基于现代设计理论的车身结构设计方法研究

论文摘要

车身作为车辆的重要组成部分,对整车的安全性、动力性、经济性、舒适性及操控性有着重要的影响,同时汽车的个性化也是通过车身设计表现出来。本文以某大客车为研究对象,综合利用现代设计方法中的相关理论,研究了作为汽车三大总成之一的车身结构的静、动态特性及轮胎的刚度特性。 通过建立坐标系,将截面离散化,用截面上关键点的坐标值来描述截面形状,使数与形结合。用代数方法研究几何问题,推导出实用性强、计算精度高且适合计算机编程计算的任意形状开口及闭口薄壁截面的几何特性参数计算公式,解决了准确地确定任意复杂薄壁截面的形心、弯心及形心主轴位置的问题,并给出了算例。 在UG软件中建立车身骨架的几何模型后,用接口程序生成命令流文件将模型导入到ANSYS环境中,建立了车身骨架有限元模型,用有限元理论分析了静态工况下承载式客车车身骨架的强度特性。探讨了承载式车身骨架不同部位的受力特性,提出了通过对骨架结构进行局部改进来提高整体结构强度的方法及对原结构进行改进设计的方案。 在车身结构有限元静态强度分析的基础上,利用ANSYS软件进行了车身结构的模态分析。研究了由路面不平度引起的车身动应力的仿真计算方法。考虑到轮胎结构及其材料和动力学特性的复杂性,在仿真分析中,为了避免由于轮胎的过度简化带来的误差,将整车划分为簧上和簧下两大系统。把簧上部分作为振动系统进行研究,车桥传到悬架的动载荷作为系统的输入,车身弹性体的动态响应(包括车身上各节点的动应力响应)作为系统的输出,建立了系统的动力学方程,根据弹性力学理论推导了车身动应力的计算公式。 研究了车身及悬架弹性对动力悬置系统隔振性能的影响。将发动机及其悬置系统、弹性车身、悬架作为振动分析系统,利用模态综合理论建立了系统的振动分析模型。用四端参数技术,分析了弹性基础情况下动力悬置系统的隔振特性;探讨了在高、底频区,弹性车身对悬置系统的动态特性的影响及在发动机高频激振下,悬置系统的传递率出现过大的原因。 提出了根据轮胎结构的微观变形量分析轮胎侧偏刚度的思路。在对轮胎提出合理的运动假设前提下,推导了轮胎侧偏刚度与轮胎变形之间的定量关系,建立了在侧向力作用下,轮胎有限元模型中相关节点位移与轮胎侧偏角关系的数学模型。以子午线轮胎(185/60R1482H)为例,利用ANSYS软件对子午线轮胎进行了基于非线性模型的有限元分析。将计算结果和试验结果进行了比较,验证了理论计算结果的可靠性。 以结构及工作条件均较简单的集装箱半挂车车架结构为例,在结构设计的开始阶段引入拓扑优化理论,先对结构进行布局优化,获得较合理的初始结构方案,再通过结构参数优化设计,得到满足结构强度、刚度及设计工艺要求的最优结构。在ANSYS软件平台上利用其程序设计语言(APDL)将ANSYS命令组织起来,编写出参数化的用户程序,实现优化设计的全过程。通过用户界面设计语言(UIDL),创建了主菜单和新的函数文件,生成具有行业分析特点和符合用户需要的集装箱半挂车车架优化设计专用软件模块。 研究了车身结构的静动态强度试验中的相关问题,在定远试验场对样车进行了强化试验,分析了样车在各种强化路面上的应力状况,通过对试验结果及理论计算数据的分析,验证了理论分析结果的正确性。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 机械结构设计中的现代方法及国内外研究概况
• 1.3 车身结构设计的国内外发展概况
• 1.4 本论文研究的主要内容
• 第二章 薄壁梁力学特性的研究
• 2.1 引言
• 2.2 薄壁梁力学特性分析
• 2.3 任意形状薄壁截面的几何特性参数的计算
• 2.4 小结
• 第三章 车身结构的静、动态特性分析
• 3.1 引言
• 3.2 基于有限元理论的车身骨架结构静态强度分析
• 3.3 基于有限元及振动分析理论的车身结构模态分析
• 3.4 基于模态综合方法的车身骨架结构动应力仿真计算
• 3.5 小结
• 第四章 车身弹性对动力总成悬置隔振特性的影响
• 4.1 引言
• 4.2 系统动力学分析
• 4.3 弹性基础对振动传递特性的影响
• 4.4 实例分析
• 4.5 小结
• 第五章 基于有限元理论的轮胎刚度特性的研究
• 5.1 引言
• 5.2 轮胎刚度理论
• 5.3 轮胎的非线性特征
• 5.4 轮胎的三维非线性有限元模型的建立
• 5.5 轮胎与地面的接触模拟
• 5.6 实例分析
• 5.7 小结
• 第六章 拓扑及参数优化方法在车辆结构设计中的应用
• 6.1 引言
• 6.2 拓扑优化设计数学模型
• 6.3 车架结构参数优化设计
• 6.4 车架结构参数优化设计
• 6.5 专用车车架结构设计程序与ANSYS二次开发
• 6.6 小结
• 第七章 车身结构强度试验研究
• 7.1 引言
• 7.2 车身结构静态强度试验
• 7.3 车身结构动态强度试验
• 7.4 小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 论文的主要创新点
• 8.3 工作展望
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间公开发表的学术论文
• 致谢