乘用车轻量化问题研究 毕业设计论文.docx
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1、 摘要以有限元法为基础的车身结构分析己成为一种面向车身结构设计全过程的分析方法,车身结构设计的过程也随之成为一种设计与分析并行的过程。现代车身结构分析不仅赋予了车身结构设计新的特点,促进了现代车身结构设计新趋势的形成,而且已成为车身结构设计中最有意义的内容。本次毕业设计的说明书主要包括:乘用车结构以及选材现状、乘用车减重面临的主要问题、总体轻量化设计方案、CATIA车身三维模型。通过对乘用车结构以及材料的分析进而对汽车现阶段轻量化主要方案进行确定,最后进行了CATIA实体建模与有限元分析,输出并优化结果。关键词:轻量化;车身;强度分析;CATIA;有限元分析AbstractThe struct
2、ure analysis of car body based on the FEM is the fundamental approach in the process of car body designorientedAlso,the whole process of Car body design becomes parallel in designing and analyzingNew character and trends of car structure design come into being from modem analysis of car body structu
3、reAnd they are significant in the design processKeywords: Weightlight; Car body; Strength analysis; CATIA; Finite element analysis目录第一章 绪论11.1乘用车轻量化设计研究的背景及意义11.2乘用车轻量化的主要途径21.3现代汽车车身结构设计的特点51.4汽车车身轻量化的研究现状与发展61.4.1轻量化车身结构分析与优化技术61.4.2轻量化材料及其在车身制造中的应用7第二章 轻量化面临的主要问题82.1引言82.2我国乘用车轻量化存在四大难点8第三章 总体轻量化
4、的方案103.1引言103.2基于多材料的轻量化车身103.3材料与工艺的初选12第四章 车身结构分析的有限元理论144.1有限元基本理论144.1.1 基本概念144.1.2有限元的基本步骤144.2作用在车身、车架上的载荷154.3有限元分析软件介绍16第五章 车身薄壁梁部件轻量化优化选材与设计175.1引言175.2材料性能指数的概念175.3车身薄壁梁部件材料性能指数的建立195.3.1薄壁梁部件耐撞性设计的材料性能指数205.3.2薄壁梁部件刚度设计的材料性能指数255.4车身薄壁梁部件的选材与多材料车身结构轻量化设计275.4.1车身薄壁梁部件刚度材料性能指数计算285.4.2车身
5、薄壁梁部件碰撞材料性能指数计算315.4.3车身薄壁梁部件的材料选择与车身性能分析31第六章 基于CATIA的车身结构实体建模336.1引言336.2乘用车主要部件建模346.2.1车身边梁建模346.2.2发动机盖356.2.3车壳建模356.2.4车门366.2.5车身地板366.2.6车内室与后备箱376.3整车身展示37参考文献38总 结39致谢40III第一章 绪论1.1乘用车轻量化设计研究的背景及意义随着人们对汽车安全性、舒适性、环保性能要求的提高,汽车空调、隔热隔音装置、卫星导航系统、无线电通讯、电视机甚至卫生间等设备越来越多的被安装到汽车上,这无形中增加了汽车的质量、耗油量和耗
6、材量。从汽车产品的整个生命周期看油耗费用是汽车生命周期总费用的主体,占汽车生命周期费用的71%,汽车客户迫切希望降低油耗费用以节约后期的运行成本。要使汽车省油,首选措施是让汽车“瘦身”,减少车辆自身质量和降低制作成本。据统计,客车车身质量占汽车总质量的 25%30%,车身制造成本占整车制造成本的比重超过50%。因此车身轻量化对于整车的轻量化起着举足轻重的作用。轻量化的目的就在于确保车体强度、刚度的前提下,减轻车身骨架的质量,不仅可以减少钢材和燃油的消耗,减少污染排放,提高车速,改善汽车起动和制动性能,而且可有效减少振动和噪声,增加汽车和公路使用寿命。据中国汽车工业协会的统计显示,2009年我国
7、汽车产量达到1379万辆,首次超越美国,成为世界第一大汽车生产国。图1.1 我国汽车产量 汽车在给人们的出行带来方便的同时,也产生了油耗、安全和环保三大问题。如何应对三大问题,各国政府都提出了相应的措施。包括制定条令法规,如油耗法规,安全法规以及排放法规。各国汽车工业界一致认为,汽车轻量化是满足上述三个法规的有效手段和方法。汽车车身不仅组成零件繁多,而且结构复杂。在现代轿车的设计开发过程中,轿车车身大多数采用全承载式结构。以普通轿车白车身为例,它是钢板冲压件焊接而成的空间板梁组合壳体,由400500多个冲压件组成。一般地,汽车车身及其附件的质量约占整车质量的30%40%,车身的轻量化是实现整车
8、轻量化的重点和关键。另一方面,车身质量的减小,可以改善悬架和动力传动系统的负荷,从而可以进一步减轻这些总成的质量。可以说,轻质汽车车身是汽车提高动力性、降低油耗、节约材耗、降低成本的关键,车身轻量化已成为当前汽车工程的重要研究课题和目标之一。综上所述,持续增加的汽车保有量与日益短缺的能源供给以及愈加严峻的环境问题的矛盾不断深化,为了缓解这一矛盾,迫切需要研究汽车的节能降耗技术。汽车的轻量化可以在保持汽车增长的状况下有效降低能源消耗和缓解巨大的环境压力,汽车车身轻量化技术的研究,对于汽车工业的健康可持续发展,以及我国社会发展、能源战略都具有重大意义。1.2乘用车轻量化的主要途径减轻汽车质量的主要
9、途径包括车身结构的优化设计和使用轻量化材料,此外,先进成形工艺或连接工艺的应用也能带来明显的轻量化效果。一般全钢结构白车身通 过优化设计可以减重7%左右,采用铝合金的车身可以带来30%50%的轻量化效果, 而想减轻更多的重量就只能求助于纤维复合材料。 车身的结构优化是指在车身设计阶段,应用CAE/CAD/CAO一体化技术,用数值模拟技术代替实车试验,对车身进行静刚度、振动、疲劳和碰撞等结构性能分析。得到车身的力学结构性能,并应用现代优化技术对车身结构进行优化。在确保车身的 功能 、性能和质量的前提下,去除冗余材料,使车身部件精简化、小型化、薄壁化和中空化,以达到减轻车身重量的目的 。轻量化材料
10、的使用是车身轻量化的重要手段,在确保汽车综合性能指标的前提下,使用轻质材料来制造车身,可以很大程度减轻车 身的质量 。目前,在国内外汽车上应用较多的轻量化材料有铝合金、镁合金、高强度钢、塑料及复合材料等 。美国PNGV计划中明确提出选用新材料,包括高强度钢、 铝、镁、 钛合金、塑料及复合材料等来实现减小汽车自身重量的目的。表1.3列出 1980、1990以及2000年美国中型轿车主要材料构成比例,从中可以看出,汽车上使 用钢铁材料的比例逐年减少,而铝合金等轻量化材料的比例不断上升。但是,由于钢 材在刚度、强度、碰撞能量吸收能力、回收利用尤其是成本方面具有综合的优越性。所以目前汽车车身主导地位的
11、制造材料仍然是钢材 。表1.1美国中型轿车主要材料构成比例年代钢铁(%)铝合金(%)塑料(%)其他材料(%)198069.04.09.018.0199060.05.512.520.0200051.012.018.019.0通过替换材料实现轻量化有两个途径:一是使用同密度、同弹性模量、而强度高 的材料代替原有的材料,如高强度钢等。二是使用密度小、比强度高的材料代替原有 的材料,如铝合金、镁合金、塑料及其复合材料等。表列出常用几种轻量化材料减重 效果及相对成本。表1.2轻量化材料减重效果及相对成本轻量化材料被替代的材料减小质量(%)相对成本(每个零件)高强度钢普通低碳钢101铝合金钢、铸铁4060
12、1.32镁合金钢、铸铁60751.52.5镁合金铝合金253511.5玻璃纤维增强复合材料钢253511.5除了结构优化技术和使用轻量化材料,采用先进的生产制造工艺(如拼焊板技术、液压成形和激光焊接等)也是车身轻量化研究的一个方向,例如: (1)拼焊板技术是指按照车身零件各个部位不同的性能要求,分别使用不同的材料或不同厚度的材料,使其焊接在一起,然后进行冲压成形获得所需零件形状的一种工艺。拼焊板的使用可以减少零件的数量、降低生产成本、减轻零件的质量,因此拼焊板在汽车领域得到越来越广泛的研究和应用。 (2)自从20世纪90年代,液压成形技术的研究不断深入,并在汽车工业中得到广泛应用。液压成形是指
13、利用液体传力介质代替凸模或凹模来加工零件的一种塑性加工技术。液压成形技术不但可以保证成形件的强度、刚度及其分布的均匀性,还可以提高产品质量和成形极限,可以在满足强度的要求下减轻零件的重量。 (3)近10多年来,激光焊接技术在工业发达国家的汽车工业中得到了迅速发展,单车激光焊缝的总长度可达73m,已成为行业技术标准和确定工艺。激光焊接可以提高车身部件连接的静态和动态强度,从而可以减轻车身重量。此外,激光焊接还可以方便地连接铝合金以及拼焊异种金属薄板。各种轻量化途径不是各自孤立,而是相辅相成 、相互联系的。结构优化技术是轻量化设计的基础,无论普通低碳钢车身还是轻质材料车身都需要优化设计车身的结 构
14、,去除冗余材料。在优化设计和使用轻量化材料时往往需要革新制造工艺,而新工 艺的引进往往扩大优化设计和新材料的适用范围。1.3现代汽车车身结构设计的特点现代汽车车身结构设计己经呈现以下特点:(1)轻量化成为车身结构设计所普遍追求的目标。轻量化的研究最早是从沃尔沃汽车公司的LCP(the Volvo Light Component Project)2000开始的。虽然它的出现是上世纪七十年代的两次石油危机造成的,但美国钢铁研究所推出的ULSAB(the Ultra Light Steel Auto Body)和奥迪汽车公司推出的Audi AS铝制车身却完全地表明,在激烈的市场竞争中,设计出质量更轻
15、、成本更低的车身己成为一种有力的竞争手段。(2)舒适性和安全性仍是车身结构设计中所考虑的主要内容。八十年代以来,承载式(包括带有副车架的)车身结构形式已成为轿车车身的主要结构形式,而这种车身结构形式所带来的乘坐舒适性的影响,又重新吸引了众多车身工程人员的注意。 (3)利用现代车身工程手段,缩短车身结构的开发周期。缩短整车的开发周期,已成为各汽车制造商提高自身竞争力一项重要举措。车身结构开发周期的缩短,不仅可以节省产品开发费用,还可以提高企业对瞬息万变的市场的适应性,在市场竞争中以快取胜。(4)在汽车车身结构设计过程中,设计与分析并行。车身结构分析参与车身结构设计的各个阶段,贯穿整个设计过程,从
16、一开始的构造选择,为结构设计提出具体的性能参数要求,到具体设计方案的比较确定,设计方案的模拟试验。这样确定的车身结构设计方案,基本上就是定型方案,据此试制而成的样车,只需一定的验证试验即可定型。这样,车身的研制周期被大大缩短了。(5)优化的思想在设计的各个阶段被引入。对轻量化的要求和对舒适性及安全性要求的不断提高,使车身设计的难度越来越大,优化设计的思想能有效地缩短轿车车身的开发周期。对应于现代轿车车身结构设计的以上特点,现代轿车车身分析就越来越重要。现代轿车车身分析贯穿于车身结构设计的整个过程的每一个方面,对轿车车身的诸多方面都有很大的影响,比如车身结构可靠性和耐久性、车身NVH性能、结构轻
17、量化、车身密封性、轿车的静态和动态特性、以及车身动力特性等。1.4汽车车身轻量化的研究现状与发展1.4.1轻量化车身结构分析与优化技术近年来,随着高性能计算机技术的不断发展和数值计算方法的深入研究,结构分析和优化技术日趋成熟,并逐渐应用到车身各个设计阶段。以有限元方法为主体的车身结构分析,避免了设计的盲目性、减少了设计成本以及缩短了车身结构的开发周期。以有限元法为基础的车身结构分析已成为一种面向车身结构设计全过程的分析方法,车身结构设计的过程也成为一种设计、分析和优化并行的过程,优化的思想在设计的各个阶段被引入. 有限元法在汽车结构分析上的使用可以追溯到20世纪60年代中期,并在20世纪80年
18、代得到普及。但是早期的有限元分析多用于车身模态或静刚度等线弹性分析,而汽车耐撞特性计算机模拟技术直至1985年之后才开始迅猛发展并得到大量应用。在这之前,限于当时的理论水平,人们还不可能对汽车碰撞这种复杂的力学问题有深入全面的了解,当时主要依靠多刚体系统动力学方法和机械振动学方法来进行汽车碰撞响应分析。1985年之后,显式有限元方法研究获得突破,标志着汽车碰撞仿真研究新时期的开始。动态非线性显式有限元方法采用中心差分法,可以用来计算具有大位移、大变形、复杂接触和高速冲击等特性的复杂力学问题。动态显式有限元方法的发展,为汽车整车碰撞安全性及部件的抗碰撞特性的研究提供了有力工具,许多学者籍此对汽车
19、碰撞安全性进行了深入研究和分析,主要包括整车的碰撞安全性分析、关键零部件的吸能模式和机理研究等。 有限元方法作为一种分析手段,其主要功能是对给定设计进行精确评价和校核。传统的车身结构设计过程为,设计人员根据分析结果依靠经验和直觉提出改进方案,然后重新分析和校核,直到找到一个满意的设计。这种设计过程不仅耗时费力而且容易出错,并且得到的结果仅仅是一个可行方案,而非最优设计。随着计算机技术的发展,有限元分析方法与计算机辅助优化技术相结合,成为车身结构优化设计有效方法,并开始在车身开发中得到应用。 早期的车身结构优化的基本思想是,将数学规划理论与有限元方法相结合,构建车身结构优化设计模型,基于数学规划
20、算法进行迭代计算,直到找到最优解。随着结构分析能力和手段的不断完善,以及现代优化理论的不断发展,车身结构优化的研究范围己从基于刚度及模态等单一准则优化发展到考虑结构耐撞性优化在内的多学科优化设计。 近年来,车身结构的耐撞性能优化得到广泛研究并取得重要进展。由于显式有限元分析需要非常小的积分时间步长,使得借助显式有限元方法进行汽车碰撞仿真分析的计算时间相当长。而优化设计通常需要经过多次反复迭代计算才可以完成,这样使得完全集成有限元分析进行优化迭代变得不太可能。此外,由于碰撞分析的响应函数的导数大多不是连续函数,使得直接应用序列二次规划等基于梯度的优化算法进行求解变得困难。鉴于此,研究人员针对薄壁
21、构件、车身部件乃至整车结构的耐撞性能优化设计技术开展了广泛的研究。1.4.2轻量化材料及其在车身制造中的应用 经过几十年的发展,国内外在汽车轻量化材料技术的开发以及材料特性研究领域取得了突破性进展,已经形成了从新材料的开发、零部件设计、制造到材料回收再利用等一整套产业化技术。随着政府及公众对汽车产业的能源和环保方面的要求越来越高,铝、镁合金等轻质材料在车身上的应用范围日益增加。鉴于铝合金、镁合金等材料对于车身轻量化的优越性和强大的竞争力,钢铁企业迅速发展高强度钢铁材料,一度引发了一场“金属材料之战”钢铁业、铝业等都纷纷制定出为汽车减小质量的研究计划。对于轻量化材料车身研究而言,近年来主要形成两
22、大阵营:高强度钢汽车车身和全铝合金汽车车身。此外,塑料等非金属材料以及镁合金等材料在车身上的应用研究也取得重要成就。第二章 轻量化面临的主要问题2.1引言专家认为,汽车轻量化是在保证汽车整体品质和性能不受影响甚至提高的前提下,尽可能降低汽车产品自身重量,追求高输出功率、低噪声和良好的操控性、高可靠性等;汽车轻量化主要通过合理的结构设计和使用轻质材料的方式来实现。 从上世纪80年代开始,受国际石油资源紧张和中东局势的影响,石油价格不断上涨。各汽车制造商不得不采取多种轻量化措施,诸如紧凑化技术,广泛采用镁、铝轻合金和工程塑料,采用钢、铝、塑料混合结构车身以及超轻钢制汽车技术等,以遏制汽车整车整备质
23、量上升趋势。近年来,各国汽车制造商围绕节能、节材、环保、降低成本以及提高动力性、经济性、可靠性、安全性及舒适性等方面开展新技术、新材料、新工艺、新产品的研究,主题就是汽车轻量化。根据最新资料显示,近20年来,国外乘用车平均每10年减重8%9%,商用车减重10%15%;预计在未来10年内,轿车自身重量还将继续减轻20%。在我国,目前自主品牌轿车的重量比发达国家同类轿车重10%15%,我国自主品牌汽车在轻量化方面与国外汽车相比,存在明显差距。2.2我国乘用车轻量化存在四大难点 近几年,随着科学发展观的逐步树立和深入人心,随着国家节能减排、绿色环保政策法规的逐步建立和实施,随着资源节约型、环境友好型
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