轿车前副车架设计-学位论文

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1、上海工程技术大学毕业设计（论文） SH59轿车前副车架设计提供全套毕业论文，各专业都有摘 要底盘结构承载件是整车中非常重要的安全件和功能件，由于它们的重要性和特殊性，对于全新车型的开发、已有车型的该改型或是引进车型都要评估考核底盘结构件的结构设计。因此底盘供应商必须在明确整车厂商的模块要求前提下，具备短期内考核零部件结构设计，快速设计开发定型零部件的能力，以适应整车的开发周期，降低开发成本。底盘结构件的开发主要采用计算机仿真和试验相结合的手段。其中计算机仿真的有效性直接决定了零部件开发周期。通过仿真结果和试验数据的对比，可以提高计算机仿真在汽车零部件开发的应用水平。副车架是非常典型的轿车底盘结

2、构承载件，本文以某引进车型的副车架作为研究对象，阐述了其引进中国后的适应性开发过程，同时为切实提高计算机仿真的应用水平，进行了相应的台架试验，以验证仿真模型的准确程度。本文首先根据整车对于副车架的模块要求，设计了具体的开发流程。其次，利用大型的有限元软件MSC.PATRAN建立了以板壳单元为基本单元的副车架有限元模型，并采用MSC.NASTRAN进行了纵向力工况下的静力学计算,得到了副车架的强度分布规律。第三、完成了研究性质的静应变台架测试，验证了有限元模型。应用MSC/NASTRAN软件进行副车架的有限元模态分析，获得与台架试验相吻合的结果。最后综合评估了某副车架结构设计对中国路况的适应性。

3、本文对于某副车架适应性开发采用的方法，同样也适用于同类型的冲压焊接件的底盘结构承载件设计开发。通过本课题的完成，将有限元分析方法等工具实际地应用到副车架的设计开发中，通过试验数据的对比，积累了分析经验，提升了企业的计算机实际应用水平。在课题进行过程中获得了一整套副车架的静应变分布数据，模态试验数据的一些数据和经验，对于今后其他底盘结构件的设计开发具有很强的理论参考价值和实际指导意义，为提高了企业自主开发能力迈出了坚实的一步。关键词: 副车架，结构，应力，有限元 2上海工程技术大学毕业设计（论文） SH59轿车前副车架设计THE FINITELY ELEMENT ANALYSIS AND VAL

4、IDATED LABORATORY TEST OF BUICK CRADLE ASSEMBLYABSTRACTThe structure parts in vehicle chassis are very important functional and safety parts. Whatever the whole new developing vehicle, remodel vehicle or introducing vehicle, the validation work must performed to evaluate the design rationality of ch

5、assis structure part. So the chassis supplier must have the capability to evaluate the rationality design of structure and develop the structure parts in short period on the basis clearing the module requirement of vehicle manufacturing company. If the chassis suppliers own the capability, they can

6、meet the developing timing requirement of vehicle manufacturing company and decrease the developing cost. Finally, the suppliers have the qualification to supply part to vehicle manufacturing company.The chassis structure parts development is generally completed by means of simulation and test. The

7、simulation acts as an important role. Through the comparison between simulation result and test data, the application capability will be improved.The cradle assembly of X vehicle is selected to be the researching object. The developing process is described while the rig test is performed to validate

8、 the simulation model. The thesis content is as follows:First, the module requirement is cleared and the development process is described. Second, the simulation model is created by MSC.PATRAN and the analysis is completed by MSC.NASTRAN to get the distribution of stress in cradle. Third, the corres

9、ponding rig test is performed to validate the simulation model. Fourth, the finite element mode analysis is performed. The comparison is also completed between the test data and analysis result. Fifth, the structure design of X cradle is synthetically evaluated whether the cradle suit the local road

10、.The method used in the thesis is also suit to development of the similar type of chassis structure part. After the completion of the thesis, the finite element analysis method is effectively applied in the development process of cradle. Through the comparison between the test data and simulation re

11、sult, the analysis experience is got and the computer application level is improved. Through the research work, the strain distribution test data and mode analysis data are got, which is very useful to develop the similar structure chassis parts and helpful to improve the company development capabil

12、ityKEY WORDS cradle, construction, stress, finite element analysisSH59轿车前副车架设计邱奕峰 0621032700 引言副车架为上海汇众汽车制造公司的主要产品，既是桑塔纳轿车也是上海通用别克轿车的配套产品，为轿车的国产化作出了突出贡献。但由于副车架的复杂形状及冲焊工艺涉及到压机、材料、焊装夹具、焊接规范和焊接变形等多重因素的影响。副车架生产过程中曾经出现上部侧壁冲压开裂、上下部四定位孔中心距超差、上下部点焊凸缘处偏差、托架焊接后位置尺寸超差等情况。另外，为消除焊接变形影响必须设置校正工序等。虽然生产厂通过严格的管理和检验，为

13、桑塔纳轿车配套提供了具有“零缺陷”的合格产品，但生产过程中缺陷的出现，显著增加了成本、降低了经济效益。开展旨在提高底盘冲焊件(特别是副车架)质量的课题的研究，对轿车底盘而且对整个车体的质量提高都具有重要意义。本课题针对轿车底盘副车架进行焊接装配质量控制技术研究，通过副车架生产现状及其质量分析，对副车架焊装进行分析评价，提出改进方案。1 国内外相关发展现状1.1 国内外底盘零部件的研发现状分析1.1.1当前国外轿车底盘零部件研发趋势：速度快。广泛采用计算机化手段，运用各类优秀成熟的CAD和CAE软件进行虚拟开发、优化设计和验证，并采用机电一体化CAM技术快速制造PROTYPE用于台架试验以快速验

14、证设计，大大缩短了研发周期。模块化研发供货。模块化供货是汽车零部件开发的主要趋势。所谓模块化就是将总成和零部件按其在汽车上的功能组合在一起，形成一个高度集中的、完整的功能单元，模块化思想贯穿在汽车的开发、工艺设计、采购和制造等环节的全过程之中。根据模块化供货的要求，整车企业会向零部件供应商提出一揽子的要求，比如物理要求（重量、体积等）、性能的要求等一系列标准。零部件供应商将完成产品开发、制造、成本控制与交付，并拥有知识产权。这种合作已经成为一种趋势。这种合作的好处在于，汽车的设计周期越来越快，19701980年代出一部新车可能要三年五年，现在只需要十几个月，丰田最快的只要15个月。这种模式对零

15、部件商的要求越来越高，一个是技术方面的要求，零部件供应商如何融入整车企业的设计开发过程；一个是零部件占整车的价值在不断上升。同时汽车整车厂只需要确定整个模块的外界设计目标并加以验收，同时对关键过程进行适当跟踪检查即可，这极大地降低了整车企业的研发成本，同时也给零部件企业提出了挑战、提供了模块化开发的平台。比如前副车架（front subframe）的开发，当前大多数汽车整车企业只向零部件企业提供安装点（或运动硬点）、边界条件、载荷等，有关材料、结构、公差、工艺等全部由零部件供应商自行确定并加以验证后交付整车企业进行认可。低成本。由于竞争的激烈、大量现代设计研发手段的采用，在计算机虚拟制造验证成

16、功后再投入设备工装，这使得颠覆性设计更改得到了极大的避免。1.1.2国内当前轿车底盘零部件的研发现状分析。一种是根据国际知名企业所提供的全套设计文件（包括3D/2D图型、材料标准、试验标准、检验标准等）进行国产化开发供货，工程师根据这些输入对制造过程进行跟踪控制，并按整车厂的规定程序文件分阶段完成各项认可；汇众对上海大众的国产化基本上属于这一类。另外一种是在选定国际知名品牌的平台后，参照该平台车型的底盘悬架结构进行逆向开发。国内绝大多数自主品牌的轿车底盘零部件开发方式基本如此。一些技术力量相对较强的企业，如果出现开发质量问题，可以进行局部CAE分析以用于改善工艺和局部结构。汇众对上海通用的国产

17、化项目中较多属于这一类。1.2 轿车底盘零部件国内外研发现状差异比较分析。在产品研发过程中产生很多重要的产品开发文件，无论对企业制造系统、物流系统还是对车辆底盘系统性能乃至整车性能都有着直接的影响。传统上，产品开发设计应由具有丰富经验的工程师负责。作为一个优秀的产品设计工程师应具备如下条件：（1）丰富的设计实际经验；（2）熟知相关产品设计标准；（3）熟练使用优秀设计手段；（4）熟悉相关工艺规范；（5）了解并能合理利用本企业相关资源；（6）善于合作与沟通。事实上，国内具有丰富的设计经验的工程师数量上严重不足，各项统计也表明优秀的产品研发工程师的年龄大都在40岁以上，这也反映要求产品研发工程师需要

18、多年的实践经验。这也成为传统产品研发工作的关键问题所在。当前，完全依照经验进行传统方式上的产品研发也已经严重阻碍了产品研发的效率，主要表现为：（1）仅凭经验进行产品研发，设计质量的提高存在一定的局限性，优化研发结果和缩短研发时间受到较大限制，（2）不利于建立可共享并可用于持续改进和系列化柔性开发的平台建立，（3）不利于研发人员的流动和研发流程的制度化与优化，（4）不利于企业长期研发专家系统的建立，（5）不利于利用最新的计算机及相关优秀软件技术快速满足市场多品种重个性的快速发展需求。（6） 国内目前的产品研发大多孤岛模式，能做到研发的各环节以及各系列产品之间有机集成集合智能优化同步开发并行实施工

19、程的很少见。而现代CAD/CAE/CAM手段如果能与上述专家系统结合起来，将形成强大的完善的快速的产品研发能力。具体来讲，对于汇众而言，如果通过CAD/CAE/CAM手段集成出轿车零部件专家系统，而且这样的专家系统不仅能集合汇众的传统开发经验，同时也能有效集合链接大众通用福特等国际知名品牌的部分关键产品研发技术诀窍（KNOW-HOW），那么，汇众将逐步形成自主正向开发能力，并主要表现出以下重要特性：（1）具备成熟的研发专家系统，有利于快速柔性开发，（2）避免大量重复劳动、缩短设计周期，（3）有利于平台共享，（4）有利于提高研发质量，（5）有利于企业自身研发系统利用CAD/CAE/CAM向集成化

20、、智能化以及形成工程并行模式，（6）有利于汇众的产品研发向两头延伸：一方面成为汽车整车厂研发环节的重要的组成部分，在更宽广的模块范围内优质高效供货；同时为企业内部工艺技术研发提供并行开发平台，并形成促进零部件工艺研发的有效推动力，克服当前有什么工艺就只承接相应的订单的个别现象。1.3 轿车底盘零部件产品研发中CAD/CAE的发展历史。1.3.1 CAD的运用。发端于航空航天的大型优秀3D软件（CATIA/UG/PRO-E）自上世纪运用到汽车工程设计研发之后就一直表现出强大的生命力，这些软件广泛用于汽车造型、结构设计、装配与运动分析、三维工程图的设计等，由于所设计的成果直观，易修改、共享性好，已

21、基本刷新了旧有的二维设计方式。这些3D设计结果易于相互转换并易于与各类CAE/CAM软件接口。各种CAE软件都提供了与多种CAD软件的接口。一般来说，有限元软件的建模功能不如专门的CAD软件强大。只有将他们结合起来使用才能更好地发挥各自的功能。1.3.2 CAE的运用。各类CAE软件在汽车及轿车底盘零部件中的开发也发挥着无可替代的作用。如采用有限元法（FEM）计算机械零件的应力和变形进行强度和刚度分析；采用多体动力学方法进行汽车整车的操纵稳定性和行驶平顺性的动态仿真分析；采用有限元法进行汽车碰撞分析；采用有限元法和边界方法（BEM）分析汽车的噪声等等。可以说，CAE在汽车产品开发过程中所发挥的

22、作用已经无法被取代。CAE在汽车产品开发过程中的作用集中体现在三方面： （1）CAE极大地缩短了产品的研制周期，在建模和分析过程中采用实体造型和参数化，模型和参数的修改都很方便，最终确定合理的结构参数所需时间得到大幅度的缩短。 （2）减少了开发费用。相对于道路试验和室内台架试验而言，利用CAE分析汽车整车及零部件的各种性能所需要的费用大幅减少。 （3）有利于通过优化手段开发出性能更为优越的汽车整车和零部件。譬如通过优化轿车底盘零部件的结构参数减轻整车重量；通过优化行走系和转向系的参数提高整车的操纵稳定性和行驶平顺性等。 当然，从实际应用的角度来说，汽车CAE作用的发挥还依赖于两个重要前提。其一

23、是对CAE技术的熟练掌握，其二是要提供最基本的实验数据和相关数据库。这里所指的基本实验数据，是指像bush、弹簧、轮胎特性数据、道路特性数据、各种材料的力学特性等。所谓相关数据库是指企业在产品设计和开发过程中不断积累的、能够提供结构形式和主要参数（包括价格、外协情况等）的数据库。除此之外，要更好地实施CAE并发挥其作用，必需与CAD/CAPP/CAM、优化技术等结合起来加以综合运用。CAE在汽车产品开发中的应用范围非常广泛。这里就几个与轿车底盘零部件研发有关的主要方面的应用加以介绍。（4）有限元法在轿车底盘零部件的结构强度和刚度分析方面的运用有限元法是进行工程计算的有效方法，是工程科学的重要工

24、具，其重要性仅次于数学。自上世纪五十年代起，有限元法就被广泛应用于航空、水利、土木建筑、机械等众多领域，可进行结构力学（包括线性与非线性）、结构动力学、热力学、流体力学、电路学、电磁学等问题的计算。 有限元法在机械结构强度和刚度分析方面因具有较高的计算精度而到普遍采用，特别是在材料应力应变的线性范围内更是如此。另外，当考虑机械应力与热应力的偶合时，像ANSYS、NASTRAN等大型软件都提供了极为方便的分析手段。 轿车底盘零部件是汽车中结构和受力都较复杂的部件。对轿车底盘零部件进行有限元分析的目的在于提高其承载能力和抗变形能力、减轻其自身重量并节省材料。另外，就整个汽车而言，当轿车底盘零部件重

25、量减轻后，整车重量也随之降低，从而改善整车的动力性和经济性等性能。（5）汽车动力学仿真分析采用多体（刚体和柔体）动力学分析方法进行汽车动力学仿真，可在研究阶段预测整车的动力学性能，对这些性能进行优化，以达到提高产品性能、缩短开发时间、减少开发费用的目的。以整车的操纵稳定性为例，由于影响因素涉及到轮胎、悬架、转向等多个方面，简单的计算难以得到合理的结论，哪怕是定性的结论往往也不可靠。为此，已开发出多种机械动力学仿真软件。汇众目前使用的是美国MDI公司的ADAMS软件，它已被广泛用来进行汽车操纵稳定性、汽车行驶平顺性的动态仿真。ADAMS中的TIRE模块提供若干种轮胎模型供分析时选用，以准确地建立

26、轮胎的动力学模型。ADAMS中的CAR模块是专为汽车动力学仿真而设计的，使用十分方便。国内已有多家汽车公司利用该软件进行了货车、轿车、汽车列车和大客车的动力学仿真分析，并取得了较好的效果。在现代汽车企业的竞争中，产品的质量、成本和投放市场的周期是最核心的竞争力的体现。CAE技术成为实现这三点要求的重要手段。随着计算机技术的高速发展，汽车CAE分析技术已经深入到产品设计的流程中，已经得到了非常广泛和深入的应用，汽车CAE发展到今天，几乎已经涵盖了汽车性能要求的所有方面，刚度、强度、疲劳寿命、振动噪声、运动与动力性分析、碰撞仿真和乘员保护、空气动力学特性等等，以GM和FORD为代表的汽车公司早就提

27、出了虚拟样车和C3P这样的设计理念，CAE是其中极其重要的一个环节，通过对产品的全面仿真模拟计算，达到对产品性能的全方位预演和掌控。1.4 本课题的研究意义：由于公司必须要适应主机厂模块化供货和同步开发的要求，选择前副车架总成这样的典型产品作为研究的对象，探讨副车架在具体结构部件上的应用，对于提高汇众公司新产品设计开发虚拟分析的能力是具有非常现实意义的。也期望在这个过程中通过对企业多年来众多产品研发经验和知识的总结，归纳并建立典型前副车架产品的研发知识库，为以后建立轿车底盘零部件研发专有知识库，及时有效的提高产品研发质量和效率提供扎实的基础。促进汇众正向研发能力的尽快形成。2. 前副车架结构设

28、计与开发2.1 研究对象概述：轿车整车及底盘系统研发对前副车架的设计要求。轿车前副车架是汇众公司的主要产品之一，由于机构和工况的复杂性,前副车架所受载荷不能简单计算得出，必须使用类似ADAMS的计算软件。但无论如何计算，前副车架都必须满足以下基本的设计要求：（1）足够的强度与刚度，可靠准确的传递各向载荷。（2）悬架载荷变化时，轮距变化不超过4mm，悬架载荷变化时，前轮定位参数要有合理变化。（3）纵向加减速时有抗俯仰作用。（4）转弯时车身倾角要小，并须有增加不足转向效应。2.2 前副车架在轿车整车上的功能描述。2.2.1 前副车架所承载的关键零部件某副车架是某轿车底盘中非常重要的承载件，就其本身

29、工艺特性来说，某副车架是大型的冲压焊接件。见图2-1为某副车架照片。图2-1某副车架图2-2及表2-1显示了某副车架的结构及与其它零件的连接位置。图2-2某副车架结构示意图表2-1某副车架零件及连接点位置清单序号零件名称序号连接点名称连接点属性1左梁A与车身左前连接点螺栓连接2左摇臂后支架B与左摇臂前连接点螺栓连接3左摇臂前支架C与车身右前连接点螺栓连接4前梁D与右摇臂前连接点螺栓连接5右摇臂前支架E与车身右后连接点螺栓连接6右梁F与摇臂右后连接点螺栓连接7右摇臂后支架G与车身左后连接点螺栓连接8后梁H与摇臂左后连接点螺栓连接 由图2-2和表2-1可知，某副车架的主要结构是由两根横梁和两根纵梁

30、以及一些附属支架通过焊接构成，焊接方式为弧焊。副车架与车身、发动机及悬架的连接采用螺栓连接的方式，在螺栓连接处均使用橡胶衬套。某副车架材质为冷轧钢板，材料厚度为2.2mm，材料抗拉强度为340MPa360MPa，屈服强度为240MPa260MPa。表2-2副车架功能清单功能主要次要承载传动系载荷X承载传动系扭矩X固定传动系X承载转向系载荷X承载悬架载荷X隔离传动系振动X隔离路面振动X承载路面冲击载荷X连接底盘与车身X保护传动系与路面障碍物的撞击X提供承载位置以利于车辆的运输X载荷工况副车架从整车装配、包装运输到正常的行驶，都要承受各种不同的载荷，载荷性质也不尽相同，包括冲击、静力、交变载荷。为

31、此，国际各大整车厂商都对副车架在各工况下承受的载荷进行了详细的定义，表2-3为设计开发副车架时主要的工况清单。表2.3副车架主要工况清单序号工况名称载荷类型备注10.8G制动交变载荷制动产生0.8G减速度行驶工况2最大向前加速度交变载荷30.7G侧向力交变载荷4紧急制动交变载荷施加最大踏板力时的行驶工况5倒车时紧急制动交变载荷倒车时施加最大踏板力的行驶工况6凹坑冲击冲击载荷整车行驶到凹坑时的工况7凹坑回弹冲击冲击载荷整车从凹坑开道平地时的工况8整车顶升静载荷整车在升降机举升时的工况9路边缘冲击冲击载荷整车转向时，碰到路边缘高起处副车架与车身的连接方式有两种。其一为以螺栓作刚性连接，其二为中间借

32、助橡胶垫进行连接。刚性连接可提高车身的整体刚度，同时提高悬架铰链点的位置精度，使铰链点位移量减小，对操纵稳定性有利，但隔振效果不好。而弹性连接的副车架则极大地降低了转向车身的振动和噪声。此外，还应综合考虑副车架和横梁的刚度及车身的连接刚度，以免产生共振现象。前至后驱动车型的副车架与车身有六个柔性连接点，作为柔性连接的橡胶垫具有低载时刚度小、高载时刚度大的非线性特点。因此，既可得到降噪、隔振的效果，又不影响悬架的运动特性。2.2.2 强化车身结构（如何隔振、降低噪音、均匀分配载荷）副车架可隔绝由悬架及传动系传来的振动及噪声。同时由于控制臂及推力杆不直接安装在车身上，因此对车身变形的影响较小。副车

33、架还提高了悬架支点部位的刚度，易得到准确的运动特性。此外，还可提高悬架装置在总装配线上的装配效率，对提高装配精度也极其有利。但这种结构由于重量增加及成本较高，故主要用于高级车及跑车。3. 本课题要研究的目标与内容分解以及要解决的关键问题3.1 前副车架的设计目标所包含的内容概述：明确通用和特有的设计要素，优化设计流程（整车性能要求分析与优化、选择结构类型、材料、工艺，确定安装几何尺寸、获得前副车架所受的载荷、校核强度与刚度、冻结具体3D结构模型、提出并协调优化2D设计、设计试验和验证方法）。3.1.1课题研究目标课题以前副车架总成作为研究对象，根据不同产品间所具有的极高产品相似特性，探讨如何科

34、学总结轿车底盘零部件的研发规律流程。在此过程中，一方面要找到比较全面的产品共有特性，使今后的研发成为制度性流程；另一方面要通过CAE和必要的试验，对关键的典型设计和研发特性进行充分验证，从而保证这些关键特性优先满足用户需求。在实际研究过程中，不同的整车工况和系统要求与输入，不同的材料结构工艺将构成一系列复杂的产品特性，这些特性一部分用于对整车和系统需求特性的分解和验证，一部分用于汇众4大工艺实施时的分配与现场控制。本课题期望能创建这样的描述体系既用于今后的拓展与完善，又能用于今后越来越多的正向开发设计。3.1.2研究内容确定建立前副车架柔性研发平台和设计方法知识库描述方法。(1)采集现有前副车

35、架产品式样、3D/2D图样、试验方法、CAE报告、试验报告；(2)进行典型性分类，抽取关键设计要素，划分使用条件与场合，区别制造成本与周期，评价综合性能水平，形成类似研发标准的产物，便于正向研发参考和“三化”。 基于建立前副车架研发知识库的CAD/CAE二次开发，在CAD中，试图建立典型3D结构库已被调用，如断面结构，焊接搭接结构等、在2D图中建立基准与公差标准库、材料标准库等；在CAE中，建立工况库、约束方式及加载方式库，划分网格的基本流程与规范，使计算结果尽量与工程师人为因素不相关。3.2 提出汇众正在建立的前副车架开发流程设想及要解决的关键问题：本课题的关键问题在于明确前副车架的系统要求

36、，运用虚拟仿真手段，实现前副车架设计开发的计算机化。同时建立起一个关于前副车架总成较详细的数据平台。图3.1 SH59前副车架三维数模图3.1 为本次设计的SH59前副车架三维数模。4 前副车架关键设计要素的建立与运用4.1 建立与前副车架总布置等相关的设计要素前副车架通常连接底盘与车身。以下是各个连接位置的剖面视图 图4.1 图4.2 图4.3 图4.4 图4.5 图4.6 图4.7 图4.8图4.9 使用橡胶衬套与车身连接，如图4.1至图4.6。与控制臂连接处切面，如图4.7与图4.8。4.2 与制造精度相关的设计要素4.2.1 前副车架安装点的位置度有研究表明：底盘的制造精度和制造误差方

37、向对轮胎跳动和车轮定为参数变化有较大的影响。尤其是前副车架球铰链和前副车架安装点在汽车坐标系中Z方向上34mm的制造误差则会引起整车轮胎挑动和前束较明显的变化，因此在设计相关形位公差时要的别将这些尺寸进行重点控制。通过ADAMS可以对SVW一款车进行验证计算。已有多起质量故障和试验都表明，无论是悬架件还是制动盘的端跳乃至整车的4轮定位参数等涉及车辆重要行使安全的参数都应严格控制公差。这里的设计要素是各安装点的位置度。4.3 建立与结构及强度相关的设计要素4.3.1 冲压焊接结构与强度的关系冲压焊接结构是当前运用最为普遍的结构之一，具有成本低、造型灵活、制造技术成熟等优点，是目前前副车架普遍的焊

38、接方式。由于冲压成型材料利用率高，产品质量稳定，易于实现自动化生产，故这一工艺方法在汽车生产中得到广泛应用。在传统的冲压生产过程中，无论是冲压工序的制定、工艺参数的选取，还是冲压模具的设计、制造，都要经过多次修改才能确定。这种反复的调试过程造成企业人力、物力和财力的大量消耗，导致生产成本高，生产周期难以保证。冲压成型过程数值模拟技术的出现为改变这种传统模式提供了强有力的工具。通过对冲压过程模拟分析得到最佳模具结构和工艺条件，并能通过对板材冲压过程数值模拟，在计算机上观察到模具结构、冲压工艺条件（如压边力、冲压方向、摩擦润滑等）和材料性能参数（如皱曲、破裂）的影响，还可以提供最佳钣料形状、合理的

39、压料面形状、最佳冲压方向、以及分析卸载和切边后的回弹量，并补偿模具尺寸以得到尺寸和形状精度良好的冲压件。该技术使试模时间大大缩短，从而减少制模成本。 (1)按外形分类：一般地，前副车架4点安装处的结构为：与车架连接的前点为套筒结构型（具备多种形式，在附件中再讨论），其轴线与汽车坐标的x轴 方向大致一致；而与车架连接的后点则可分为把柄式和圈套式结构型2种：如下图： 图4.10 图4.11其中，图4.10为板式；图4.11为框式，只有冲压焊接结构才使用，同时板式结构工艺定位比较方便也很准确。根据笔者的初步计算发现，当安装尺寸和其它部分结构相同时，这两种结构对整车部分操稳性和平顺型影响有明显不同。一

40、般情况下，采用板有利于提高整车操稳性；采用框式有利于提高整车的舒适性。框式的副车架又可细分为带管、不带管。(2)按安装方式分类： 前副车架如果按安装方式分类，可以分为四点支撑与六点支撑。图4.12 六点支撑副车架图4.12为六点支撑典型副车架。4.4 CAE在前副车架设计过程中的作用及相关设计要素 根据以上部分设计要素设计出前副车架后，进行CAE分析很有必要，但比较容易完善和修改，反之则完善或修改的难度较大。在穿插进行CAE分析的过程中，作为开发前副车架的环节之一，通过调节CAE过程中的一下要素是可以顺利完成部分设计验证的：4.4.1 对初步出现的危险部位改善容易引起应力集中的结构，这是最有效

41、的改善途径。4.4.2 对初步出现的危险部位细化优化网格模型。4.4.3 对初步出现的危险部位对照工程常识改善约束方式，包括自由度的设置、约束节点的分布。4.4.4 对初步出现的危险部件作必要的冲压仿真分析，以防止出现厚薄变化超差等冲压缺陷。4.4.5 对初步出现的危险部件采用更好性能和厚度更大的材料，这样可能增加成本和重量。4.5 副车架受力分析 整车在正常行驶时，副车架需要承受不同类型的载荷，主要是冲击和交变载荷。对于不同类型的载荷，副车架结构设计时，采用的设计流程也不尽相同。对于冲击载荷，CAE分析之后，直接进行整车试验而不需要台架试验来对副车架结构设计的合理性加以验证。对于交变载荷，C

42、AE分析之后，需要搭建台架进行验证试验，通过台架试验后再进行整车试验，以此验证副车架设计结构的合理性。 对于本课题的研究对象某引进车型的副车架，其全部设计开发认可工作已经在北美完成，进行的二次开发工作主要是路况适应性开发设计。整车厂商在国内完成该引进车型的道路谱采集工作，对采集得到的道路谱数据进行分析评估后，得出在纵向力工况下，国内的路况要比原设计所在地恶劣，需要采用适合中国路况的纵向力载荷，对副车架的结构设计合理性重新评估。其余的工况没有作出重新评估的要求。也就是说，某副车架的路况适应性开发工作只要评估在纵向力工况下的结构强度，如果满足模块要求，那么就可以证明副车架的结构设计在中国是可靠安全

43、的。另一方面，本课题的主要目的在于通过计算机仿真和台架试验相结合的手段，验证有限元分析方法的可行性和有效性，而不是产品的全部设计开发认可过程。因此只要选择一个典型的工况，完成该工况下全部相应的仿真和试验工作，然后进行对比分析，就可以达到本课题的目的。至于其他的工况，其设计开发所采用的手段和思路与纵向力工况是类似的，这需要结合具体的项目需要作进一步的工作，是一个逐步积累的过程。 纵上所述，根据项目的具体需要和实际的课题目的，本文选择了某副车架纵向力载荷输入这一典型的工况，以此作为有限元分析工况，并结合台架试验以验证分析结果的合理性。根据某副车架在整车中的实际装配情况，可以得到副车架纵向受力及边界

44、约束示意图，如图4.13。图4.13副车架纵向受力及约束示意图4.6 前副车架设计要素系统化（分类分级）与应用分布 前副车架设计要素分类方法可大致分为2类:按与其它零件的设计要素相比可分为通用设计要素和专用设计要素；按重要程度可分为关键设计要素和一般设计要素。其中，诸如可靠性、重大工艺缺陷控制等涉及影响零部件重要功能和性能发挥的可能既是通用设计要素又是专用设计要素。结合本文要旨，在以上各部分讨论的基础上，在这里只讨论按开发流程进行划分的设计要素的分类及其应用分布。4.6.1 总布置阶段（前副车架设计输入协调阶段）安装硬点座标、硬点座标位置度公差、三个硬点连线形成的平面在整车前侧俯视图上的倾斜度

45、。正如前文论述和后文算例中所指出的，这些设计要素对于整车的操稳性和舒适性有重要的影响。与整车悬架运动干涉相关的轮廓边界包络面相关的本体最大断面高度、关键危险曲线段和曲面段的曲率分布。三个安装点的约束方式、约束结构。如球铰链和普通线性橡胶支撑衬套及其尺寸和性能参数的选取、套筒或把柄结构形式的选取（如橡胶衬套套管可选钢管、钢板卷管（近似圆管）、带凸缘冲压成型管、带凸缘带台阶冲压成型管等）。4.6.2 结构设计阶段材料材质、材料规格，这涉及到选择材料应变应力两方面性能（如强度屈服极限延展性等）铸、锻或冲焊工艺并确定与它们相关的拔模斜度、断面尺寸安排等工艺（如焊缝分布）和强度等要求。本体断面参数分布、

46、关键断面优化处理，在已有安装尺寸和边界约束条件的基础上，主要满足强度、工艺方面要求。如工字断面参数、闭口断面搭接参数、圆角倒角变化、加强筋、各曲面曲率协调等。同时还要将装配总成数模放在系统乃至整车中进行运动和装配干涉分析，以确认有无需要设置避让结构，如加设紧固车架安装螺栓孔、加深避让圆弧等。前副车架安装点处的结构设计，主要包括断面和连接，连接中涉及球头镦铆、焊接变形的避免或补偿、压装定位等。主基准设计，原则上应使各工序的制造基准与检验基准一致，同时使应用三座标测量仪与使用专用检具一致和方便。如铸锻件上的凸台、冲压件上的平面孔、定位平面等。4.6.3 设计验算与修改完善阶段铸锻和冲压仿真用来调整

47、形状以避免出现变形缺陷，如表面裂纹、大的厚薄差、焊接缺陷等。静强度和疲劳强度验算除了验算强度外还可用来检验装配约束和工艺。模态刚度和屈曲验算，以符合整车HVH和碰撞要求。提出材料材质规格调整方向。大致提出结构加强部位和加强量。4.6.4 工程设计（2D）阶段衍生基准。当形状复杂需要表达较多几何特性时，可在在主基准基础上为方便制造和检测设计部分衍生基准。形位公差。包括装配配合精度（如一般后点橡胶衬套与套管铁碰铁配合配合过盈量可在0.1mm0.7mm之间选取、接触长度不小于20mm，前点铁碰橡胶配合配合过盈量可在2.5mm0.3mm之间选取、接触长度不小于50mm）、安装点位置度、安装尺寸公差、面

48、线轮廓度等。工艺操作干涉现象分析，避免出现冲压负角、焊接枪头进不去等错误。通过工艺验证关键形位公差的分配，如确定冲压件因为焊接原因变化长度需要在零件上进行的焊接补偿量、铸锻件毛坯的加工余量等。这些应一一在工程二维图上加以说明。试验方法设计要素。试验种类以包括静态功能强度试验（如压入力或压出力）、一般疲劳试验、特殊工况试验（如冲击与碰撞）等，可先进行试验仿真，可单个零件或至于系统模块直至整车试验中去做。要根据计算与试验确定试验工件的夹持方式即约束方式、载荷的大小方向作用点、作用频率、失效模式、试验结果统计与评价方法。根据以上陈述，至少涉及到36个方面的设计要素，它们之间相互联系需要协调，它们可分

49、出轻重缓急，需要在各个阶段分别加以不同重视。5 有限元理论概述在科学技术领域内，对于许多力学问题和物理问题，人们已经得到了它们应遵循的基本方程（常微分方程和偏微分方程）和相应的定解条件。但能用解析方法求出精确解的只有少数方程性质比较简单，且几何形状相当规则的问题。对于大多数问题，由于方程的某些特征的非线性性质，或由于求解区域的几何形状比较复杂，则不能得到解析的答案。这类问题的解决通常有两种途径。一是引入简化假设，将方程和几何边界简化为能够处理的情况，从而得到问题在简化状态下的解答。但是这种方法只有在有限情况下是可行的，因为过多的简化可能导致误差很大甚至错误的解答。第二种求解方法是数值解法。数值

50、分析方法可以分为二大类。一类以有限插分法为代表。其特点是直接求解基本方程和相应定解条件的近似解。但用于几何形状复杂的问题时，它的精度将降低，甚至发生困难。另一类数值分析方法是首先建立和原问题基本方程及相应定解条件相等效的积分提法，然后根据之建立近似解法。但该方法也只是限于对于几何形状复杂的问题，不可能建立合乎要求的近似函数。而有限元法的出现，是数值分析方法研究领域内重大突破性的进展。 有限单元法是工程方法和数学方法相结合的产物，它的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同的形状，因此可以模型

51、化几何形状复杂的求解域。有限元法作为数值分析方法的一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数或及其导数在单元的各个结点的数值和其插值函数来表达。这样一来，一个问题的有限元分析中，未知场函数或及其导数在各个结点上的数值就成为新的未知量（也即自由度），从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有自由度问题。一经求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似值。显然随着单元数目的增加，也即单元尺寸的缩小，或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进。如果单

52、元是满足收敛要求的，近似解最后将收敛于精确解。利用最小位能原理可以建立有限元方程 Ka=P (5.1)其中 (5.2)称为结构整体刚度矩阵。 (5.3)称为结构结点载荷列阵。由(5.2)和(5.3)式可以看出结构整体刚度矩阵K和结构结点载荷列阵P都是由单元刚度矩阵和单元等效结点载荷列阵集合而成。式中为单元结点转换矩阵。由有限元求解方程可以求得结构的结点位移，并通过单元结点转换矩阵求得单元结点位移。通过 (5.4)式中B称为应变矩阵。 (5.5)式中S称为应力矩阵。目前，有限单元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析的对象从弹

53、性材料扩展到塑性、粘弹性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域。在工程分析中的作用已从分析和校核扩展到优化设计和计算机辅助设计技术相结合。总之、随着现代力学、计算数学和计算机技术等学科的发展，有限元技术将会在工程领域内发挥越来越大的作用。具有实用价值的有限元单元公式，是基于变分原理和近似理论的二维和三维单元。变分原理是建立在功和能的考虑以及容许状态函数概念基础上的。比如容许位移是指满足运动约束的所有位移，容许应力是指在内部满足平衡方程、在具有指定应力的边界上满足边界条件的所有应力。这两组状态变量通过本构方程联系在一起。变分法主要基于以下几个原理：虚功原理、虚余原理、最

54、小势能原理。5.1 有限元网格划分方法与基本原理5.1.1有限元网格划分的指导思想 有限元网格划分的指导思想是首先进行总体模型规划，包括物理模型的构造、单元类型的选择、网格密度的确定等多方面的内容。在网格划分和初步求解时，做到先简单后复杂，先粗后精，2D单元和3D单元合理搭配使用。为提高求解的效率要充分利用重复与对称等特征，由于工程结构一般具有重复对称或轴对称、镜象对称等特点，采用子结构或对称模型可以提高求解的效率和精度。利用轴对称或子结构时要注意场合，如在进行模态分析、屈曲分析整体求解时，则应采用整体模型，同时选择合理的起点并设置合理的坐标系，可以提高求解的精度和效率，例如，轴对称场合多采用

55、柱坐标系。按照相应的误差准则和网格疏密程度，避免网格的畸形。在网格重划分过程中常采用曲率控制、单元尺寸与数量控制、穿透控制等控制准则。在选用单元时要注意剪力自锁、沙漏和网格扭曲、不可压缩材料的体积自锁等问题。 典型有限元软件平台都提供网格映射划分和自由适应划分的策略。映射划分（Mapped/IsoMesh）用于曲线、曲面、实体的网格划分方法，可使用三角形、四边形、四面体、五面体和六面体，通过指定单元边长、网格数量等参数对网格进行严格控制，映射划分只用于规则的几何图素，对于裁剪曲面或者空间自由曲面等复杂几何体则难以控制。自由网格划分（Free/Paver）用于空间自由曲面和复杂实体，采用三角形、

56、四边形、四面体进行划分，采用网格数量、边长及曲率来控制网格的质量。例如，在MSC.MARC中，其转换（Convert）用法是几何模型转换为网格模型，点转换为节点，曲线转换为线单元，面转换为三角形、四边形等。网格自动划分（AutoMesh）则是在任意曲面上生成三角形或者四边形，对任意几何体生成四面体或者六面体。 网格重划分（Remesh）是在每一步计算过程中，检查各单元法向来判定各区域的曲率变化情况，在曲率较大变形剧烈的区域单元，进行网格加密重新划分，如此循环直到满足网格单元的曲率要求为止。网格重划分的思想是通过网格加密的方法来提高分析的精度和效率。网格自适应划分（Adaptive Refine

57、ment）的思想是在计算步中，升高不满足分析条件的低阶单元的阶次来提高分析的精度和效率，应用比较广泛。自适应网格划分必须采用适当的单元，在保证单元阶次的基础上，原本已形成的单元刚度矩阵等特性保持不变，才能同时提高精度和效率。阶谱单元（Hierachical Element）充分发挥了自适应网格划分的优点，在计算中通过不断增加初始单元的边上的节点数，从而使单元插值函数的阶次在前一阶的基础上不断增加，通过引入新增节点的插值函数来提高求解的精度和效率。例如，三节点三角形单元升为六节点三角形单元，四节点四边形单元升阶为8节点四边形单元，四节点四面体单元升阶为8节点、10节点、20节点四面体。5.1.2

58、有限元网格划分的基本方法 有限元网格划分方法有两种，对于简单的结构多采用直接建立单元模型的网格直接生成法，当对象比较复杂时，多通过几何自动生成法来完成，即在几何元素描述的物理基础上自动离散成有限单元。有限元单元可以按几何维数划分为一维、二维和三维单元，而在实际应用中采用拓扑结构单元，包括常用的质量单元、弹簧元、杆与梁管单元、平面三角形单元、平面四边形单元、膜单元、等参单元、壳单元和三维实体单元。有限元网格划分，对于二维平面、三维曲面和三维实体网格有以下几种划分方法： （1）覆盖法：基于四边形的网格划分，要求网格划分的平面或曲面必须是完整裁减曲面，该曲面边界必须是裁减曲线； （2）前沿法：通过把

59、曲面等参变换到二维空间进行网格划分，然后映射到三维空间曲面上，把曲面划分成完全的四边形单元或三角形单元； （3）Delaunay三角形法：主要用于由至少一条封闭曲线所围成的单连通域或多连通域内生成三角形单元，趋向于等边三角形。充分考虑了几何形状中细微的几何特征，并在微小特征处划分成较细的单元，在不需要密网格处，采用稀疏单元网格。 （4）转换扩展法：针对曲面几何形状比较规则的几何区域进行网格划分，其网格生成速度快，网格质量高。由节点扩展为线单元，从线单元生成平面二维单元，从二维单元生成三维单元。它不仅仅用于三维网格的生成，同时可进行一维、二维网格和几何体的生成，包括移动、镜像、拉伸、旋转、扫描三

60、维实体的扩展方式、扩展系数和扩展方向。5.1.3网格质量的评估 单元的质量和数量对求解结果和求解过程影响较大，如果结构单元全部由等边三角形、正方形、正四面体、立方六面体等单元构成，则求解精度可接近实际值，但由于这种理想情况在实际工程结构中很难做到。因此根据模型的不同特征，设计不同形状种类的网格，有助于改善网格的质量和求解精度。单元质量评价一般可采用以下几个指标： （1）单元的边长比、面积比或体积比以正三角形、正四面体、正六面体为参考基准。理想单元的边长比为1，可接受单元的边长比的范围线性单元长宽比小于3，二次单元小于10。对于同形态的单元，线性单元对边长比的敏感性较高阶单元高，非线性比线性分析

61、更敏感。 （2）扭曲度：单元面内的扭转和面外的翘曲程度。 （3）疏密过渡：网格的疏密主要表现为应力梯度方向和横向过渡情况，应力集中的情况应妥善处理，而对于分析影响较小的局部特征应分析其情况，如外圆角的影响比内圆角的影响小的多。 （4）节点编号排布：节点编号对于求解过程中的总体刚度矩阵的元素分布、分析耗时、内存及空间有一定的影响。合理的节点、单元编号有助于利用刚度矩阵对称、带状分布、稀疏矩阵等方法提高求解效率，同时要注意消除重复的节点和单元。5.1.4装配结构中单元的协调 （1）自由度不同的单元不协调：例如，ANSYS中SHELL63、BEAM4和SOLID45三种单元，前二者均包含六个自由度，

62、而Solid45只包含三个平动自由度，因此后者只传递前二者的平动位移，不传递R旋转方向的位移。 （2）有相同自由度的单元不总是协调的：例如，ANSYS中BEAM3和SHELL41单元，Beam3具备平动方向的三个自由度，而SHELL41包括两个平动自由度(UX/UY)和一个旋转自由度(RTOTZ)，因此SHELL41只能传递BEAM3的平动位移，不能传递旋转方向的值。 （3）ANSYS中三维梁单元与三维壳单元具有相同的六个自由度：壳单元旋转自由度与平面旋转刚度相关，为虚拟刚度，不是真实的自由度，同时，要注意三维梁单元与壳单元出现不匹配的问题。5.1.5常用单元的选用原则有限元网格划分中单元类型的选用对于分析精度有着重要的影响，工程中常把平面应变单元用于模拟厚结构