复合材料商用车车架的CAD/CAE研究
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摘要
本文首先介绍了国内外轻量化材料在汽车行业的应用及研究现状，重点介绍了复合材料的应用成果及进展，并提出用轻金属材料和复合材料对某商用车车架进行轻量化设计。随着我国经济水平的提高，人们在关注汽车油耗的同时也对乘坐舒适性提出了更高的要求。通过研究国内外汽车振动及平顺性研究历程及现状，针对国内对复合材料车架动态性能研究较少的现状，提出开展复合材料车架动态性能研究的构想。
随后结合课题研究需要分析了某商用车车架的结构特点，建立了车架的有限元计算模型。根据该车的实际使用情况，分别设计了多种工况。按照所设计的工况对车架进行有限元计算，求出各种工况下的车架变形和应力分布情况，并进行了模态分析，为后续研究提供设计依据。
接着采用铝合金材料和优化设计方法对车架进行重新设计，在满足车架强度和刚度要求的情况下，使车架达到最轻。设计结果表明，采用铝合金材料后，车架的自重可降低约65％。同样对铝合金材料车架进行了模态分析。
根据复合材料的复合性能及发展趋势，在保证原车架结构形式基本不变的前提下，采用碳纤维增强环氧树脂基复合材料再次对车架进行重新设计。经过轻量化设计研究，得出一种刚度和强度都满足设计要求的设计方案。为使所设计的复合材料车架既能满足要求又能使其重量达到最轻，笔者采用有限元计算软件中自带的APDL开发语言编制出优化设计程序。优化设计表明，复合材料车架较原钢制车架重量降低幅度较大，降幅可达61％。
为了研究复合材料车架的动态性能，笔者建立了包括驾驶室、货箱等在内的商用车整体计算模型，采用模态分析技术和随机振动谱分析技术对其进行进一步研究，研究表明复合材料车架较金属材料车架有较好的动态性能，为复合材料车架的精益设计提供了参考。
本文的研究成果不仅为轻型材料在汽车领域的应用提供了新的思路，而且为国内复合材料在汽车主要承载结构上的设计及应用提供了参考。
Firstly, this paper summaries the present application and research situation of light weight materials in the world, emphasizes the production and evolution of composite. Based on the collected information, I decide to do light weight design with light metal materials and composite. Going with improvement of standard of living, people are concerned about both oil consumption and riding comfort. After studying on course and recent situation of vehicle vibration and riding-comfort in the world, considering domestic research on dynamic performance of composite chassis is rare, a thought of research on dynamic performance of composite chassis is brought forward.
Then structural characteristics of the commercial vehicle chassis are investigated according to research requirement and finite element model of the chassis is built up. Considering actual working situation, several working situation is designed and is applied to finite element calculation. From the results, deformation and stress distribution is derived in the different situation. A modal analysis is carried out afterwards. All the elementary studies above provide foundation for following chassis design.
Subsequently, on the premise of strength and stiffness requirement, the chassis is redesigned to be lightest with aluminous alloy and optimized design method. From the design result, self-weight of the chassis can be reduced by 65%. A modal analysis is also carried out.
In view of compound performance and composite developmental trend, a kind of carbon fiber composite (CFC) is used to redesign the chassis on condition that origin structure form is preserved. After design research, a project which meets the demand of strength and stiffness is elicited. In order to make sure of the weight of available chassis is lightest, ANSYS parametric design language (APDL) is used to develop optimization program. After optimization design, total weight of chassis can be reduced by 61%.
In order to study dynamic performance of composite chassis, a calculational model including cab and carriage is established. After modal analysis and random vibration analysis, a conclusion is drawn that the composite chassis has better performance than the metal chassis, which can be a reference to excelsior design of composite chassis.
All the researches and results in this paper can not only offer a new train of thoughts for application of light materials in vehicle, but also provide a reference for application of composite in main structure of vehicle.
随后结合课题研究需要分析了某商用车车架的结构特点，建立了车架的有限元计算模型。根据该车的实际使用情况，分别设计了多种工况。按照所设计的工况对车架进行有限元计算，求出各种工况下的车架变形和应力分布情况，并进行了模态分析，为后续研究提供设计依据。
接着采用铝合金材料和优化设计方法对车架进行重新设计，在满足车架强度和刚度要求的情况下，使车架达到最轻。设计结果表明，采用铝合金材料后，车架的自重可降低约65％。同样对铝合金材料车架进行了模态分析。
根据复合材料的复合性能及发展趋势，在保证原车架结构形式基本不变的前提下，采用碳纤维增强环氧树脂基复合材料再次对车架进行重新设计。经过轻量化设计研究，得出一种刚度和强度都满足设计要求的设计方案。为使所设计的复合材料车架既能满足要求又能使其重量达到最轻，笔者采用有限元计算软件中自带的APDL开发语言编制出优化设计程序。优化设计表明，复合材料车架较原钢制车架重量降低幅度较大，降幅可达61％。
为了研究复合材料车架的动态性能，笔者建立了包括驾驶室、货箱等在内的商用车整体计算模型，采用模态分析技术和随机振动谱分析技术对其进行进一步研究，研究表明复合材料车架较金属材料车架有较好的动态性能，为复合材料车架的精益设计提供了参考。
本文的研究成果不仅为轻型材料在汽车领域的应用提供了新的思路，而且为国内复合材料在汽车主要承载结构上的设计及应用提供了参考。
Firstly, this paper summaries the present application and research situation of light weight materials in the world, emphasizes the production and evolution of composite. Based on the collected information, I decide to do light weight design with light metal materials and composite. Going with improvement of standard of living, people are concerned about both oil consumption and riding comfort. After studying on course and recent situation of vehicle vibration and riding-comfort in the world, considering domestic research on dynamic performance of composite chassis is rare, a thought of research on dynamic performance of composite chassis is brought forward.
Then structural characteristics of the commercial vehicle chassis are investigated according to research requirement and finite element model of the chassis is built up. Considering actual working situation, several working situation is designed and is applied to finite element calculation. From the results, deformation and stress distribution is derived in the different situation. A modal analysis is carried out afterwards. All the elementary studies above provide foundation for following chassis design.
Subsequently, on the premise of strength and stiffness requirement, the chassis is redesigned to be lightest with aluminous alloy and optimized design method. From the design result, self-weight of the chassis can be reduced by 65%. A modal analysis is also carried out.
In view of compound performance and composite developmental trend, a kind of carbon fiber composite (CFC) is used to redesign the chassis on condition that origin structure form is preserved. After design research, a project which meets the demand of strength and stiffness is elicited. In order to make sure of the weight of available chassis is lightest, ANSYS parametric design language (APDL) is used to develop optimization program. After optimization design, total weight of chassis can be reduced by 61%.
In order to study dynamic performance of composite chassis, a calculational model including cab and carriage is established. After modal analysis and random vibration analysis, a conclusion is drawn that the composite chassis has better performance than the metal chassis, which can be a reference to excelsior design of composite chassis.
All the researches and results in this paper can not only offer a new train of thoughts for application of light materials in vehicle, but also provide a reference for application of composite in main structure of vehicle.
引文
[1] 张屹林，王洪民，王海涛等．汽车轻量化与铝合金．内燃机配件，2004(5)：37～40．
[2] 杨贵恒．汽车材料应用现状与未来．上海汽车，1997(12)．
[3] 支德瑜．汽车材料轻量化的一些途径．汽车工艺与材料，1999(6)．
[4] 黄争鸣著．复合材料细观力学引论．北京：科学出版社，2004．9．
[5] 白木，周洁．铝材令汽车制造技术焕然一新．世界有色金属，2001(10)：47～50．
[6] 晓青．镁合金在汽车上的应用及发展趋势．上海汽车，2005(3)：38～40．
[7] 陆刚．铝、镁、钛合金与汽车．有色金属回收与利用，2005(4)．
[8] 张友寿，秦有钧，吴东周等．铍和含铍材料的性能及应用．焊接学报，2001(12)：92～96．
[9] 沃丁柱主编．复合材料大全．北京：化学工业出版社，2000．
[10] 余良富．重型专用汽车复合材料车架计算机辅助设计研究：[武汉理工大学硕士毕业论文]．2005．6．
[11] 赵稼祥．碳纤维的发展与应用．纤维复合材料，1996(4)：49．
[12] 李湘洲．国内外汽车玻璃钢市场的现状与展望．玻璃钢／复合材料，1994(1)：23．
[13] 张以河，李桂珍，王怀楚．汽车用复合材料的研究和应用．工程塑料应用，1999(2)：34～36．
[14] 陈宏章．纤维复合材料板簧：[第九届玻璃钢／复合材料年会论文集]．北京：中国硅酸盐学会玻璃钢学会，1991．
[15] 丁玉庆．汽车振动系统的简化及数学模型的建立．南京理工大学学报．2001(4)：391～394．
[16] Kobe L, et al. Material '96. Automotive Industries. 1995(9): 49
[17] 王其东，钱立军，唐永琪等．基于平顺性仿真的农用运输车悬架CAD研究．农业机械学报，2000(6)：27～35．
[18] 李鹏飞．商用车驾驶室悬置系统优化设计研究：[武汉理工大学硕士毕业论文]．2006．4．
[19] 余良富，马力，王皎．复合材料重型专用车车架设计与分析．武汉理工大学学报，2005(5)：94～96．
[20] 周绍荣．载货汽车轻量化材料的应用．商用汽车杂志，2005(1)：90～21．
[21] 王东江，刘启志，柯枫．碳纤维增强复合材料在汽车上的应用．汽车工艺与材料，2005(4)：33～36．
[22] 雷雨海．汽车材料新技术．交通科技与经济，2004(4)：49～50．
[23] 翁睿，祝颖丹．树脂基复合材料在欧美机车汽车制造业的应用．汽车科技，2001(3)：14～16．
[24] 李湘洲．国内外汽车玻璃钢市场的现状与展望．玻璃钢／复合材料，1994(1)：23．
[25] 一佳译．纳米复合材料在汽车上应用的进展．上海塑料，2005(3)：41．
[26] 雄戈译．可与GMT媲美的PP复合材料．国外材料，2005(4)：67．
[27] 郑成刚．汽车工业玻璃钢技术的发展状况．汽车科技，2004(2)：7～10．
[28] 江梅，陈丽萍．玻璃纤维增强复合材料在汽车上的应用．汽车工艺与材料，2001(4)：32～34．
[29] 陈宏章．纤维复合材料板簧：[第九届玻璃钢／复合材料年会论文集]．北京：中国硅酸盐学会玻璃钢学会，1991．
[30] 晓青．镁合金在汽车上的应用及发展趋势．上海汽车，2005(3)：38～40．
[31] 李顺林，王兴业著．复合材料结构设计基础．武汉：武汉理工大学出版社，1993．11．
[32] 张少实，庄茁著．复合材料与粘弹性力学．北京：机械工业出版社，2005．1．
[33] 朱伯芳著．有限单元法原理与应用．北京：中国水利水电出版社，1998．10．
[34] 王望予著．汽车设计(第4版)．北京：机械工业出版社，2004．9．
[35] 李德葆，陆秋海著．实验模态分析及其应用．北京：科学出版社，2001．2．
[36] 余志生．汽车理论(第3版)．北京：机械工业出版社，2000．
[37] 孙海霞，刘大维，严天一等．公矿自卸车车架结构强度有限元分析．中国制造业信息化，2007．36(3)：33～36．
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[39] 倪樵，马力．改型载货车车架的静动力分析．专用汽车，2001(2)：28～29．
[40] 王凤生．多轴汽车车架结构强度有限元分析：[大连理工大学工程硕士毕业论文]，2003．
[41] 林军．载货汽车车架模态分析．机电工程，1998(2)．
[42] 谢世坤，程从山．基于ANSYS的边梁式车架有限元模态分析。机电产品开发与创新，2005．18(1)．
[43] 王皎．重型特种车车架强度分析及其轻量化研究：[武汉理工大学硕士毕业论文]，2005．6
[44] 赵渠森著．先进复合材料手册．北京：机械工业出版社，2003．5．
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[50] Michael C. Y. Niu(America). Composite Airframe Structure Practical Information And Data. Printed in Hong Kong.
[51] Shigan Deng, Ping-Feng Pai, Chih-Chiang Lai etc. A Solution to the Stacking Sequence of a Composite Laminate Plate with Constant Thickness using Simulated Annealing Algorithms. Int J Adv Manuf Technol (2005)
[52] P. N. Dileep and R. Ramesh Kumar. A Simple Method for the Evaluation of Fracture Toughness of a Multi-layered Laminate base on the Failure Stress of sub-laminates. International Journal of Fracture (2005) 131: L3～L6.
[53] K. Sivakumar, N. G. R. Iyengar and Deb Kalyanmoy. Optimum Design of Laminated Composite Plates Undergoing Large Amplitude Oscillations. Applied Composite Materials, 1999(6): 87～98
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[56] J. W. Shi, A. Nakatani, H. Kitagawa. Effects of in-plane Constraints on the free Vibration of a Symmetrically Laminated Doubly Curved Panel. Acta Mechanica 166, (2003), 89～102.
[57] V. G. Piskunov, A. O. Rasskazov. Evolution of the Therory of Laminated Plates and Shells. International Applied Mechanics, Vol. 38. No.2, 2002.
[58] Jun Wu. Shape and Laminate Optimization of Fiber-Reinforced-Polymer. Doctor of Philosophy Thesis, Michigan State University. 2004.
[59] 曾光远，姬涛，邓文武．玻璃纤维复合材料应用解决方案．化工新型材料，2005(10)：92～93．
[60] 李磊．基于遗传算法的复合材料层合结构优化设计：[国防科学技术大学硕士毕业论文]，2005．11．
[61] 付瑜．复合材料结构优化中的模糊遗传算法研究：[西北工业大学硕士毕业论文]，2006．4．
[62] 吴艳．复合材料结构的使用优化设计技术及应用研究：[西北工业大学硕士毕业论文]，2003．3．
[63] 李为吉．复合材料层合板的优化设计方法研究：[西北工业大学硕士毕业论文]，2001．2．
[64] 刘惟信．机械最优化设计(第二版)．北京：清华大学出版社，1994．
[65] 杨橙，马力，王仲范．复合材料高速储能飞轮强度极限转速的确定．武汉理工大学学报，2002(8)：53-56．
[66] 廖芳，马力，杨橙等．复合材料高速储能飞轮的设计与仿真．机械设计，2004(3)：20～22．
[67] 李立，马力，李鹏飞．基于虚拟样机技术的摩托车平顺性分析系统设计．机电工程技术，2005(10)：66～68．
[68] 廖芳，马力，王仲范等．复合材料高速储能飞轮的形状优化研究．中国机械工程(增刊)，2004(15)：83～86．
[69] 傅志方著．振动模态分析与参数辨识．北京：机械工业出版社，1990．9．
[70] 戴诗亮著．随机振动实验技术．北京：清华大学出版社，1984．4．
[71] 张思著．振动测试与分析技术．北京：清华大学出版社，1992．11．
[72] ANSYS, Inc. Theory Manual(12th Edition). SAS IP, Inc.
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[69] 傅志方著．振动模态分析与参数辨识．北京：机械工业出版社，1990．9．
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[71] 张思著．振动测试与分析技术．北京：清华大学出版社，1992．11．
[72] ANSYS, Inc. Theory Manual(12th Edition). SAS IP, Inc.
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