《農(nóng)用運輸車車架的力學探析與結構設計》16000字（論文）

緒論1.1研究背景農(nóng)用運輸車，其定義是在農(nóng)村或野外道路上用柴油機驅動的貨物的低速車輛，通常分為三輪農(nóng)用運輸車和四輪農(nóng)用運輸車。運輸車輛。相對而言，農(nóng)用運輸車輛保留了拖拉機的原始耕地工作和動力輸出能力，從而提高了運輸能力，駕駛條件和行駛速度。據(jù)統(tǒng)計，我國目前的農(nóng)業(yè)人口約為2億，農(nóng)用運輸車輛的數(shù)量超過2000萬，平均有10名農(nóng)民擁有一輛農(nóng)用運輸車輛。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)貨運等勞動活動的一半以上是通過農(nóng)業(yè)運輸工具完成的。根據(jù)2015年國家統(tǒng)計，全國城鄉(xiāng)貨物運輸總量超過120億噸，農(nóng)村農(nóng)田運輸量超過170億噸，年均增長10%以上。預計未來10年，農(nóng)用運輸車輛將增長2-3倍，達到5000萬輛，市場潛力巨大。截至2015年底，有超過200家企業(yè)從事家用農(nóng)用運輸車的生產(chǎn)。企業(yè)數(shù)量的年增長率約為5%，農(nóng)用運輸車輛的數(shù)量為2500種，世界排名第一。家用農(nóng)用運輸車輛主要在農(nóng)村和郊區(qū)銷售，尤其是在山區(qū)和丘陵地區(qū)。農(nóng)用運輸車輛由于使用柴油發(fā)動機，因此具有比普通汽油運輸車輛便宜，燃料消耗少和馬力大的特點。它受到農(nóng)民的歡迎，并在城鄉(xiāng)建設中發(fā)揮著越來越重要的作用。1.2研究意義進入21世紀，我國的農(nóng)用運輸車市場前景廣闊，發(fā)展迅速，但具有品種單一，設計水平低，技術含量低等缺點。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，用戶對農(nóng)用運輸車的要求越來越高，對車輛的可靠性，耐用性和便利性提出了更高的要求。為了擴大市場，增強企業(yè)競爭力，減少國外先進農(nóng)機技術的影響，國內(nèi)農(nóng)用運輸車企業(yè)應著重解決以下問題：（1）在城鄉(xiāng)道路段，丘陵和山區(qū)，由于道路條件惡劣，農(nóng)用運輸車的車架經(jīng)常斷裂，嚴重變形，不能滿足設計壽命的要求。（2）在傳統(tǒng)的農(nóng)用運輸車輛的設計階段，幾乎沒有考慮底盤系統(tǒng)和行車道激勵的組合，從而導致底盤框架的過度振動。（3）為了提高框架的強度和剛度，傳統(tǒng)的底盤系統(tǒng)使鋼板和厚底變厚，使得框架越來越大，浪費的材料也越來越大。反之亦然，是當今“節(jié)能”倡導者的技術主流。（4）框架的技術含量較小，通過用戶反饋基本改善了結構，沒有有效的結構優(yōu)化設計過程。如果存在上述問題，則農(nóng)用運輸車的框架強度不足并且剛性不足，從而在使用過程中導致梁斷裂或疲勞損壞，嚴重影響農(nóng)用運輸車的壽命和可靠性，并且存在重大的安全風險。另外，農(nóng)用運輸車輛的車架設計和生產(chǎn)與整車的性能不匹配，因此優(yōu)化車架的性能是提高整車性能的關鍵。如果框架存在問題，則設計人員通常會采用經(jīng)驗方法來改進框架的設計，例如增加鋼板的厚度或對斷裂區(qū)域添加加固，但是仍然有很多改進。缺點和周期長，難以適應現(xiàn)代高效的設計要求。因此，需要尋找用于框架研究和開發(fā)的新的設計和分析方法，特別是農(nóng)用車輛框架的設計，突破傳統(tǒng)的設計思想，并使用現(xiàn)代設計方法優(yōu)化農(nóng)業(yè)運輸?shù)慕Y構。車架。在滿足使用性能和制造工藝的前提下，增加了框架的強度，增加了剛性，降低了生產(chǎn)成本，滿足了節(jié)能減排的要求。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1國外研究現(xiàn)狀在口益嚴格的排放標準和環(huán)保要求的壓力下，全球汽車企業(yè)在降低車輛油耗、減少排放、提高安全性方面進行了大量的研究。從表層上看，在保證強度與剛度前提下降低車輛質量是減少油耗的有效方法，從更深的層面上看，減輕車輛質量還有助于減少有害物的排放和降低不可再生資源的消耗。通過查閱大量文獻，總結了國外對車架進行有限元分析與結構優(yōu)化的研究主要包括：（1）對框架進行有限元靜力分析，分析框架的剛度和強度，并確保框架滿足設計要求。（2）基于模態(tài)分析理論，對框架進行計算模態(tài)分析和實驗模態(tài)分析，研究框架本身的固有特性，為深層結構動力優(yōu)化設計奠定基礎。（3）駕駛時對車架進行瞬態(tài)分析，研究車架在路面上的激勵引起的動力響應，為底盤系統(tǒng)的設計和開發(fā)提供依據(jù)。（4）采用現(xiàn)代優(yōu)化方法對框架進行多學科的優(yōu)化設計，提高了框架的整體性能，減輕了框架的重量。自1960年代以來，國外學者就一直使用有限元方法對框架進行靜態(tài)分析，并取得了良好的效果?；谟邢拊碚摚葼柭岢隽艘环N模擬框架縱梁和相交梁的新方法，即梁單元和平板單元的混合建模方法。分析結果表明，該混合建模方法可以模擬框架的結構特征。Kim和Huh使用有限元方法對框架進行了斷裂分析，并根據(jù)計算結果詳細討論了框架失效的原因和預防措施。在確保計算精度的前提下，A0使用板單元分析框架的扭轉剛度，以減少有限元模型的計算量，并通過分析結果了解框架的扭轉剛度特性。Hadad和Ramezani使用有限元方法對框架進行了模態(tài)分析，并根據(jù)分析結果總結了框架的動態(tài)特性，并提出了修改框架設計的思路。此外，國外學者還分析了車架的動力學和疲勞特性。Lee等人使用完全有限元方法來驗證開放式框架的強度性能，并獲得了框架在加速制動，轉向和沖擊條件下的機械性能。Kwon和Yu使用靈敏度信息方法分析了框架的耐用性，研究了框架在準靜態(tài)和瞬態(tài)條件下的疲勞壽命，并比較了兩種條件下的壽命曲線。研究結果證明了敏感性。在預測框架耐久性方面的分析方法。基于二階時頻分布理論，Chandra和Barai對框架進行了結構損傷評估，并在此基礎上，分析了結構損傷與固有特性之間的相關性，以證明衰減分布與固有特性之間的相關性?？蚣軗p壞。Vineet和Gangbing通過將鈦酸鋯鈦酸鉛壓電陶瓷片粘貼在框架表面上，研究了三層框架框架的振動特性。研究表明，反饋信號可以達到90%或更高的精度，極點組成控制方法可以有效地預測框架的動態(tài)特性。在頻率限制下，Yamada和Kanno7使用方程式相關方法來優(yōu)化框架的結構拓撲，并獲得高質量的全局最優(yōu)解。研究發(fā)現(xiàn)，框架的最佳結構與工作頻率范圍有關。國外使用有限元方法對框架進行研究還處于早期階段，有限元建模和框架的靜態(tài)和動態(tài)性能研究可以追溯到1960年代。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，它已經(jīng)是比較完整的框架建模以及靜態(tài)和動態(tài)性能分析技術，但是具有豐富的實踐經(jīng)驗。在國外，有限元方法在框架結構分析中的應用很重要，并獲得了許多研究成果，Bemrmxa，HJ提出了一種使用梁板混合單元的合理簡化連接方法。通過對卡車車架的垂直梁和橫梁汽車的總體設計過程進行仿真和優(yōu)化，日本日產(chǎn)汽車公司大大縮短了設計周期，提高了汽車的整體性能，減輕了汽車的重量，降低了生產(chǎn)成本，并且大大提高了產(chǎn)品的競爭力。Ao.Kazuo等人解釋了使用有限元方法設計框架結構的具體過程，Kim，HS等人則解釋了在靜態(tài)極限載荷下框架的變形和應力。分析了主要的故障模式。自1990年代以來，國外對汽車結構的動力學特性進行了許多研究，并獲得了豐富的研究成果。Krawczuk，Marek等人建立了框架全板和殼單元的有限元模型。使用有限元模型進行框架動力分析，然后Hadad，H，Ramezani，A等對框架進行模態(tài)分析，并使用模態(tài)分析結果對框架的結構設計進行修改框架。2005年，F(xiàn)redrieson和Harald總結了拓撲優(yōu)化技術在汽車行業(yè)中的應用，對拓撲優(yōu)化在汽車工程中的使用進行了統(tǒng)計調查，并對新領域的應用進行了詳細介紹。1.3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)對車架的研究晚于國外，國內(nèi)對車架的結構分析著重于強度和剛度指標，底盤系統(tǒng)的結構強度和剛度測試結果主要作為設計中的關鍵指標。海外汽車制造商將強度低階模態(tài)參數(shù)以及車身和車架的重量用作產(chǎn)品設計的關鍵指標，并通過綜合分析來完成產(chǎn)品。當前，中國許多大學和企業(yè)都將重點放在框架統(tǒng)計，模態(tài)分析，瞬態(tài)分析和結構優(yōu)化設計上。王家使用有限元軟件分析了大型特種車輛車架的強度，并在此基礎上討論了車架的輕量化問題，優(yōu)化了車架的拓撲結構，提高了材料利用率。于傳文以重型卡車車架為研究對象，使用Hypermesh和ANSYS軟件對其進行建模和分析，研究了車架的靜態(tài)和動態(tài)特性，并采用參數(shù)優(yōu)化設計方法對車架結構進行了優(yōu)化。侯偉在有限元網(wǎng)格劃分軟件Hypermesh中建立了車架的有限元模型，然后將其導入到有限元分析軟件ANSYS中，并使用該塊提取了車架在自由狀態(tài)下的前15階。Lanzos方法隨后將模態(tài)參數(shù)與模態(tài)測試結果進行了比較，以確認框架有限元模型的合理性。研究低速卡車車架的王慧云使用SHELL63裝置在ANSYS軟件中對車架進行了網(wǎng)格劃分，并對車架進行了靜態(tài)分析，以獲得在各種工作條件下車架的彎曲和扭轉應力分布它為框架的改進設計提供了合理的建議。王遂峰使用MSC.NASTRAN軟件對微型車框架進行結構有限元分析，獲得了框架的應力分布，彎曲強度，剛度曲線，模態(tài)特性和疲勞壽命，并使用了ANSYS/LS-。DYNA軟件，模擬墻到框碰撞。盧麗萍使用HyperWorks的Optistruct優(yōu)化模塊為卡車車架建立拓撲優(yōu)化模型，其中將每個工作條件的最小應變能作為目標函數(shù)，將體積比作為約束函數(shù)?；谧兠芏确ǎ瑢蚣苓M行了拓撲優(yōu)化計算，為框架的結構改進提供了參考。郭長成使用有限元軟件Hypermesh對框架進行了有限元建模，在自由約束下對框架進行了模態(tài)分析，并獲得了框架的前12個固有頻率和振型。比較計算出的模態(tài)結果，以檢查有限元模型的準確性。比較了實驗模態(tài)結果。郭日坤以中型商用車零部件的優(yōu)化為研究背景，研究了車架對車輛靜態(tài)扭轉和彎曲剛度的影響，并分析了設計區(qū)域結構的物理參數(shù)。假設車輛根據(jù)拓撲結構是剛性的，則優(yōu)化理論優(yōu)化了車架的設計，將車架的重量減少了百分之幾。趙子春根據(jù)框架有限元模型的荷載和設置約束，根據(jù)有限元原理分析框架的強度和剛度，并利用Optistruct平臺獲得應力集中區(qū)域以及最大位移和變形位置評估框架結構的強度和剛度。有限元法是利用計算機技術開發(fā)的用于解決各種工程問題的數(shù)值計算方法。使用離散概念將連續(xù)解域離散化為一組以特定方式連接在一起的有限單元。然后，對于每個元素，我們選擇一個相對簡單的函數(shù)來近似元素的物理量，引入載荷和邊界條件以求解代數(shù)方程，獲得數(shù)值解，并獲得應變，應力分布和其他結構特性。有限元方法的基本思想可以追溯到1940年代。Courant在三角形子區(qū)域中使用多邊形分割差異方法發(fā)表了一篇論文，以研究扭轉問題，但他的離散化概念并不吸引人。直到1960年代，克拉夫在進行平面應力分析時才廣泛接受“有限元”一詞。從那時起，有限元法就位移法和力法進行了討論，并且有限元法的應用領域越來越廣泛。隨著科學技術的飛速發(fā)展，汽車設計師開始了解有限元方法在汽車領域的重要性，并開始開發(fā)框架結構及其有限元模型。1.4農(nóng)用運輸車的研究現(xiàn)狀幾年前，國外開始重視有限元方法在農(nóng)用運輸車車架結構分析中的應用，產(chǎn)生了許多研究成果。為了獲得承重框架的重力分布，Chuaymung等人對輕型農(nóng)用運輸車輛進行了實驗測試和計算模擬，對單輪和兩輪懸架條件進行了詳細研究，并改善了框架結構。已提出。為了獲得農(nóng)用運輸車車架的最佳設計結構，Uys等人采用了基于坡度的方法來考慮局部和疲勞約束來優(yōu)化農(nóng)用運輸車車架的結構。優(yōu)化的結果是，坡度是農(nóng)用運輸車輛的基本方法，結構優(yōu)化的可能性很高。Paraforos等人基于農(nóng)村道路和田間地面信息的收集分析了農(nóng)用運輸車輛的疲勞特性，并將直接光譜估計方法的預測結果與常規(guī)方法進行了比較。Sun等人建立了一種預測農(nóng)用運輸車輛安全特性的數(shù)值方法，實驗結果表明，該數(shù)值方法在求解中比常規(guī)方法更有效。在尚未開發(fā)的有限元商業(yè)軟件時代，由于無法定量計算農(nóng)用運輸車車架的結構變形和應力分布，國內(nèi)農(nóng)用運輸車制造商基本上對有問題的車架采用整體加厚和局部加固，造成了材料浪費。隨著中國有限元技術的發(fā)展，國內(nèi)企業(yè)和大學科研人員對農(nóng)用運輸車的車架進行了許多靜態(tài)分析，動態(tài)分析和結構優(yōu)化計算。楊羅成使用有限元分析軟件ANSYS對農(nóng)用運輸車車架的靜，動力進行了分析，獲得了動力條件下的固有頻率，振型和隨機響應，以及在靜態(tài)條件下車架的應力分布?？蚣艿钠趬勖驳玫较到y(tǒng)地分析和討論。向飛飛使用Hyperworks軟件對農(nóng)用運輸車車架進行了有限元分析，然后完成了車架的電氣測試實驗，并使用ANSYS軟件對車架結構進行了優(yōu)化。經(jīng)過結構優(yōu)化后，獲得了垂直梁。李波使用ABAQUS軟件對欠載條件下車架的彎曲，彎曲和扭轉條件進行了有限元分析，得出了兩種常見條件下農(nóng)用運輸車車架的位移分布規(guī)律和危險應力位置。框架的重量已經(jīng)過優(yōu)化，經(jīng)過優(yōu)化后，框架的重量減少了90.5kg。華勇將3D農(nóng)業(yè)運輸框架模型導入到有限元分析軟件Hyperworks中，然后使用Hyperworks對框架進行自由模態(tài)分析。此外，使用LMSTestLAB振動測試系統(tǒng)進行了實驗模態(tài)測試。實驗結果表明，低頻區(qū)域有限元的計算結果與實驗結果非常接近。王云使用ProE軟件對農(nóng)用運輸車車架的三維對象進行建模，然后將簡化的三維模型導入到有限元軟件AYSYS中，以分析車架在兩種常見工作條件下的位移和應力。充電時扭曲，充電時彎曲分配，指出需要改進的結構零件。2農(nóng)用運輸車車架有限元模型的建立2農(nóng)用運輸車車架有限元模型的建立有限元方法是解決數(shù)學物理建模問題和工程應用問題的數(shù)值計算方法，是解決土木工程，機械和材料中結構問題的有效分析工具。作為農(nóng)用運輸車輛組裝的重要組成部分，該框架可承受道路上的許多復雜載荷和載荷，其剛度和強度在農(nóng)用運輸車輛的總體設計中特別重要。本章首先介紹了有限元方法的基本概念和理論基礎，然后使用ANSYS軟件建立了農(nóng)用運輸車車架的有限元模型，為統(tǒng)計和動態(tài)分析提供了必要的條件。2.1有限元法的理論基礎2.1.1有限元法的基本思想及特點有限元法是一種基于數(shù)學和力學理論的計算機輔助工程分析工具，用于數(shù)值計算?，F(xiàn)代數(shù)學，力學，物理學和計算機技術。有限元方法被發(fā)明在1950年，隨著數(shù)值算法的繁瑣發(fā)展和電腦的計算速度的越來越快，有限元法已經(jīng)成為了計算當代力學和計算工程中極度有效，以及應用最廣泛的計算方法。有限元法由于其適用于解決各個領域的連續(xù)性和現(xiàn)場性問題，且具有高效的求解效率和超數(shù)值穩(wěn)定性而受到越來越多的科研人員和工程師的青睞。有限元計算軟件的誕生促進了有限元方法的普及，并完善了有限元方法的理論。有限元軟件已成功解決了大規(guī)模的科學和大規(guī)模的工程計算問題，并為許多領域的社會發(fā)展做出了貢獻工程技術的發(fā)展與經(jīng)濟的發(fā)展。有限元方法理論認為，真實對象的整個結構可以看作是節(jié)點之間相互連接的有限數(shù)量的小單元的集合，并且可以將小單元視為整個建筑物的磚塊。（整個結構），以某種方式將其拼接在一起，使其成為具有完整性能和局部特征的整體結構。有限元方法的節(jié)點通常位于元素的邊界，并且元素劃分和節(jié)點配置非常靈活，因此可以應用于各種結構。對象幾何的復雜性和外部邊界條件使得難以獲得科學和工程中許多計算問題的解析解。只能使用數(shù)值方法和有限元方法研究復雜的工程問題。最經(jīng)典的之一。有限元方法的定義：連續(xù)彈性體被認為是由有限數(shù)量的小元素組成的離散模型。（1）單位分析。根據(jù)元素的性質，根據(jù)某些規(guī)則為每個元素建立節(jié)點交互作用和未知量之間的關系。例如，在結構靜力分析過程中，為了根據(jù)位移方法從模擬元素（分析類型）近似位移的連續(xù)分布形狀，首先選擇多項式，然后使用位移插值函數(shù)確定單元節(jié)點的位移和單元的任意點。最后，通過虛功或虛擬位移原理推導單元節(jié)點力與單元節(jié)點位移之間的關系，最后單元剛度矩陣為從有限元靜態(tài)分析中獲得。（2）全面分析。在特定條件（例如連續(xù)性條件和變形調整條件）下，根據(jù)特定的特征關系將所有離散元素疊加在一起，以形成整體特征關系，并在整個模型節(jié)點的載荷和每個節(jié)點的位移之間建立關系。然后，我們形成整個有限元方程，并獲得整個剛度矩陣。在引入邊界條件之后，對整個有限元方程進行數(shù)值求解，以獲得在整個模型的節(jié)點處可以找到的變量（例如位移，應力和應變）。與常規(guī)分析方法相比，有限元方法在概念和邏輯上更易于理解。由于有限元方法是從嚴格的機械和數(shù)學概念衍生而來的，因此其直觀的物理意義有利于人們的理解，因此受到了工程師的歡迎。通常，有限元方法具有以下特征：（1）由于網(wǎng)格形狀的可變性，網(wǎng)格分割幾乎不局限于對象的幾何形狀，并且可以很好地適應復雜的幾何形狀和邊界條件。（2）通過求解偏微分方程獲得方程的近似解，這是一個具有保證精度和強穩(wěn)定性的近似數(shù)值解。（3）可以適應各種連續(xù)，不連續(xù)和突變的邊界條件和載荷條件。（4）以數(shù)學矩陣的形式解釋離散模型有助于準備計算機程序并提高解決方案的效率。（5）它可以解決大型和復雜的工程問題，例如非線性接觸，非線性材料，非線性流體動力學和非線性電磁場。圖2-1車架前梁分析2.1.2有限元分析軟件ANSYS簡介ANSYS軟件是有限元商業(yè)分析軟件，它集成了結構力學，力學，流體力學，熱力學，聲學和電磁學。工業(yè)和科學研究領域，例如機械制造，航空航天，汽車運輸，土木工程，能源和電力，石化，生物醫(yī)學和核工業(yè)。ANSYS軟件是被有限元分析公司ANSYS發(fā)明的，該軟件本身具有強大的3D建模功能，并允許您使用GUI圖形界面來創(chuàng)造復雜的3D幾何模型。此外，ANSYS軟件提供了靈活的數(shù)據(jù)界面和圖形界面，可與各種商業(yè)CAD軟件共享和交換數(shù)據(jù)，并且是用于現(xiàn)代產(chǎn)品設計的高級設計支持工具。ANSYS軟件主要包括三個部分：預處理模塊，求解模塊和后處理模塊。預處理模塊提供了強大的3D實體建模功能和網(wǎng)格劃分工具，用戶可以輕松地建立對象的3D幾何模型并輕松進行網(wǎng)格劃分以獲得出色的有限元分析模型。求解器模塊包括結構分析模塊，動力學分析模塊，流體力學分析模塊，熱分析模塊，電磁場分析模塊，聲學分析模塊，壓電分析模塊和多物理耦合分析模塊，優(yōu)化分析模塊。后處理模塊提供了多色顯示界面，可以在等高線圖顯示，梯度顯示，粒子流顯示，矢量顯示，透明和半透明顯示中顯示計算結果，還可以提供各種計算，例如曲線，圖標，表格等輸出結果。2.2農(nóng)用運輸車車架結構有限元模型的特點車輛的主要承重結構是框架，同時，框架也是車輛結構有限元分析的主要對象。大多數(shù)卡車的車架是支撐和連接發(fā)動機總成，懸架系統(tǒng)，車身和各種零件，并支撐車身和道路載荷的整個車架。農(nóng)用運輸車輛的車架大多是側梁車架，主要由兩個縱梁和幾根橫梁組成，縱梁和縱梁通過焊接或鉚接形成整體結構?？v向梁可以是橫截面恒定的梁，也可以根據(jù)實際情況采用橫截面可變的梁。梁通常旨在確保整個框架的扭轉剛度，并支撐汽車的主要部件，例如發(fā)動機，變速器等。圖2-1車架總配成圖農(nóng)用運輸車車架結構有限元模型的特點是：（1）使用板殼單元對農(nóng)用運輸車有限元建模，并附加少量實體單元以形成組合的模型結構。其車架縱梁的長寬是鋼板厚度的2倍以上，所以對板和殼有限元分析，從而減少了單元的數(shù)量并準確設置了各種復雜的表面形狀。與實體單元相比，將板殼單元用于縱梁會導致更好的單元屬性和更高的計算精度。（2）農(nóng)用運輸車輛的框架基本上是基于焊接和鉚接的，因此有必要在框架的有限元模型中反映這兩種連接方法。可以在布爾運算中將焊接連接模擬為粘合，并且可以通過在焊接零件上添加焊接設備或對焊接零件進行剛性連接來確保實際焊接零件的結構連續(xù)性。在有限元模型中，通常使用約束方程方法或非線性接觸方法來模擬框架中的鉚釘，或者在鉚釘點執(zhí)行MPC。（3）在農(nóng)用運輸車車架正常工作條件下，工作應力一般在線性彈性范圍內(nèi)，屬于線性小變形，因此基本上可以將線性彈性單元和線性彈性材料用于有限元建模。在農(nóng)用運輸車輛框架的有限元建模中還存在一些非線性材料，例如橡膠墊和空氣彈簧。為了簡化建模過程并提高計算效率，通常將弱非線性材料幾乎線性化。2.3農(nóng)用運輸車車架有限元模型的建立（1）建立農(nóng)用運輸車輛框架的有限元分析計劃，例如分析目標，分析類型和分析目的。（2）收集農(nóng)用運輸車車架結構模型信息，得到農(nóng)用運輸車車架的CAD模型，物理性能和連接關系。（3）建立農(nóng)用運輸車車架的有限元模型。（4）檢查農(nóng)用運輸車輛車架的有限元模型，并檢查車架的網(wǎng)格質量，例如長寬比，錐度，偏度等。（5）載荷施加和邊界條件確定。（6）計算框架有限元模型的解。（7）結果的后處理。2.3.1車架的參數(shù)化三維建模CAD軟件在實際設計中引入了“參數(shù)設計”的概念，由于其強大的使用價值而得到積極推廣。ANSYS軟件中的參數(shù)化建模通過參數(shù)化幾何模型的特定尺寸，將其與一組幾何約束相關聯(lián)并使用預定義的方法將其同時嵌入，從而在圖形中設置了一組約束。我們將所有連接輸入到程序中，然后根據(jù)輸入框的形狀修改模型參數(shù)的大小，最后通過根據(jù)參數(shù)表執(zhí)行表達式來實現(xiàn)設計方法。ANSYS參數(shù)化設計語言（APDL）是ANSYS軟件的參數(shù)化設計語言，有限元建?；贏PDL語言進行參數(shù)化設計。使用APDL語言來建立農(nóng)用運輸車輛車架的有限元建模，您可以執(zhí)行靜態(tài)分析，模態(tài)分析和瞬態(tài)動力學分析，以及使用ANSYS隨附的優(yōu)化算法進行自動優(yōu)化設計。性能框架，提高了優(yōu)化效率并節(jié)省了計算時間。ANSYS軟件的參數(shù)化建模過程如下：（1）進入如圖2-1所示的ANSYS軟件預處理模塊，在“工具”菜單上單擊“工具菜單-參數(shù)-標量參數(shù)”，然后在框架模型中輸入需要參數(shù)化的尺寸。將農(nóng)用運輸車放在對話框中。在農(nóng)用運輸車輛的參數(shù)工程中，縱向梁和橫梁的厚度以及縱向梁或橫梁的長度和寬度通常以參數(shù)方式定義，并且相關尺寸的鏈條必須以3D形式形成建模過程。圖2-2參數(shù)化示意圖（2）完成農(nóng)用運輸車車架的參數(shù)化建模后，保存建模過程的“有效”指令流，該指令流的后綴為.lgw。為了開始新的分析過程，當ANSYS使用/INPUT命令讀取后綴為.lgw的命令流時，將通過振動運行相關的參數(shù)化程序，然后調用參數(shù)建模和數(shù)值算法。早期的框架有限元分析通常使用梁單元進行建模，并且梁單元的橫截面形狀反映了框架的實際結構。但是，梁元件不能在縱向和橫向上完全反映出框架的幾何橫截面特性，并且梁元件也不能反映出框架中的應力集中。因此，不可能僅使用梁單元精確地提取框架的位移和應力分布來執(zhí)行框架的有限元建模。如果僅使用實體元素對框架進行網(wǎng)格劃分，太多的元素將消耗大量的計算時間。因此，在本文中，我們采用板式，梁式，彈簧式相結合的方法對農(nóng)用運輸車進行有限元參數(shù)化建模，有效地模擬了各種工況下農(nóng)用運輸車車架的載荷變形，框架應力集中位置，為結構優(yōu)化設計打下基礎。2.3.2車架載荷工況的確定及受力分析農(nóng)用車輛的框架是支撐農(nóng)用車輛的主要負載的部件。在運行期間，不僅需要承受運輸車輛各個部分的靜態(tài)載荷，例如運輸車輛的重量和載荷，質量，而且還要承受柴油機和駕駛員的功率，以及發(fā)動機運轉時的動態(tài)負載是通過減振裝置從地面?zhèn)鬟f過來的，反作用力，張力松弛力等在加速牽引時也會受到慣性力的影響。您會看到它可以確保運輸車輛的壽命和可靠性。側面起著非常重要的作用，因此有必要仔細判斷和分析框架的負載情況。圖2-3車架前梁除了在框架的有限元分析中將框架離散化為有限元模型外，還必須引入框架約束。農(nóng)用運輸車輛的車身通過兩個縱梁連接至車架，來自地面的反作用力通過懸架傳遞至車架。不同的懸掛系統(tǒng)會對車架及其強度和剛度產(chǎn)生更大的影響。價格約束是否準確直接影響到計算結果的準確性。從實際的結構角度來看，車輛價格的限制主要源于前后懸架系統(tǒng)，車軸，輪胎和地面。前懸架系統(tǒng)和后懸架系統(tǒng)均使用板簧，并且在模型仿真期間應遵循以下原則。應該有足夠的約束來消除結構的剛體位移，但不要過于約束。否則，您可能會得到一個錯誤。它應與實際結構匹配。在有限元計算過程中，合理確定計算模型以更好地反映實際情況，將板簧模擬為兩個垂直彈簧和一個剛性梁，并且由于輪胎接觸地面，與輪胎的連接點均為平移自由度處于中間位置，限制在最后。3農(nóng)用運輸車車架的靜強度有限元分析3農(nóng)用運輸車車架的靜強度有限元分析農(nóng)用運輸車輛的車架不僅必須承受發(fā)動機總成，駕駛室和貨物的載荷，而且還要承受由于路面不平而引起的強制位移載荷，因此各種力和力矩作用在車架上。同時。因此，框架必須具有足夠的剛度和強度。否則，框架可能會過度變形，并且框架可能會折斷或斷裂，從而導致嚴重的交通事故。為了保證框架具有足夠的剛度和強度，有必要在各種常見工作條件下檢查框架的靜態(tài)強度，并進行靜態(tài)分析，為結構優(yōu)化設計提供依據(jù)。在本章中，您將使用ANSYS軟件對農(nóng)用運輸車車架的彎曲，扭轉和制動情況進行靜態(tài)分析，并研究車架的靜態(tài)強度性能。3.1有限元靜力學分析的理論基礎3.1.1靜力學分析的基本理論及流程結構靜態(tài)分析是對系統(tǒng)在恒定載荷下的響應的研究，該載荷不會隨時間變化，例如位移模式，變形，應力分布和約束結構的反作用力。在結構靜力分析中不考慮系統(tǒng)的質量和內(nèi)部摩擦特性，因此，通過慣性和阻尼作用作用在結構上的位移，力，應變和應力可以忽略不計。實際上，不隨時間變化的靜態(tài)負載是理想的假設，并且隨時間緩慢變化的負載也是等于近似靜態(tài)負載的靜態(tài)負載。有限元結構靜力分析中施加的外部載荷通常具有集中力和分布壓力。有限元力學分析主要基于彈性力學理論，從靜態(tài)，幾何和物理三個方面研究結構的特性，并通過平衡微分方程，幾何方程，物理方程和物理方程來推導結構的內(nèi)部應力。邊界條件分量與物理力和表面力之間的關系，應變與位移之間的關系，應變與應力之間的關系。與上述三個關系相對應的方程是平衡方程，幾何方程和物理方程。平衡方程。當結構在外力作用下處于平衡狀態(tài)時，平衡方程為：（3-1）幾何方程。在忽略位移導數(shù)的高次項后，描述應變與位移關系的幾何方程為：（3-2）綜合上述的平衡方程、幾何方程和物理方程及邊界條件，有限元分析中的靜力學基本方程可以描述為：（3-3）式中：K是結構的總體剛度矩陣；U是位移列向量；F是載荷列向量。式3-3中，總體剛度矩陣K是由單元剛度矩陣組成，位移列向量U是由個節(jié)點位移組成，載荷列向量是作用在單元節(jié)點上力的集合。有限元結構靜力學的分析流程如圖3-1所示，具體步驟為：（1）單位分析。單元分析的主要任務是引入位移函數(shù)，以解釋單元內(nèi)任意點位移與節(jié)點位移之間的關系，并推導單元節(jié)點力與節(jié)點位移之間的關系以獲得單元剛度矩陣。圖3-1結構靜力學分析流程（2）全面分析。根據(jù)一定的規(guī)則，將每個單元的剛度矩陣進行組合，獲得結構的總剛度矩陣，從而建立整體結構。（3）藥物分析。約束分析包括確定研究對象的邊界條件，消除剛度矩陣的特異性并將其轉換為計算結果。（4）陣列和外部碳化熱矢量，方程3-4轉換，確保了捐贈的全部金額。（5）計算單位共振力，應力和應變。根據(jù)可變位移計算設備的諧振力，應力和應變。（6）結果的后處理。通過對結果進行后處理，顯示結構的應變和應力云圖，并顯示響應最迅速的關鍵點的替換和機理，以獲取響應關鍵點。3.1.2等效應力理論第四強度理論（也稱為變形能理論）認為，材料將因變形能密度的變化而屈服。小單位均方根的大小是衡量破壞的重要因素。如果均方根剪切力超過某個值，則材料將屈服，并且如果剪切力繼續(xù)增加，則材料可能會破裂。農(nóng)用運輸車輛的框架是復雜的機械結構，并且該結構本身必須具有足夠的剛度和強度，以使框架具有基本功能，否則可能發(fā)生嚴重的交通事故。農(nóng)用運輸車的車架通常用鋼板焊接或鉚接，材料的破損通常通過發(fā)生塑性變形來表示，因此可以根據(jù)第四項檢查農(nóng)用運輸車的車架的強度理論。3.2農(nóng)用運輸車車架的靜強度工況分析農(nóng)用運輸車輛在行駛時承受各種類型的載荷，更常見的載荷是彎曲載荷，扭轉載荷，拉伸載荷，橫向載荷和縱向載荷。在平坦的道路上行駛時，農(nóng)用運輸車輛的彎曲載荷主要是由貨物，車身，車載設備，乘客和各個部件的重力引起的，并且框架根據(jù)彎曲作用顯示彎曲變形狀態(tài)。當農(nóng)用運輸車輛在崎嶇不平的道路上行駛時，它們會在障礙物的作用下抬起車輪并將道路激勵作用于車輛懸架系統(tǒng)。本質是通過對框架施加強制位移激勵而產(chǎn)生的。扭力負載的特殊信號懸掛在前輪的空氣中。當農(nóng)用運輸車輛在緊急情況下突然制動時，較大的慣性力會施加到車輛的車架和貨物上，導致局部應力集中并損壞車架的正常形狀，因此需要進行深入分析靜態(tài)強度測試。在本章中，根據(jù)農(nóng)用運輸車車架的實際工作環(huán)境和車架結構，使用ANSYS軟件對農(nóng)用運輸車車架的三種常見工況進行靜態(tài)分析，以確定其靜態(tài)強度。農(nóng)用運輸車輛框架。三種常見的工作條件是滿負荷彎曲狀態(tài)，滿負荷扭轉狀態(tài)和滿負荷緊急制動狀態(tài)。以上三個工作條件基本上包括農(nóng)用運輸車輛使用過程中車架的損壞形式，分析結果可為企業(yè)提供改進車架的依據(jù)。圖3-2前保險杠左支架3.2.1滿載彎曲工況充電不足彎曲條件是在充電不足狀態(tài)下模擬農(nóng)用運輸車輛在平坦土地上的正常行駛的條件，在該行駛狀態(tài)下，農(nóng)用運輸車輛的四個車輪同時著陸在地面上，行駛路線是直的。在實際駕駛過程中，絕對不可能在平坦的道路上駕駛農(nóng)用運輸車輛。崎嶇不平的道路會在農(nóng)用運輸車輛的垂直方向上產(chǎn)生額外的加速度。道路越崎嶇，附加加速度越大。駕駛環(huán)境更加惡劣。靜態(tài)強度測試的目的是充分考慮最壞情況下農(nóng)用運輸車輛的強度性能，因此在分析帶電彎曲條件時應考慮道路不平所引起的額外載荷。在ANSYS靜態(tài)分析中，通常使用動態(tài)載荷系數(shù)代替載荷。動態(tài)負載系數(shù)與道路狀況，車輛行駛狀況和車輛結構系統(tǒng)（例如懸架系統(tǒng)）有關。為了簡化分析過程，本章基于經(jīng)驗和半經(jīng)驗方程，在計算農(nóng)用運輸車車架的電氣負載條件時，動態(tài)負載系數(shù)為3。在分析框架裝料的彎曲條件時，約束為：在左右前輪板簧的節(jié)點處約束三個平移自由度（UX，UY，UZ），在前輪板簧的節(jié)點（ROTX，ROTY，ROTZ）處釋放左右三個自由度），左右限制在右后輪板簧（UY，釋放左后輪板簧和右后輪板簧（UX，UZ）中的節(jié)點的2個平移自由度，3個旋轉自由度（ROTX，ROTY，ROTZ）。圖3-3車架第六橫梁左支撐3.2.2滿載扭轉工況當農(nóng)用運輸車輛在崎嶇不平的道路上行駛時，道路上的障礙物會將車輪舉至一側。在此過程中，道路對農(nóng)用運輸車輛施加了較大的扭矩。框架的扭轉變形是由于扭矩的作用而發(fā)生的，如果變形較大，則框架可能會發(fā)生塑性變形而不能正常工作。因此，在充電過程中應在扭轉的條件下檢查農(nóng)用運輸車輛的框架的強度，以確?？蚣艿膹姸刃阅茏銐?。框架荷重的扭轉分析中的約束為：限制右前輪板簧（UX，UY，UZ）上節(jié)點的3個變換自由度。釋放節(jié)點的3個旋轉自由度。右前輪板簧（ROTX，ROTY，ROTZ，釋放左右后輪板簧中節(jié)點的所有自由度，限制左后輪板簧和右后輪板簧中節(jié)點的垂直平移自由度）（UY，釋放左和右后輪板簧2個平移自由度（UX，UZ）和3個旋轉自由度（ROTX，ROTY，ROTZ））。圖3-4車架第三橫梁右加固板4農(nóng)用運輸車車架的結構優(yōu)化設計4農(nóng)用運輸車車架的結構優(yōu)化設計4.1優(yōu)化設計的理論基礎4.1.1結構優(yōu)化的流程在產(chǎn)品設計過程中，通常需要合理確定產(chǎn)品的各種參數(shù)：質量，性能，成本等。設計師總是試圖從每個計劃中獲得最佳的設計計劃。這是優(yōu)化。問題。優(yōu)化問題可以總結如下：在特定的材料，技術和環(huán)境條件下獲得具有最佳設計計劃的一項或多項指標。在1960年代，隨著計算機技術的發(fā)展和應用，優(yōu)化設計逐漸應用于工程設計領域，并得到迅速推廣。當前，優(yōu)化設計方法在諸如機械，電子和電氣，土木工程，石油，化學工業(yè)，核能和冶金學等許多領域中得到積極推廣。優(yōu)化設計問題主要涉及兩個方面：解析法和數(shù)值法。分析方法是利用數(shù)學微分和變換的原理在求解域中找到最優(yōu)解，該方法具有概念簡單，計算清晰準確的特點，但由于實際問題的復雜性，該分析方法具有以下特點：可以使用小型優(yōu)化到目前為止，該問題尚未能夠解決大規(guī)模的實際工程優(yōu)化問題。數(shù)值方法是基于已知信息的特定思想，通過迭代迭代找到最優(yōu)解的數(shù)學方法，通常用于解決大規(guī)模優(yōu)化問題。它具有良好的穩(wěn)定性和強大的應用特性諸如大型且耗時的解決方案之類的問題。結構優(yōu)化設計是優(yōu)化設計的重要組成部分，它是一種利用優(yōu)化理論和數(shù)值計算方法通過計算機在約束域內(nèi)找到最優(yōu)結構設計方法的設計方法。產(chǎn)品的結構優(yōu)化設計是通過數(shù)學表達式描述結構設計特征和結構性能目標。結構優(yōu)化設計的一般過程可以分為以下步驟：（1）在進行市場研究和分析之后，我們將根據(jù)產(chǎn)品設計要求和性能追求來定義結構優(yōu)化設計問題，并且要追求的最佳目標可以是單個或多個。（2）根據(jù)應用數(shù)學理論和優(yōu)化理論，結合實際問題，建立了有效的結構優(yōu)化數(shù)學模型。（3）結構優(yōu)化根據(jù)數(shù)學模型的特點和結構優(yōu)化問題的特點，選擇合適的優(yōu)化算法在設計區(qū)域內(nèi)尋找最優(yōu)解。（4）確定結構優(yōu)化設計的空間（約束區(qū)域）和結構優(yōu)化設計的初始迭代點。（5）使用計算機編程技術，將結構優(yōu)化數(shù)學模型轉換為計算機可執(zhí)行程序，并調用適當?shù)慕Y構優(yōu)化算法，以數(shù)值方式求解結構優(yōu)化數(shù)學模型，以獲得最佳的結構設計參數(shù)。（6）確定結構優(yōu)化方案，進行結構優(yōu)化分析和確認，確定是否滿足結構優(yōu)化設計要求。圖4-1車架第二橫梁左角板如圖4-1所示，根據(jù)各種優(yōu)化設計目標，結構優(yōu)化設計可以分為尺寸優(yōu)化，形狀優(yōu)化和拓撲優(yōu)化三種類型。其中，在產(chǎn)品的詳細設計階段執(zhí)行尺寸優(yōu)化，在產(chǎn)品的基本設計階段執(zhí)行形狀優(yōu)化，在產(chǎn)品的概念設計階段執(zhí)行拓撲優(yōu)化。尺寸優(yōu)化是結構優(yōu)化的基礎，形狀優(yōu)化是結構優(yōu)化的發(fā)展，拓撲優(yōu)化是結構優(yōu)化的高級步驟。4.1.2結構優(yōu)化的數(shù)學模型為了執(zhí)行機械產(chǎn)品的結構優(yōu)化設計，必須將結構設計問題轉換為數(shù)學問題，并將產(chǎn)品的物理模型轉換為優(yōu)化方程所描述的數(shù)學模型。結構優(yōu)化數(shù)學模型的三個主要元素分別是：（1）目標函數(shù)。目標函數(shù)是結構優(yōu)化設計追求的目標，在構建優(yōu)化模型時，通常使用一個或多個性能指標來定義目標函數(shù)。（2）限制。為了保證設計質量和資源分配，提出了對結構優(yōu)化模型提出約束的約束條件，約束條件的適當性對最優(yōu)解有很大影響。（3）設計變量。影響結構優(yōu)化目標函數(shù)變化的參數(shù)稱為設計變量。結構優(yōu)化設計的目的是找到一組設計變量，以使設計指標（目標函數(shù)）達到頂峰。機械產(chǎn)品結構優(yōu)化設計數(shù)學模型的表達式為：（4-1）在結構優(yōu)化數(shù)學模型表達式4-1中，目標函數(shù)可以是權重，頻率，位移等指標，并且約束可以分為性能約束和邊界約束。被約束包圍的設計空間稱為可執(zhí)行區(qū)域，將可行區(qū)內(nèi)的設計點稱為可行點，并將設計變量的數(shù)量稱為設計空間尺寸。設計變量越多，可用的設計選項越多，但解決方案越復雜。圖4-2車廂前支架模擬4.2農(nóng)用運輸車車架結構優(yōu)化模型的建立農(nóng)用運輸車車架的結構優(yōu)化設計是為了提高車架的靜態(tài)和動態(tài)性能。遵循結構優(yōu)化過程，在本章中，您需要確定農(nóng)用運輸車輛車架結構優(yōu)化設計中的目標函數(shù)，設計變量和約束。4.2.1目標函數(shù)的確定確定目標函數(shù)是農(nóng)用運輸車車架結構優(yōu)化設計的最重要決定之一。農(nóng)用運輸車輛可以用作優(yōu)化設計的目標函數(shù)：成本，重量，應力，應變，固有頻率，位移響應和其他指標。在本章中，在最大應力不超過允許應力的前提下，基于靜力和模態(tài)分析的結果，選擇框架的重量作為目標函數(shù)，以改善框架的結構優(yōu)化設計。完成了農(nóng)用運輸車輛的整個車輛的靜態(tài)操作機械和動態(tài)特性。4.2.2設計變量的選擇農(nóng)用運輸車車架結構包含多個可變的幾何尺寸，若將所有的幾何尺寸都設置為設計變量，不僅降低了結構優(yōu)化的效率，還有可能引起結構優(yōu)化模型數(shù)學解的發(fā)散，導致無法獲得結構優(yōu)化解集。本章對農(nóng)用運輸車車架進行結構優(yōu)化設計，需要忽略一些對車架結構性能影響不大且沒有必要作為設計變量的幾何尺寸，如導角、圓角等。圖4-3車架第三橫梁優(yōu)化設計圖4-4車架第四橫梁優(yōu)化設計圖4-5車架第五橫梁優(yōu)化設計4.2.3約束條件的確定本章的農(nóng)用運輸車車架結構優(yōu)化設計中包含兩類約束條件：參數(shù)邊界約束條件和性能約束條件。車架的參數(shù)邊界約束條件是設計變量的上限和下限，而性能約束條件則是對于最大結構應力的限制(最大結構應力不超270MPa。4.3優(yōu)化結果分析在本章中，我們使用ANSYS軟件的集成優(yōu)化平臺來優(yōu)化農(nóng)用運輸車車架的結構?？蚣芙Y構優(yōu)化的預處理包括確定設計變量，設置設計變量的上限和下限，確定目標函數(shù)，輸入約束以及輸出模型響應。在本章中，我們將執(zhí)行框架的結構優(yōu)化設計，并使用梯度法進行優(yōu)化。優(yōu)化前后的農(nóng)用運輸車框架之間的比較是驗證有限元靜態(tài)強度分析和模態(tài)分析有效性的一種可行方法。根據(jù)第三章對農(nóng)用運輸車車架的靜態(tài)強度性能分析，在緊急制動條件下，車架中的應力集中在電荷中最為明顯，最大應力值達到372.654MPa。因此，在本章中，我們將從三個方面來分析農(nóng)用運輸車輛車架的結構：車架優(yōu)化前后的結構參數(shù)比較，以及在緊急情況下在充電過程中車架結構優(yōu)化后的靜態(tài)強度分析。框架結構優(yōu)化后的模態(tài)分析。優(yōu)化效果并驗證。4.3.1車架優(yōu)化前后結構參數(shù)的對比結構參數(shù)的變化是農(nóng)用運輸車輛框架結構變化的幾何反映。用于優(yōu)化農(nóng)用運輸車輛框架結構的八個設計變量是前橫梁的厚度，第一橫梁的厚度，第一橫梁的寬度，第二橫梁的厚度，第三橫梁的厚度橫梁的厚度，后橫梁的厚度和縱梁的厚度。優(yōu)化前后的農(nóng)用運輸車車架結構參數(shù)變化如表4-1所示。表4-1車架優(yōu)化前后結構參數(shù)的對比優(yōu)化前優(yōu)化后變化率前橫梁厚度/mm159-40%第一橫梁厚度/mm1215+25%第一橫梁寬度/mm80112+40%第二橫梁厚度/mm1210-20%第三橫梁厚度/mm1410-40%第四橫梁厚度/mm1412-14%.后橫梁厚度/mm1210-20%縱梁厚度/mm129-25%車架總質量/kg884.2802.3-9.27%如表5-1所示，結構優(yōu)化后農(nóng)用運輸車車架的第一橫梁厚度、第一橫梁寬度都增大，變化率分別是+25%和+40%；前橫梁厚度、第二橫梁厚度、第三橫梁厚度、第四橫梁厚度、后橫梁厚度和縱梁厚度都有所減小，變化率分別是-40%、-20%、-40%、-14%、-20%和-25%。優(yōu)化后，農(nóng)用運輸車車架的總質量從原來的884.2kg'下降到802.3kg，重量下降了9.27%。由此可知，以減重為目標的車架結構優(yōu)化設計取得了成效。4.3.2緊急制動工況下車架結構優(yōu)化后的