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《中原工学院》 2017年
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半挂车车架有限元分析与轻量化研究

鲁付杰  
【摘要】:随着物流业的快速发展和城市间资源交换脚步的加快,半挂车在道路运输中的地位不断提高,但由此也带来了一些问题,如因为严重超载使·得车架发生局部损坏,超标排放尾气等。半挂车车架是主要的承重部位,也是质量占比最大的部件,车架的性能直接影响到整车的表现,因此对车架进行安全和轻量化研究有重要意义。本文对湖北某专用车企业生产制造的半挂车车架开展研究,首先在pro/e软件中进行几何建模,并在ansys workbench中分析了其在弯曲、扭转两种状态下存在应力过大和应力集中的现象,通过添加腹板结构及开矩形口解决了这一问题,然后再进行车架在四种工况下的应力、应变分析,验证了结构改进的正确性。在结构改进后进一步对车架模态振型进行了研究,对比改进前模态频率有不同程度的提升;证明了车架结构改进的合理性。同时为了达到企业制定标准,又进一步实施了车架的疲劳寿命分析,得到的寿命长度完全超过设计标准。为了得到轻量化的半挂车车架结构,先实施了灵敏度研究,得到各个尺寸的变化对其质量的作用,然后在此基础上实施了基于轻量化的尺寸优化,完成优化之后车架总重量减小了197kg。接下来又分别进行了四种工况下的拓扑优化,综和优化分析结果对车架后部进行打减重孔的形式进行轻量化。最后参照竹结子中空结构具有很好的抗扭抗弯性能进行车架优化设计。本文把有限元运用到车架改进和轻量化方面,为车架的研究提供一种思路。
【关键词】:半挂车车架 安全性 模态 疲劳寿命 轻量化
【学位授予单位】:中原工学院
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:U463.32;U469.53
【目录】:
  • 摘要4-5
  • Abstract5-9
  • 1.绪论9-16
  • 1.1 引言9-10
  • 1.2 研究背景及意义10-11
  • 1.3 半挂车发展现状11-12
  • 1.4 半挂车车架的研究现状12-13
  • 1.5 我国半挂车的发展趋势13-14
  • 1.6 研究内容14-16
  • 2.半挂车实体建模及有限元概述16-33
  • 2.1 半挂车介绍16-18
  • 2.2 半挂车各部分结构18-19
  • 2.2.1 车架总成18
  • 2.2.2 悬挂总成18-19
  • 2.2.3 支撑装置总成19
  • 2.2.4 制动总成19
  • 2.2.5 其他总成及一些参数说明19
  • 2.3 半挂车的受力情况19-20
  • 2.4 半挂车车架实体建模20-22
  • 2.4.1 建模方案的选择20
  • 2.4.2 模型简化处理20-21
  • 2.4.3 车架实体模型建立21-22
  • 2.5 有限元法介绍22-31
  • 2.5.1 有限元法的概念22
  • 2.5.2 有限元求解步骤22-31
  • 2.6 ANSYS有限元软件介绍31-32
  • 2.7 本章小结32-33
  • 3.车架结构分析33-54
  • 3.1 车架静强度度分析33-41
  • 3.1.1 前言33
  • 3.1.2 车架实体模型导入33
  • 3.1.3 车架材料属性的设定33-34
  • 3.1.4 车架网格单元选择和网格划分34-35
  • 3.1.5 载荷处理35-36
  • 3.1.6 约束的设定36-37
  • 3.1.7 有限元结果37-38
  • 3.1.8 车架结构改进38-39
  • 3.1.9 改进结构后车架静力学分析39-41
  • 3.2 车架模态分析41-48
  • 3.2.1 模态分析理论42-43
  • 3.2.2 边界条件的施加43
  • 3.2.3 自由模态分析结果43-48
  • 3.3 车架静态疲劳寿命分析48-53
  • 3.3.1 疲劳寿命基本理论48
  • 3.3.2 累计损伤理论48-49
  • 3.3.3 材料的s-n曲线49
  • 3.3.4 进行疲劳寿命分析的一般流程49-51
  • 3.3.5 疲劳结果分析51-53
  • 3.4 本章小结53-54
  • 4.车架灵敏度研究54-60
  • 4.1 灵敏度理论介绍54-57
  • 4.1.1 位移灵敏度理论54-55
  • 4.1.2 刚度灵敏度理论55-56
  • 4.1.3 频率灵敏度理论56-57
  • 4.2 车架结构灵敏度分析过程57-59
  • 4.3 灵敏度结果分析59
  • 4.4 本章小结59-60
  • 5.基于轻量化的车架结构优化60-67
  • 5.1 汽车轻量化的概念与实现方法60-61
  • 5.1.1 现代结构优化设计60-61
  • 5.1.2 轻型化材料61
  • 5.1.3 先进材料成型技术61
  • 5.2 车架尺寸优化61-63
  • 5.3 车架拓扑优化63-65
  • 5.4 车架结构设计65-66
  • 5.5 本章小结66-67
  • 6.总结和展望67-69
  • 6.1 全文总结67
  • 6.2 研究展望67-69
  • 参考文献69-72
  • 附录:攻读硕士学位期间取得的成果72-73
  • 致谢73

【参考文献】
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