基于车身强度准则法的结构轻量化设计与研究

论文摘要

为提高汽车的燃油经济性和降低生产成本,汽车车身轻量化设计与研究逐渐被越来越多的汽车企业重视,成为结构设计领域的前沿课题和热门问题。从这点来说轻量化的途径就显得很重要了,随着计算机技术的快速发展,有限元法就被越来越多的企业所采用来进行汽车车身的轻量化设计。采用有限元分析技术来进行车身的轻量化优化设计可以大大减少产品的研发周期,节约研发成本、提高整车的一些性能和行驶可靠性。本文首先论述了车身轻量化研究的重要性及车身轻量化的主要途径,其次对国内外有关车身轻量化的研究现状做了介绍,分析了车身结构轻量化的发展趋势,同时探讨了国内在这车身轻量化研究方面与国外存在的差距。接着论述了有限元法在车身结构分析中的应用,讲述了有限元的理论基础、以及对车身设计常用有限元单元做了介绍,即：板壳单元和空间梁单元。同时对常用有限元软件ANSYS做了简要的介绍,列举了用ANSYS软件做有限元分析的常用思路。然后对车身强度准则法进行了定义,提出了车身的抗静强度准则与抗动强度准则,并用钣金件的高周疲劳寿命与低周疲劳寿命来综合评价车身的抗动强度能力。结合CAD与CAE软件,建立了某微车的有限元模型,随后对有限元模型进行了材料属性的定义和单元类型选取,最终生成了微车的有限元网格模型。在此基础上,对车身在四种工况下的车身应力进行了计算与分析。综合四种工况,发现车身一部分钣金件的应力富余比较大,车身有很大的轻量化空间。同时对四工况下应力集中区域较多的钣金件的高周疲劳寿命进行了估算,除个别件外,都能满足疲劳寿命的最低要求。最后对车身进行了轻量化设计,选取应力富余较大的30个钣金件为设计变量,以四工况的内应力强度为状态变量,以车身钣金件的体积为目标函数,进行了优化设计的计算,优化后的车身重量比原来减轻了5.6%。接下来对优化后的车身钣金件进行了四工况下的高周疲劳寿命估算,所估算钣金件都满足了疲劳寿命的基本要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 车身轻量化的主要途径
• 1.2.1 轻量化设计工程
• 1.2.2 轻量化制造工程
• 1.2.3 材料的选用
• 1.3 国内外轻量化研究的现状及趋势
• 1.3.1 国外轻量化研究现状
• 1.3.2 国内轻量化研究现状
• 1.4 本课题研究的主要内容
• 第2章 有限元法在车身结构分析中的应用
• 2.1 引言
• 2.2 有限元理论的基础
• 2.3 汽车车身设计常用有限元单元理论基础
• 2.3.1 板壳结构单元基本理论
• 2.3.2 空间梁单元结构基本理论
• 2.4 有限元分析软件Ansys的介绍和分析计算的一般流程
• 2.4.1 有限元分析软件Ansys的简介
• 2.4.2 ansys软件的基本组成
• 2.4.3 Ansys软件进行有限元分析的一般步骤
• 第3章 车身强度准则法
• 3.1 车身强度的定义
• 3.2 强度准则法在车身结构设计中的应用
• 3.2.1 抗静强度准则
• 3.2.2 抗动强度准则
• 3.2.3 高周疲劳的寿命估算方法
• 3.2.4 低周疲劳估算方法
• 第4章 微型轿车有限元模型的建立
• 4.1 整车数字化模型的建立
• 4.2 有限元模型的建立
• 4.2.1 数据的简化处理及模型的导入
• 4.2.2 材料属性的定义
• 4.2.3 单元类型的选取
• 4.2.4 焊点的处理
• 4.2.5 网格的生成
• 第5章 车身强度计算工况及结果分析
• 5.1 水平弯曲工况
• 5.1.1 载荷及约束的施加
• 5.1.2 计算结果及分析
• 5.2 悬空工况分析
• 5.2.1 载荷及约束的施加
• 5.2.2 计算结果及分析
• 5.3 紧急制动工况
• 5.3.1 载荷及约束的施加
• 5.3.2 计算结果及应力分析
• 5.4 急转弯工况
• 5.4.1 载荷及约束的施加
• 5.4.2 计算结果及应力分析
• 5.5 四工况下的疲劳强度分析
• 第6章 车身的轻量化优化设计
• 6.1 优化设计的数学模型
• 6.1.1 设计变量
• 6.1.2 目标函数
• 6.1.3 约束条件
• 6.2 结构优化设计的分类
• 6.2.1 结构尺寸的优化
• 6.2.2 结构形状的优化
• 6.2.3 结构拓扑优化
• 6.3 优化算法
• 6.3.1 最优准则法
• 6.4 车身优化模型的建立
• 6.4.1 设计变量的选取和定义
• 6.4.2 状态变量的选取
• 6.4.3 目标函数的确定
• 6.5 优化结果及分析
• 第7章 全文总结及展望
• 7.1 研究总结
• 7.2 论文不足
• 参考文献
• 致谢
• 附录