全地形运输车辆复合材料车架设计及轻量化研究

来源 :上海工程技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:NobelHsu
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车架作为全地形车整车的主要承载构件,不仅要承载全地形车的整车载荷,还要承载来自路面不平度等引起的外部载荷。车架的质量直接决定全地形车的动力性与燃油经济性,这就要求全地形车车架要有足够的强度、较轻的质量以及良好的振动特性。复合材料具有质量轻、强度高等特点,用其制作全地形车车架,既能提高整车轻量化水平又能降低燃油消耗率。复合材料在汽车零部件上的应用已成为新的发展趋势,全地形车复合材料车架的设计也为复合材料应用于车身结构件做出有益的探索。本文首先对板块车架模型进行拓扑优化设计,根据拓扑优化单元密度分布图建立车架三维模型。依据“积木式”方法思路,设计正交试验分析复合材料铺层厚度、钢管外径、铺层顺序对复合材料管强度的影响。分析表明,铺层厚度是影响强度的主要因素,然后是钢管外径,最后是铺层顺序,铺层厚度3mm,钢管外径18mm,铺层顺序为(0°/45°/-45°/90)_s的方案较为合理。根据正交试验结果,制作复合材料缩比件并对其进行模态试验和仿真分析,将试验得到的前六阶模态频率与仿真分析结果作对比,结果显示,频率误差较小且振型大致相同,验证了复合材料缩比件的正确性。以此作为复合材料车架有限元分析的基础。其次,将车架的三维模型导入到Hyper Mesh中进行前处理,对网格划分中出现的表面不平、连接处过密等问题进行调整,并严格按照工程标准矫正网格质量。初步建立复合材料车架有限元模型,经有限元计算,复合材料车架质量为28.4kg而原钢制车架质量为52.3kg,质量下降了23.9kg,减幅达45.7%。建立好复合材料车架的有限元模型,对其进行不同工况下的刚、强度分析,根据强度校核结果,复合材料车架在不同工况下的安全系数均大于1,说明了复合材料车架在不同工况下安全可靠。然后对复合材料车架进行模态分析,其一阶固有频率为28.6Hz,而发动机在怠速时和路面引起的振动频率为25Hz,因此复合材料车架不会发生共振现象。最后,以复合材料铺层厚度作为设计变量,总质量最小为目标,在保证复合材料车架的刚度、强度、一阶模态频率下,以加载点位移为约束的条件下,进行复合材料铺层厚度优化,优化后复合材料车架的总质量由优化前28.4kg下降到24.9kg,下降了12.3%。
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