汽车车架结构设计（含CAD图纸和说明书）
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摘 要
这篇文章对东风汽车公司出产的J6P重型车进行车架结构设计，然后利用CATIA三维画图软件对车架进行建模。之后在ANSYS有限元软件中建立此车车架的有限元模型，一方面对此车架在典型工况中做静力分析，另一方面对其进行模态分析，在静态与模态分析基础上对汽车车架结构作出优化。
关键词：车架 ；有限元法；结构分析；优化
Abstract
Firstly,the content of this article is the design of J6P heavy duty truck frame structure which produced by DONGFENG company.Then the frame is modeled by CATIA 3D drawing software.After that,the finite element model of the frame is set up in the finite element software ANSYS.Static analysis in typical operating conditions and modal analysis are carried by using the finite element software.On the basis of these analyses,this topic uses ANSYS to make further optimization of the frame structure.
Key words：Frame; Finite element method; Structure analysis;Optimization
目 录
摘 要 III
Abstract IV
1绪 论 1
1.1引言 1
1.2选题的背景 1
2车架设计 2
2.1设计目标车辆主要参数 2
2.2车架结构的确定 2
2.3车架结构形式的设计 2
2.3.1车架宽度的断定 2
2.3.2车架纵梁方法的断定 3
2.3.3车架横梁方法的断定 3
2.3.4车架纵梁与横梁衔接型式的断定 3
2.4车架的受载分析 3
2.4.1静载荷 4
2.4.2对称的垂直动载荷 4
2.4.3斜对称的动载荷 4
2.4.4其它载荷 4
2.5弯曲强度核算时的基本假定 4
2.6纵梁的剪力和弯矩的计算 5
2.7车架材料的确定 6
2.8纵梁截面特性的计算 6
2.9弯曲应力计算与校核 6
2.10临界弯曲应力的计算和校核 7
2.11横纵梁尺寸 7
2.11.1纵梁 7
2.11.2横梁 7
2.11.3连接板 8
2.12 CATIA三维实体建模 8
2.13本章小结 8
3车架的静态分析 9
3.1车架有限元建模 9
3.2车架材料性能参数 9
3.3车架网格划分 10
3.4车架载荷分布 10
3.5满载弯曲工况下的静力分析 11
4车架模态分析 15
4.1车架的有限元模态分析 15
4.2结果分析 19
4.3本章小结 21
5车架纵梁的结构优化 22
5.1优化前纵梁的静力分析 22
5.2优化后车架纵梁的静力分析 25
5.3优化小结 28
6结 论 29
参考文献 30
致 谢 32
III
第2章 车架设计
1绪 论
1.1引言
汽车行业的历史已经有一百多年，随着汽车行业不断扩大发展，包括汽车产品现如今的大批量生产，汽车已经对加快现代人类生活以及发展世界经济起到了不可估量的重大影响。现如今，在一些经济相对发达的国家，汽车的普及率已经达到了很高的水平，虽然我国每个家庭的汽车普及率比不上一些相对发达的国家，但是我国庞大的人口对汽车行业的发展扩大了很大市场，根据前瞻产业研究院发布的《2015-2020年中国成品油行业市场调研与投资预测分析报告》显示，自新中国成立以来，中国居民汽车的保有量迅速扩大。到2008年底，全国民用汽车突破五千万辆。其中，载货汽车就有1126.07万辆，这样的形势对我国汽车行业发展有着很大的影响。此外我国汽车行业在经历了多年的风雨历程之后，已经形成了一个相对良好的工业发展体系。
1.2选题的背景
一切皆有两面性，有好的一面便有不好的一面。如今汽车行业的不断扩大与发展给现代生活带来了很多便利，同时也造成了很多问题，例如能源问题和环境问题。在能源方面，每年汽车耗费的石油量相当庞大，并且有逐年加多的趋势，然而能源是有限的，按照这样的趋势下去，地球会面临相当可怕的能源危机；此外，在环境方面，汽车尾气对环境的污染以及人体的危害是相当之大的，每年汽车向大气层排放的有毒气体占据了大气污染物的很大比例，可见其污染之严重，并且汽车尾气中所排放的气体尤其是二氧化碳会加剧温室效应，所以节能环保在汽车行业的发展中是不可避免的环节。为此，对汽车设计进行进一步的优化设计就显得尤为重要，而汽车车架作为汽车的载体，对车架进行优化设计便能带动整车的优化。
本课题便是以上文所论述的内容为背景所展开，在确保不影响汽车自身功用的前提下，对其车架结构进行合理的静态与模态分析，进而在静态与模态分析的基础之上对车架结构进行优化。
2车架设计
2.1设计目标车辆主要参数
参考车型：解放J6P载货汽车
详细参数：
外形尺寸（长×宽×高）：11980×2470×3350mm
货箱栏板内尺寸：9500×2294×800mm
总质量：29400kg 整备装置：11405 kg
额定载质量：17800kg 接近角/离去角：32/20
前悬/后悬：1250/2530 轴距：1900+5000+1300mm
最高车速：90 km/h 轴数：4
前轮距：1950 mm 后轮距：1860 mm
弹簧片数：（前/后）9/10
2.2车架结构的确定
本课题以边梁式车架作为研究对象。边梁式车架在载货车架中是由多根梁组合而成，其中包括两根开口朝内但是相互平行的槽型纵梁和一些开口槽型横梁，皆是由冲压制成。一般情况下，纵梁两端的下表明会随着应力情况的变化相应的减小，然而纵梁的上表面则不然，沿着全长不变或者有点降低。
车架宽度多为全长等宽。
挑选的方案的利益：边梁式车架在大客车、特种车和载重货车上被广泛的使用，由两根纵梁和若干根横梁组成，这样的结构有利于设置驾驶室、车箱以及其它总成。[2]
2.3车架结构形式的设计
2.3.1车架宽度的断定
汽车车架的宽度是指左、右纵梁腹板外旁边面之间的距离。[2]汽车车架前部宽度的最大值由汽车前轮的最大转角限制，而最小值又由发动机的外廓宽度所决定。[3]汽车车架后部宽度的最大值则主要根据钢板弹簧片宽和汽车车架外侧的轮胎等尺寸来断定。一般增大汽车车架的宽度可以提高汽车的横向稳定性。[2]
一般而言，汽车整体安置的参数可以断定汽车车架的宽度，并且整车宽度要求要小于等于2.5m。
本课题选取车架的宽度为860mm。
2.3.2车架纵梁方法的断定
车架纵梁的构造，在满足整车整体安置需求的前提下还要保证汽车车架的自身功用，并且为了简化它的制造技术和成本，应该要求其构造尽量简单。
纵梁的长度约为汽车轮距的1.4倍至1.7倍，通常约为汽车的长度。
根据本课题的要求，考虑到纵梁截面的特点，本设计方案的纵梁选用上、下翼面是平直等高的槽形钢，纵梁总长为11500mm。优点：能被广泛地运用于各种载货汽车上，结构简单，制造方便牢靠，便于安装各个汽车部件，有很好的的抗弯强度，不仅能够节约生产成本，还能简化制造工艺，降低工人的作业强度。
2.3.3车架横梁方法的断定
汽车车架的左、右两根纵梁由若干根横梁连接在一起，组成一个稳定的结构，从而使车架有满意的抗弯刚度。[3]汽车主要总成经过横梁来支承。
载货汽车的横梁一般由若干根横梁组成，每一根横梁的用处均不同。[2]
本设计课题是关于重型车车架构造规划，选用开口断面，大小共11根横梁.
2.3.4车架纵梁与横梁衔接型式的断定
铆接、焊接和螺栓衔接等方法皆为横梁和纵梁的固定办法。[4]
螺栓衔接的方法在本课题研究中将被大量使用以衔接横梁与纵梁。
总而言之，汽车车架结构的安排需要充分考虑各方面的因素，不仅要考虑到整车的合理安置，还要参考公司企业的制造工艺和技术才能，所以一定要合理选择横梁与纵梁的衔接方法以及纵梁截面的高度和横梁的构造方法，[3]这样才能是汽车车架能够满足汽车运用的要求，以到达较好的经济效益和社会效益。
2.4车架的受载分析
实际情况中，汽车的使用情况十分多样化，从而导致其受力情况也不同，所以作用在汽车车架上的载荷亦是多样性的，[3]根据车架承受的载荷不同可以进行不同的分类：
2.4.1静载荷
汽车静止时，悬架弹簧以上的载荷便是汽车车架所承受的静载荷。也就是指客车或货品的总质量（有效载荷）、隶属件的质量、装置在车架的各总成、车身质量以及车架质量的总和。
2.4.2对称的垂直动载荷
对称的垂直动载荷作用在汽车车架上容易发生弯曲变形。这种载荷一般都是在汽车以相对较高的车速在比较平坦的道路上行驶的时候会发生。作用在汽车车架上的静载荷、静载荷的分布以及垂直振动加速度与它的大小有关，路面的作用力使车架承受这样对称的垂直动载荷。[5]
2.4.3斜对称的动载荷
斜对称的动载荷作用在汽车车架上容易发生扭转变形。这种载荷一般是汽车行驶在路面高低起伏的道路上发生的。汽车的前后轮在这种情况下不在同一个面上，所以造成汽车车身以及车架一块倾斜，车身、悬架和车架的刚度以及道路不平整的程度都与这种载荷的大小有关。[3]
2.4.4其它载荷
汽车车架会因汽车行进过程中转弯产生的离心力而受到侧向力的作用；[3]会因行进过程中加速或者制动产生的惯性力而重新分配汽车车架前后部载荷；[2]会因一个前轮的正面撞在道路面凸起上而在水平方向发生剪力变形；还有安装在汽车车架上的各个部件（如减振器、转向摇臂及发动机等）运作时而产生的力；纵梁也会因为载荷的作用线不经过纵梁的截面弯曲中心而另外产生局部转矩。[3]
综上所述，实际情况中汽车车架的承受载荷的情况多样杂乱，一方面是因为多种多样的车架纵梁与横梁的截面形状以及不同的衔接点，另一方面是因为受到了一定的空间力系的作用。
2.5弯曲强度核算时的基本假定
为了便于弯曲强度的核算，对车架进行以下基本假定：
1、汽车前后轴的简支梁由纵梁来支承。因为汽车车架有对称的结构，左右纵梁受到相差不大的力。
2、两根纵梁的全部长度上均匀分布着空载时的簧载质量，其中包括汽车车架的自重。根据车底盘构造的统计数据，其值差不多可以估量出来。一般轻型和中型载货汽车上的簧载质量差不多是汽车自重的三分之二。[5]
3、汽车车箱全长上均匀分布有效载荷。
4、所有作用力均经过截面的弯曲中心。
2.6纵梁的剪力和弯矩的计算
用一个三跨连续梁简化纵梁，如下图2.1所示。
图2.1 纵梁受力简化图
已知L1=1.3m, L2=1.9m, L3=5m,L4=1.3m,L5=2m,汽车满载时所受静载荷mg=（29.4+17.8）*9.8=462.56（KN）,计算可知：汽车受满载静载荷时，前一轴地面反力F1 = 120.9KN、前二轴地面反力F2 = 120.9KN、后一轴地面反力F3 = 110.38 KN、后二轴地面反力F4 = 110.38 KN。
因此连续梁的剪力图和弯矩图分别由下图2.2和图2.3表示。
图2.2 剪力图
图2.3 弯矩图
因此，汽车受到的最大剪力Qmax为113.09KN，最大弯矩Mmax为81.6 KN·m。然而车架的最大弯矩前要乘一动载系数k，由于重型车满载行驶时的路面状况良好，考虑到实际行驶过程中遇到的载荷增值，取 k=2.5。所以动载下的Mmax = 204 KN·m。
2.7车架材料的确定
车架材料的选择应充分考虑各方面的需求。一、有良好的冷冲压功能；二、有良好的焊接功能；三、有低的应力集中敏感性；四、有足够高的疲劳极限和屈服极限。这些需求中碳和低碳合金钢均能满足。此外，所选定的制作技术也是选择车架材料所考虑的条件之一。冲压功能好的低碳钢或低碳合金钢等钢板制作适合拉伸尺寸较大或形状复杂的冲压件，强度稍高的钢板适合拉伸尺寸不大、形状又不复杂的冲压件。[2]然而，在冷冲压时，钢板强度越高越容易开裂，并且冲压回弹越大，所以不适合选用。所以，这次研究的汽车车架由Q345钢板来制造。
2.8纵梁截面特性的计算
用材料力学的方法计算车架纵梁和横梁截面系数W。
对于槽形断面，断面系数W为：
（2-1）
式中 t——纵梁厚度，取20mm；
b——纵梁宽度，取90mm；
h——纵梁高度，取300mm；
由公式2-3可得：W=0.00084 m3
2.9弯曲应力计算与校核
纵梁断面的最大弯曲应力σmax为：
(2-2)
(2-3)
按照公式（2-2）求得的最大弯曲应力应不大于材料的许用应力[σ]，[6]其中许用应力可以按照公式（2-3）计算。
式中 σs——，对于钢Q345，；
n——，一般取安全系数。
：σmax=242.85MPa
许用应力为：[σ]=345/1.15=304.35MPa
由于242.85MPa<304.35MPa,那么；
所以选取t=20mm，b=90mm,h=300mm为纵梁槽形断面的尺寸是满足要求的。
2.10临界弯曲应力的计算和校核
当弯曲变形发生在纵梁上时，可能会造成翼缘的破裂，是因为压缩和拉伸分别作用于上下翼缘。因此应按薄板理论进行校核。对于槽型截面纵梁来说，其临界弯曲应力σc为：
(2-4)
式中 E——，；
u——，对于钢Q345，。
由公式（2-4）可得：b≤16t ，取b=90mm，t=20mm，则有90≤320。
因此，车架满足临界弯曲应力的要求。
2.11横纵梁尺寸
2.11.1纵梁
断面形式：等断面；
长度形式：直线式；
料厚：；
纵梁长度：。
2.11.2横梁
横梁形式：等断面；
厚度 ：12mm；
形状 ：槽形式横梁、拱形式横梁等。
2.11.3连接板
厚度 ：12mm。
连接板用于连接横梁和纵梁，从而增强纵梁的强度。[7]以压弯件为主，材料主要为高强度钢板，要求材料的压弯回弹小。
2.12 CATIA三维实体建模
由上述设计建立车架三维实体模型如图2.4所示。
图2.4 车架三维实体模型图
2.13本章小结
在很大程度上，决定汽车性能好坏的原因不只是组成汽车的各部件的性能，更多的是由车架的布置以及各部件的配合协调所决定的。在满足汽车功用，使用要求，生产合理以及技术先进性的要求下，合理选择汽车车架的主要尺寸参数、质量以及性能指标等参数，制定出一套可行的总体设计方案，保证汽车主要性能指标实现，在合理的车架布局上更好地安置各个零部件，从而使整车的可靠性、性能达到设计要求。
32
第3章 车架的静强度计算与分析
3车架的静态分析
汽车车架是汽车的载体，它不仅要承受车身各个部件的质量，包括牵引货品、底盘以及发动机的质量，还要承受汽车在行驶过程中所受到的各种载荷，包括各种力和力矩。[8]对汽车车架结构进行的静态分析，能够计算出这些载荷作用于车架后所产生相对的应力和变形。
3.1车架有限元建模
影响有限元分析结果最重要的因素之一是所建立的有限元模型的准确性。虽然在CATIA三维建模软件中已经建立了车架的三维模型，但是将模型导入到有限元软件中容易出现很多问题，所以为了后续处理分析的准确性本次设计采用ANSYS中自带的三维几何建模工具来建立车架的有限元模型，如图3.1所示。
图3.1 车架有限元模型图
3.2车架材料性能参数
整个车架材料：Q345钢，其材料属性如表3.1所示。
表 3.1 车架材料属性
弹性模量(GPa)
泊松比
密度(kg/m3)
屈服极限(MPa)
206
0.3
7.85E-6
345
3.3车架网格划分
采用SOLID186六面体单元对重型车车架进行网格划分，单元数19952，节点数134178，如图3.2所示。
图3.2车架网格划分图
3.4车架载荷分布
车架自重、乘员分量、车厢分量、驾驶室分量、汽车载分量、发动机和变速箱分量以及其它附件分量均为车架的载荷的一部分。依据车载质量的空间安置状况将它们换算成加在其安置方位的粱的节点上。约束车架与悬架的连接位置节点进行约束以此来消除车架的刚体位移。
图3.3表示车架的载荷分布图，表3.2表示重型车车架上各总成的质量以及车架坐标系中各总成质心所在的具体坐标。
图3.3 车架载荷分布图
表3.2车架载荷分布
总成
质量（kg）
车架坐标系中各总成质心所在的坐标
X（mm）
Y（mm）
Z（mm)
动力总成
890
430
-20
1650
驾驶室总成
710
430
280
1150
蓄电池
22
860
150
5300
备胎
120
430
20
10777
油箱
60
0
150
6000
货箱及货物
17800
860
300
7252
车架上各载荷的方向均为Y轴负方向。
3.5满载弯曲工况下的静力分析
满载弯曲工况是指汽车在满载状态下，全部车轮与路面接触，在良好道路上行驶的情况。汽车在实际行驶过程中，在载荷作用下，各个点的位移以及其加速度都是不同的。所以在计算对该重型车车架所施加的载荷时，要对其本身乘上一个动载系数，进而才能校核汽车车架结构的强度和刚度。选取动载系数的决定性因素有三个：第一个是首先要考虑的是道路条件；第二个是汽车的行驶状况，比如车速；第三个则是汽车的结构参数，比如汽车构造的刚度、强度等。由于这些因素错综复杂，所以不能通过数学分析的方法来选取合适的动载系数。所以，在进行分析时通常都是选取一些路况良好的道路，然后根据一些理论研究和实验来选取较为合理的数值。本课题分析中，在满载弯曲工况下其该重型车车架选取的动载系数是2.5。以下图3.3至3.6表示弯曲工况下的应力图，图3.7至图3.10表示弯曲工况下的变形图。
图3.3 X方向应力图
图3.4 Y方向应力图
图3.5 Z方向应力图
图3.6 总应力图
图3.7 X方向变形图
图3.8 Y方向变形图
图3.9 Z方向变形图
图3.10 总变形图
由图中分析数据可知，满载弯曲工况下车架的最大应力值为115.79MPa，远小于钢Q345的屈服极限345MPa，所以此重型车车架结构的强度满足需求；最大变形量为1.9344mm，由相关文献可知，载货车车架的最大竖向位移应小于10mm，[1]所以此重型车车架结构亦满足刚度要求。那么在均满足强度和刚度要求的情况下，车架存在进一步的优化空间。
第4章 车架模态分析
4车架模态分析
现实生活中，许多构造在运动状态中均体现出了振荡特性，所以在进行构造分析中就很有必要加入对动态特性的考虑。随着现代工业的不断发展，许多产品都在朝着更好的方向发展，要求更轻、更快以及更加安全可靠，所以对动态特性的要求越来越高是个必然的趋势。
汽车车架作为汽车的载体，不仅要承受车身以及其它各个部件的质量，还要通过悬架将其自身安置于车轮上，通过车轮来接受不同路面的各种激励。当汽车行驶在路面不平坦的路上时，如果受到的载荷的频率与某些构造的固有频率挨近时，构造将会发生十分激烈的振荡，然后引起很大的动应力，形成早期疲劳损坏或者造成一些不允许的变形。[1]所以了解汽车构造振荡的固有频率及其相应的振型是很有必要的，以此来防止汽车在行驶过程中发生共振，还能降低噪音，保证行驶安全性。
4.1车架的有限元模态分析
在对该重型车车架结构进行振荡特性分析时，模态分析的有限元模型是依据静态有限元模型为基础建立的。[1]对该重型车车架构造进行模态分析时，可以忽略外部载荷的作用，那是因为求解的是该重型车车架结构的固有振型、固有频率和固有特性，和其所承受的外力没有关系。而且就汽车车架结构的动态特性而言，如果汽车车架进行有限元模态分析的时候选择自由边界条件，汽车车架在工作时的动态功能能够更准确的被反映出来。
车架在实际运转条件下的激振频率范围是选择计算频段必须要考虑的因素之一。如果车架与各部件之间的连接点相对比较多，然而模态数又不足够的时候，那么就不能继续进行整体综合分析。考虑到实际的路面条件、运转速度以及对车架的进一步分析，该重型车车架的计算频段应该选择0-100Hz。[1]
经过核算获得了该重型车车架的前10阶固有振型和前10阶频率，图4.1至图4.10表示了具体的固有振型，表4.1表示了具体的固有频率。
表4.1 车架模态分析结果
阶次
固有频率（Hz）
1
27.782
2
43.585
3
48.814
4
53.959
5
54.424
6
68.053
7
85.484
8
98.019
9
101.46
10
105.85
图4.1 第1阶振型
图4.2 第2阶振型
图4.3 第3阶振型
图4.4 第4阶振型
图4.5 第5阶振型
图4.6 第6阶振型
图4.7 第7阶振型
图4.8 第8阶振型
图4.9 第9阶振型
图4.10 第10阶振型
根据上述图中的振型可以将该重型车架的固有振型分成两种类型：第一类就是以车架一个或几个部分振动为主的局部振动；第二类则是车架整体振动。这几阶振型中，第1阶振型，车架货箱部位沿Y轴弯曲振动；第2阶振型，车架发动机托架部位及驾驶室安装梁部位沿X轴弯曲振动；第3阶振型，车架货箱部位及靠近尾部部位沿X轴弯曲振动；第4阶振型，车架发动机托架部位、驾驶室安装梁部位及纵梁部位沿X轴弯曲振动；第5阶振型，车架货箱部位沿Y轴弯曲振动；第6阶振型，车架发动机托架部位及驾驶室安装梁部位沿Z轴扭转振动；第7阶振型，车架油箱及货箱部位沿X轴弯曲振动；第8阶振型，车架发动机托架部位、驾驶室安装梁部位及横梁部位沿Z轴弯扭振动；第9阶振型，车架备胎部位沿Y轴弯曲振动；第10阶振型，车架备胎部位Y轴弯曲振动以及车架整体沿Y轴小幅弯曲振动。
4.2结果分析
有两种外部激荡振源是汽车在行驶过程中会产生：一种是因为汽车行驶的到路不平坦而引发的车轮不平衡激振；另一种是简谐激励，这是汽车发动机在工作时，工作冲程中燃烧爆发压力以及活塞往复惯性力所造成的，其频率范围很宽。[1]根据相关文献，对汽车车架结构进行有限元模态分析的原则如下：
（1）该车的扭转低阶频率也就是指一阶回旋及弯曲频率结构响应要比悬架布局的固有频率高，并且要比发动机怠速整体频率低，才能防止共振的发生；[9]
（2）该车的弹性模态频率应该尽量避开发动机经常工作的频率范围；[1]
（3）该车为了防止有突变振型应该尽量保持光滑。[9]
根据上述原则得知，在对汽车车架结构动态性能的分析过程中，应该查明在实际运用环境中该车所承受激荡力的实际结构频率。以下是对该重型车在运用环境中的实际结构频率的分析：
（1）因为汽车行驶中的路面不平坦，使得汽车运动引起的激励大多是低于20Hz的笔直振动；
（2）发动机的怠速频率。该牵引车使用的是，发动机的气缸个数以及发动机的怠速转速能够决定发动机的怠速激振频率，它的计算公式为：
(4-1)
式中：N——发动机的怠速转速，对此其一般是；
M——发动机气缸数的一半，对此而言；
所以30Hz是这个型号的发动机的怠速鼓励频率；在汽车车速是时，是相应的发动机爆发频率；
（3）非簧载质量的固有频率一般是6~15Hz；
通过以上的分析可以看出，第1阶振型是一阶弯曲，频率是27.782Hz，比发动机的怠速鼓励频率低，比非簧载质量的固有频率高，能够避开路面汽车的鼓励频率范围；在第3阶振型中车架发动机安装梁部位及驾驶室安装梁部位两处发生局部弯曲，而且在第6阶振型中该两处发生局部扭转，那么说明车架发动机安装梁部位及驾驶室安装梁部位两处发生疲劳损害的可能性很大；前几阶的固有频率都在发动机爆发频率之内，由于牵引车和车架不直接相连，发生共振的概率很小。
计算结果说明，该重型车车架的结构设计完全能够避开现实运用环境中所受激振力的实际激励频率，所以能够防止共振现象的发生。其中该重型车车架上的发动机托架部位和驾驶室安装梁部两处的刚度较为薄弱，容易发生疲劳损害。
4.3本章小结
在有限元模态分析的方法和基本理论的基础之下。选择有限元软件ANSYS对该重型车车架进行有限元模态分析，从而获得该重型车车架前十阶的固有振型以及前十阶的固有频率，为今后汽车振动控制的研究打下基础，为优化车架结构提供了依据。
第5章 车架纵梁的结构优化
5车架纵梁的结构优化
通过以上对车架的静态和模态分析可知，该重型车车架的结构性能满足需求，在此基础上可以对其进行进一步优化。其中，纵梁作为该车架的主要承重部件，为了简化优化过程，可以直接对车架纵梁进行优化。
5.1优化前纵梁的静力分析
在有限元软件ANSYS中建立纵梁的三维模型，如图5.1所示。对该车架纵梁进行静力分析，载荷处理同弯曲工况。
图5.1车架纵梁三维模型图
对该车架纵梁进行静力分析，载荷处理同弯曲工况。图5.2至5.5表示优化前车架纵梁的应力图，图5.6至图5.9表示优化前车架纵梁的变形图。
图5.2 优化前X方向应力图
图5.3 优化前Y方向应力图
图5.4 优化前Z方向应力图
图5.5 优化前总应力图
图5.6 优化前X方向变形图
图5.7 优化前Y方向变形图
图5.8 优化前Z方向变形图
图5.9 优化前总变形图
5.2优化后车架纵梁的静力分析
现将车架纵梁厚度由原来的20mm减为现在的16mm进行静力分析，载荷处理同弯曲工况。图5.10至5.13表示优化前车架纵梁的应力图，图5.14至图5.17表示优化前车架纵梁的变形图。
图5.10 优化后X方向应力图
图5.11 优化后Y方向应力图
图5.12 优化后Z方向应力图
图5.13 优化后总应力图
图5.14 优化后X方向变形图
图5.15 优化后Y方向变形图
图5.16 优化后Z方向变形图
图5.17 优化后总变形图
5.3优化小结
优化前后车架纵梁的最大应力值和最大变形量分别如下表5.1和表5.2所示。
表5.1优化前后最大应力值
优化前(MPa)
优化后(MPa)
X方向应力
24.742
20.912
Y方向应力
21.896
8.7597
Z方向应力
10.508
22.009
总应力
36.426
45.597
表5.2优化前后最大变形量
优化前(mm)
优化后(mm)
X方向变形
0.55806
0.75574
Y方向变形
0.01878
0.56399
Z方向变形
0.071442
0.096626
总变形
1.1379
2.1318
由表中统计数据可以看出，优化后应力和变形值均有所增加，但是最大应力值45.597MPa依然小于钢Q345的屈服极限345MPa,最大变形量2.1318mm也小于载货车车架的最大竖向位移10mm，说明优化后的车架纵梁依旧满足强度和刚度需求，那么此次结构优化是合理的。
对于很多时候，在没有可参考的情况下，要设计出最省料的结构是比较难的。通过有限元分析，可以提供参考，在设计初期就避免浪费材料，设计出优秀的结构。
第6章 结论
6结 论
本课题以东风汽车公司规划出产的J6P重型车为例，对该车车架进行合理的有限元分析，从而进行其结构优化的项目研究。以下是课题研究成果：
1.车架结构设计与建模
参照J6P载重汽车的相关参数设计重型车车架结构，利用了CATIA三维画图软件对该重型车的车架建立模型。
2.典型工况下车架的静态分析
在ANSYS中建立了有限元模型，在典型工况下根据该重型车的实际受力情况对其车架进行了静力分析，分析了该车架结构的强度和刚度要求；
3.车架模态分析
利用了有限元软件ANSYS对该重型车车架进行模态分析，列出了其前十阶固有频率和固有振型。
4. 车架结构优化
在车架静态与模态分析的基础之上，对该重型车车架纵梁进行了结构优化，纵梁厚度由20mm减少为了16mm。
参考文献
参考文献
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致谢
致 谢
本课题的完成离不开我的指导老师凌秀军老师给我的帮助。在撰写本课题的期间，凌老师给了我许多意见和指导方向，为我开拓了写作思路，并指出设计过程中误区，为我指点迷津，这让我在这个过程中受益匪浅！此外，凌老师认真严谨的态度也给我留下了深刻的印象，并且不断地感染着我，让我不抛弃不放弃，同样以着认真的态度去完成每一步要做的事！不但如此，工作上，凌老师也是给予了许多有用的意见，教会了我许多做人处事的道理，这将会让我在今后的工作中受益良多！在此我衷心的感谢凌老师，并祝福凌老师！
此外，我还要感谢所有曾经帮助过我同学、老师、家人以及朋友，这篇论文的完成离不开他们每一个人的帮助，并且感谢审核老师能在百忙之中抽出时间来参加审核，再次由衷表示感谢！
毕 业 设 计（论 文）外 文 参 考 资 料 及 译 文
译文题目： 基于ANSYS的汽车车架结构有限元分析
学生姓名： 学 号：
专 业：
所在学院：
指导教师：
职 称：
20xx年 2月 27日
说明：
要求学生结合毕业设计（论文）课题参阅一篇以上的外文资料，并翻译至少一万印刷符（或译出3千汉字）以上的译文。译文原则上要求打印（如手写，一律用400字方格稿纸书写），连同学校提供的统一封面及英文原文装订，于毕业设计（论文）工作开始后2周内完成，作为成绩考核的一部分。
Automotive safety systems and technology
research and analysis
Auto parts of good and bad will directly affect the safety of the car, are directly related to the people's life safety and security in wealth. This article mainly from the car's active safety technology and passive safety technology two aspects elaborated the importance of car parts, and how to improve the safety of the car.
One．Automobile active security technology
1. ABS braking system
Anti-lock Braking System (Anti-lock Braking System, referred to as ABS) consists of ABS computers, hydraulic device, the wheel speed sensors, brake hydraulic pipeline and electrical wiring etc. Their structures are shown below.
ABS tasseled for the car in various driving conditions braking performance and brake safety particularly important, especially is emergency braking, can make full use of the peak between tire and road surface adhesion properties, improve performance and reduce automobile fight side slip braking distance, give full play to the braking performance, but also increase the automobile braking process control. So as to reduce the possibility of car accidents.
2．the ASR drive torque control system
ABS are used to prevent car braking process wheel lock, will wheel sliding rate control in ideal range, so as to shorten the braking distance, improve automobile braking direction stability and steering control, so as to improve the safety of the car. Along with the increase of vehicle performance requirements, not only in braking process required to prevent wheel lock, and asked the driver to prevent drive roller skating turn in the process, making cars in the direction stability, driving process steering control ability and acceleration performance, so are improved by the car drive torque steering system ASR (Accelerations Slip Regulation) . ASR is the perfect complement and ABS ASR, but most alone is set with ABS combined together, commonly used ABS/ASR says, called anti-skid control system.
ASR is mainly used to prevent car in the beginning, accelerate the wheels, guarantee slip in the car accelerated rate and improve the stability in bad pavement drive attached conditions. It makes no difference speed in the car lock ice roads and muddy road started and to improve its capacity, also can prevent high in speed by turning cars gliding pavement and rear lateral spreads phenomenon.
Anyhow, prevent the wheel because ASR slip, can maximize the engine driving moment of cars ，had enough ensured the longitudinal force, lateral force and manipulation of power, make cars in starting, steering and accelerate the process, in gliding and muddy road, in a mountain area downhill process can steadily driving, guarantees the safety, reducing tire wear and fuel consumption, and improves the car driving capability.
3．VDC system
VDC of steering control system is mainly by driving for each wheel brake control and engine power output control to realize. For example, if the car turn left front wheel for steering the inadequate capacity tend to slip out of the corner, VDC system can measure imminent, just know lateral spreads left rear brake adopt appropriate measures. If at the same corner, because rear wheel tend to slip out of favor of lateral overmuch, VDC system is proper braking to front-right wheel failure, maintain the stability of the vehicle driving. In extreme cases, VDC system can also take reduce engine to reduce the power output, and to reduce the speed of the demand side adhesion ability to maintain the stability of the vehicle driving. Adopt VDC system, automobile in folio pavement or corner of pavement braking distance still can further reduce.
4． CCS cars cruise control system
Auto cruise Control System (Cruiser Control System, abbreviation for CCS) is can make automobile work in engine favorable speed range, reduce driver's driving manipulate labor intensity, improve the driving comfort the automatic driving device.
Car cruising system (CCS) role is required by the driver: after a normally-closed switch, no speed on the accelerator pedal can automatically keep the speed, make the vehicle with the fixed speed. Using this device, when on the highway after a long time, the driver driving not have to control the accelerator pedal, reduce fatigue, while reducing unnecessary speed change, can reduce save fuel.
Two. Automobile passive safety technology
1. Seat belt
Car seat belt is a safety device, it can in car collision or sharp turn, make crew to keep its original position as possible without mobile and rotation, avoid collision with in-car hard parts caused damage. Seat belts and airbags, as modern cars are safety devices, but the long history of the former, popularize the scope.
The seemingly simple seat belt actually not "simple". Attention has been at the forefront of traffic safety, through the analysis of general motors after a car accident found: seat belt not only makes people protect the lives, can be in more than half of the accident to reduce or even eliminate drivers, motorists are the chance of injury. Car collision or unexpected emergency braking force generated great inertia, will allow the driver and passenger and car windscreen, steering wheel, seat, collision happened objects such as secondary to drive is caused extremely easily crew serious damage, even drive occupant seats or threw the apex, seat belts can will ride in the seat. Bondage personnel When has the accident, which can effectively prevent the collision, and its buffer role can absorbs a great deal of kinetic energy, reduce rides personnel extent of the injuries.
2. The airbag
Under the condition of seat belt used in the crew, airbag helps reduce chest, head and facial injuries in the seriousness of the collision. When car collision happened before, the first is the car to stop motion, car under the action of inertial force crews to go forward with the original speed still sport. Not wearing a seat belt crews will and steering dish, front windscreen together, so it can be severely hurt; Wearing a seat belt as car stop the crew can stop moving forward movement and gradually. If collision violent, crew forward movement of the seat belts, even faster in the complete stop before motion, still collide with in-car things together. If this fashion in steering the disk or within the pop up balloon inflated dash, it can protect the occupant reduce the possibility of car together with things, more uniform dispersion head, chest, absorb the impact energy of movement, thus crew has added effect of seat belts.
Three. Automobile active safety new technology
1. Eye Car skills
Eye Car technology can make each driver eyes in the same relative height, guarantee of pavement and the surrounding a six-lane unimpeded sight and best visibility. This technology can also offer a specific driving environment.
2. Cam Car technology
Cam Car technology aims to help improve the driver of perception.
Four. Automobile passive safety new technology
1. Future airbags
(1) It cans inflatable screen system. This is a new safety design; its basic principle is to protect in-car occupant's head, when that happens it will carry on the air, air after the tent shape is swelling.
(2) Tubular inflatable structure head air sac. This system for supplement current side protection system, still stopover in protecting the chest ,and abdomen, arm, to head protection were insufficient. It with rigid body structure, the door body protective just beams, side air sac, can form a complete side safe defend net, this will be the future security protection trend.
(3) Head support system. Head support system generally called the headrest, vehicles which the headrest, with seats, not just for comfortable fact is more important to safety. Vehicle if in an emergency brake, the body will have strong to and fro, because the principle of inertia occupant body swinging, especially neck must follow. If no head support buffer headrest, neck injury caused by damage is very surprising.
(4) The external airbags.
2. Adaptive constraint technology system (ARTS)
New adaptive constraint technology system (ARTS) use a series of sensors to monitor the driver seat, seat belt use, in front of the occupant take quality and location and intensity of the collision of the collisions and collision force direction, then according to the specific information such as the collision of each front airbag characteristics of the crew on regulated. The system can further reduce due to improper airbag for crew on the damage, especially for smaller front row figure crew.
3. Automobile energy-absorbing direction column
Automobile energy-absorbing direction column through collisions of redistribution to steering wheel wallop, would wallop path to deliver shunt quickly, making the minimum of load on the steering wheel. The steering column by hollow tubes and steering bearings form. Traditional hollow tubes and the steering column steering bearings is integral, steering shaft top and steering connections, the connecting with direction below. And suck can direction string of characteristic is will the steering column in two, divided into unblock steering column and the steering column under two parts; Inside of the steering shaft also divided into two sections, with outgoing quarter agencies between them connected. Once a collision make direction, outgoing quarter mechanism has displacement bottom tailor-made steering shaft will fold, under the steering column move on the steering column, to achieve "indented within" and thus expand space reduce damage.
Five. The tire pressure monitoring system
How to prevent a blowout has become an important task of safe driving. According to the national quality supervise center of rubber tires in the expert analysis, maintain the standard tire pressure driving and the timely discovery tire is the key to prevent puncture. Tire Pressure and Monitoring System (TPMS) - car Tire Pressure Monitoring System will no doubt is the ideal tool. The system is mainly used in automobile driving to tire pressure real-time automatic monitoring; to a flat tire and depression are the police, in order to ensure safety.
Drivers from the monitors can know each tire pressure value, when tire pressure below the club set pressure limit, monitor will automatically alarm.
Anyhow, car active safety technology and passive safety technology for the safety of automobile driving is very important, and besides, such as environmental factor, artificial factor of the vehicle safety is also very important. Therefore, we must be prepared to all aspects of requirements and technology, to ensure the safety of vehicle driving.
汽车安全系统技术研究与分析
汽车零部件的好坏将直接影响到汽车的安全，直接关系到人民群众的生命安全和财产安全。本文主要从汽车的主动安全技术和被动安全技术两个方面阐述了汽车零部件的重要性，以及如何提高汽车的安全性。
一、汽车主动安全技术
1．ABS防抱死制动系统
防抱死制动系统(防抱死制动系统,简称ABS)由制动系统、液压装置、车轮速度传感器、制动液压管路及电气接线等组成。其结构如下。
ABS系统的汽车在各种行驶条件下的制动性能和制动安全尤为重要，特别是紧急制动，能充分利用轮胎表面和道路之间的峰值粘附性能，提高汽车抗侧滑性能并缩短制动距离，充分发挥制动性能，同时也增加了汽车制动过程的控制。从而减少汽车事故的可能性。
2. ASR驱动扭矩控制系统
汽车制动系统是防止汽车制动过程车轮锁死，将车轮的滑动速度控制在理想的范围内，从而缩短制动距离，提高汽车制动方向稳定性和转向操纵性，从而提高汽车的安全性。随着对汽车性能要求的提高，不仅要求在制动过程中防止车轮锁死，并且要求司机在驾驶过程中防止驱动轮滑转，使汽车在驱动过程中的方向稳定性、转向控制能力和加速性能都得到提高，所以都是通过汽车驱动扭矩转向系统ASR（加速度滑差调节）改进的。ASR是ABS的完善和补充，但大多数单独设置的ASR与ABS结合在一起，常用ABS/ASR表示，称为防滑控制系统。
ASR主要用来防止汽车在起步、加速时的车轮滑转，保证汽车在滑加速率的稳定性并改善在不良路面附着条件驱动。它能使得汽车在冰雪道路和泥泞道路上以无差异速度开始并且提高其承载能力，也能防止高速行驶的车辆通过滑动路面时时汽车后部的侧滑现象。
总之，由于ASR防止了车轮的滑转，可以最大限度地提高汽车的发动机驱动力矩，充分保证了汽车的纵向力、侧向力和操纵力，使汽车在起动、转向和加速过程中，在滑动和泥泞的道路，在山区下坡过程中都能稳定地行驶，保证安全，减少轮胎磨损和燃料消耗，提高汽车驾驶能力。
3． VDC系统
VDC转向控制系统主要是通过驱动每个车轮的制动控制和发动机输出功率控制来实现的。例如，如果汽车转动左前轮由于转向能力不足而容易滑出弯道，VDC系统便可测出侧滑即将发生，可以仅仅凭借知道侧滑左后制动就采取适当措施。如果在同一个弯道，因为后轮趋于侧向滑出过多，VDC系统就会采取适当的制动右前轮的办法，维持稳定的车辆驾驶。在极端的情况下，VDC系统还可采取降低发动机的输出功率来降低行驶车速，并降低速度的侧向附着能力的需求保持稳定的车辆驾驶。采用VDC系统，汽车在对开路面或弯道路面上的制动距离还可以进一步减短。
4. CCS汽车巡航控制系统
汽车巡航控制系统（巡航控制系统，简称CCS）是可以使汽车发动机工作在发动机良好的速度范围内，减少驾驶员操纵疲劳强度，提高驾驶舒适性的自动驾驶装置。
汽车巡航系统（CCS）的作用是：按司机所要求的常闭开关之后，不用踩油门踏板就可以自动保持汽车行驶车速，使车辆以固定的速度行驶。在高速公路上长时间使用该装置后，驾驶者不必控制油门踏板，减少疲劳，同时减少不必要的速度变化，可减少燃油消耗。
二、汽车被动安全技术
1．安全带
汽车安全带是一种安全装置，它能在汽车碰撞或急转弯时，使机组保持其原有的位置，尽可能不移动和旋转，避免在汽车碰撞时造成损坏。座椅安全带和安全气囊，同是作为现代汽车的安全装置，但是前者的历史悠久，普及范围广。
看似简单的安全带其实并非“简单”。注意力在交通安全的最前沿，通过对通用汽车再一次事故中的调查分析发现：安全带不仅能保护人们的生命，而且能在一半以上的事故中减少甚至消除驾驶者，乘车者受伤的机会。汽车碰撞或突发紧急制动时会产生很大的惯性作用力，将会使司机、乘客、汽车挡风玻璃、转向盘、座椅之间发生二次碰撞，这是极其容易造成很严重的伤害，甚至将驾乘员抛离座位或抛出车外，而安全带能将驾乘人员束缚在座位上。当有事故发生时，可以有效地防止碰撞，而且它的缓冲作用能吸收大量动能，减少乘坐人员受伤的程度。
2．安全气囊
在乘员使用座椅安全带的情况下，气囊有助于在严重性的碰撞中减少胸部，头部和面部的伤害。当汽车发生碰撞的时候，首先是汽车停止运动，汽车在惯性力的作用下迫使乘员以原来的速度向前运动。不系安全带的乘员将与转向盘、前挡风玻璃发生碰撞，因此它可以造成严重伤害；系安全带的乘员将随着汽车停止运动而逐渐停止向前运动。如果碰撞剧烈，系着安全带的乘员向前运动的速度更快，在运动停止之前仍然毁于车内的东西发生碰撞。如果此时装在转向盘或仪表板内的充气气囊弹出，它就可以保护乘员并减少乘员与汽车碰撞的可能性，更均匀的分散头、胸的冲击力，吸收乘员的冲击能量，因此给乘员安全带起到增值效应。
三、汽车主动安全新技术
1．Eye Car技术
Eye Car技术可以使每一个司机眼睛处于同样的相对高度，保证提供一个对路面和周围车道的无阻碍视线和最佳能见度。这项技术还可以提供特定的驾驶环境。和最好的能见度。
2． Cam Car技术
Cam Car技术旨在帮助提高驾驶员的感知能力。
四、汽车被动安全新技术
1．未来安全气囊
（1）充气式屏幕系统。这是一种新的安全设计，它的基本原理是在汽车乘员的头部保护，当碰撞发生时，它就会进行充气，充气后的形状呈帐篷状。
（2）管状充气结构头部空气囊。本系统为补充现有的侧面保护系统，仍停留在保护胸部、腹部、臂部，但是对于头部的保护比较不足。它采用车身刚体结构，门体防护梁、侧气囊，可形成完整的侧边安全防护网，这将是未来的安全保护趋势。
（3）头部支撑系统。头部支撑系统一般称为头枕，汽车座椅的头枕不仅仅是为了乘员的舒适实际上更重要的是为了乘员的安全。车辆如果在紧急制动情况，车身会有很强烈的往复运动，因为惯性原理乘员的身体会跟随车身摆动，尤其是对于脖子来说。如果没有缓冲头枕对头部的支撑，颈部受伤所引起的伤害是非常令人惊讶的。
（4）外部安全气囊。
2．自适应约束技术系统（ARTS）
全新的自适应约束技术系统（ARTS）使用了一系列的传感器来监测驾驶员座椅位置、安全带的使用情况，以及前排乘员的乘坐质量和乘坐位置以及发生碰撞时的碰撞强度和碰撞力的方向等，然后根据这些具体的信息，例如各前气囊的特点，对乘员的安全。该系统可以进一步减少由于不适当的安全气囊对乘员的伤害，特别是对于身材较小的乘员。
3．汽车吸能方向管柱
汽车吸能方向管柱通过碰撞再分配传到方向盘上的冲击力，冲击力路径提供分流快，使得方向盘上的负载最小。转向柱由空心管和转向轴承组成。传统的空心管和转向柱导向轴承是整体式的，转向轴顶部与方向盘连接，下端与方向器连接。吸能方向管柱的特点是将整体式转向柱，分为上转向柱和下转向柱两部分；里面的转向轴也分为两部分，用万向节机构之连接。一旦发生碰撞使方向机构产生位移，外向节下端特制的转向轴会折叠，上转向管柱移入下转向管柱内，达到“缩进”，从而扩大空间，减少损失。
五、胎压力监视系统
如何防止爆胎已经成为安全驾驶的重要任务。据国家橡胶轮胎质量监督中心的专家分析，保持标准的轮胎压力驱动和及时发现轮胎漏气是防止爆胎的关键。轮胎压力监测系统（TPMS)----汽车轮胎压力监测系统无疑是理想的工具。该系统主要用于在汽车行驶时对轮胎压力的实时自动监测；对轮胎漏气和低气压进行警报，以保证行车安全。
驾驶人可以从监视器上知道每一个轮胎压力值，当轮胎压力低于该规定的气压下限时，显示器会自动报警。
总之，汽车主动安全技术和被动安全技术对汽车驾驶的安全性是非常重要的，此外，如环境因素、人为因素对汽车行驶的安全性也很重要。因此，我们必须准备好各方面的要求和技术，以保证车辆行驶的安全性。
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