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原文传递混合动力城市客车车架动态载荷分析及轻量化设计

论文题名：	混合动力城市客车车架动态载荷分析及轻量化设计
关键词：	混合动力客车;车架结构;动态载荷;满载扭转工况;有限元仿真;轻量化设计
摘要：	目前，节能、环保是汽车领域发展的必然趋势，关系到人类社会的可持续发展。汽车质量过大，会导致排放大量的污染物，消耗更多的能量。在此背景下，汽车轻量化技术应运而生，是目前世界汽车技术发展的重要方向之一，其主要实现方法有结构优化设计、轻型材料的使用与先进制造工艺的引入。其中，以结构尺寸优化方法为代表的结构优化设计在汽车轻量化研究领域发挥着重要作用。　　车架是汽车的重要承载件，必须保证其具有足够的强度与刚度，车架质量占据整车质量的比例较大，因此，在保证车架满足强度与刚度的条件下实现车架的轻量化显得尤为重要。以往对车架的轻量化研究只在静态载荷下进行，不能很好地满足车架实际使用的强度与刚度需求，具有一定的局限性。针对以上问题，本文以某混合动力城市客车车架为研究对象，对整车虚拟样机进行满载扭转工况的动态仿真，提取车架各主要连接部位的动态载荷峰值力，基于所提取动态载荷峰值力对车架进行轻量化研究。主要研究内容如下：　　(1)建立车架有限元分析模型，对模型进行网格划分，针对划分后的网格进行质量评估，评估结果表明所划分网格质量良好。在建立网格质量良好的车架有限元模型基础上，对车架满载弯曲、满载扭转、满载加速、满载制动以及满载转弯五种典型工况进行静态载荷边界条件的施加，分别计算出车架在这五种工况下的变形与应力，并对计算结果进行分析。分析结果表明：满载扭转工况下车架的等效应力最大，最大等效应力值为151.90MPa，该工况为车架最危险工况。但此时的最大等效应力小于车架材料的最大许用应力，车架变形量也远小于允许最大变形量，车架强度与刚度均具有一定的冗余量。对车架进行前六阶模态计算分析，结果表明车架固有频率避开路面激振频率与发动机怠速频率，发生共振现象的可能性较小。　　(2)建立包括悬架子系统、转向子系统、轮胎子系统、车身子系统、路面子系统等子系统的整车虚拟样机模型，并对其进行满载扭转工况的仿真。针对仿真结果，提取车架各关键连接点处的动态载荷峰值力，将所提取动态载荷峰值力作为满载扭转工况的边界条件施加到车架的相应位置，并进行静力学有限元分析。分析结果表明，此时车架的最大变形量与最大等效应力分别为37.77mm、225.64MPa，相较于静态载荷时的最大变形量32.73mm与最大等效应力151.9MPa，有较大差距。基于动态载荷的车架有限元分析更符合实际情况，为车架的轻量化设计提供技术支撑。　　(3)根据车架结构的特点，针对车架最危险工况，以车架结构材料的最大许用应力、车架结构设计要求的最大变形位移量作为约束条件，以车架结构中段部位两根长梁的截面厚度尺寸作为设计变量，以车架结构质量最小为目标函数，使用结构尺寸优化方法对车架结构进行优化设计。通过与优化前的车架结构进行静态性能与动态性能对比，结果表明：在满载扭转工况下，车架结构的最大变形量由优化前的37.77mm减小到35.93mm，减少了1.84mm；最大等效应力由优化前的225.64MPa减小到220.69MPa，减少了4.95MPa；优化后车架的前六阶固有频率、最大变形量及固有振型均未发生大的变化，有效地避开了激励源频率，避免共振现象的发生；优化后车架的质量由原来的910kg减小到884kg，减小了2.9%，实现车架结构轻量化的同时，提高了车架的刚度与强度。
作者：	胡侃
专业：	机械工程
导师：	戴作强
授予学位：	硕士
授予学位单位：	青岛大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文