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汽车前轴结构优化及轻量化性能研究

摘要

作为汽车轻量化的重要方法之一，汽车零部件的结构优化至关重要。汽车前轴作为

汽车底盘的重要零件，承载汽车的前质量，将汽车的前推力从车架传递到车轮，并与

转向装置的相关部件钗接，实现汽车的转向。在保证前桥的使用性能不变的同时，对汽

车前桥进行结构优化设计，以下是研究的主要内容:首先，通过Solidworks建立前轴的

三维模型。在前轴的建模过程中，考虑到后期有限元分析能够形成高质量的网格，在保

证前轴结构特性的情况下，对前轴的结构进行局部简化。之后将三维模型导入Hypermesh

有限元前处理软件中，生成前轴的有限元模型，进行有限元分析，根据前轴实际的运行

工况，选择分析三种行驶工况，对前轴进行施加载荷，对前轴的结构强度进行验证。然

后基于三种工况对前轴的拓扑优化，进行优化仿真。得到了优化后的前轴模型。根据前

轴仿真结果，对前轴进行轻量化优化设计，建立轻量化前轴的三维模型，再次生成有限

元模型，并进行仿真分析，检验优化后的前轴模型的安全性和可靠性。经过验证，轻量

化前轴的强度，刚度均符合使用要求，设计达到预期目标。

关键词:前辄结构优化，Solidworks,轻量化，有限元分析，拓扑优化

目录

1.绪论1

1.1研究背景和意义1

1.1.1研究背景1

1.1.2研究意义2

1.2国内外研究现状2

1.3本文研究内容4

2.前轴结构几何建模5

2.1汽车前轴5

2.2Solidworks软件介绍6

2.3前轴模型的建立7

3.前轴结构有限元分析8

3.1有限元法基本理论10

3.2有限元软件介绍10

3.3有限元建模11

3.4有限元分析10

3.4.11况与边界条件10

3.4.2仿真结果分析13

4.前轴结构轻量化设计17

4.1拓扑优化模型介绍17

4.2结构拓扑优化设计17

4.3优化结果分析与工程诠释19

5.前轴结构优化性能分析21

6.总结与展望25

6.1总结25

6.2研究展望25

参考文献25

1.绪论

1.1研究背景和意义

1.1.1研究背景

随我国的人均收入不断提高，我国的汽车保有量也在逐年攀升，汽车销量已经连

续十年位居世界首位，燃油的消耗量也在不断增加，使得等温室气体的排放越来越高，

空气污染越来越严重。中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二

氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和的“双碳〃目标，

体现了中国应对气候变化的雄心和力度①。目前，国家有关部门对能耗和排放制定了一

系列标）隹，这对汽车节能减排技术提出了更高要求（林一博，王梓萱,2022）。对于汽车行

业来说，除了加快清洁燃料的开发，提高燃料利用率也是现阶段降低汽车污染排放的有

效措施。

汽车轻量化在保证汽车安全性和使用性能不变的前提下，尽量减小汽车的整备质量,

从而有效的降低油耗，减小排放，也提高了汽车的动力性。实验证明，如果汽车整体质

量降低10%,那么燃油的消耗就能够降低6%-8%⑵；汽车整备质量每减少100k,每百

公里油耗量可降低0.3升-0.6升，可以由此看出二氧化碳排放量能够减少约5克/公里。

汽车的整备质量占到汽车总质量的30%左右。这就意味，在汽车空载的情况下，将会

有70%的燃油消耗在车身的重量上⑶。因此，对汽车进行轻量化技术的研究，可有效的

降低材料消耗，降低生产成本，减少对环境的污染（冯晨昊，李映雪,2023）。从驾驶的角

度来看，从这些表现可以推测出汽车实现轻量化后，汽车的动力性，操纵稳定性，以及

驾驶平顺性都将大大提高。从安全性角度来看，由于汽车质量减小使汽车的惯性减小，

因而汽车的制动距离也将会得到改善。

2

1.1.2研究意