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基于结构优化设计的客车轻量化研究

作　者: 陈元华
导　师: 杨沿平
学　校: 湖南大学
专　业: 车辆工程
关键词: 客车车身骨架 I-DEAS 有限元分析优化设计轻量化
分类号: U462.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 348次
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内容摘要

车身骨架是客车的主要承载件,车身骨架在客车的整备质量中占四分之一左右,所以车身骨架的轻量化设计对减轻汽车的质量有着非常重要的意义。减轻车身自重不仅可以节省材料,而且能提高整车的动力性和经济性,并减少排放。实现汽车轻量化主要有车身骨架结构优化设计和使用轻质材料两种途径。本文运用高度集成化的CAD/CAE/CAM软件I-DEAS对客车车身骨架的结构性能进行有限元分析,并在此基础上进行了结构优化设计,从而达到减轻车身自重的目的。首先,本文在对前人研究成果以及大量资料文献的了解下,从节能和环保两个方面论述了汽车轻量化的重要意义,介绍了当前国内外客车轻量化研究的现状,概括说明了客车轻量化的几种实现途径。其次,以某客车有限公司生产的GDW6850H型客车为例,运用有限元分析软件I-DEAS,通过合理的简化,建立了半承载式客车车身骨架及顶盖和左右蒙皮的有限元模型。在得到车身骨架简化模型的基础上,分析了客车车身在弯曲和弯扭联合两种典型工况下的应力分布和变形状况,从而找出车身骨架中强度和刚度余量较大的构件,为该车的轻量化优化提供依据。同时,为了掌握该车的动态性能,对车身骨架进行了模态分析,获得了该车车身骨架前十阶模态的固有频率和振型特征。最后,运用I-DEAS软件中的Optimization模块对车身骨架进行了轻量化优化。在整个优化过程中,以客车车身自重作为优化目标函数,将对车身骨架总体质量影响较大的9种梁的截面积以及车身蒙皮厚度作为优化设计变量,选择应力最大值、位移最大值以及车身低阶固有频率构成约束条件。在确保整车强度和刚度满足使用条件和国家相关标准的前提下,车身骨架质量减轻了135.54kg,达到了预期目标。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-25
  1.1 引言  11
  1.2 研究背景  11-12
  1.3 研究目的和意义  12-15
    1.3.1 汽车能源与汽车轻量化  12-14
    1.3.2 汽车环保与汽车轻量化  14-15
    1.3.3 客车高级化与客车轻量化  15
  1.4 国内外客车轻量化研究现状  15-18
    1.4.1 汽车轻量化的历史  15-16
    1.4.2 客车车身结构轻量化研究现状  16-18
    1.4.3 客车车身材料轻量化研究现状  18
  1.5 客车轻量化实施途径概述  18-22
    1.5.1 整车结构优化设计与轻量化  18-20
    1.5.2 轻质材料实现客车轻量化  20-21
    1.5.3 全承载式车身实现客车轻量化  21-22
  1.6 论文主要研究内容  22-25
第2章有限元理论及在汽车优化设计中的应用  25-34
  2.1 引言  25-26
  2.2 有限元法的基本理论  26-27
    2.2.1 有限元法的概念  26-27
    2.2.2 有限元法常用术语  27
  2.3 有限元方法的基本步骤  27-32
    2.3.1 离散和选择单元类型  27-28
    2.3.2 选择单元位移模式  28-29
    2.3.3 定义应变位移和应力应变关系  29
    2.3.4 推导单元刚度矩阵和方程  29-30
    2.3.5 整体刚度方程和矩阵的建立  30-31
    2.3.6 施加节点载荷  31
    2.3.7 施加边界条件求解单元应变和应力  31-32
    2.3.8 分析计算结果  32
  2.4 有限元法在汽车优化设计中的应用  32-33
  2.5 本章小结  33-34
第3章 GDW6850H 客车车身骨架有限元模型的建立  34-47
  3.1 I-DEAS 软件简介  34-35
  3.2 GDW6850H 客车车身骨架有限元模型的建立  35-46
    3.2.1 有限元建模的原则和基本顺序  35-36
    3.2.2 建模前的准备工作  36-40
    3.2.3 模型简化  40-42
    3.2.4 建立有限元模型  42
    3.2.5 网格划分  42-43
    3.2.6 载荷施加  43-44
    3.2.7 悬架系统模拟  44-46
  3.3 本章小结  46-47
第4章 GDW6850H 客车车身结构静强度有限元分析  47-56
  4.1 概述  47-48
  4.2 客车车身骨架主要性能指标  48-50
    4.2.1 客车车身骨架强度指标  48
    4.2.2 车身骨架刚度指标  48-50
  4.3 计算工况的选择  50-51
    4.3.1 弯曲工况  50-51
    4.3.2 弯扭工况  51
  4.4 GDW6850H 客车车身弯曲工况模拟计算分析  51-53
    4.4.1 边界约束及载荷条件  51-52
    4.4.2 应力及变形计算结果  52-53
  4.5 GDW6850H 客车车身弯扭工况模拟计算分析  53-55
    4.5.1 边界约束及载荷条件  53
    4.5.2 应力及变形计算结果  53-55
  4.6 计算结果分析  55
  4.7 本章小结  55-56
第5章 GDW6850H 客车车身结构有限元模态分析  56-68
  5.1 概述  56-57
  5.2 模态分析的理论基础  57-59
  5.3 车身动态性能评价指标和模态分析步骤  59-60
    5.3.1 车身动态性能评价指标  59-60
    5.3.2 模态分析基本步骤  60
  5.4 GDW6850H 客车模态计算结果及分析  60-67
  5.5 本章小结  67-68
第6章 GDW6850H 客车车身骨架轻量化优化设计  68-81
  6.1 优化设计概论  68-69
  6.2 优化方法及数学模型  69-72
    6.2.1 优化方法的选择  69-70
    6.2.2 优化数学模型的建立  70-72
  6.3 GDW6850H 客车轻量化优化具体过程  72-75
  6.4 GDW6850H 客车优化结果及分析  75-80
    6.4.1 设计变量优化结果及分析  75-77
    6.4.2 总质量优化结果及分析  77-78
    6.4.3 最大应力优化结果及分析  78-79
    6.4.4 最大位移优化结果  79
    6.4.5 模态优化结果及分析  79-80
  6.5 本章小结  80-81
总结与展望  81-83
  全文总结  81-82
  研究展望  82-83
参考文献  83-86
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  86-87
致谢  87

基于结构优化设计的客车轻量化研究

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