1. 研究目的与意义
1、研究意义：汽车车架是汽车中重要的承载部件。它主要有两个功能：一是支承连接汽车的各零部件，二是汽车的主要承载部件，承受来自汽车内、外的各种载荷。所以车架的力学承载性能尤为重要，良好的力学承载性能更是车辆性能与行驶安全性的重要保证。因此，车架的设计以及其力学承载能力分析对于汽车的总体设计和实用性便显得尤为重要。随着现代科技的发展以及三维数字建模和有限元法的应用，三维数字建模和有限元法已经成为汽车车架设计过程中不可或缺的一部分，两者的应用不仅使设计水平发生的质的飞跃，而且还可以减少了设计所需要的成本，并且节省了车架结构的开发试验和缩短了车架的开发周期，另外更重要的是在设计刚开始的时候就能对车架的强度、刚度等有充分的认识以及检验所设计车架结构的可靠性。总之，三维数字建模以及有限元法的应用有助于设计出性能更好、成本更低、安全性更好的车架。
2、研究目的：首先，在已有车架基础上进行车架的逆向工程设计，建立某货车车架的三维数字模型和有限元模型，为接下来的有限元分析奠定基础；其次，采用有限元法对某货车车架的3D模型进行相应的力学分析，找出薄弱和赘余部位等，为车架安全性设计提供依据。
2. 国内外研究现状分析
1、研究现状1.1、国外研究概况在国外，很早的时候有限元法就被应用在汽车的结构分析上了。在六十年代，国外就有人对车架进行有限元静态分析了。另外，国外对有限元法刚开始就特别的重视，并且利用有限元法对车架的结构进行辅助设计且取得了很多研究成果。而到了七十年代，随着计算机的出现，有限元法得到了一个升华。比如：美国Ford汽车公司就开始在有限元分析软件NASTRAN中用梁、板单元进行车身的有限元静态分析，从中得到车身的薄弱区域，并通过运用优化设计方法来改进应力区的分布[1]。在八十年代，日本五十菱汽车公司就已经将CAE技术投入到汽车车架的设计当中了。而到九十年代的时候，有限元法在车架上的应用越来越普遍了。比如：Krawczuk等人对货车车架建立了全板壳单元有限元模型，在其基础上进行了比较全面的动态特性研究，Hadad.H等人在利用车架有限元模态分析结果，对车架设计方案进行了修正及优化[2]。到了二十一世纪之后，国外有很多人都在以前的基础上进行了创新。比如：Salvi Gauri Sanjay等人将传统材料替换为超轻质碳纤维材料后进行有限元分析并取得了成果[3]。S.Prabakaran等人通过有限元法对车架的结构进行分析，并且根据结果对车架进行了修改和减重[4]。当前，国外各大汽车公司利用有限元软件对车架结构进行静态分析、模态分析的技术已经非常成熟了，其工作重心已经转向瞬态响应分析、噪声分析、碰撞分析的领域。另外，国外利用有限元法设计出来的车架无论从安全性还是经济性上都要比国内出色的多。1.2、国内研究概况 在国内，以往汽车设计的主要方法还是靠参考传统样车和旧车车型。另外，在对车架进行分析设计的时候经常会对车架进行大规模的简化以方便设计。这种方法不仅浪费时间，而且会做很多重复的工作，并且太依赖经验和缺乏科学性。此外，车架本来就是一个十分复杂的结构，只用经典力学有很多东西得不到准确的解释，特别是在设计的初期不会有实车的数据供测量。所以，以前车架的设计基本是靠经验和类比，缺乏科学依据。 在上世纪七十年代末，我国才把有限元法应用到车架设计中来。到了八十年代，古安涛等人发表汽车车架设计计算的有限元法，首次将计算机辅助工程应用到汽车行业中。而到了九十年代的时候，有限元法在车架上的应用越来越成熟。比如：吉林大学的黄金陵用理论知识分析了车架结构刚度和强度的因素，并在此基础上运用数学方法找到了汽车车架各梁截面参数的最佳值等。到了二十一世纪之后，有更多的人在以前的基础上进行了完善并取得了成果。比如：陈正等人为便于分析，在不影响计算结果的前提下，模型进行了适当的简化，并采用自动网格划分法对模型进行了划分，然后对弯曲和弯扭工况下的某运输车车架进行了有限元分析[5]。龚竞等人在建立有限元模型时，车架的零件与零件之间大部分采用弧焊来进行联接，并对静态、不平路面上匀速行驶和右前轮悬空时的某越野车车架进行有限元分析[6]。戚景卫等人在对模型简化时，省略了功能件和非承载件,这些构件对车架结构的内力分布和变形影响很小，并对静力和扭转工况下的电动汽车车架进行有限元分析[7]。王勇等人在对某货车车架进行动态分析时，用铆接的方法将车架的零件与零件连接起来，并在模型简化时忽略了小于5mm的圆角、倒角、圆孔以及一些对车架强度影响较小的部件[8]。欧阳天成等人在对重型货车车架模态分析时，对车架在弯曲扭转工况下的不同形式进行了分析[9]。河北大学的纪超采用有限元法对大客车车架进行了轻量化的设计[10]。张彦明对轻型货车车架进行了有限元分析并且对其进行了优化[11]。曲葵林在对基于ANSYS的自卸车车架进行有限元分析时，在单元处理的时候纵梁和横梁采用耦合的方式、副车架整体采用耦合的方式进行处理，主、副车架连接则采用面面接触的分析技术[12]。包丕利等人为了设计出成本更低、性能更好的货车车架，从而采用有限元法对其进行了分析以及优化[13]。如今，随着计算机技术的飞速发展，汽车车架的结构设计已经从以前传统的方法慢慢转变成现代先进的设计方法，比如在设计车架时三维数字建模和有限元法已经得到了广泛的运用。而像UG、CATIA以及ANSYS等软件也在国内得到了广泛的使用。另外，利用有限元分析车架各种模态的方法也越来越成熟。1.3、总结国外在车架的有限元分析上因为起步比中国早，而且政府重视的也早，并且有大量的科技和人才可以作为依靠，所以国外在车架有限元分析上各个方面的技术都比中国要成熟完善的多。但是，也正因为如此，国外用有限元在车架上的研究也到了一个瓶颈，很难再去取得重大的突破，另外还有很多细小的地方还需要去完善。国内近几十年在车架的有限元分析上取得了很大的进步，也缩小了与发达国家之间的差距。但国内和国外一样都存在了很多问题，尤其是在安全性上还存在很大的隐患。以下是国内外还存在的几个问题：（1）安全性好和轻量化要求是现代汽车设计追求的目标，但要设计出质量小、性能好还能保证安全性的车架还是有难度的，所以在车架结构优化上还有个大难题等待我们去解决。（2）采用有限元模型是分析车架的一种常见的方法，但在网格的划分和单元的采用上还需要我们继续去研究。比如，哪些部件需要采取怎样的网格划分方法，哪些元件需要采用哪些单元。（3）现在零部件与零部件之间的连接大概有3种方法（铆接连接、螺栓连接以及焊接连接），这三种连接方式到底哪种更合理还有待我们继续去研究。（4）当前，有限元分析相关的软件越来越普及，这些软件功能完备，精度高，以及通用性和可靠性好，但是学习和掌握这些软件需要很长一段时间。（5）对车架有限元分析时，大多是静力、弯曲工况、扭转工况下的分析以及模态分析，缺乏创新，内容不够丰富。
3. 研究的基本内容与计划
1、研究内容：在已有工程图纸的基础上，建立车架的CATIA3D模型；其次，建立该车架的有限元模型，并根据车架的实际使用条件设计有限元计算工况；最后，采用有限元法对3D模型进行相应的力学分析，找出薄弱和赘余部位。
2、研究计划：第1周：熟悉课题内容，撰写开题报告；第2-3周：使用CATIA软件建立某货车车架的三维数字模型的各个零件；第4-5周：对各个零件进行装配；第6-7周：使用有限元软件建立某货车车架的有限元模型；第8-9周：对满载工况下的车架进行有限元分析；第10-11周：对扭转工况下的车架进行有限元分析；第12-13周：对紧急制动工况下的车架进行有限元分析；第14周：对多种工况下的车架的有限元分析的结果进行总结；第15-16周：撰写毕业论文并准备答辩。
4. 研究创新点
为便于分析，在不影响计算结果的前提下，对模型车架上小的几何细节（如直径较小的装配用孔、倒圆角等）进行简化。
