汽车轻量化的基本途径试题.docx

通过对车架有限元分析发现车架在车辆工作的三种典型工况下的强度和刚度均满足设计要求，初始设计的车架方案是合理的。但车架除了一些应力集中的部位应力较大以外其余部位应力均很小，最大应力相比于材料的许用应力还有差距，结构强度有很大富余，结构具备较大的轻量化空间。因此在进行对比后确定结构轻量化的方案，选择合适的轻量化参数对车架进行轻量化十分必要，在得到轻量化后的车架后还需要在相同工况下进一步对其进行有限元分析，在满足设计要求的情况下保证轻量化效果明显。5.1 轻量化方案的选择5.1.1 汽车轻量化的基本途径汽车的重量对与汽车的功耗和排放具有非常大的影响，汽车的轻量化对提高产品的竞争力有非常重大的作用，世界上各大汽车厂商都在致力于减轻车辆的重量，对于重型矿用车来说，其轻量化的意义则更明显。首先由于其重量极大，车身尺寸也极大，很小的轻量化比例就会带来极大的收益。其次作为载重汽车，车身本身的重量小就代表着其装载比提高，动力的利用率也提高。此外还有如降低功耗和排放等。总的来说汽车的轻量化具有3个基本途径，新型的轻质材料、先进的加工工艺和优秀的产品结构。很多研究表明，一些新型的材料不仅可以降低结构的重量同时还可以提升结构的性能。运用于汽车结构中的就是常用的利用高强度钢来代替普通钢，不仅可以减少结构重量同时其强度也会提升，本课题的车架在设计时就采用了高强度钢，这在重型车辆中的运用十分广泛。一些合金如铝合金和镁合金等的运用也会极大的降低车辆的重量，车身采用全铝结构的ASF汽车，其材料是6000系列铝合金，对于普通的车身，ASF车身在强度和刚度相当时汽车减重约45%。塑料作为一种耐腐蚀和密度极小的材料，也广泛用于汽车内外饰中，很多汽车的油箱就是采用塑料材质。在本课题设计的集成燃油箱中，在车架内设计了一层塑料防腐层，不仅成本低，质量轻而且具有很好的防腐作用。先进的加工工艺对于车辆的轻量化也有一定的作用。例如对铝合金加工时常常采用压铸法，这种方法有一个极大的缺点，即是当液态金属在注入模具时，由于模具内空气排除的不干净，固态化的金属内部会有很多小的气泡，这种结构强度不够好而且可靠性差，而且当其用于温度很高的部位时因为温度极高结构容易产生变形或表面不平整，这使得铝合金部件在汽车上的应用受到极大的约束。一种新型的压铸方法可以完美解决上述问题，即无空隙压铸法。这种方法是将模具内充满氧气，当液态金属进入模具时会与氧气发生反应，这样内部的氧气迅速被消耗完同时金属成型。目前进气歧管等部件已经广泛采用上述方法，采用这种方法制造的进气歧管管内壁十分光滑，气体可以以很小的阻力通过，这样的设计不仅性能优秀而且重量很轻。这种方法制造的进气歧管不仅提升了发动机的性能更是有着良好的经济效益。汽车结构的优化则是对结构进行优化设计，这里会用到一些优化算法和有限元方法。优化设计目标是减小结构重量或减少一些构件数量。利用CAE软件分析，基于有限元的理论，可以实现结构的设计和材料的合理布局。其最终目的也是为了保证结构在质量最小的情况下具有最佳的刚度和强度。利用有限元理论和CAD/CAE技术对结构进行分析和优化，可以得到满足设计要求的前提下的零部件的参数和结构的最优化设计。例如某举升机构[57]的三角臂初始结构如图5-1所示，采用CAE技术进行结构优化设计后的结构如图5-2所示，可以很明显的看到其材料节省了很多，质量有明显下降，但是其强度没有明显降低，而且构件刚度反而有所增强，优化效果十分明显。本课题设计的车架采用了高强度钢的设计，在材料方面不存在太多的轻量化空间，而在工艺方面也没有比较好的工艺可以实现轻量化，故可以采用结构优化设计的方法对车架进行轻量化设计。5.1.2 结构优化设计的方法优化设计的基础是数学中的最优化理论，最优理论是在满足设计要求的结果中寻求最优解。根据设计要求的性能目标建立其优化目标函数和约束条件，再通过计算求解其目标函数的最优方案。假设优化设计的设计变量为，目标函数为，则优化设计的数学模型为：求使得满足式中，（i=1,2,…,m ;j=1,2,…,k）为约束函数。针对不同的优化对象采用的优化算法也不相同。针对本课题常用的优化设计方法主要有三种：拓扑优化、形貌优化、尺寸优化。拓扑优化的目标函数是材料的分布，在设计区间内寻求材料的最佳分布。拓扑优化具有非常高的设计自由度和非常大的设计空间，可以说拓扑优化是结构优化中发展前景最好的一种优化方式。拓扑优化一般在设计最优结构之前进行，是设计结构雏形的必备手段。形貌优化是一种比较先进的优化设计方法。它一般是针对薄壁构件和钣金等的优化，通过形貌优化可以得到构件的加强筋分布。形貌优化的设计方法可以快速的确定构件的外貌特征，而结构的刚度强度等条件也同时得到满足。形貌优化本质上是运用最优化设计的理论寻找构件的特性点的最优坐标，最后根据最优