小型多功能底盘框架的有限元分析和轻量化设计

论文摘要

目前,在现代结构设计中,CAE技术已被广泛应用,而CAE技术中被普遍使用的方法是有限元分析方法。有限元分析方法可以缩短产品的开发周期、降低开发成本、使开发的产品更具竞争力,同时也可对现有产品进行分析及优化设计。从整车的组成看,底盘作为整车组成的三大部分之一,是整车动力性、经济性、安全性、可靠性等性能的基础;从车身设计制造的角度来看,必须选用与其紧密匹配的底盘和发动机才能发挥其整体优势。因此,底盘在整车的设计中具有举足轻重的地位。本文研究的主要内容是利用有限元分析的方法对小型多功能底盘框架进行轻量化设计与结构优化。本文的研究对象高速水稻插秧机自走底盘的主要部件(液力传动和无级变速)依靠进口和外资企业生产,这在很大程度上提高了插秧机的成本。而无级变速和液力驱动这些功能不仅对水田插秧没有实际作用,而且很大程度上提高了底盘的成本。水田自走底盘的研发成为制约水稻插秧机等水田操作机械的“瓶颈”问题。本论文以高速水稻插秧机车架为研究对象,主要研究的内容和结果如下:1.以高速水稻插秧机车架为研究对象对其进行动力学分析。选择其在水田中正常工作、非满载时的工况为分析工况,对其受力在三维模型中进行分析。2.进行了具有国内首创性的高速水稻插秧机动力输出轴所受扭矩的测试,得到了水稻插秧机在正常工作时的动力分配,其中驱动力比值大约为1:3.5,扭矩比值大约为1:4.8,同时还得到了插秧机在不同工况下的动力分配情况,并对多种工况下的测试曲线进行了详细分析。3.解决了本试验中由于测试对象的特殊性存在的标定难的问题。详细陈述了试验原理和试验步骤,介绍了相关测试器材的选择以及测试的具体操作步骤,为以后进行相关的测试提供参考。4.选择在三维建模软件UG中对研究对象进行参数化建模,大大加快了建模的速度和设计效率,避免了建模和优化过程中的大量重复性工作。5.选择有限元分析软件ANSYS Workbench对车架模型进行分析,利用其与UG的良好接口,在UG中将模型保存为.STP格式,导入ANSYS Workbench中分析,并且可以将模型在三维中的改动与有限元分析软件中的模型同步更新。6.在不同工况下,对插秧机车架作静态应力分析,并以静态应力分析结果为依据,对相对大应力位置进行应力实测试验并将测试结果与分析结果进行对比,验证模型简化、约束处理以及载荷简化的正确性。7.对车架模型进行轻量化设计,并对轻量化后的模型进行结构改进。对改进后的模型进行应力校核,证明了本优化方案的经济性和可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景、目的与意义
• 1.1.1 课题研究的背景
• 1.1.2 课题研究的目的与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国内外水稻插秧机底盘框架的研究现状
• 1.2.2 国内外轻量化研究现状
• 1.2.3 有限元技术的研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 1.4 本章小结
• 第二章 小型多功能底盘框架结构静态动力学模型的建立
• 2.1 车架的综述
• 2.1.1 车架结构的种类
• 2.2 本文研究对象的介绍
• 2.3 底盘框架结构的动力学分析
• 2.3.1 动力学方程的建立
• 2.3.2 底盘结构动力学分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 小型多功能底盘框架结构的有限元分析边界条件的测试及动力学方程的求解
• 3.1 田间测试的目的和意义
• 3.2 测试原理
• 3.3 测试内容
• 3.3.1 测试扭矩的基本方法
• 3.3.2 应变片的粘贴位置
• 3.3.3 静态标定
• 3.3.4 田间测试
• 3.3.5 测试相关事项的确定
• 3.4 测试难点及解决
• 3.4.1 应变片的粘贴
• 3.4.2 标定坐标系的确立
• 3.4.3 测试仪器的设置及校零
• 3.5 测试与结果的分析
• 3.5.1 试验设备
• 3.5.2 标定与测试
• 3.5.3 田间测试数据的采集与处理
• 3.6 动力学计算
• 3.6.1 线性方程组的确立
• 3.6.2 已知量的确定及求解
• 3.7 本章小结
• 第四章 小型多功能底盘框架的静态应力分析及结果验证
• 4.1 底盘框架有限元模型的建立
• 4.1.1 底盘框架结构模型的简化
• 4.1.2 载荷的处理及加载
• 4.1.3 边界条件的处理
• 4.1.4 工况条件的设定
• 4.1.5 材料特性参数的确定
• 4.2 车架结构模型的应力分析及其与测试结果的比较
• 4.2.1 不同工况的应力分析
• 4.2.2 车架的应力测试
• 4.2.3 车架应力分析结果与测试结果的比较
• 4.3 本章小结
• 第五章 小型多功能底盘框架的轻量化设计
• 5.1 优化模型理论
• 5.1.1 优化设计理论
• 5.1.2 车架优化模型
• 5.2 轻量化及结果分析
• 5.3 模型的结构改进及分析
• 5.3.1 模型的结构改进
• 5.3.2 结构改进后模型的应力分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 今后的工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间获得的研究成果