝、镁、高强度钢、复合材料、塑料等，它们不 仅在前期与结构设计融为一体，而且还与相应的装配、制造、防腐、连接等工艺的应用相联系。 面对其他竞争材料的上升态势，为了应对日益严格的环保挑战，１９９４年在国际钢铁协会的倡议下，全世界１８个国家的３５个钢铁公司联手成立了超轻刚车体计划ＵＬＳＡＢ（Ｕｌｔｒａ Ｌｉｇｈｔ ＳｔｅｅｌＡｕｔｏ Ｂｏｄｙ），其重点是研究车身部分的轻量化， 以寻求开发用于汽车车身的钢材料以及提高钢材性能的可能性【２６】。其目标是向世界表明，钢材在减轻车重、降低成本和提高安全性等方面仍是最合适的材料。此 后，在１９９８年ＵＬＳＡＢ试制的ＢＩＷ车身总质量与对比车的平均值相比降低了 ２５％，同时扭转刚度提高８０％，弯曲刚度提高５２％，一阶模态频率提高５８％，在７武汉理『’人学硕十学他论文满足了碰撞安伞性璺求的同时成本比对比车身造价降低１５％【２７１。韩国汉阳大学的Ｊ－Ｋ Ｓｈｉｎ，Ｋ－Ｈ Ｌｅｅ，ｇ．－【Ｓｏｎｇ和Ｇ－Ｊ Ｐａｒｋ应用ＵＬＳＡＢ的设计理念和组合钢板的工岂，对轿车前车门内板进行了结构优化，采用了拓扑优化与尺寸优化、 形状优化相结合的优化策 略，成功地使前车门内板的 质量减重８．７２％１２”。１９９７年 ５月启动的超轻覆盖件ＵＬＳＡＣ（Ｕｌｔｒａ Ｌｉｇｈｔ Ａｕｔｏ ＳｔｅｅｌＣｌｏｓｕｒｅｓ）项目和超轻Ｌｉｇｈｔ悬挂件ＵＬＳＡＳ（Ｕｌｔｒａ图１－３钢材能像手风琴一样吸收碰撞的能量 （幽片来源丁参考文献【ｌ剐）ｓｔ∞ｌＡｕｔｏ Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ）项目，作为ＵＬＳＡＢ的后续项目，也 在轻量化研究上取得很大成绩ｔ驯。ＵＬＳＡＣ项目主要目标是在不降低车身抗冲击 安全性的情况下对离强度刚制造的车身和车门的覆盖件进行轻量化设计．结果与 对比车辆相比，质量降低了３３％。以汽车的悬挂件为对象进行轻量化研究作为 ＵＬＳＡＳ项目的主要目的，通过铸造件的锻造化、实一１１，部件的钢管化等加工方法 的改变及部件结构的最佳化．实现了高强度与高耐久性．与对比车的钢制悬挂件 相比。在同等成本下可减轻２００／旷３０％，与铝制悬挂件相比．在同等重量下可削减成本３０％ｔ“Ｊ。表１－Ｉ减重目标 ｃ纽午 项目 （西欧） 柴油 汽油９５５高强钢的其中一种钢板ＰＮＧＶ级车 （北美） 紫油１０７７即双相铜（ＤＰ钢）的制造和加＿Ｉ＝技术在国外已经非常成 熟，在ｊ９９９年】月正式成立 的超轻钢汽车研究后继项目ＵＬＳＡＢ－ＡＶＣ（Ｕｌｔｒａ ＳｔｅｅｌＡｕｔｏ汽油１０３４整车重量慨参考车重量，ｋｇ９９８（＋２５尸（＋２５）。１１４７（十２妒（＋２５１。１４７０ＬｉｇｈｔＢｏｄｙ―ＡｄｖａｎｃｅｄＶｅｈｉｃｌｅ（Ｆｏｃｕｓ）一１０２（ＰＮＧＶ）４３６Ｃｏｎｃｅｐｔ，以下简称ＡＶＣ）计划中，双相钢在其两 种概念车车身材料中位居主 要地位，均达７４％ｔ”ｌ。以北美 为例，在先进汽车概念车身的 研究方面，北美开发的减重吣（＋２５）（＋２５）２９ ６％减重率脚１６７％①为满足２００４年新的碰撞标准而增加的总最ＰＮＧＶ４：ｌａｓｓ轿车，在其使用的钢材中又以双相钢为最多。据文献［３２］报道．当采 用０７ｍｍ厚的ＤＰＳ００钢代替ｏ ８ｍｍ的ＢｔｃＡ：１０钢板生产车门外板时，通过ＣＡＥ分武汉理］：人学硕十学何论文析及实际试验表明，在其质量减少１２．５％的同时，抗凹陷性能提高约１５％。随着 科技的不断进步，在ＤＰ钢的基础上又开发出了一系列既具有高强度又有优良塑 性的高强钢，可以承受很大的变形而不断裂。如具有相变诱发塑性特性的ＴＤＰ 钢，被世界各国汽车行业一致看好。如图１．３所示，车身变形可以吸收碰撞的能 量，而钢材自身的迅速强化，又减少了车身的变形。 ＡＶＣ与上述三个项目的主要区别在于，上述三个项目仅仅研究汽车的一部 分，而ＡＶＣ则是对整车进行研究，充分利用高效钢材和最新技术，通过整车结 构的高效化、轻量化设计，达到动力的高效化，同时在安全方面达到更高要求１３３１。ＡＶＣ项目将以上三个项目的研究成果进行了整合、优化，并在此基础上有所发展。通过高效钢材的使用和制造技术的创新进行结构优化，从而减轻车体重量， 表１．１为ＡＶＣ项目在满足２００４年出台的更为严格的碰撞标准要求下实现的减重 目标ｔ３４１。开展ＡＶＣ项目证明了钢铁工业只要通过技术创新就完全能够为汽车工 业生产安全、廉价和环境友好的汽车提供满意的材料，而且钢铁材料仍然是汽车 优先选择的材料。表１．２欧美采用镁合金制造的部分汽车零件 汽车厂家 用镁合金制造的部分汽车零件 气缸盖、滤油器、空气滤清器壳、配电器、挡泥板支 架、烟灰盒门、转向盘柱、前久灯罩、前久灯托架、发 通用 动机罩格栅、进气格栅中心座、前大灯框架、配电器、 挡泥板支架、离合器壳、制动器 福特 克莱斯勒 大众 离合器踏板托架、转向柱定位机构、分动器壳 变速器壳体 曲轴箱、变速器壳体、增压器壳、正时齿轮、离合器壳沃尔沃 奔驰 奥迪 保时捷节气门连杆、手制动连杆、车门外把手 座椅架 仪表板 风扇、风扇架、车轮如表１．２所示，在西方工业发达国家，开发与应用铝基、镁基的金属基复合材料已达到产业化阶段。 铝的密度只有钢铁的１／３，它具有良好的机械性能，机械加工性能要比铁高９武汉理Ｉ：人学硕十学位论文出４．５倍，具有抗腐蚀和导热性好的特点，而且其合金还具有强度高、方便回收 和吸能性好等优点【３５】。 铸造铝合金和形变铝合金在汽车工业中利用最多。但是，在运用铝合金方面 还存在着一些难题，例如，铝合金加工难度要比钢材高，成型性也没有钢材好；铝合金因铝的导热性好导致焊接难度高；也不能像钢板那样采用磁力搬运等【３６１。关键问题还是成本，目前铝价还比较高，在运用铝合金时，还应重视成本控制。 镁合金与铝合金性能相似，镁和铝的密度之比为１．８：３，可见镁的密度要更 低，镁是当前最理想、重量最轻的金属结构材料，因而成为汽车轻量化的首选材料，但它铸造比较困难，后处理工艺繁琐，成本非常昂贵旧。我国的镁资源丰富，储存量居全球范围首位。但是，国内使用量很少，尤其汽车行业使用量稀少，因 此作为汽车轻量化的新型材料镁的运用前景会非常广阔。 塑料和复合材料与相同结构性能的钢材相比一般可以减轻部件３５％左右的 重量【３８】。低密度与超低密度片状成型复合材料在重量减轻与强度方面达到甚至超 过了铝，而且材料成本往往更是低廉，所以这种复合材料发展潜力非常大。 复合材料又叫作纤维增强塑料，由增强纤维和塑料复合而成，作为汽车材料 常用到的是玻璃纤维和热固性树脂的复合材料。复合材料密度小、设计灵活和美观、容易设计成整体结构，而且还具有抗腐蚀、隔热和隔电、抗冲击、抗振等优点【３９１。目前，欧美车系应用玻璃钢复合材料就比较广泛。 继金属、塑料之后发展起来的第三大类材料就是精细陶瓷。虽然发展史仅仅 ２０年左右，但具有非常优良的力学性能，如强度和硬度非常高，抗腐蚀性好，抗磨损性强等；精细陶瓷的化学性能也极为优良，如抗热冲击性强，抗氧化、蠕变等。精细陶瓷作为新型轻量化材料被用于汽车零件，轻量化效果明显，更由于它强大的抗热性、抗腐蚀性和抗磨性，汽车发动机燃烧室以及热交换器等零件可采用这种材料，提高了功率，很大程度降低了油耗，从节能角度看则间接地起到轻量化效果【柏】。目前，应用在汽车上的实例少有听闻，但随着应用研究的不断发展以后会得到广泛运用。１．３．３新型加工技术应用汽车轻量化促使汽车制造业在成形方法和联接技术上不断创新。专用焊接技 术、专用机械紧固元件等新型制造加工技术已经得到广泛应用。早在１９８５年奥迪汽车公司就将激光焊接用于轿车底板。德国某公司采用Ｃ０２激光焊接ｌ ｌｍ的焊缝，使其焊接处强度提高５０％１４１１。与传统的电阻焊接相比， 采用激光焊接和切割使部件结构受力更合理，提高结构刚度和安全性，可以最合理的使用不同级别、厚度和性能的钢板，减少零件和模具数量，从而减少了材料１０武汉理ｌ：人学硕十学位论文浪费，降低制造成本，并且使结构更轻。激光焊接技术已经成为工程车辆制造生 产中的最主要焊接方法之一。德国为了．丌发激光在汽车行业的应用，组织了“结 构轻型化＂、“激光感应焊接技术”、“激光和ＭＩＧ混合焊接技术＂、“激光拼焊板＂ 等一系列科研项目【４２】。 在不断开发新型制造材料的同时，世界各地的汽车生产企业也在发展先进的 制造工艺。国外某些汽车厂家采用Ｔａｉｌｏｒｅｄ Ｂｌａｎｋ（泰勒法）工艺制造车身零件， 用这种工艺冲压的车门，各处厚度可以不相等。１．４汽车轻量化发展面临的问题汽车轻量化的方法、技术、新型替代材料颇多，各有各的特点，那么使用现 有技术和材料，汽车到底能做到多轻呢？由美国通用汽车公司设计的一辆完全手工制造出来的超轻型概念汽车质量只有１４０ｋｇ，它的质量只是美国家用汽车平均质量的１２％，耗油量也仅仅只是美国家用汽车平均耗油量的２５％【４３１。该超轻型 概念汽车的研制使用了多项降低重量和提高燃油效率的技术。 不过它作为一辆概念车，现实意义不够大，它的数据也只具有某种指导意义， 因此汽车轻量化前景没有想象中那么乐观。若把眼光拉近到现实中，可以看到， 汽车轻量化虽然已成为未来潮流，但目前要在全行业广泛应用轻量化技术还为时 尚早，技术还不完善、成本高是主要原因。 下面以取得巨大轻量化成果的奥迪Ａ８车 型为例，使用ＡＳＦ技术的全铝车身减重 ２００ｋｇ，以每减重１００ｋｇ油耗减少０．６Ｌ／１ ００ｋｍ来计算，一辆Ａ８车在其行驶寿彳成 本 成本 材料成本 制造成本 设计成本 ?一轻量化程度命１０万公里期间可省油１２００Ｌ，但是相比 下来，全铝车身价格不菲，消费者仍然是 得不偿失【删。虽然对整个社会来说，轻量重量――’图ｌ＿４轻量化程度与成本关系图化将为能源、环境带来巨大的好处，但是具体到每一个消费者，他们却不得不在购车时为自己的钱包作打算，需要认真衡量一下轻质汽车的额外高价与省下的油 钱相比哪一项更多。 汽车轻量化必须以昂贵的设计与制造成本为代价。图ｌ－４所示反映了汽车轻量化与设计成本、制造成本以及材料成本之间关系【４５１。生产企业在考虑重量与成本时二者需要兼顾，图中的阴影区域即为汽车轻量化的最优范围。汽车轻量化目标的实现不能只依靠汽车工业、汽车厂商自身的开发研究，同 时还需要上下游产业的协作努力，如上游的材料、合金、专业分析模拟软件等技术，下游的回收、再生技术等，只有这些技术的不断进步与提高，轻量化的目标武汉理ｌ：人学硕十学位论文才能够很快实现ｍ】。例如，前面有提到采用高强度钢材料既可以满足安全标准又可以减轻车重，但是以ＨＳＬＡ为代表的传统高强度低合盒钢因为其屈服强度比一 般都大于０．９，难以满足汽车制造过程对成型性的要求【４ ７１。钢铁工业需要努力研制新型的高强度钢（ＡＨＳＳ－－Ａｄｖａｎｃｃｄ型性的矛盾。Ｈｉｇｈ ＳｔｒｅｎｇｔｈＳｔｅｅｌ），以解决高强度与成虽然面临重重障碍，汽车研发领域的人们仍然没有放弃努力，专业软件的开 发成效越来越好，新型材料技术、新生产技术和新设计方法不断提高，铝、镁、复合材料和精细陶瓷等新型材料在汽车制造企业中的使用率在逐渐加大。虽然在目前看来汽车工业近年来不会在减重方向出现历史性进步，但是由于不懈努力，人们实际上正在逐步靠近制造出轻质量、低价格的新一代汽车的目标。１．５课题来源与研究内容课题来源于我国某专用车生产企业委托的实际科研项目。其研究目的为：在 不降低承载能力的前提下，对企业所提供的典型重型自卸车进行结构改进和轻量 化设计。 课题的研究内容根据企业的实际需要和国内外研究分析概况来确定，主要的 研究内容包括以下几点： （１）重型自卸车轻量化总体方案的研究 轻量化总体研究方案在整个研究过程中起着主导性作用，它引导着以后的整 个研究过程。因此，只有先确定了先进并易于实现的总体方案再进行研究，才能 更ＪＪｎ Ｊｌ颐利的完成该课题。 （２）用高强度钢板替代普通钢板时强度理论分析及构件壁厚的等效计算．研究在利用高强度钢板进行自卸车构件强度等代设计时钢板壁厚的确定问题，推导出在保证原结构强度不降低的情况下，用高强度钢板替代普通钢板时钢板壁厚的计算公式，对重型自卸车利用高强度钢板进行轻量化设计提供良好的理论依据。 （３）分析典型重型自卸车特点，建立重型自卸车整车分析模型 在科学有效的整体研究方案确定之后，建立合理良好的重型自卸车整车 ＡＮＳＹＳ分析模型尤为重要，它会对计算分析结果产生重要影响。建立重型自卸车整车有限元分析模型，包括几何模型的建立、有限元模型的简化、整车力学特性分析、正确选择单元与合理划分网格等。（４）对整车模型进行精细化研究，建立重型自卸车轻量化模型 通过分析模型找到质量过大的原因，只有建立了精确合理的重型自卸车 ＡＮＳＹＳ轻量化模型，才可以在此基础上进一步对重型自卸车进行轻量化设计。１２武汉理１：人学硕士学位论文（５）对自卸车进行轻量化设计，提出轻量化设计方案 验证轻量化方案的合理性和可行性，提出的重型自卸车轻量化设计方案对降 低现有产品的质量应该效果显著，实现课题的研究目标，为生产企业改进重型自卸车研究工作提供一定依据。本课题的研究方案如图１．５所示。ｉ●研究总体方案确定ＩＩ｝高强雩要勰方法Ｉ１分析及公式推导ＩＩＩ Ｉｌ基于整车模型研究Ｉ ＩＩ基于举升机构的ＡＤＡＭＳ动力学仿真Ｉ货厢与车架ＡＮｓＹｓ分析模型建立０ ＩＩ计算分析Ｉ Ｉ；ＩＩ０模型精细化研究１ｌ基于结构参数轻量化研究Ｉ Ｉ基于高强钢结构轻量化研究Ｉ３ｉ面向结构优化和高强钢结构应用的综合研究Ｉｌ方案提出ｌ Ｉｌ总结分析结果及轻量化结果 图１．５课题研究方案路线武汉理ｌ：人学硕＋学位论文第二章结构优化的基本方法及理论２．１引言根据汽车的整体构造，车身、发动机、底盘、内外装备等占汽车总质量比重的相当大一部分。这样看来，车身、底盘、发动机等部件的轻量化研究对减轻汽车总质量存在很大潜力。利用ＣＡＤ／ＣＡＥ结构分析技术进行优化设计汽车的结构，对零部件进行结构和工艺改进，采用薄壁零部件，并且使之中空化、小型化、 复合化等，尽可能地让零部件的重量降到最小【４引。利用ＣＡＥ技术实现汽车轻量化有着以往设计手段不可超越的先进性。 组成汽车的最小单元就是零件，所以汽车零件是汽车轻量化首先应该考虑到 的。在汽车设计过程中，ＣＡＤ／ＣＡＥ技术主要用于方案设计、建立模型、进行工 程分析、方案评价和详细设计等阶段【４９１。 在汽车轻量化设计中，ＣＡＤ／ＣＡＥ技术主要应用于以下几方面： （１＞车身强度、刚性和空气动力学特性分析 采用ＣＡＤ／ＣＡＥ技术设计车身结构和布局，接着分析汽车各构件的形状、配 置以及板材厚度等的变化，在观察变形量、应力变形结果的同时，反复进行模拟，由于汽车结构对碰撞特性起着决定性的作用，所以采用碰撞模拟分析技术模拟汽车正面局部碰撞、侧面碰撞等各种碰撞，再通过运用满足车身强度和刚度的高强度铝合金、镁合金材料，努力寻求最合理的设计方案【５０１。（２）发动机性能分析 利用ＣＡＤ／ＣＡＥ技术分析运用铝、镁合金材料制成的发动机气缸的进气流，从为实现理想的燃烧状况的气缸、进气歧管、气门形状、配气正时等众多因素中，选择出最合适的条件，同时可模拟发动机气缸内燃烧现象，对燃油消耗率的降低、 排放污染的减少和节能型发动机的开发都具有巨大作用。（３）设计稚局分析采用ＣＡＤ／ＣＡＥ技术分析运动件的运动干涉和固定件的布局干涉，在汽车轻量化过程中，一定不能忽略的步骤就是要利用三维数据检查汽车复杂零部件是否存在相互干涉。务必要考虑到并要保证零部件的可维修性，这是在寻求合理布局 的同时格外需要注意的情况。 （４）振动、噪声分析运动零件的轻量化设计可使汽车的噪声和振动减轻，利用有限元法进行结构解析，以对话方式输入与图面尺寸相应的零件形状参数，自动地作成有限元模型。对各部应力、刚性进行高精度预测，减重的极限设计快速完成，通过实施有效方１４武汉理一Ｉ：人学硕十学位论文法，使各部位的振动和噪声尽可能地减到最小。 总之，采用ＣＡＤ／ＣＡＥ和结构解析技术进行优化设计是汽车轻量化的主要途 径，通过采取有效措施实现零部件的精简、轻质、整体性和合理化，同时以高强度轻质材料代替传统的钢铁材料，最终使得质量减轻、燃油消耗率降低以及排放污染减少。 ２．２ＣＡＤ／ＣＡＥ技术概述ＣＡＥ技术（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，即计算机辅助工程）将计算机技术和工程分析技术相结合，是一项以有限元法和数值分析方法为理论基础的逐步发 展而成的先进技术。有限元法的基本思想是将连续的求解区域划分为一组有限 个、且按一定方式相互连结在一起的单元的组合体。由于单元本身又可以有不同 形状，因此可以采用几何形状复杂的求解域来进行模拟。数值分析方法是研究实 际可行、理论可靠、计算复杂性好的并适合于在计算机上使用的数值计算方法，近半个世纪以来，得到迅猛发展的数值分析已经逐步形成为数学科学中一门独立的学科筘¨。 ＣＡＥ的核心技术为有限元技术与虚拟样机的运动／动力学仿真技术。主要任 务是采用计算机的方式分析工程或产品的性能以及安全可靠性，模拟工程或产品 未来的工作状态和运行行为，确保设计缺陷能够及早被发现，并对工程或产品的未来性能的可用性与可靠性进行证实。参考文献［５２］扩展了ＣＡＥ的定义，将 ＣＡＥ解释成为是集成分析、计算和仿真于一体的一切研发活动，所以它是一个从产品研究开发到产品检测整个生产过程都能支持的计算机系统。ＣＡＥ软件是一种综合性、知识密集型信息产品，涉及到有限元法、数值分 析、优化设计、图像处理、工程管理学、人机智能工程等多种技术领域，较为常用的ＣＡＥ软件有ＡＮＳＹＳ、ＡＢＱＵＳ、ＡＬＧＯＲ、ＭＡＲＣ、ＮＡＳＴＲＡＮ、ＳＴＲＡＮＤ７ 等【５３】。进入新世纪以后，ＣＡＥ软件版本正在不断更新中，在各方面取得了进一步完善，比如其功能、性能、前后处理能力、单元库、解法库、材料库等方面都 有很大提升，又由于已具有了趋于发展成熟的用户界面和数据管理技术，很多理 论分析无法解决而实际工程又需要解决的复杂问题可以得到完善解决。 按照研究对象的物理属性进行分类，ＣＡＥ分为静力计算、动力计算、运动 （干涉）计算、疲劳计算、热分析、流体分析、塑性分析及噪声分析等；根据分 析目标的不同，ＣＡＥ技术分为静态分析、动态分析、可靠性分析和优化分析髀】。 ２－３ＡＮＳＹＳ软件简介ＡＮＳＹＳ集成了结构、热、流体、电磁、声学等课题，于１９７０年由美国ＡＮＳＹＳ武汉理＋１ｊ人学硕士学位论文公司开发，属于一种大型通用有限元分析（ＦＥＡ）商业软件。ＡＮＳＹＳ公司自成 立以来，在其创始人Ｊｏｈｎ Ｓｗａｎｓｏｎ教授的领导下，不断吸取世界最先进的计算方 法和计算机技术，引领着世界有限元分析软件的发展ｆ５５】。ＡＮＳＹＳ软件技术先进， 应用可靠，并且更是开放实用，目前在全球工业界已被广泛应用。２．３．１ＡＮＳＹＳ的理论基础和分析思路ＡＮＳＹＳ的理论基础是有限单元法，其分析的基本思路是：将结构体看成是由有限个离散而成的单元组成的整体，求解出单元结点的位移，并以此为基本的 未知量。下面大致介绍了有限元法的整个分析过程ｆ５６Ｊ：（１）单元类型和离散结构的选择。首先分析结构物的几何形状和受力特点， 再以此为依据选择较为合适的单元，然后根据所选择的单元类型将待分析的结构体离散为有限个单元。 （２）位移函数的选择。选择结构体离散后的每个单元内的位移函数，在单元内部用单元的节点值定义该函数，对于使用同一个位移函数的单元，可以重复使用这个通用的位移函数。结构体是一个连续量，若整个物体内的位移用一个离散 的模型来近似，从而离散模型是由每个有限单元内定义的分片连续函数组成的。 （３）应变位移和应力应变关系的定义。利用应变位移和应力应变关系，对每 一个有限单元的方程来进行推导，例如：幽ｑ２夏式中，ｇ。为ｘ方向的应变；“为ｘ方向的位移。该式反映了在小变形和小应变的 情况下，ｘ方向的应变和位移的正比关系。 此外，应力和应变必须通过应力应变关系（本构关系）联系起来。要获取可 接受的合理结果，最重要的事情是要精确定义材料行为的能力。 （４）单元刚度矩阵和方程的推导。基于刚度影响系数的概念，采用直接平衡、 功和能量、加权余量等方法来建立单元刚度矩阵和单元方程。（５）总体方程的求得及边界条件的引进。通过采用叠加法可以根据单元方程求得总体方程，将第（４）步中得出的单个单元方程加在一起便可以求得整个结 构体的总体方程：｛Ｆ）＝【Ｋ】｛ｄ） 式中，｛Ｆ）为整体节点力矢量；【Ｋ】为结构总体刚度矩阵；｛ｄ）为广义位移。该式为整个结构体的总体方程的矩阵形式。（６）广义位移的求解。广义位移可通过消元法或迭代法对第（５）步中的方程进行求解而计算出来。（７）单元应变和应力的求解。根据已知条件，对于结构应力应变分析来说，１６武汉理ｊ ｌ：人学硕十学位论文利用典型的应变和位移关系，运用步骤（３）给出的应力方程得到应力应变关系，再通过步骤（６）求解出的广义位移，即可求解出单元应变和应力结果。２．３．２ ＡＮＳＹＳ软件的特点和分析过程 旱在７０年代，美国ＡＮＳＹＳ公司就开创了在有限元软件中引入了图形技术和 交互式操作方法的先例，使有限元的前后处理跨进了崭新的时代；在８０年代初期，ＡＮＳＹＳ公司开发出了世界上第一个Ｐｃ机上的分析程序，并实现了ＰＣ机与其他硬件平台上完全统一的用户界面：在９０年代初期，ＡＮＳＹＳ公司推出了与虚 拟样机技术相对应的“多物理场’’仿真技术；当全球进入网络时代时，ＡＮＳＹＳ公司又开发出了具有竞争力的异种异构平台的全网络浮动技术，通过不同硬件平台数据文件统一、用户界面统一为ＣＡＥ建立有限元模型的应用提供了空前灵活的工作环境【５７】。 最近，ＡＮＳＹＳ公司又开发出了智能化◆材料属性 ◆几何模型◆警．元选择◆前期设计ＣＡＥ工具－－ＤｅｓｉｇｎＳｐａｃｅ，针对产品设计前期，该系统能够反复地比 较、评估以及改进设计方案和设想，使 优化设计得以高效、顺利完成。 此外，ＡＮＳＹＳ公司还开发了计算例格划分ＡＮＳＹＳ分析程序 前处理器（Ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）工施加载荷并求解设定约束 ◆施加载荷◆Ｕ求解器＿（Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）◆求解机辅助创新软件－－ＴｅｃｈｏＰｔｉｍｉｚｅｒ，该软Ｉ工分析件是针对不同工程领域的产品而设计Ｕ，ｆ舌处理器（Ｐｏｓｔｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）Ｉ的，作为一种知识的创新工具帮助研发 技术人员在产品的概念设计阶段找到更合理更有效的解决方案，并且以市场１分析结果显示图２．１ ＡＮＳＹＳ软件分析过程需求为依据，正确的发现产品开发中关键问题，而且能让问题很快得到解决，合理可行的创新方案也可以随之提出，由于它工作的高质高效，能够很好的将设计 引往正确的方向１５引。ＡＮＳＹＳ程序功能强大，并且具有灵活的设计分析和优化软件包，该软件适用的操作系统广泛，可在Ｐｃ机、ＮＴ工作站、ＵＮＩＸ工作站直至巨型机等各类计 算机中运行，并能够兼容其所有产品系列和工作平台上数据文件；在同一模型上 具有多功能物理藕合功能，可以进行热．结构藕合、磁一结构藕合等各种藕合计算，在巨型机上仍可以运行在ＰＣ机上生成的模型，能够完成所有ＡＮＳＹＳ用户的多领域多学科工程问题的求解【５９１。下面概况介绍了ＡＮＳＹＳ软件的主要特点【删：（１）以工程学的理论、许多数值分析的理论及技术为理论基础；（２）大量工程上出现的问题可得到解决；武汉理ｌ：人学硕十学何论文（３）采用的解题技术效率高； （４）定义问题以使用者为导向； （５）求得的结果以问题的定义为依据； （６）图形表示功能完整且技巧高效； （７）附带的帮助文件完整，其内容还含有经过许多验证的完整例题；（８）工程完整及其新技术由研发人员在不断推出； （９）历年的研讨会按时完善举行，用来帮助使用者解决问题的电子布告栏也在不断更新发布。ＡＮＳＹＳ的有限元分析是在模拟一种物理现象，所以ＡＮＳＹＳ分析是对真实环境的数值近似。通过对分析对象进行单元离散并求解有限个数值来近似模拟真 实情况的无限个未知量。其整个分析过程包括前处理、解题程序、后处理三个方 面。具体的分析过程如图２一ｌ所示。２．４板壳单元的研究在工程实际中存在着大量的板壳结构，其数值计算在有限元分析中占有一定 的比例。它的几何特点是其厚度远小于其他两个方向的尺寸，因此可以引入一定 的假设（如平板的Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ假设等），使得厚度方向的受力和变形得到简化，从而能够采用中面模型来表示并将三维问题简化为二维问题【６¨。这种简化可以使计算量得到很大的缩减，同时也可以避免求解方程系数矩阵的元素相差过大以致形 成奇异阵。 作为工程应用中的重要结构，板壳通常具有薄膜和弯曲双重受力特征。对于 这种特殊结构，其空间位置的表示格式和位移与应变的关系描述都比较复杂，直接运用现有的各种壳体理论进行解析分析很困难，而用有限元法进行壳体分析比较方便切实，有诸多学者广泛致力于壳体有限元的分析研究。而在有限元模拟中，单元模型是核心。单元类型的建立和单元形状的选取，必须根据结构总体求解域 的几何特点而定，并且与方程的类型和所需的求解精度等因素有关，从而根据不 同的理论、选取不同形状的单元、采用不同的插值函数方次进行计算【６２】。 板壳的几何形状具有其相对特殊的属性，而板常被认为是壳的特殊情况，面积与体积之比大，厚度相对很小。薄板成形通常是一个大变形的几何非线性过程。常应变三角形单元对复杂几何形状具有良好的适应性，是有限单元法中最早提出 的并得到广泛应用的单元之一但由于单元中的应变和应力都是常量，而工程结构中的应力场通常会随着坐标而急剧变化，需要布置大量的密集单元，才能获得较 好的计算精度，因而节点多、计算量大。而采用位移函数采用二次以上多项式的高次单元单元，内部应变和应力都是变化的，能较好地反映实际应力应变变化的武汉理Ｉ：人学硕十学位论文情况【６３１。 在板壳结构的有限元分析中，通常采用薄膜理论、连续介质理论和板壳理论 来建立单元模型。可以通过构造三维实体单元（空间单元）或者建立二维平面单元进行板料成形的弹塑性有限元数值模拟。根据三维实体单元进行板壳分析，方 法简单，可以处理弯曲效应，但单元变量相对较多、方程列式较复杂。板料厚度一般较小，尤其在结构很薄时，若使用空间单元，单元网格必须画得非常细密， 否则会造成单元长宽厚三个方面的尺寸差别过大，会使刚度矩阵出现奇异，从而 会大大降低数值性能，可能导致产生病态方程畔】。这样在分析板料成形问题时，就会需要较长的计算时间和较大的计算内存。因而在板料冲压这类板壳结构分析 中常常采用薄膜理论和板壳理论建立二维单元进行数值模拟研究。这是因为壳单 元相对较为简便高效、易于实现，在分析处理时引入了一定的假设，从而使实际的三维问题得到简化，而在数值计算上便于解析求解，避免求解方程系数矩阵元素相差过大而造成的数值困难， 同时也突出了板壳结构的变形特点。板壳有限元的研究一直是有限单元法的研厂究重点，表２－Ｉ列出了板 壳单元类型发展历史的 重大事件年代【６５】。其中运 用最广的是平面膜元、平表２－１板壳单元发展的重大历史事件卜＿ 卜＿卜＿卜卜＿板弯曲单元和壳体单元。在薄板的有限元分析中，Ｆ Ｐ Ｌ有时可以使用薄膜单元卜对薄板行为进行模拟，但绝大多数使用板壳理论Ｌ建立板壳单元。１９武汉理Ｉ：人学硕十学何论文第三章专用车高强钢强度等代设计研究３．１引言在专用汽车行业，与铝合金、镁合金相比，高强度钢板的应用又会起着相当大的作用。在全球汽车工业中，越来越多技术研发人员注意到利用高强度钢板的优势，在进行专用车结构轻量化设计时，采用高强度钢板替代普通钢板的方法受 到很大青睐。根据有关数据显示，某种构件在采用高强度钢板进行构件强度等代 设计后，在很大程度上减小了构件重量，下降幅度甚至可以达到２５％【３３】。本文 采用弹性力学和板壳理论基本原理，对构件应力、材料属性和壁厚之ｆ’日Ｊ的关系在复杂应力状态下进行了分析，在采用高强度钢板替代普通钢板的方法时针对钢板壁厚的确定问题进行了研究，在保证构件强度不低于原有结构的情况下，成功推导出钢板壁厚的计算公式。在保证构件强度不降低的前提下，可以使构件最大限度的减轻得以实现，对专用车生产企业在采用高强度钢板进行构件强度等代设计 轻量化设计时提供了有效参考。３．２利用高强度钢板等代设计板厚计算公式推导３．２．１基本理论在专用汽车设计和制造中，一般运用薄壁冲压构件来作为承载构件，有截面形状各异的杆件，比如矩形、槽型、工字型等截面的杆件，也有大型薄板结构，从本质上讲，可以看作力学上 的板壳问题来处理。研究对象 可以选择为图３．１所示的六面 体微元。图中，设板壳结构厚 度为ｔ；ｔ、出和咖分别为六 面体的边长。假设Ⅳｒ和Ⅳ’，为 作用于中面单位宽度上的拉 压内力，墨和Ｓ。，为平错内力，肘，和Ｍ。为作用于单位宽度上的弯矩，肘。和肘。为扭矩，Ｑ和Ｑ，横向剪力，吒、盯，和 ｔ为结构所产生的正应力， ％、％和ｆ瞄为剪应力，吒为图３．１六面体微元内力示意图武汉理ｌ：人学硕＋学位论文薄壁件的挤压应力。由于薄壁件的挤压应力数值非常小，通常可以忽略ｏｒ．，又可知Ｓ，书．，＝Ｓ，且膨。，＝ＭＷ，可得到对于小扰度弯曲问题板壳内的应力，可以通过式（１）表示。在采用高强度钢板进行强度等代设计时，由板壳理论可知，ｒ ｎ，和ｒ。，可以忽 略不计，因此仃，、仃。和ｒ。就成为了主要应力，它们主要包括两部分应力，即面 内的薄膜应力和弯曲应力。面内的薄膜应力沿厚度均匀分布，弯曲应力关于中面 反对称，沿厚度线性变化。瓯：盟＋毕ｚ ２彳＋７ｚ ｃｒＶ：笠＋－１２＿Ｍｙ ｑ ２亍＋丁ｚｑｚ勺２‰。了卞丁ｚ（１） ｋ＝６¨ＱＪ（ｔ＿－ｚｚ ２） ２亍【ｉｑ‘ｊ ｋ＝等卜２）ｆｗ：ｆ孵：一Ｓ卞―１―２―Ｍ广ｖｚ（１）ｋｑ、ｑ和～三个应力分量的最大值发生在薄板的上表面或下表面， 代入式（１）中，可得到嚷、ｑ和～三个应力的最大值。Ｚ－－ｔ／２Ｍ一＝洲铡 Ｉｑ｛一＝削爿 Ｉ～｜蛳扑Ｊ剽ＩｌＩＩ‘ｌ（２）根据以上式子可以看出，在内力不变的情况下，面内的薄膜应力与板厚ｔ成反比，弯曲应力与板厚的平方ｔ２成反比。３．２．２强度等代设计中板厚计算公式的推导高强度钢板的强度虽然比普通钢板的强度高很多，但是它们的泊松比∥和弹性模量Ｅ却相差不是很大。当进行高强度钢板等代设计时，保持结构形式一致， 只是将高强度钢板替换普通钢板时的板厚等效计算作为研究的中心，在一般情况 下，采用高强度钢板进行强度等代设计时，前后构件的内力不会发生很大变化， 所以进行壁厚的计算公式推导时可以不用将它考虑进去。２ｌ武汉理Ｉ：人学硕＋学位论文假设岛为原结构普通钢板构件的壁厚，【仃】。为许用应力，‘为高强度钢板构 件的壁厚，【盯】Ｉ为高强度钢板构件的许用应力，ｔｏ和‘的强度等代设计关系可由式（２）获得。 由于薄膜应力与板厚ｔ成反比，对弯曲应力为零的薄壁构件，在利用高强度 钢板进行强度等代设计时，原结构普通钢板构件和高强度钢板构件壁厚的关系满 足：磐：狰：｝ Ｈ。吡％国Ｖ７又因为在进行强度等代设计时，用许用应力计算会给计算带来不便，因此， 若假设替代前后构件的安全系数保持不变，则式（３）可表示为：‘＝黯气壁构件，同理可得壁厚的关系为：卿式中，（吒）。为普通钢板的屈服应力；（吼）。为高强度钢板的屈服应力。由公式（２）可知，弯曲应力与板厚的平方ｔ２成反比，对薄膜应力为零的薄（５） 在一般情况下，薄壁构件同时存在薄膜应力和弯曲应力。所以，原则上替换 后的高强度钢板的壁厚应介于两者之间，即确定了替代后钢板的厚度范圈。黯㈣≤对于压力容器，罐体一般是处于简单的应力状态，因此取式（６）的下限值 进行罐体的壁厚计算。一般情况下，从保证结构的安全和公式适用的普遍性考虑， 可取式（６）的上限对应力状态较为复杂的构件壁厚进行计算，替代后的高强度 钢板厚度按式（５）计算，这样的强度等代设计是偏安全的。以各构件的应力状态为依据，可在壁厚的上下限范围内对壁厚计算值进行调整。若薄壁构件主要处 于简单应力状态，则可向下调整；对于处于复杂应力状态下的薄壁构件，则需要 向上调整。 气＝ｉ＝ｌ，２，…，ｎ对于多种材料组成的专用车构件，采用高强度钢板对普通钢板进行强度等代 设计时，假设不会发生刚度重新分配问题，对各构件壁厚通过上式计算出来，假 设（ｃｒｙ）。，为原结构材料的屈服应力；气，为第ｉ个构件的壁厚；（吼）。。为替换后结构武汉理．Ｉ：人学硕十学位论文材料的屈服应力；毛，为第ｆ个构件的壁厚，ｎ为构件总数。３．３不同材料的构件壁厚计算目前市场上高强度钢板产品比较多，例如ＨＡＲＤＯＸ、Ａ６１０Ｌ及ＳＳＡＢ等高 强度钢板。下面以所研究的重型自卸车副车架部分构件为例，根据上述公式（７），计算出副车架部分构件利用高强度钢板替换后各构件的计算壁厚。副车架选取的是１６Ｍｎ和Ｑ２３５两种材料。１６Ｍｎ材料的屈服应力为３４５ＭＰａ，Ｑ２３５材料的屈 服应力为２３５ＭＰａ。 ３．３．１Ａ６１０Ｌ高强钢计算举例利用Ａ６１０Ｌ高强度钢板替换所有的构件，其服应力为５５０ＭＰａ，即对Ｖｆ， 耿（吒）ｌ，＝５５０ＭＰａ。 对１６Ｍｎ材料以副车架（左或右）纵梁为例进行说明。取（吒）。，＝３４５ＭＰａ， 由于纵梁的板厚为８ｍｍ，因此取％。＝８ｍｍ。将其代入式（７），可得用Ａ６１０Ｌ钢 板替代Ｑ３４５钢板时纵梁的壁厚‘。为：：，ｆ丝ｘ ８：６翩ｍ １Ｉ『面＿６３删２对Ｑ２３５材料以后衬梁（左或右）为例。耿（吒）。：＝２３５ＭＰａ。由于后衬梁板厚为５ｍｍ，因此取‰＝５咖ｌ。将其代入式（７），可得用Ａ６１０Ｌ钢板替代Ｑ２３５‘钢板时纵梁的壁厚‘：为：：．胖×５：３．３，，ｚ柳 ２√丽灼＝３３嬲计算结果如表３．１所示。依此类推，即可得到其它构件的替换壁厚。表３．１部分构件替换前后壁厚 序号ｌ ２．原壁厚（ｍｍ）８ ５材料 Ｑ３４５ Ｑ２３５替换壁厚（ｍｍ）６．３ ３．３３．３．２ＸＡＲ３００高强钢计算举例ＸＡＲ３００高强度钢板的屈服应力为７００ＭＰａ，故对Ⅵ，取（吒）ｌ，＝７００ＭＰａ。对１６Ｍｎ材料仍以副车架（左或右）纵梁为例进行说明。取（ｑ）。。＝３４５ＭＰａ， 由于纵梁的板厚为８ｍｍ，因此取％。＝８ｍｍ。将其代入式（７），可得用ＸＡＲ３００武汉理＋１：人学硕十学位论文钢板替代ｔ６Ｍｎ钢板时纵梁的壁厚‘。为：：，／丝×８：５．６聊脚 ２、／而蝻《丙翮对Ｑ２３５材料以后衬梁（左或右）为例。取（ｑ）。：＝２３５ＭＰａ。由于后衬梁板厚为５ｍｍ，Ｎ此取ｔｏｚ＝Ｓｍｍ。将其代入式（７），可得用ＸＡＲ３００钢板替代Ｑ２３５ 钢板时后衬梁的壁厚‘：为：：．７丝×５：２胁胁 ２√而妈。２９翮计算结果如表３．２所示。依此类推，即可得到其它构件的替换壁厚。表３－２部分构件替换前后壁厚 序号ｌ ２原壁厚（ｍｍ）８ ５材料 Ｑ３４５ Ｑ２３５替换壁厚（ｍｍ）５．６ ２．９３．３．３ＤＯＭＥＸ高强钢计算举例ＤＯＭＥＸ高强度钢板的屈服应力为９００ＭＰａ，和上面计算类似，材料不变，故对Ｖｆ，取（ｏ－Ａ，，＝９００ＭＰａ。还是以副车架纵梁和后衬梁为例。对１６Ｍｎ材料以副车架（左或右）纵梁为例进行说明。取（ｇ）。，＝３４５ＭＰａ， 由于纵梁的板厚为８ｍｍ，因此取ｆｏ。＝８ｍｍ。将其代入式（７），可得用ＤＯＭＥＸ 钢板替代１６Ｍｎ钢板时纵梁的壁Ｐｇ ｔ，，为：：，ｆ丝×８：４．９ｍｍ＝，ｆ――×＝． Ｖ ９００对Ｑ２３５材料以后衬梁（左或右）为例。取（吒）。：＝２３５ＭＰａ。由于后衬梁板 厚为５ｍｍ，因此取‰＝５ｍｍ。将其代入式（７），可得用ＤＯＭＥＸ钢板替代Ｑ２３５ 钢板时后衬梁的壁厚‘：为：‘２＝：．１２３ｊ×５：２．６ｍｍ ２～ｙｕｕ×５２２?６ｍｍ材料 Ｑ３４５ Ｑ２３５ 替换壁厚（ｍｍ）４．９ ２．６表３．３部分构件替换前后壁厚 序号ｌ ２原壁厚（ｎｕｎ）８ ５计算结果如表３．３所示。依此类推，即可得到其它构件的替换壁厚。武汉理Ｉ：人学硕十学位论文３．４小结（１）在利用高强度钢板等代设计时，需要对计算得到的壁厚值进行圆整，圆 整方向可按有限元计算后构件应力富余程度大小进行圆整。 （２）由于强度等代设计中结构形式不变，因此根据高强度钢板结构的构件壁 厚与原结构构件的壁厚的差值，即可估算出利用高强度钢板替换普通钢板后带来 的轻量化效果。 （３）目前高强度钢板类型繁多，在专用车领域应用比较成熟和普遍的部分高强度钢板材料如表３．４所示，以供设计时进行参考。表中只列出材料对应的屈服应力范围，在具体应用过程中，要了解具体参数需要进一步查阅。表３－４高强度钢板材料 公司名称 未知 材料名称Ｊ皤服应力（ｑ） 单位：ＭＰａＡ６１０Ｌ５５０ ５５伊―９００ ７００ ７０伊一１ ５００ ９００ １０００ １１００ＤＯＭＥＸ系列ＳＳＡＢ ．ＤＯＣＯＬ７００ＸＡＲ系列ＢＲＩＮＡＲ４００Ｃｒ ＨＡＲＤＯＸＤＵＲＯＳＴ―汀４００ＦＯＲＡ４００武汉理【：人学硕士学位论文第四章典型重型自卸车结构分析４１引言所研究的重型自卸车是普通自卸车，它的制造要遵照公路法规和汽车设计的规范。重型自卸车额定载荷为１２ｔ，外廓尺寸参数为８４０７×２４９５×３５２０ｍｍ。整车 结构由汽车底盘和上装两大部分组成，上装包括货厢、副车架、举升机构、液压 系统、电气系统等。图４，ｌ为重型自卸车整车结构图。围４．１整车结构图１．士车架．２一副午架；３．举升机构；牟后倾舸直座：５－货厢由于整个轻量化研究过程是以掌握研究对象的结构特点为基础的，所｜三ｌ Ｆ面 将对所研究的重型自卸车的货厢和主副车架各个构件及举升机构的结构进行详细分析。４２举升机构结构特点自卸车的基本功能就是自卸，也就是说通过举升机构，将货厢绕后铰链旋转一定角 度，将货厢内的货物卸掉．所以说自卸车举 升机构是自卸汽车结构的核心。 所研究重型自卸车采用的是Ｔ式举升机 构，也称为“马德里式油缸前推举升机构”， 它属于连杆组合式举升机构类型中的一种。 其主要构件有液压油缸、三角臂和拉杆。Ｔ 式举升机构的三角臂顶端与车厢铰接，三角＂＆图４１２Ｔ式举升机构结构示意图孓武汉理．１：入学硕十学位论文臂中端与油缸活塞杆铰接，三角臂下端与拉杆上端铰接，拉杆下端与副车架铰接， 油缸缸体与副车架铰接，绕铰接点可自由回转，其结构示意图如图４．２所示。 这种举升机构的特点是举升力小，油压特性好，刚性足，横向稳定性好，举升角圆滑平顺，而且能在较小的空间，通过机构放大系统，能实现车厢获得较大 的倾卸角度；但油缸摆角大，活塞行程稍大。这种机构由于油缸前推，安装空间 范围广，容易布置，所以目前获得了广泛应用。在车厢长度３．６ｍ，－一７ｍ的重型自 卸汽车中大多数采用该机构。４．３货厢结构特点所研究的重型自卸车货厢为矩形货厢，适用于散装货物的运输，主要应用货 物装载、倾卸，冲击力不大的情况下。 货厢是用于装载和倾卸货物的，一般由前板，左、右侧板，后板和底板组成。 为避免装载时物料下落砸坏驾驶室顶盖，通常在货厢前板上加做向前延伸的防护 挡板，货厢底板强度刚度要求高些，所以底板下面焊有纵梁、横梁等底架。货厢 的侧板，前、后板外面布置有加强筋。前板，左、右侧板都与底板固定，后板左、 右上部与侧板铰接，后栏板借此可丌启或关闭。ｋ翻■＿ｌ ｌ雕参Ｊ～ 叫’ｋＪ Ｈｌｉｌ＿ Ｉ卜●ｉ■ｆ Ⅲ ３■ｎ ｐ～一７∥吣 扛∽ｌ Ｉ 、Ｉ｛１Ｉ卜ｏｆⅥｔ ｆｊＪ ｌｋ■吨“７一ｏ／７孳／１图４－３货箱整体结构图 Ｉ．前板；２．底架；３．侧板；４．后板货厢整体结构图如图４．３所示，由底架总成、前板总成、后板总成左右侧板总成组成，货厢总长６１８５ｍｍ，总宽２４４０ｍｍ，总高为２１８０ｍｍ。４．３．１货厢底架总成结构特点货厢底架整体为对称结构，其结构如图４＿４所示。底架骨架结构由４根纵梁、 辅助承重梁、辅助中横梁以及另外１８根边横梁和８根中横梁等构件组成。 其纵梁焊接件由两个截面尺寸分别为２４３ Ｘ ８０×８ｒａｍ（腹板高度Ｘ翼面宽度 ×厚度）和２２５×３０×５ｍｍ的槽钢焊接而成，两槽钢通过焊接构成一个封闭截面，武汉理ｊ Ｉ：人学硕十学位论文形状如图４．５所示。ｌｌｌ｛｛｜；｛｜Ｉｌ｛｜／！ ＼／ｌ＼／―‘／。 ｌ Ｎ、／；＼／ ＼／；２＼ｆｔ．翟ｊ｝、／＼／ ！ｊ，！ｊ嚣 。ｌ、ｌ｝ ｛《｛｛ｐ； 融Ｉ｛ｉ，｛； 。｜飞｝｛／＼《 ／＼／＼；；ｔ／｝ｆ７＼ ｜ 、．／｝：｜｜Ｉ；、ｊ／｜ｌｆ／１，＼ｌ图４＿４货厢底架总成结构图 Ｉ．中横梁Ｉ；２．底板；３．顶杆梁总成；４．边横梁；５．中横梁；６－纵梁ｌ； ７．辅助中横梁；８．辅助承重梁；９－纵梁２；１０．后边横梁；１１．后中横梁货厢底架倾翻支座处的辅助承重梁由截面尺寸 为２８０×３８×８ｍｍ的承重梁槽钢和一块厚度为８ｍｍ 的承重梁钢板焊接而成，如图４―６所示。 各个中横梁均为槽钢结构，焊接时开口面与封板 相对，组成一个封闭截面。底架边横梁与中横梁结构 一样，也是通过与底板组合从而形成封闭结构。在边 横梁与底架纵梁焊接位置，采用若干个加强筋对边横 梁进行加固。 与边板相比，货厢底架强度和刚度要求要高一 些，一般情况下，货厢底板的厚度要比边板的厚度稍 微大一点，所研究的重型自卸车货箱底板厚度为 ｌＯｍｍ。车厢底架总成中除纵梁材料为１６Ｍｎ外，其 它构件材料均为Ｑ２３５钢。 图４－６辅助承重梁截面 图４．５货厢底架纵梁截面４．３．２货厢前板总成结构特点货厢前板总成结构如图４．７所示，构件包括：底板、中立柱、中横筋、边横筋以及顶盖。前板底板为厚度８ｍｍ的Ｑ２３５热板，中立柱、中横筋和边横筋均为截面尺寸均为１５０ｘ ６５ｘ３ｍｍ（腹板高度Ｘ翼面宽度Ｘ厚度）的槽钢结构，焊接时与前板底板组成一个封闭截面。前板顶盖部分防尘板和左右两边四边形挡板的材料都是厚武汉理Ｉ：人学硕十学位论文度３ｍｍ的Ｑ２３５热板。４．３．３货厢后板总成结构特点货厢后板总成的结构如图４－８所示，由主体构件有铰链臂、边框、底板、上 框、横筋、中立柱、下框、三角板等。蠢． ２ ｔ｜ ｊ、》４，；、‘； ｌ！ ｜｛ｆ∥●１。ＥＦｏｋ。＼＼｝彳＼＼ｊＩ∥』 ｆ‘７＼Ｎ｛ｌ‘／ Ｉ、。么二图４．７货箱前板总成结构图 Ｉ．底板；２．中立柱；３．中横筋； ４．边横筋：５．顶盖幽４．８车厢后板总成结构图 １．铰链臂；２．边框；３．底板；４．上框； ５．横筋；６．中立柱；７．下框：８．三角板后板上框截面尺寸为１５０×７５×４ｍｍ（腹板高度×翼面宽度×厚度），为Ｑ２３５ 槽钢结构。边框截面尺寸为１５０×７０×４ｍｍ，中立柱的截面尺寸为１８０×６５ｘ ３ｍｍ，边框、中立柱均为槽钢结 构。后板横筋和下框截面形状分 别如图４．９和４．１０所示。底板板 厚度为８ ｍｉｌｌ，焊接时上下框、边 框、中立柱及横筋开口与底板相 对，共同形成一个封闭结构。采 用三角形加强板来对上、下框和 边框连接位置进行加强加固。 后板总成与侧板总成之间通挺３５。＞／＼ｏ＾ｌ＿ｌ６０图４－９后板横筋截面图４－１０后板下框截面过铰链臂连接，在正常运输过程中，为了防止后板打开，通过锁钩座将货厢侧板和后板固定锁止。当举升机构顶 起倾卸货物时，后板打开，可保证货物顺利卸下。４．３．４货厢侧板总成结构特点货厢侧板总成结构其结构如图４．１ｌ所示，由前立柱、上下纵梁、活动梁立 柱、上下活动梁、底板、中立柱、后立柱等组成。武汉理一ｉ：人学硕十学位论文其中主体框架结构由前、 中、后立柱、上纵梁及下纵梁 共同构成。前、中、后立柱均 为材料为Ｑ２３５的槽钢结构，侧，避＼６＞／ｏ ∞?－Ｉ板上、下框的截面形状分别如图４．１２和４．１３所示，板厚都是 ４ｍｍ。封板厚度为８ｍｍ，将以 上构件形成的主体框架结构进 行封闭，起到防止货物从货厢 侧面散落的作用。图４．１２侧板上框截面囟．图４－１３侧板下框截面７ｌ／ｌ／７ｆｊｌ‘ｌ ，／， 。｜，７，， 暂一ｌ／｛。ｉ，，ｆ；ｌ；ｒｉｌ ｛ ｝＼＼．一ｆ ÷｛，ｉ一ｉ“｝ｏ｜＼ 、、｜≮，ｌ。ｌ图４．１ｌ货箱侧板总成结构图 １．前立柱；２．上纵梁；３．活动梁立柱；４＿上活动梁； ５．下活动梁；６．底板；７．中立柱；８．下纵梁；９．后立柱４．４主副车架结构特点重型自卸车副车架位于货厢底部与汽车底盘主车架之间，副车架通过骑马螺栓和连接板等与主车架固定，副车架后端焊有铰接支座，货厢与副车架通过该铰２１４链支座相连，货厢在举升机构作用下，绕着这个铰链支座转动。 所研究重型自卸车副车 架通过纵梁和横梁构成主体 结构，其结构如图４－１４所 示。左右纵梁、油缸及拉杆∞●图４－１５副车架纵梁截面图４－１６后翻转横梁截面支座总成、后翻转横梁总成、 四根横梁及其它附件组成了武汉理Ｉ：人学硕十学位论文副车架的承载主体。如图４．１５所示，副车架纵梁全长为５２５５ｍｍ，截面尺寸为２１５×９０×８ｍｍ（腹 板高度×翼面宽度ｘ厚度），前后两端内侧有衬梁，截面尺寸均为１９９Ｘ４５× ６ｍｍ（腹板高度×翼面宽度×厚度）。副车架纵梁主体为１６Ｍｎ槽钢结构，与也为槽钢结构的前后衬梁开口相对焊接在一起构成一个封闭截面。ｌ ２ ３ ４ ．！； ６ ７ ８ ９ １０图４一１４副车架结构图 Ｉ．右纵梁；２．前横梁；３．限位支架；４．骑马螺栓座；５．油缸支座； 每方形横梁；７．拉杆座总成；８．中间横梁；９．后横梁；１０．后翻转横梁总成如图４一１６所示，副车架后翻转横梁结构用厚度为８ｍｍ的Ｑ２３５材料折弯成 型，后横梁、后横梁上封板与后横梁封板一起构成封闭结构。其它横梁均为Ｑ２３５ 槽钢结构。 主车架材料均为１６Ｍｎ，车架全长７６１２ｍｍ，总宽为８６０ｍｍ，高度为３０６ｍｍ。 其结构如图４．１７所示，主车架由两根纵梁和６根横梁组成。主车架结构为常见 的边梁式结构，当结构承受扭矩时，纵梁和各横梁同时产生弯曲和扭转，便于安 装车身和布置其它总成。 第五横梁采用工字型结构，左右两边与纵梁连接的部位通过厚度为５ｍｍ的宽翼连接板进行加固。第二 横梁采用的是厚度为５ｔｏｎｉ的圆钢结构，其它横梁均为槽钢结构。 主车架左右纵梁为槽钢结构，总长为７６１２ｍｍ，采用的是厚度为８ｍｍ的槽钢， 根据重型自卸车整车结构图 图４＿ｌ可看出主车架是纵梁 车架中的主要承载元件。腹板高度为３０６ｍｍ，上、下翼面宽度为９０ｍｍ。如图４．１７图４．１７主车架结构图武汉理。Ｊ：人学硕十学位论文所示，为了加强主车架纵梁在左右纵梁中后段内侧嵌入了另一同厚度槽钢，所嵌 槽钢腹板高度为２９０ｍｍ，上翼面长度为６３９８ｍｍ，下翼面长度为６７４０ｍｍ，上下 翼面宽度为８２ｍｍ。３２武汉理‘Ｉ：人学硕十学位论文第五章重型自卸车货厢及副车架参数优化 模型的建立重型自卸车货厢和副车架的主体结构属于典型的板壳结构。根据企业要求，不改变货厢主体结构形式及拓扑关系，这种情况下影响货厢重量和强度刚度的主要因素即为构件的壁厚参数，而通过调整各构件板厚参数可使结构质量减轻，这 属于尺寸参数优化设计。本文的货厢和主副车架几何模型是直接在ＡＮＳＹＳ软件 中建立的。５．１有限元几何模型的建立本文建立的重型自卸车货厢和主副车架几何模型运用了一些简化措施。如果 要对模型进行有效的计算和分析，建立模型时对结构做出合理的假设和适当的简 化是必要的，因为计算结果的正确性往往会受到是否合理建立几何模型的直接影 响。 （１）对于一些非承载件的模型就可以忽略而不去建立。 重型自卸车货厢和主副车架结构中有些结构只是为满足结构使用上的要求 而设置，并非是为了满足强度需要，因此，这些构件对车架结构的内力分布和变 形影响很小，又由于它们自身重量相对较小，故在ＡＮＳＹＳ软件中进行几何建模 时可以不予考虑。 （２）忽略构件上不需特别关注的小圆弧过渡。 通过研究货厢和主副车架结构，除了少数部分构件的圆弧过渡会明显影响到整体结构的强度和刚度，仅仅是为了满足加工工艺的需要而对整体结构没有太大的影响的一些构件的小圆角在很多地方存在，因此，在建模过程中对某些影响不大的圆角则可简化处理。（３）认为结构中的连接都是理想焊接，焊接区域材料属性与其周围区域相 同。 焊接连接局部区域的材料属性和主体结构存在一定差异，但是这些小差异对 整体结构的强度和刚度并不会构成很大影响。重型自卸车货厢及车架各构件之间主要是通过焊接方式连接在一起的，因此，可以认为结构中的连接都是理想焊接， 即认为焊接连接局部区域材料属性与其周围区域相同，可以这样对焊接区域做出简化建模。５．１．１货厢几何模型的建立武汉理Ｉ：人学硕十学忙论文首先是要合理确定坐标系及原点位置。合理选择坐标系会对整个建模的速度 Ｅ上及加载的方式产生直接影响。建立有限元模型的平面直角坐标系要根据货厢的 结构特点柬进行选择，确定指向盟厢后方的方向为ｘ轴ＪＦ方向，指向货厢右侧的 方向为Ｙ轴Ｊ下方向，垂直货厢底扳向上的方向为Ｚ轴正方向。本文建立货厢模型圈５－３货厢前扳儿何模型圈５４货厢后板几何模型在建模过程中，对货厢底架上的挡泥板支架、侧板和底板挂钩等非承载构件武汉理Ｉ‘人学碗十学化论文∥～～『与前面重型自卸车货箱模型建立时一样，对车架进行几何模型建立时首先也 是要确定其几何坐标系。本文以研究对象的特点为基础，对于车架结构的基本坐 标系也是采用三个方向满足右手定则的直角坐标系。车架后方作为ｘ轴正方向。 Ｙ轴正方向指向车架右侧，垂直主车架纵梁上翼面向上的方向为Ｚ轴正方向。将 经过自卸车前轴且垂直于主车架纵梁上翼面的平面、车架纵向对称平面及主车架 纵粱上翼面所在平面三面交点确定为该直角坐标系的坐标原点Ｏ。武汉理１人学硕十学仃论文副车架主体结构属于扳壳结构，敞对副车架进行几何模型建立时要选用板壳 单元结构。油缸支座和拉卡『吊耳等零部件所采用的是厚度较大的材料，并非为薄 壁构件，对这些构件就要选用实体单元进行模型建立，假设还是选用板壳单元建 模，对最后的计算结果将会造成很大误差。如图５－９和５．１０所示．分别是在委 托企业提供的具体数据的基础上建立完成的重型自卸车主副车架几何模型。图 ５．１１所示的就是采用实体单元结构建立的油缸支座和拉杆吊耳几何模型。心州图５－９土乍架结构儿何模础酬刚５一１０副４架结构几何模型幽假如车架几何模型通过实体单元、板单元、粱单元或板单元与粱单元结合的 方式柬进行建立，需要简化处理模型很多部位．这样就不能够良好的反应连接局部压域的应力状况，从而影响了计算结果的精确度。若车架几何模型通过板壳单 元柬进行建立，就不需要简化处理模型很多部位，甚至 不需要作出任何简化处理，这样就能够准确的反应连接局部区域的应力状况。通过分析主副车架结构特点可知，各个纵粱、横粱等构件互相的横截面尺寸都不同， 有部分构件上还设有不同形状的孔，而且构件与构件连 接位置的连接方式也是多种多样。通过板壳单元建立的 车架几何模型不仅能够比较精确的反映出构件上孔周 围区域的应力分布情况，还可以准确得到整体强度和刚 度，而且局部区域的应力集中现象也能够准确计算并可 以显示出来。此外，通过扳壳单元建模在汁算分析和改 进模型时使用方便，在计算局部敏感区域的应力集中问题时采用二次细化方法更 是便捷，即使不需要依靠增加计算规模，也能够得到更高的计算精度。显而易见， 通过板壳单元建模可以满足更高的设计要求。倒５－１ｌ泊缸盘座及拉杆吊耳实体几何模型５．２单元的选择与网格的划分考虑到到计算时间和计算结果的精度，要选择对研究对象合适的单元类型，武投理１人学预＋学竹论文不同的单元类型适月】于不Ｉ司的研究对象。基于平面应力理论和薄板弯曲理论叠加 进行计算的Ｓｈｅｌｌ６３单兀计算速度快捷，构件局部连接区域的弯曲和扭转应力在 经过Ｓｈｅｌｌ６３单元计算后能够很好的反映出来。所研究的重型自卸车货厢和车架 均为典型的板壳结构，因此本文选择４节点２４自由度的Ｓｈｅｌｌ６３扳壳单元柬对货 厢和车架主体结构进行阀格划分。可以支持材料塑性、蠕变、应力刚化、大应变 和大变形的Ｓｏｌｉｄ４５单元对结构具有较强的适应性，所研究的重型自卸车货厢顶 倾支座和后翱转吊耳、副车架上的油缸支座以及拉杆吊耳等构件均为实体结构， 因此本文选择属于三维实体单元的８节点Ｓｏｌｉｄ４５单元肘这些构件进行网格划分。 按照一般理论，要使计算精度提高．可以减小单元尺寸的太小，同时会提高阿格划分的质量。但是，将会延长计算时间，因为模型的单元和节点数目同时会随着大量增加而导致计算规模增大，过大的计算规模会因超出计算机的计算能力 从而引起计算机的计算失败。因此，合理选择网格划分的单元尺寸也是一个特别 引起蘑视的步骤。根据一般原则，要得到计算规模小、计算时间短和计算精度高 的ＡＮＳＹＳ有限元模型计算．并具有互相协调的计算规模、计算时间以及计算精 度，在满足网格质量和计算精度的前提下，就要减少单元数目，则要尽可能采用 较大尺寸的单元。 埘网格质量存在较大的影响的还有单元的形状。常用的板壳单元形状有三角形单元和四边彤单元。三角彤单元的结构适麻性较好，但是计算精度不是很高。四边形单元虽然适应性没有三角形单元的好，但是具有更高的计算精度。 对于货厢和车架的部分形状比较复杂的局部结构，利用结合三角形单元和四 边形单元的方法划分网格。在一些细微结构方面，选择四边形单元划分网格则很 难保证单元的质量，本文采用结构适应性强的三角形单元对货厢和车架的部分形 状比较复杂的局部结构划分网格；采用计算精度高的四边形单元对货厢和车架的大部分形状规则的结构划分网格。图５．１２后翻转支座附近 区域局部网格放大圈国５一１３货厢后板和侧板连接处局部网格放大图武汉理【‘大学硕十学恤论文货厢以Ｓｈｅｌｌ６３单元对其进行离散．共得到２３Ｉ ３６７个板壳单元；前顶倾支座、后 翻转支座以及后扳总成上端的铰链臂等采用Ｓｏｌｉｄ４５单元进行离散，共得到２０５５３个 三维实体单元ｉ模型中具有旋转相对运动 分量的构件之间采用Ｌｉｎｋｌｌ单元进行耦合 模拟，共得到２７００个ＬＩＩｌｋ单元，整个结构共２５０９１６个节点。图５一ｌ和图５－８对应的 局部网格分别如图５－１２和图５－１３所示。幽５．１４车架前端局部网格对于悬架与车架的连接部分，采用塔形杆系结构进行模拟。选择选用三维弹 簧阻尼单元２节点６自由度的Ｌｉｎｋｌｌ单元对悬架部分的弹簧单元进行离散，悬架 部分的梁单元结构采用Ｂｅａｍ４单元。 经过多次试算，确定车架划分网格的单元尺寸为１２ｒａｍ，网格划分完成后车架自Ｕ端局部网格如图５―１４所示，共得到１８２８３５个单元，１４９９９０个节点。５．３优化设计工况的选取及边界条件的施加５．３ｌ货厢及车架的受力分析受力分析和大量试算表明，在举升瞬问货厢结构受力情况较差．以此时的状况为讣算工况，因此计算工况选取货厢举升离开副车架瞬间的工况。该车额定载重量为１２ｔ，考虑到超载情况、车辆行驶时的动载荷以及装载货 物时的冲击载荷，计算时货厢载重量取４５ｔ；边板载荷以货厢货物堆至极限高度 时简化计算。边板载荷简化的程度偏恶劣，因此计算是偏安全的。约束模拟货厢 举升离开副车架瞬间的结构支撑状况来处理，同时消除刚体位移。．要仔细分析货厢和车架结构在各个工况下的受力情况，因为实际工作过程中}