多功能电动车车架结构有限元分析及优化

论文摘要

汽车车架作为汽车总成的重要组成部分,承受着各种载荷的作用包括来自道路、汽车总成件的各种复杂载荷,因而,车架的结构设计在汽车总体设计中至关重要。使用有限元法对车架结构进行性能分析及拓扑优化,可以提高整车的静态和动态性能,同时在改善结构性能的基础上可以得到材料的最优分布。本文首先对国内外有限元技术的研究现状及车架结构优化技术的发展趋势进行综述。以某多功能电动车为研究对象,根据车架的结构特点,对车架进行了合理的简化,然后综合使用HyperMesh、ANSYS软件建立了以板壳单元为基础的有限元模型,并重点对悬架结构进行了模拟研究。根据车架的实际承载情况,分别选择满载弯曲和扭转两个典型工况,进行了有限元静态分析,并讨论了车架在两个工况下的应力分布与变形情况。分析结果表明,该车架的应力值小于材料的强度极限,满足设计的要求。然后对车架进行了模态分析,得到车架结构的固有频率及相应的振型,可以清楚地掌握车架结构的动态性能,为车架的优化设计和结构改进提供了理论依据。选取薄板作为基结构,分别在水平弯曲工况、前轮悬空扭转工况、后轮悬空扭转工况和对角轮悬空扭转工况等四种工况条下,以体积(质量)为约束函数,以刚度为目标函数对该薄板进行拓扑优化。在进行优化的同时根据材料的密度分布,确定车架的基本结构,这不仅为车架的结构设计提供了良好的理论依据,而且对车架的优化设计提供了新的思路和可行的具体路线。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 研究意义及目的
• 1.3 国内发展状况
• 1.3.1 国外研究概况
• 1.3.2 国内研究概况
• 1.4 课题研究内容和方法
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 本课题采用的研究方法
• 第2章 有限元分析理论及模型的建立
• 2.1 有限元的基本思想及分析步骤
• 2.1.1 有限元方法的基本思想
• 2.1.2 有限元分析步骤
• 2.2 有限元软件介绍
• 2.2.1 HperMesh软件介绍
• 2.2.2 ANSYS软件介绍
• 2.3 车架模型的建立
• 2.3.1 多功能电动车车架的结构特点分析
• 2.3.2 多功能电动车车架几何模型的建立
• 2.3.3 车架几何模型的简化
• 2.3.4 将车架CATIA三维模型导入HyperMesh
• 2.3.5 车架中间面的抽取
• 2.4 车架材料的设置及单元的划分
• 2.4.1 求解模版的设置
• 2.4.2 单元选择
• 2.4.3 材料特性的建立
• 2.4.4 存储单元collectors的建立
• 2.4.5 单元网格的划分
• 2.5 车架所受载荷的处理
• 2.5.1 集中载荷的添加
• 2.5.2 均布载荷的添加
• 2.6 悬架的模拟
• 2.6.1 悬架的模拟模型
• 2.6.2 车架模型导入ANSYS软件
• 2.6.3 悬架模型的创建
• 2.7 本章小节
• 第3章 车架静态分析
• 3.1 静力分析的基本概念及流程
• 3.2 车架结构静力分析工况及约束处理
• 3.3 车架满载弯曲工况分析
• 3.3.1 满载弯曲工况下约束与载荷
• 3.3.2 满载弯曲工况下车架的结果分析
• 3.4 车架满载扭转工况分析
• 3.4.1 满载扭转工况下约束与载荷
• 3.4.2 满载扭转工况下车架的结果分析
• 3.5 车架结构静力分析结果评价
• 3.6 本章小结
• 第4章 车架动态分析
• 4.1 模态分析的理论基础
• 4.2 模态的提取方法
• 4.3 车架模态的计算与结果分析
• 4.3.1 模态分析的步骤
• 4.3.2 模态结果分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 车架的优化设计
• 5.1 拓扑优化方法及优化步骤
• 5.1.1 拓扑优化方法
• 5.1.2 ANSYS拓扑优化步骤
• 5.2 汽车车架结构的拓扑优化
• 5.2.1 单元的选择
• 5.2.2 车架优化基结构的选取
• 5.2.3 边界条件和载荷的施加
• 5.2.4 定义优化函数及求解方法
• 5.3 典型工况下拓扑优化计算结果
• 5.3.1 水平弯曲工况下拓扑优化
• 5.3.2 前轮悬空扭转工况下拓扑优化
• 5.3.3 后轮悬空扭转工况下拓扑优化
• 5.3.4 对角轮悬空扭转工况下拓扑优化
• 5.4 车架结构的改进
• 5.4.1 水平弯曲工况下改进
• 5.4.2 实际应用的改进
• 5.5 拓扑优化后的验证
• 5.5.1 水平弯曲工况的验证
• 5.5.2 组合扭转工况的验证
• 5.6 拓扑优化结果分析
• 5.7 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录:攻读硕士学位期间发表的论文