目 录
一 课题研究的背景与意义
4
•1.1课题研究的背景 4
二 设计方案 4
2．1catia软件的介绍 4
1.运用CATIA三维软件建立电动汽车车架 5
三,电动汽车车架作动态性能方面的计算 5
3.1有限元静力分析的介绍 6
3.2车架的静力分析 6
4.1模态分析的介绍 9
4.2车架的模态分析 10
五, 车架的拓扑优化 14
5.1拓扑优化的概念 14
5.2模型的改进 14
5.3新模型的结构分析 16
5.4结果的比对 17
5.5方案可行性研究 18
六,总结 22
七，致谢
23
八，参考文献 24
一 课题研究的背景与意义
•1.1课题研究的背景
早期的车架计算是将车架减化为两根纵梁, 进行弯曲强度的校核，这显然满足不了设计要求。而后进行的车架扭转强度计算方法是认为车架抗弯曲刚度比抗扭刚度大很多, 进而假定车架在扭曲时整个构件都不发生弯曲,
这样就避开了车架高次超静定求解的困难。但这种方法只计算了纯扭转工况,
没有能考虑车架的实际工况及局部扭曲(例如油箱、电瓶等) , 这种认为车架工作时各梁部只扭转不弯曲的观点是不符合试验结论的。并且这种计算方法冗长繁杂, 计算量大, 在实际应用中也有一定困难。
随着电子计算机技术和设备的发展, 近来在复杂结构计算中新兴起一种十分有效的新方法一有限元法, 它给汽车车架计算带来了广阔的前景。有限元方法计算车架强度问题, 不需对车架进行严格的简化, 它可以考虑各种计算要求和条件, 计算多种工况, 而且方法同样简单, 设计人员和工程技术人员很容易掌握, 计算精度高、速度快, 这就给设计人员提供了一种十分有效的方法, 并有可能进行多方案计算, 选取最佳设计参数。可以肯定, 有限元法在汽车工程计算中将发挥越来越大的作用。
•1.2课题研究的意义
车架在汽车各大总成中是非常重要的部件，特别是在半承载式车身的电动货车上，车架不仅承载着车身、动力总成、底盘系统、内外饰和装载的货物，还有路面和动力总成传递过来的各种各样复杂的静载荷和动载荷。因此对车架进行分析和优化就显得非常重要了，这样不仅可以准确地判断车架的各种性能是否达到设计和使用的要求，可以在较低的设计和制造成本下提高汽车的各项性能指标。
二 设计方案
2．1catia软件的介绍
模块化的CATIA系列产品提供产品的风格和外型设计、机械设计、设备与系统工程、管理数字样机、机械加工、分析和模拟。CATIA产品基于开放式可扩展的V5架构。
通过使企业能够重用产品设计知识，缩短开发周期，CATIA解决方案加快企业对市场的需求的反应。自1999年以来，市场上广泛采用它的数字样机流程，从而使之成为世界上最常用的产品开发系统。
CATIA系列产品在八大领域里提供3D设计和模拟解决方案：汽车、航空航天、船舶制造、厂房设计、建筑、电力与电子、消费品和通用机械制造。
1.运用CATIA三维软件建立电动汽车车架
汽车车架是汽车上的一个重要部件, 其中边梁式车架, 至今仍是汽车车架的重要结构形式。在设计中, 人们总是努力在满足强度和刚度的条件下尽可能减轻质量, 因此设计出质量轻而各方面性能又达到要求的车架, 是一项重要的工作。边梁式车架的布置(例如车架的宽度和横梁的布置) , 往往决定于整车布置, 在确定车架布置的型式之后, 就有如何设计各梁结构参数的问题, 以往多用类比的方法进行经验设计, 而后验算其强度和刚度, 这种方法得到的只能是近似解, 且精度不够。车架的设计应从“类比”转到“优化”上来, 例如某车架, 我们先用有限元程序对车架结构进行静力分析, 结果表明该车架除个别构件应力水平较高外, 大多数构件应力水平较低, 强度有富余, 且各个构件的应力水平相差较大, 很不均匀, 因此很有必要进行该车架结构的截面的优化设计。
2.建立电动汽车车架的有限元模型
用有限元方法计算汽车车架, 基本思想是将汽车车架结构化为一组离散单元的集合体。这些单元通过各自的端点联接起来, 便可以代替真实的车架结构。在单元化过程中, 要求在每个单元之内, 杆件断面几何参数是不变的。实际结构中变断面的构件, 则以阶梯状一系列单元代替, 单元和单元之间在其端点联接, 该联接点称为节点。所有载荷和支反力作用点都应取为节点。之后用位移法, 即以节点位移为基本未知数, 根据节点的平衡和连续条件, 由虚位移原理建立位移法基本方程, 并求得位移解, 之后再根据位移求出各单元内力和应力来应当指出, 由于车架本来是由离散构件在纵横梁交叉点铆(焊) 接构成的, 所以离散化的本身并不会影响解的精确度就是说,
这种求解方法对于汽车车架这种结构并不是近似解, 而是精确解。
三,电动汽车车架作动态性能方面的计算
由于汽车车架的设汁与计算主要考虑静强度. 所以轻量化的目标很难实现。随着对汽车轻量化和降低成本的要求日益迫切, 使得人们越来越重视动态特性的研究, 这就需要在设计初期预测汽车在各种使用情况下的振动响应和应力分布。利用有限元法来分析汽车的动态响应。 在设计阶段就可以考虑与振动有关的问题。在进行动态分析时, 车架的模态参数是最为重要的参数之一, 为获得这些参数, 可以采用分析计算法和模态参数识别的实验方法。利用有限元法, 可根据结构图纸和材料特性建立动力学模型。 对结构的动特性进行预测。然而在动态分析中, 结钩的阻尼特性是很重要的, 应用已有的技术还难从图形上求得, 因而也就不能进行精确的动态分析。而模态实验所得数据具有很高的可靠性, 而且在模态分析的基础上可进行结构修改,
既能定性又能定量地预测和改进结构的动特性, 因此它是CA D 通用的有限
元法的有效的补充。
3.1有限元静力分析的介绍
静力学是力学的一个分支，它主要研究物体在力的作用下处于平衡的规律，以及如何建立各种力系的平衡条件。平衡是物体机械运动的特殊形式，严格地说，物体相对于惯性参照系处于静止或作匀速直线运动的状态，即加速度为零的状态都称为平衡。对于一般工程问题，平衡状态是以地球为参照系确定的。静力学还研究力系的简化和物体受力分析的基本方法。静力学（statics）研究物体的平衡或力系的平衡的规律的力学分支。
静力学一词是P·伐里农1725年引入的。按照研究方法，静力学分为分析静力学和几何静力学。分析静力学研究任意质点系的平衡问题，给出质点系平衡的充分必要条件(见虚位移原理)。几何静力学主要研究刚体的平衡规律，得出刚体平衡的充分必要条件，又称刚体静力学。几何静力学从静力学公理（包括二力平衡公理，增减平衡力系公理，力的平行四边形法则，作用和反作用定律，刚化公理）出发，通过推理得出平衡力系应满足的条件，即平衡条件；用数学方程表示，就构成平衡方程。静力学中关于力系简化和物体受力分析的结论，也可应用于动力学。借助达朗贝尔原理，可将动力学问题化为静力学问题的形式。静力学是材料力学和其他各种工程力学的基础，在土建工程和机械设计中有广泛的应用。
静力学是力学的一个分支，它主要研究物体在力的作用下处于平衡的规律，以及如何建立各种力系的平衡条件。
平衡是物体机械运动的特殊形式，严格地说，物体相对于惯性参照系处于静止或作匀速直线运动的状态，即加速度为零的状态都称为平衡。对于一般工程问题，平衡状态是以地球为参照系确定的。静力学还研究力系的简化和物体受力分析的基本方法。
3.2车架的静力分析
将模型导入ansys软件，进行前处理。包括以下步骤：
1， 划分网格
2， 设置边界条件
3， 4， 计算结果
5，
四,车架的模态分析
车架在载荷作用下不仅要发生弯曲变形, 而且还要发生扭转变形。薄壁杆件的抗扭性能较差, 当汽车在高低不平的道路上行驶时, 车架要在更加严重的扭转变形情况下工作, 所以分析计算车架强度时, 必须考虑薄壁杆件的扭转变形, 了解车架的基本构造及材料特性, 有利于进行力学分析。
4.1模态分析的介绍
模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。通常，模态分析都是指试验模态分析。
振动模态是弹性结构固有的、整体的特性。通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内的各阶主要模态的特性，就可以预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下产生的实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。
机器、建筑物、航天航空飞行器、船舶、汽车等的实际振动千姿百态、瞬息变化。模态分析提供了研究各类振动特性的一条有效途径。首先，将结构物在静止状态下进行人为激振，通过测量激振力与响应并进行双通道快速傅里叶变换（FFT）分析，得到任意两点之间的机械导纳函数（传递函数）。用模态分析理论通过对试验导纳函数的曲线拟合，识别出结构物的模态参数，从
而建立起结构物的模态模型。根据模态叠加原理，在已知各种载荷时间历程的情况下，就可以预言结构物的实际振动的响应历程或响应谱。
近十多年来，由于计算机技术、FFT分析仪、高速数据采集系统以及振动传感器、激励器等技术的发展，试验模态分析得到了很快的发展，受到了机械、电力、建筑、水利、航空、航天等许多产业部门的高度重视。已有多种档次、各种原理的模态分析硬件与软件问世。
4.2车架的模态分析
模态分析结果如下
一捷振型
一捷振型
一捷振型
二捷振型
三捷振型