重型特种车车架强度分析及其轻量化问题研究

武汉理工大学

硕士学位论文

重型特种车车架强度分析及其轻量化问题研究

姓名：王皎

申请学位级别：硕士

专业：车辆工程

指导教师：马力

20050601

摘要

本文首先论述了幽内外车辆结构轻量化研究的现状，分析了车辆结构轻量化技术的发展趋势，探讨了困内研究的小足和差距，提出了应用有限尢技术和现代优化方法对车架结构进行分析和优化，以达到改进结构、降低白重的目的。

接１－－来结合课题研究需要分析了某重型专用车的结构特点，建立了车架的全板壳有限元计算模型以及能正确反映力学特征和运动关系的平衡悬架有限元计算模型。在对车架进行全面分析之前，按照委托方的要求对平衡悬架的使用性能，包括平衡性和通过性，进行了校核。其中，对悬架的运动分析，提出了能够完全考虑车架和悬架弹性变形的校核方法，与传统的图解法相比，此方法虽然复杂性相对较高，但结果更加呵靠和准确。

根据该车的实际使用状况，确定多个计算工况对车架进行了有限元计算分析，求得了各工况Ｆ车架的应力水平、应力分布和变形情况，对车架的承载能力给出了定量的分析，为车架的设计和改进提供了参考和依据，对提高企业的设计水平提供了方法，也为同类产品的设计提供了借鉴。

针对车架结构某些局部较严重的应力集中现象，对局部进行了改进设计，有效降低了局部的高应力，使局部结构更为合理，同时，局部结构的改进对车架黎体不产生明显影响。

采用有限元法结合数学规划法对车架进行了轻量化结构优化设计。首先在不改变车架拓扑结构的基础上，以强度条件为约束，对车架纵梁截面尺寸进行了优化，优化完成后在对车架的刚度进行校核。优化结果表明，在保持与原车架基本相同的强度和刚度水平下，降低车架自重约１２．９４％，取得了不错的轻景化效果。

针对车架在弯扭工况下，扭转变形前后不协调的现象，在保证车架自重不增加的条件下，对横梁的安装位置进行了拓扑优化，使得车架前部的扭转刚度大幅提高，车架整体的扭转变形趋于协调，同时由于扭转变形趋于协调，使得车架的应力水平也有‘定程度的降低。拓扑优化提供了进一步降低车架自重的空间，在车架最优拓扑结构的基础上再对纵梁截面尺寸进行优化，最终得到的车架结构在满足强度刚度要求的前提Ｆ，材料利用率得到了提高，与原结构相比，质量减少２０．２３％，取得了很好的轻量化效果。

本文的研究不仅为车架和悬架的一般设计提供了参考和依据，解决了企业的实际问题，同时对车架的优化设计提供了新的思路和可行的具体路线，为同类研究提供了良好的借鉴。

关键词：车架有限元轻量化优化拓扑

Ａｂｓｔｒａｃｔ

ＴｈｉｓＰａｎｅｒｓｕｍｍａｒｉｚｅｓｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｓｉｔｕａｔｉｏｎｉｎｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

ｕｓｉｎｇｉｎｖｅｈｉｃｌｅｓ，ａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｕｓｉｎｇｉｎｔｈｉｓ

ａｒｅａ，ａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｉｓｋｉｎｄｒｅｓｅａｒｃｈＷＯｒｋｉｎｄｏｍｅｓｔｉｃｖｅｈｉｃｌｅｓ．Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｔｈｏｓｅ．ａｎｉｄｅａｏｆｕｓｉｎｇＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄ（ＦＥＭ）ａｎｄｍｏｄｅｍｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｏａｎａｌｙｚｅａｎｄｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｆｒａｍｅｏｆｔｈｅｓｐｅｃｉａｌｖｅｈｉｃｌｅｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．

Ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｌｙ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅ

ｄｅｍａｎｄｏｆｔｈｅｃｌｉｅｎｔａｎｄｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．ｔｈｅａ１１．ｓｈｅｌｌ—ｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｆｒａｍｅａｎｄｔｈｅｂａｌａｎｃｅｄ—ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｍｏｄｅｌｗｈｉｃｈＣａｎｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｒｅａｌｏｎｅｗｅｌｌａｒｅｂｕｉｌｄ．Ｂｅｆｏｒｅｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｆｒａｍｅ，ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｂａｌａｎｃｅｄ—ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｉｎｃｌｕｄｉｎｇｂａｌａｎｃｅｅｆｆｅｃｔａｎｄｐａｓｓｃａｐａｂｉｌｉｔｙｉＳｉｎａｄｅｆｉｒｓｔ．Ｉｎｔｈｉｓｃｏｕｒｓｅ．ａｎｅｗｐｒｏｃｅｓｓｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｍｏｖｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｉｓｇｉｖｅｎ，ｃｏｍｐａｒｅｔＯｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｗａｙ，ｔｈｉｓｐｒｏｃｅｓｓｉｓｍｏｒｅｃｏｍｐｌｅｘ，ｂｕｔｉｔ’Ｓｍｏｒｅｃｒｅｄｉｂｌｅａｎｄｍｏｒｅａｃｃｕｒａｔｅ．

０ｎｂａｓｉｓｏｆｔｈｅｕｓｉｎｇｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅ．ｖａｒｉｏｕｓ１０ａｄｃａｓｅｓａｒｅｄｅｔｅｎｎｉｎｅｄ．

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ｏｆｔｈｅｆｒａｍｅｉＳｃａｌｃｕｌａｔｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｓｅｌｏａｄｃａｓｅｓ．ｔｈｅｃａｒｒｙｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｔｈｅｆｒａｍｅｉＳｔｈｅｎｑｕａｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎａｌｌｙａｃｃｏｕｎｔｅｄ．Ｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅ

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ＴｈｃＦＥＭａｎｄｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇａｒｅｔａｋｅｎｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｌｉ曲ｔｗｅｉｇｈｔ

ｏｐｔｉｍｉｚｅｄｆｒａｍｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｎｏｔｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅ

ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌｌａｙｏｕｔｏｆｔｈｅｆｒａｍｅ，ｊｕｓｔｓｅｔｔｈｅｓｅｃｔｉｏｎ

ｓｉｚｅｏｆｔｈｅｌｏｎｇｅｒｏｎｓａｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｖａｉｌａｂｌｅｓ．ｓｅｔｔｈｅｍａｘｓｔｒｅｓｓａｓｔｌｌｅｓｔａｔｅｖａｉｌａｂｌｅｓ．ａｎｄｓｅｔｔｈｅｖｏｌｕｍｅｏｆｔｈｅｆｒａｍｅａｓｔｈｅｔａｒｇｅｔ．Ａｒｅｓｕｌｔｏｆｒｅｄｕｃｉｎｇｗｅｉｇｈｔ１２．９４％ｉｓｇｅｔ，ｗｉｔｌｌｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｔｈｅｓｔｉｆｆｎｅｓｓｋｅｅｐｉｎｇａｌｍｏｓｔｔｈｅ

ＳＫｉｉｌｅａｓｔｈｅｏｒｉｇｉｎ．Ａｓｔｈｅａｄｖａｎｃｅｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ａｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｉＳｓｔｕｄｉｅｄ，ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｋｅｅｐｉｎｇｔｈｅ

ｗｅｉｇｈｔｏｆｔｈｅｆｒａｍｅｆｒｏｍｃｈａｎｇｉｎｇ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｇｒｅａｔｌｙｉｎｃｒｅａｓｅ

ｔｈｅｔｏｒｓｉｏｎｓｔｉｆｆｎｅｓｓｏｆｆｒａｍｅ．ａｎｄｔｏｒｓｉｏｎｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｒａｍｅｉｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙｍｏｒｅｃｏｎｃｏｒｄａｎｔ．Ａｎｄａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ．ｔｈｅｓｔｒｅｓｓｏｆｆｒａｎｌｅｉｓｌｏｗｅｒａｓｗｅｌｌ．ｔｈｅｎｔｈｅｍｏｒｅｗｅｉｇｈｔｏｆｆｒａｍｅｃａｎｈｅｒｅｄｕｃｅ也ａｆｕｒｔｈｅｒｓｅｃｔｉｏｎｓｉｚｅ

ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｉＳｔａｋｅｎｔｏｇｅｔｔｈａｔｅｆｆｅｃｔ．ＴｈｅｆｉｎａｌｏｐｔｉｍｉｚｅｄｆｒａｍｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｓａｔｉｓＦ一Ⅱｇ恤ｅｎｅ。ｄｏｆｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｓｔｉｆｆｎｅｓｓｒｅｄｕｃｅ２０．２３％ｗｅｉｇｈｔ

ｃｏｍｐａｒｅｔｏｔｈｅｏｒｉｇｉｎ．Ａｌｌｔｈｅｓｔｕｄｉｅｓｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｏｆｆｅｒａｖａｌｕａｂｌｅａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｔｏｂａｌａｎｃｅｄ

ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｓ，ａｎｄａｆｉｎｅ，ａｖａｉｌａｂｌｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｔｏｓｕｃｈｌａｒｇｅｆｒａｍｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，

ＫＥＹＷＯＲＤ：ＦｒａｍｅＦＥＭＬｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＴｏｐｏｌｏｇｙＩＩ

武汉理上大学硕十学位论文

第１章引言

１．１课题背景

本课题结合某企业超重型特种车辆车架和悬架结构设计与分析横向项目进行研究。该厂生产的某自走式钻井机这种超重型特种车辆，工作时因后三桥轴荷平衡性不好，且车辆自重和载荷大，易造成后轴轮胎因承受重载而出现爆胎，并出现车架局部出现强度和刚度问题。为了解决这些问题，厂方迫切要求对车架结构进行改进，以新型平衡悬架替代现有悬架。因此，要求对车架现有结构的承载能力进行分析，对新悬架的性能和效果进行检验，为车架结构改进和悬架改进提供依据和指导，同时车架自重较大，要求对其进行结构轻量化设计和研究。

１．２研究的目的和意义

随着现代计算机技术的飞速发展，有限元法已经发展成为一个｛“分重要的Ｌ程计算方法，在工程设计和研究中得到了广泛的应用。在车辆的设计和研究上，应用有限元法能够对车辆结构进行强度、模态、振动、碰撞等多方面的分析和优化，为车辆的设计、检验、优化提供参考和指导。现在，对轿车和客车骨架应用有限元法进行静力分析和模态分析，并在此基础上对结构进行分析和改进已是常用的技术手段，但对于一些需求量相对较少，产量不高的专用车和特种车，有限元技术还没有得到广泛使用。本文将有限元法引入该修钻井机的设计、分析和结构优化工作中，解决企业设计生产过程中的实际问题。

节能和环保是关系人类可持续发展的重大问题，也就理所当然成为了现代汽车工业的重要主题。目前，世界上各种汽车的保有量超过６亿辆，每年新生产的各种汽车约３５００万辆，汽车每年的石油消耗量约占世界每年石油产量的一半以Ｌ。据预测，按目前的消耗水平，作为世界上最主要的能量来源的石油资源仅仪还可以维持６０～１００年左右。另外，汽车行驶中释放的ＣＯｘ，ＮＯｘ，ＨＣ，Ｓ０２，铅微粒，碳微粒等有害物质对人们的身体健康和生活环境造成了极大危害。

车辆轻量化是降低能量消耗，减少排放的最有效措施之一，并且减轻车辆自重还能够减少原材料的消耗，降低车辆的生产成本。资料表明，车重减轻１０％，呵节省燃油６％一８％，同时相应降低排放。车辆轻量化有两种途径，一是应用轻金属、现代复合材料等低密度材料，达到减重目标；二是仍然使用钢材，但埘

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结构进行优化，在保证承载能力和舒适性的前提下减轻质量。其中第一种途径减蓐效果尤其明显，但存在研发成本商，时间长，工艺不成熟等问题，目前在主要大型承载结构上使用还比较困难。后一种途径能够在应用现有材料（土要是钢材），工艺条件基本不变或新工艺技术易于获得的情况卜有效减轻质量，因此更具有实际意义。普遍认为，轿车白车身占整车质量的２５％左右，客车、货车的牟架骨架占整车质量的６０％，对于重型特种车，车架所占的质量比例则更大，因此减小车身、车架质量可为车辆轻量化提供最大的潜力。本文对该修井机车架进行以减轻自重为目标的结构优化，提出车架轻量化方案，在保证承载能力的前提下有效降低质量，一定程度上起到节能和环保的作用。

本课题研究的意义不仅仪在于能够解决企业设计生产过程中的实际问题，为企业对其产品的设计、检验、改造和优化提供实际的参考和指导，更大的意义在于能够为企业在降低产品的生产成本，提高产品的设计水平，提高企业核心竞争力方面提供思路和方法。本研究具很好的实际意义和较大的经济价值。

１．３国内外研究现状

受到能源和环境保护的压力，世界汽车工业很早就开始对车辆降低油耗，减少排放的技术进行研究。降低车辆质量是降低油耗，减少排放的最有效的方法之一。从更深的层面上看，减轻质量还能够减少对原材料的消耗，减少对不可再生资源的消耗。

在车辆上应用轻金属、现代复合材料是研究的热点之一。现在在各种车辆上，已经能够看到铝合金、镁合金、复合材料的身影，但在主要承载部件上应用轻金属和复合材料的还不多见，这主要是由于这些新材料应用在主要承载部件Ｌ的成本较高，而解决其成本问题，由于研发成本高，时间长，要求工艺条件高，凼此在短时间内很难普及。

另一方面，车辆的传统材料——钢材，由于其强度高，成本低，工艺成熟，＿并且是最适于回收循环利用的材料，因此利用钢材实现轻量化的可能性备受关注。

１９９４年，国际钢铁协会成立了由来自全世界１８个国家的３５个钢铁生产企业组成的ＵＬＳＡＢ…（ＵｌｔｒａＬｉｇｈｔＳｔｅｅｌＡｕｔｏＢｏｄｙ）项目组，其目的是在保持性能和不提高成本的同时，有效降低钢制车身的质量，并向全世界的汽车生产商提供讯息和技术帮助。

ＵＬＳＡＢ应用的技术手段包括

（１）使用高强度钢（ＨＳＳ）、强化型高强度钢（ＡＨＳＳ）；

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（２）使用新结构、新工艺，如复合钢板（ＴａｉｌｏｒｅｄＢｌａｎｋｓ）结构、钢夹心结构、液压成形工艺、激光焊接工艺等；

（３）使用有限元（ＦＥＭ）对结构进行分析并对尺寸参数进行优化。包括埘液压成形、静态扭转、静态弯曲、模态、碰撞过程的分析和优化。

ＵＬＳＡＢ项目于１９９８年５月完成，其成果是显著的。从表１－１硎出的报告结果呵见，ＵＬＳＡＢ试制的车身总质量比对比车的平均值降低２５％，同时扭转刚度提高８０％，弯曲刚度提高５２％，一阶模态频率提高５８％，满足碰撞安全性要求，同时成本比对比车身造价降低１５％。

表１—１ＵＬＳＡＢ部分结果

对比车平均值ｕＬＳＡＢ日标ＵＬＳＡＢ试制与对比车相比重颦Ｋｇ２７ｌ＜２００２０３—６８

扭转刚度

１１５３ｌ１３０００２０８００９２６９Ｎｍ／ｄｅｇ

弯曲刚度

１１９０２＞１２２００１８１００６１９８Ｎｍ／ｄｅｇ

一阶模态频率

３８＞４０６０２２ｔｔｚ

部件个数１９５１５８３７从１９９７年５月启动的ＵＬＳＡＣ（ＵｌｔｒａＬｉｇｈｔＳｔｅｅｌＡｕｔｏＣｌｏｓｕｒｅｓ）、ＵＬＳＡＳ（ＵｌｔｒａＬｉｇｈｔＳｔｅｅｌＡｕｔｏＳｕｓｐｅｎｓｉｏｎ）和１９９９年１月启动的ＵＬＳＡＢＡＶＣ（ＡｄｖａｎｃｅｄＶｅｈｉｃｌｅＣｏｎｃｅｐｔｓ），作为ＵＬＳＡＢ的后续项目，也在轻量化研究上取得很人成绩。

ＵＬＳＡＣｌ２１项目以车门、车盖等覆盖件为对象进行轻量化研究，其目标是使１Ｕ：界上最具代表性的１５种车型的覆盖件减重１９％一３２％。ＵＬＳＡＣ项目中除了采用高强度钢板、复合钢板与液压成型等技术外，车门采用无框架结构，在不增加成本与不降低抗冲击安全性的情况卜－，与对比车车门相比，减轻质量３３％。

ＵＬＳＡＳｌ３］项目以悬挂件为对象进行轻量化研究。悬挂件在汽车总重中约占１２％，通过铸造件的锻造化、实心部件的铡管化等加工方法的改变及部件结构的最佳化，实现了高强度与高耐久性，与对比车的钢制悬挂件相比，在同等成本下可减轻２０％一３０％，与铝制悬挂件相比，在同等重量下可削减成本３０％。

与前面三个面向２０００年需求的项目不同，ＵＬＳＡＢＡＶＣｌ４１面向的是２００４年及未来需求，它以欧洲Ｃ级轿车和北美中型轿车为对象。ＵＬＳＡＢＡＶＣ提出了整体设计的设计理念，从车身、发动机、悬挂件到内部装饰，进行车辆整体设计。ＵＬＳＡＢ—ＡＶＣ采用高强度钢板，液压成形、激光焊接等材料和工艺，对车辆结构进行整体优化。项目部分结果如表２．２所示。

除了以上提到的国际上著名的四个轻量化项目外，全世界范围内对基于结构

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表２－２ＵＬＳＡＢＡＶＣ部分结果

欧洲Ｃ级车北美中犁乍质鼙Ｋｇ汽油机９３３．０９９７．６

柴油机９６６．３１０３０．９生产成本美元９２００—１０２００

油耗汽油机４．４４５Ｌ／１００Ｋｍ柴油机３．２３．４碰撞安全性达到２００４年美国和欧＿ｌ｝ｆ｛的五星级碰撞标准

优化的轻量化技术岜进行了大量的研究。

韩国汉阳大学的Ｊ．一Ｋ．Ｓｈｉｎ，Ｋ．一Ｈ．Ｌｅｅ，Ｓ．一Ｉ．Ｓｏｎｇ和（１．Ｊ．Ｐａｒｋｆｓｌ应用ＵＬＳＡＢ的设计理念和组合钢板的工艺，对轿车前车门内板进行了结构优化。按照图１．１所示的技术路线，成功地使前车门内板的质量减重８．７２％。此技术已在韩国一家汽车氽业中得到应用。

通用汽车公司的Ｒ．Ｒ．ＭＡＹＥＲ、密西根大学的Ｎ，Ｋ１ＫＵＣＨＩ和Ｒ．Ａ．ＳＣＯＴＴｌ６１应用拓扑优化技术以碰撞过程中最大吸收能量为目标对零件进行优化设计。其设计思路足使零件呈蜂窝结构。不同的减重比率通过优化后将得到不同的结构。此技术已应用到…款轿车的后围结构ｊ二。

瑞典ＬｉｎｋｏｐｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ的Ｐ－Ｏ．Ｍａｒｋｌｕｎｄ和Ｌ．Ｎｉｌｓｓｏｎ［７］从碰撞安全性角度对轿车Ｂ柱进行了减重研究。研究以Ｂ柱变形过程中的最大速度为约束变量，以Ｂ柱各段的厚度为优化变量，以质量为优化目标，实现在４ｉ降低安全性能的条件下减重２５％。

开始

★

ｌ拓扑优化（分配厚度）

★

方案选择

★

尺寸优化

士

形状优化

上

结康

图１－１Ｊ．－Ｋ．Ｓｈｉｎ等

人采用的技术路线

美国航天航空局兰利研究中心的Ｊ．Ｓｏｂｉｅｓｚｃｚａｎｓｋｉ．Ｓｏｂｉｅｓｋｉ和ＳＧＩ公司的ｓ．Ｋｏｄｉｙａｌａｍ以及福特汽车公司车辆安全部门的Ｒ．ＹＹａｎｇｌ８】共同进行了轿车的ＢＩＰ（ＢｏｄｙＩｎ＿Ｐｒｉｍｅ）基于ＮＶＨ（噪声、振动、稳定性）和碰撞安全性要求下的轻量化研究。研究应用ＭＳＣ肘ＡＳＴＲＡＮ和ＲＡＤＩＯＳＳ软件，通过ＯＭＤＡＡ（０ｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｂｙａＭｉｘｏｆＤｉｓｓｉｍｉｌａｒＡｎａｌｙｓｅｓａｎｄＡｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎｓ）方法，以Ｂ１Ｐ的各部件尺寸为主要优化变量，以ＮＶＨ值和ＢＩＰ变形量为约束，以质量为优化目标，实现了在不降低性能的条件下减重１５Ｋｇ。

值得注意的是，上面两项涉及碰撞、振动问题的研究对计算机资源要求很高。前项对轿车Ｂ柱的研究若使用通常的单处理器计算机，则单计算时间就要花费７８０小时；后者对ＢＩＰ的研究若使用单个处理器则要花费惊人的２５７天。

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文献［９】提到了一种从生物骨骼生长过程中得到启发的结构优化方法：应力优化法（ＳｔｒｅｓｓＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ），并应用这一方法使发动机支架质量降低４０％。文献［１０］在前人的基础上分析了树木生长过程自身的优化机理，并针对工程提出新的优化方法。文献【１１］将遗传算法引入结构形状优化算法Ｌ｛｛｝Ｉ，获得良好效果。

从上面的文献中，町以看到国外的结构轻量化研究主要一Ｕ‘分为四类：

（１）提出先进的设计理念，发展先进的制造工艺并通过尺寸参数优化而得到新的轻量结构；

（２）将拓扑优化和形状优化引入到结构轻量化过程中：

（３）利用硬件优势，大量考虑动态过程（如碰撞、振动过程）中的各种约束，对尺寸参数进行优化而得到轻量结构，主要强调安全性；

（４）提出和应用新的现代优化算法，并引入到结构轻量化过程中。

国内对基于结构优化的车辆轻量化研究开展也很多，其中对铁道机车的研究占有一定的比例。

文献［１２．１８］通过经验或反复计算，修改各自研究的铁道机车车体的主要结构的尺寸参数，然后通过计算和试验，对在各静态工况下的强度、刚度进行检验，进行轻量化研究，取得了一定的减重效果。这些文献中有的还进行了车体模态的计算分析，特别是文献【１８】还对车体的动态响应和碰撞安全性进行了计算和分析。这些研究对结构的调整主要依靠研究者的经验，具有一定的局限性。

文献［１９—２３】以各自所研究的铁道机车车体总质量为优化目标，以静态单工况或多工况下的强度、刚度为约束进行轻量化研究，取得了满意的减重效果，但他们的研究主要以结构的尺寸参数为优化变量，对车体的拓扑结构没有进行优化。

２００３年ｌＯ月，李娜１２４Ｊ研究机车车顶结构，采用板壳有限元模型，应用自己编制的遗传算法程序，对形状、加强筋的布置数量和位置以及截面尺寸进行了优化，减重１７６．４ｋｇ，但其模型规模较小，遗传算法要求结构重分析的次数太多，不适于应用于规模很大的结构中。

国内针对汽车车辆结构轻量化的研究也比较多。

１９９４年唐述斌，谷莉【２５Ｊ按经验对ＥＱｌ０９０Ｅ汽车的后桥桥壳厚度进行减薄，然后通过计算和试验进行校核，取得了减重８Ｉ（ｇ的效果。王建等【２６】在１９９７年应用修改的满应力法研究了车架在应力约束下的拓扑优化结构，但其研究的问题规模较小，一Ｉ：况单一且只考虑了薄板的弯曲应力。

２００２年５月姚成【２７ｌ利用ＡＮＳＹＳ软件对某集装箱半挂车车架进行了拓扑优化，其在单工况下得到的结果还不能直接用于设计，只能起到指导作用。同年７月，马迅等ｉ２剐以某车架的一些部件的截面尺寸为优化变量，采用板壳单元和粱单元的组合有限，Ｇ模型，以车架变形和一阶频率为约束，在弯曲和扭转工况两个

工况卜‘取得了减重１３．３１％的效果。

２００３年２月余翊妮‘２９１采用全粱单元的客车骨架有限元模型，以部分梁的截面尺、ｊ‘为变量，以应力为约束进行了结构优化，减重３８ｋｇ。同年４月王怀ｐ叫研究全板壳的客车骨架，对一些骨架的截面尺寸，采用正交试验法进行结构优化，减重５．０８％。９月，桂良进等１３１１研究某５轴载货车车架，采用全板壳有限元计锋模型，通过从多种方案中选优达到轻量化的目的，减重５７０．８ｋｇ。

２００４年１月刘竹清等１３２】采用梁单元的某全承载式客车骨架有限元模型，以一些构件的截面尺、ｊ为优化变量，以扭转刚度和一阶模态频率分别为约束，分布进行了优化，减重１９．６７％。同年３月孟庆功等【３３】研究某低地板城市电动客车车架，采用梁单元有限元计算模型，根据原结构强度刚度富裕较大的特点，根据经验对一些梁进行了减薄，减重２２％。陈茹雯‘３剞、刘齐茂［３５，３６１分别对某军车车身和某型载货车车架采用板壳单元，应用ＡＮＳＹＳ软件进行了拓扑优化，其结果与工程实际应用仍有一定的具体，因此他们从拓扑优化的结果中抽取出能够应用于实际的结构，结果表明拓扑优化能够取得最大程度的轻量化效果。他们的有限元模型规模也不大，且从拓扑优化的结果中归纳出实用的结构还需要相当的工程经验。

从国内的研究现状可以看到，目前轻量化研究主要集中在汽车一般零部件、客车车身骨架等方面，对于重型特种专用车辆主要大型承载结构件轻量化研究未见报道。另外，研究中多是对构件的截面尺寸进行优化，采用全板壳单元有限元计算模型的不多，在已见的包含拓扑优化的研究中，问题的规模不是很大，考虑的工况和因素也不是很多，采用的算法是否适用于更大规模的问题还需要进一步探讨。

１．４研究内吞

根据项目的具体要求、国内外研究现状和现有条件，本论文开展以Ｆ几个方面的研究工作：

（１）修钻井机车架的建模研究，探索能够作为车架结构详细的设计工具和强度预测工具的建模方法；分析车架的承载能力，包括应力分布、应力水平和变形情况，为车架的设计和改进提供依据和指导：

（２）多轴平衡悬架的建模研究，探索能够正确反映多轴平衡悬架力学特性和运动关系的建模方法；分析多轴平衡悬架的平衡效能：在考虑了车架、悬架的弹性的基础上．校核整车的通过性，并检查悬架系统与其他部件有无干涉；

（３）解决现有车辆存在地问题，提供具体的改进措施；

（４）对车架结构轻量化的研究算法，在保证车架承载能力的前提下探索应用合适的结构优化策略年¨结构优化有效降低车架自重，并给出优化设计方案。

武议理Ｔ大学硕Ｌ学位论义

第２章车架有限元分析基本万痃

２．１有限元基本思想

有限兀法最基本的出发点是将分析对象的结构或实体划分为有限个微小的单元体，这些微小的单元体称为“单元”，两相邻单元间只通过节点相连接。将作用在结构体上的外载荷按静力等效原则分解为等效节点载荷向量，以这些单元体的集合替代原来的连续结构实体，这一过程称为连续体的离散化。

离散化过程就是将被分析的工程实体简化为有限元计算模型的过程，因此也称为模型化过程。有限元方法是在离散化的模型上求解，将复杂的连续弹性体卜分析的问题转化为在离散化的模型上解一个多元代数方程。有限元方法的求解过程简单，方法成熟，但计算工作量大，这特别适合于计算机计算，避免了人工在连续体上求分析解的数学困难，这就是有限元方法广泛应用于复杂结构力学分析的原因。

有限元方法按照节点基本未知数可分为位移法、应力法和混合法。目前１程分析中常用的是位移法。

在位移法中，通常选取多项式函数近似地表达单元体内位移分量的分布，这一通过节点位移表达单元内部位移规律的函数称为插值函数，不同单元形式可以有不同类型插值函数。有了插值函数，即可利用变分原理建立单元刚度矩阵，描述单元节点力向量和节点位移向量之间的关系。应用节点力平衡条件和协调条什，将所有单元刚度矩阵叠加，建立结构整体节点力和节点位移的关系方程——结构总刚度方程，结构总刚度方程是‘个以节点向量为基本未知数的代数方程组。引入约束条件后即可用计算机求解结构节点位移，代入单元刚度方程后即可求得节点力和各单元内部应力和应变分量。

有限元法的分析过程，概括起来可以分为以／．－六个步骤：

（１１结构的离散化

结构的离散化是有限元法分析的第一步．它是有限元法分析中重要的一步，关系到计算精度和计算效率。离散化的过程简单地说就是将分析的结构划分成有限个单元体，使力学模型变成离散模型，并在单元体的指定点设置节点，把相邻的单元体在节点处连接起来组成单元的集合体，以代替原来的结构。如果分析的刑象是连续体，为了有效地逼近实际的连续体，就需要考虑选择单元的形状、确定单元的数目和确定划分方案等问题。在结构分析中，以下单元较为常用：梁单元、杆单元、三角形单元、四边形单元、三角形截面环单元、板单元、壳单元、

武汉理工人学硕ｒ学位论义

四面体单元、六面体单兀等等。这些单元的结点数和结点自由度都有区别。

结构离散化后求解的问题就转变为求有限个自由度下的节点位移。有限元法计算精度取决于划分单元的形状、大小、多少和分布情况，通常划分的单元愈多、愈密集、也就愈能反映实际结构状况，计算精度愈高，但计算工作量增大，计算时间增长。凶此必须两方面兼顾，在满足计算精度的要求卜Ｉ，尽可能使单元数少。

（２１位移模式的选择

在结构的离散化完成后，就可以对典型单元进行特性分析。在分析连续体问题时，为了能用节点位移表示单元体的位移、应变和应力，就必须对单元中位移的分布作出一定的假设，也就是假定位移是坐标的某种简单的函数，这种函数称为位移模式或位移函数。

位移函数的适当选择是有限元分析中的关键。在有限元法应用中普遍选择多项式作为位移模式。其原因是因为多项式的数学运算（微分和积分）比较方便，并且从所有光滑函数的局部来看都可以用多项式逼近，即所谓不完全的泰勒级数。至于多项式项数和阶次的选择则要考虑到单元的自由度和有关解的收敛性要求。一般说来，多项式的项数应等于单元的自由度数，它的阶次应包含常数项和线性项。

根据所选定的位移模式，就呵以导出用节点位移表示单元内任一点位移的关系式，其矩阵形式是：

｛厂｝＝【Ｎ］舻）。（２一１）

式中｛力为单元内任一点的位移列阵；｛田。为单元的节点位移列阵；【Ⅳ】称为形函数矩阵，它的元素是位置坐标的函数。

（３）单元力学特性的分析

位移模式选定以后，就可以进行单元力学特性的分析。它包括下面三部分内容。

①利用几何方程，由位移表达式（２—１）导出用节点位移表示单元应变的关系式：

ｐ｝＝【Ｂ】｛毋。（２—２）

式中｛Ｆ）是单元内任一点的应变列阵，【明称为单元应变矩阵。

②利用物理方程，由应变的表达式（２－２）导出用节点位移表示单元应力的关系式：

泗｝＝【Ｄ】［Ｂ】｛毋。（２—３）

式中（盯｝是单元内任一点的应力列阵；【Ｄ】是与单元材料有关的弹性矩阵。

③利用虚功原理建立作用于单元上的节点力和节点位移之间的关系式，即单元的刚度方程：

９

｛Ｒ｝。＝【ｋ】ｐｒ（２－－４）

式中『ｋ１称为单元刚度矩阵，可以导得：

【ｋ］＿ＩＩ／［Ｂ］７【Ｄｌ［ＢＪｄｘｄｙｄｚ（２－－５）

上式的积分应遍及整个单元的体积。

在以上三项中，导出单元刚度矩阵是单元特性分析的核心内容。

（４１等效节点力的计算

弹性体经过离散化后，假定力是通过节点从～‘个单元传递到另一个单元，但是作为实际的连续体，力是通过公共边界传递。因此这种作用在单元边界上的表面力和作用在单元上的体积力、集中力等都需要等效移置到节点上去，也就是用等效的节点力来替代所有作用在单元上的力。移置的方法是按照作用在单元上的力与等效节点力，在任何虚位移上的虚功都相等的原则进行的。

（５）集合所有单元的刚度方程，建立整个结构的平衡方程

集合的过程包括有两方面的内容。１是由各个单元的刚度矩阵集合成整个物体的整体刚度矩阵；二是将作用于各单元的等效节点力列阵集合成总的载荷列阵。最常用的集合刚度矩阵的方法是直接剐度法。集合所依据的理由一一般是要求所有相邻的单元在公共节点处的位移相等。于是得到以整体刚度矩阵陋】、载荷列阵【显】以及整个物体的节点位移列阵舻）表示的整个结构的平衡方程为：

【Ｋ】｛田＝｛月）（２—６）这些方程还应在考虑了几何边界条件，作适当的修改之后，才能够解出所有的未知节点位移。

ｆ６１未知节点位移和计算单元应力的求解

由集合起来的平衡方程组（２—６）解出未知位移。在线性平衡问题中可以根据方程组的具体特点选择合适的计算方法。对于非线性问题，则要通过一系列的步骤，并逐步修正刚度矩阵或载荷列阵，才能获得解答。

最后，就町利用公式（２—３）和已求出的节点位移来计算各单元的应力，并加以整理得出所要求的结果。

对汽车车架进行有限元分析时，首先要把结构离散化为有限元计算模型，其中的关键就是选择合适的单元来模拟结构。由于车架涉及的部件很多，因此需要在正确反映车架结构力学特性的前提下，明确分析的目标和侧重点，并考虑计算精度、计算时问和计算费用等因素的影响，选择不同的单元类型和单元种类进于＿＿｜二离散化。

２．２空间梁单元在车架有限元分析中的应用

车架按其总体结构形式，可分为框式、中梁式和综合式三种，框式又可分为

边梁式和周边式两种，这几种结构形式中，以边梁式车架应用最广。无论是哪种结构形式，其组成构件的横截面尺、Ｊ‘与长度相比要小的多，它们承受的主要是弯曲和扭转，因此从理论上可以将这些构件看｛乍为梁，可以采用空叫粱单元来建立有限元计算模型。空问梁单元不仅可以用于车架主模型的建立，还可片！｝于模拟悬架的弹簧、平衡臂以及结构的过渡连接。

２．２．１梁单元简介

２．２．１．１ＢＥＡＭ４单元

ＡＮＳＹＳ中提供的最简单的空间梁单元为ＢＥＡＭ４单元，如图２—１所示，这是一种基于经典梁理论的梁单元，能够承受拉伸、压缩、扭转和弯曲，并具有应力刚化和大变形能力。该单元有两个节点组成，每个节点具有６个自由度：３个平动自由度，３个转动自由度。定义该单元所需要输入的信息有：截面面积、２个截面惯性矩（１ｙ，Ｉｚ），１个截面极惯性矩（Ｊｘ），２个截面宽度（ｔｖ，ｔｚ，仅计算弯曲应力时使用），以及材料属性。

⑤

结构分析中，使用该单元可以得到：

（１）两个节点６个自由度方向的位移；

（２）两个节点和它们之间６个插值点的轴向弹性应变，轴向拉压应力；侧面的弯曲弹性应变，弯曲应力。

值得注意的是，该单元可以输入任意截面的特性，但其计算弯曲应力和最大最小应力时，所用的公式是建立在截面为矩形的假定上的。以节点ｉ为例，弯曲应力为

萨警其中

Ｍ。ｉ为节点ｉ位置Ｙ方向的弯矩。ｂｎｄ—Ｍｚ，ｉｔｙ

ｏ州一—百■ｈ型叫许一

次

武汉理工大学坝上学位论文

Ｍ：。为节点ｉ位胃Ｚ方向的弯矩。

ｔ。，ｔ，为截面在Ｙ，ｚ方向的厚度，若截面不是矩形，则它们应为巾性轴到最外侧棱边距离的两倍。

最大最小应力为

盯，甜＝仃？”＋ｌ盯器。ｌ＋Ｉ盯器６Ｉ（２—７）

ｃ中…：ｑｄ”一ｌ仃皋ｏＪ—Ｊ仃嚣ｏＪ（２－８）假定截面为矩形时，任一截面的最大最小应力总是发生在截面的顶点位置，因此如果截面是其他形状，则式２．７，２－８应做相应调整。

与ＢＥＡＭ４单元类似但具有变截面能力的单元为ＢＥＡＭ４４。

２２．１．２ＢＥＡＭ２４单元

这是一种应用了薄壁理论和圣维南自由扭转理论的梁单元，该单元可以具有任意的开口或单室闭口截面，能够承受拉压、弯曲和扭转，并具有塑性、蠕变、应力阳０化、犬变形能力。

该单元由２个节点定义，每个节点具有６个自由度：３个平动自由度，３个转动自由度。另外第三个节点用来与前面的两个节点定义一个平面，这个平面就是单元坐标的Ｚ轴所在的平面。

根据圣维南自由扭转理论，该单元在扭转时，截面町自由变形而偏离平面截面，这就是所谓的截面自由翘曲，由于各截面均能自由翘曲，且翘曲量相同，故杆件纵向纤维汝度不改变，就是说截面上没有法应力产生，杆件纵向也不产生弯曲，这时，单位长度的扭角或扭率为一常量。

结构分析中，使用该单元可以得到：

（１）单元节点６个自由度方向的位移；

（２）单元节点的轴向拉压应力，轴向弹、塑性应变。

２１２．１‘３ＢＥＡＭｌ８８单元

这是一种考虑了剪切变彤的梁单元。该单元除可以选用程序已经提供的常用截面，还可以通过自定义设定所需的截面，可以说，该单元能够可处理任意的实心、开口和闭口截面。该单元具有塑性、粘弹性、粘塑性、蠕变、应力刚化、大变形、大应变，以及初始应力和单元生死能力。

该单元由２个节点定义，每个节点具有６个自由度：３个平动自由度，３个转动自由度。另外，根据需要可以增加第７个自由度：翘曲自由度，这样该单元就具有了约束翘曲的能力。另外第三个节点用来与前面的两个节点定义一个平面，这个平面就是单元坐标的ｚ轴所在的平面。

该单元基于铁木辛柯（Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ）梁理论，这是一种一阶剪切变形理论：假定横向剪切应变在横截面上是线性分布的，横截面在变形后仍保持平面。剪切应变确定后，对应横截面的总的剪切力电就可以得到，然后通过一个预先确定的横截面剪切应力分布系数就可以得到横截面的剪切应力了，其精度与横截面的精细程度成』Ｆ比。这样，由于考虑了剪切变形的影响，该单元除了能够模拟细长粱外，还可以模拟“适度”的短粗梁。之所以说是“适度”的，是受到一阶剪切变形理论的限制。定义梁的细长比

ｒ＝ＧＡＬ２／ＥＩ

式中，Ｇ为剪切模量，名为截面面积，三为梁的长度，肼为弯曲刚度当梁的细长比大于３０时，该单元是适用的。

该单元通过增加第７个自由度即翘曲自由度来处理约束翘曲。通过计算双力矩而得到约束扭转法应力和约束扭转剪应力，再与自由扭转状态下的纯扭转剪应力叠加得到约束扭转状态下的应力。

结构分析中，使用单元可以得到：

（１）单元节点６个自由度方向的位移；

（２）截面的剪切力，剪切应变；

（３）梁的弯矩，曲率，轴向力，轴向应变，扭转力矩，扭转应变，双力矩，双曲率；

（４）梁的弯曲应变，弯曲应力。

ＢＥＡＭｌ８８单元由于只有两个节点，其初始形状只能是直线，如果需要更好地模拟曲梁或在保持单元人小的情况下提高精度，可以使用３节点的ＢＥＡＭｌ８９单元。

２．２．２基于空间梁单元车架有限元计算模型的特点

在对车架结构的有限元分析中，若采用空间梁单元进行离散，在选取合适种类的梁单元时应充分考虑车架结构和载荷的特点。车架为充分利用材料，减轻结构自重，多采用薄壁杆件，如槽钢、工字钢等，并且载荷常常不通过这些薄壁截碰的弯曲中心，因此这些杆件不但要发生弯曲变形，还要发生扭转变形，并且这种扭转属于约束扭转。另外，为增大车架的弯曲刚度和扭转刚度，有些秆件横截面尺寸和板厚较大，细长秆的假定明显不适用。考虑到以上因素，在选取离散车架结构的空间粱单元时，应选取能够处理约束扭转，并考虑了剪切变形影响的空间梁单元，以ＡＮＳＹＳ为例，最好选用ＢＥＡＭｌ８８和ＢＥＡＭｌ８９单元。

采用空间粱单元，将车架作为杆系结构建立有限元计算模型的优点主要有以¨卜儿点：

（１）结构模型简单，建模工作量相对较小；

（２）模型规模较小，对计算机硬软件资源要求较低；

（３）计算速度快，适合进行动态分析；

（４）能够得到较好的变形结果，同时也能够得到一定精度的应力分布和应力水平结果。

由于空『Ｈｊ梁单元的这些优点，国内早期对车架变形和强度计算中多采用空问梁单元。但是，采用梁单元的缺点也是很突出的，主要是：

（１）建模误差人，对形状复杂的纵横梁模拟能力差，这主要有以１＂－几种情况：

１．纵横粱接头处纵横梁横截面的弯曲中心往往不重合，而采用梁单元建模往往忽略了这个几何偏差，为了方便建模而将这两个弯曲中心合并成一个节点；

２．梁单元对纵横梁接头的处理是不完善的：

①车架结构杆件接头的几何形状很多，局部加强板的形状和位置多种多样，而采用梁单元时不得不简化接头处的几何形状；

②车架结构杆件接头的连接形式也很小同，有焊接、铆接、螺栓连接、以翼板相连、以腹板相连等等连接形式，这些形式对连接处的刚度，甚至车架整体刚度的影响很大。好的处理方式是通过丰富经验和大量实验，将连接点的柔性数据包括进模型，但这样使有限元分析本身的优势丧失殆尽。一般采用简化处理：以翼板相连的地方，节点当作“刚”节点处理，对翘曲变形完全约束，因此需要增加考虑约束扭转的第７个自由度，或者用约束扭转当量惯性矩代替自出扭转惯性矩的方法来考虑约束扭转的影响：以腹板连接的地方，节点当作“柔”节点处理，对翘曲变形无约束，不考虑约束扭转的影响。

３．有些车架为提高承载能力，降低自重或方便上装的安置，一些纵横梁被设计成变截面，或成为上拱或下凹形状，对于这些，梁单元必须做简化处理，将他们简化成分段等直梁：

４．纵横梁上经常存在着诸如过线孔，过件孔和减重孔，要使用梁单元来处理这些结构非常麻烦，通常的作法是忽略这些特征。

（２）梁单元不能反映设计的修改。纵横梁接头区域一般应力较高，是容易发生裂纹的区域，而梁单元对接头处理的不完善造成计算不出接头区域的应力分布，进而也就反映不出接头修改对车架的影响；

（３）梁单元无法仔细、有效地反映结构的应力集中问题；

梁单元的这些不足，使它不能完全成为车架结构详细的设计工具和强度预测丁具，只适合在车架设计的最初阶段应用。

１４

ⅡＣ汉理工大学硕士学位论文

２３板壳单元在车架有限元分析中的应用

如前所述，组成车架的各种构件采用的大多是薄臂粱，截面厚度与截面尺寸和构件长度相比要小得多，因此从理论上可以将车架各构件看作由板壳组合而成，可以采用板壳单元来建立有限元计算模型。

２．３．１板壳单元简介

有限元理论中的板壳是指其中面上的任一点处的两个主曲率半径ｎ，岛均远大于其厚度值ｆ，且中面的长度宽度ｆ．，厶也远大于其厚度珀ｑ结构。板壳的受力状态可以分解为平面应力和薄板弯曲两种受力状态的叠加。因此板壳的有限元分析呵以有两个思路，一个思路就是利用平板单元组成的折板系统去代替原来的薄壳，由平面应力状态和板弯曲应力状态加以组合而得到薄壳的应力状态；另

个足直接采用曲面单元，根据壳体理论推导单元刚度矩阵。

２－３．１．１ＳＨＥＬＬ６３单元

ＳＨＥＬＬ６３是一种有代表性的板壳单元，采用平蘑应力和弯曲应力状态加以组合而得到，它是‘种常用的４节点单元，在每个节点有６个自由度，３个平动自由度和３个转动自由度，故共有２４个自出度。ＳＨＥＬＬ６３可以在４个节点上定义不同的厚度，支持正交各向异性材料，具有单独描述平板弯曲和薄膜的功能，能承受面内和法向载荷，并且可以考虑了应力刚化和大位移。

该单元不考虑剪切变形，因此只适用于薄板结构，但程序并不自动检查单元厚度是否超过单元的宽度，这是凶为这样的单７亡可能是一个大的可视为薄板结构中很精细的一个单元，因此建模对必须注意该单元的适用情况。

由于ＳＨＥＬＬ６３单元采用的是利用平板组合代替原本的曲板，因此在模拟能力上有一定的限制，具体来说，就是模拟曲板的一组平板单元中，相邻单元的夹角不能超过１５。。

模拟曲面时，该单元的四个节点町能不在一个平面内，即发生了翘曲，由于从积分点结果外推到节点是基于单元节点共面条件的，因此严重的翘曲将导致节点应力结果的不可信，但在某些情况Ｆ，难以保持绝对的共面，因此一定的翘曲是允许的，衡量翘曲的因子乒”是按以下步骤定义的：

（１）对单元对角线进行矢量乘法得到平均单元法线，将单元沿平均单元法线投影得到单元投影面；

（２）取单元及单元投影面对应顶点沿平均单冗法线的距离，设为ｈ（荦。元

＾汉理［大学钡Ｌ学位论文

投影面的位置取在四个ｈ相等的位置）

（３）定义面翘曲因子彤＝

√投影面积

。４）除只有膜力的单元外，定义厚度翘曲因子Ｆ…２覃元蒜；

（５）翘曲凶子Ｆ”＝ｍａｘＩ曙，ｆ”ｊ。

对于ＳＨＥＬＬ６３单元，同时考虑膜应力和弯曲应力时，翘曲因予应小于０．１：只考虑膜应力时，翘曲因子应小于０．０２，超过限制时，程序将给出警告，若翘曲因子火于１时，将严重影响讣算精度，程序将自动中１｝：运算。

结构分析中，该单元可以得到的计算结果主要有：

（１）单元节点６个自由度方向的位移；

（２）板上、中、下三层的：

●各坐标方向应力，平均弹性应变，平均热应变（不包括剪切方向）；

●主应力；

●等效应力，等效弹性应变，等效热应变。

２．３．１＿２ＳＨＥＬＬ９３单元

ＳＨＥＬＬ９３单元是直接采用曲面单元，根据弹性力学壳体理论建立的板壳单元。该单元有８个节点，每个节点有６个自由度：３个平动自由度和３个转动自由度，故共有４８个自由度。由于在每个边上增加了中问节点，它比ＳＨＥＬＬ６３更适于模拟曲板。该单元叮以在四个顶点定义不同的厚度（中间节点处的厚度通过线性插值得到），能够支持正交各向异性材料，此外，还具有塑性、应力刚化、大变形和大应变并支持单元生死的特性。

该单元考虑了剪切变形的影响，假设应变在厚度方向是线性的，因此能够模拟适度的厚板，但随着单元曲面曲率半径与单元厚度比值的减小，厚度方向的应变分布将偏离线性，造成结果的不可信。当这个比值小于等于５对，程序会给出警告，小于２时程序将自动中止运算。

结果分析中，该单元除能够输出ＳＨＥＬＬ６３单元相同的结果外，由于其单元特性，还能够得到：

（１）剪切应力，平均弹性应变，平均热应变；

（２）各坐标方向的平均塑性应变，平均蠕变应变；

（３）等效塑性应变，等效蠕变应变。

ＡＮＳＹＳ提供的板壳单元很多，选取时应根据分析的具体要求，选择尽可能

主下尺学坝十学位论文

简单的单元，但前提是选择的单元能够提供分析所需的特性，可以参考圈２．２选择板壳单元。

２．３．２基于板壳单元车架有限元计算模型的特点

果削板壳单兀相对采用梁单元建立车

架主模型有如下的几个显著的优点：

ｆ１）采用基于弹性力学板壳理论的板

壳单元计算薄壁杆件在理沦上比采用基于

梁理论的梁单元计算精度高；

Ｃ２）建模误差小，能模拟形状复杂的

纵横梁；

（３）能比较精确模拟杆件接头区域的

几何形状，不需要作过多的简化，甚至不

需要作简化；

ｔ４）可以很方便的处理接头的不同连

接形式；

（５）小仅能够得到整体的应力分布，

还可以计算出局部位置的应力集中，便于

图２－２板壳单元特性

进行后续的疲劳分析。这是采用梁单元所

尤法实现的：

（６）改进设计时建模方便，能够照顾细节，迅速反映局部细爷改动埘结构带来的影响。

另一方面，采用板壳单元缺点也很突出，主要体现在以下几个方面：

（１）几何建模工作量大、耗时，尺寸精度要求较高；

（２）有限元模型规模大，动辄几万、十几万个结点，甚至高达上百万个自由度；

（３）需要计算机的硬软件资源很多，因此计算所用的计算机配置要求较高；２．４其它单元在车架有限元分析中的应用

在车架结构中，还有少量构件的几何形状决定它们不适合使用粱单元或板壳单元模拟，如吊耳、支座、拖钩等。一般来说，这些构件在车架的计算分析中，不是主要关心的对象，因此可以略去这些构件或用梁单元代替它们的力学功能，