1、 1 应用计算机 辅助工程设计重型卡车 车架 Carlos Cosme, Amir Ghasemi and Jimmy Gandevia Western Star Trucks, Inc. 摘要 ： 近年来，重型卡车市场变得非常的 注重 重量和降低成本。这 对设计工程师是重大挑战，因为这些车辆被用在各种各样的公路 环境，从高速公路到 严重 的 越野环境。目前的挑战 是在不牺牲耐用性和性能降低的前提下满足质量和成本 。本文论述了 运用 计算机集成 、 计算机辅助设计和工程软件代码（ Pro / Engineer，ADAMS 软件和 ANSYS）来辅助 设 计更改车架。 特别是，本文集中论述了一个
2、 ADAMS 多体动力学模型，一个完整的卡车 和拖车来模拟车辆的 侧翻稳定性，平顺性，和耐久性载荷。该模型包括一个采用灵活的框架模型模态综合模式 ， 探讨了有限元分析程序。之间的多体仿真链接与有限元程序也可以用来传输 、加载 应力分析有限元模型。所有代码之间紧密连结，确保新 的 设计 并行计算 可快速 用于设计和分析。一个 说明 这是 如何 已被使用的技术 详细的个案研究 也包括在内。 简介 最近，重卡行业经历了 汽车 降低成本 和 重量 的大发展 。这一直是卡车制造商的主要挑战 ， 在不牺牲耐用性和性能 的前提下，寻找 好的 方式来优化他们的 汽 车设计。 由于车架是 车辆 系统 的重要组成
3、部分，它经常被用于完善。本文概述了电脑辅助工程（ CAE）分析更改车架以及 这些变化会 如何 影响车辆性能。 重型卡车的车 架是该车辆的骨干 ， 上面 集成了主要的卡车组成系统，如车轴， 悬架 ，动力总成，驾驶室。典型的结构框架是梯形框架，中间交叉 几根横梁 。 纵梁的断面尺寸变化很大，根据在卡车上的受力 而定。而且 ，需要考虑各种因素： 重量， 复杂性和成本。这些变化将取决于横梁 的作用 和位置。请参考图 1 插图 ， 一辆卡车的 车架 。然而， 横梁布置的变化带来的影响还无法看出来 。 例如， 如果横梁的抗扭刚度降低，对汽车的侧倾稳定性和耐久性的影响是怎么的呢 ？设计 工程师们需要对这些类
4、型的问题给出 答案 以 指导他们的工 作。特别是，及时的 设计和分析程序是必需的，这样新 的 设计可以快速评估。 2 图 1 重型载货汽车车架 计算机辅助工程 在过去的二十年中 汽车自动化设计工具 CAE 得到了巨大的发展 。这项技术的 已被很多汽车制造商采用以改善汽车设计来满足快速增长的市场要求。 当今 的结构设计通常是使用两个 CAE 工具：有限元 分析（ FEA）和多体系统 （ MSS） ，结合 CAD 提高设计和分析 。 在过去十五年 里， CAD 系统已 取代 绘图 板作为首选 设计 方法。它们使设计师和工程师能够快速画出卡车零部件，汽车真 实模型和设计图纸。先进的 CAD系统功能丰
5、富，如参数化实体建模和大型装配管理。他们已经发展成为主要的数据库 ， 为 工程信息 尤其是 CAD 系统提供下游 CAE 应用的重要数据。 工程师通常使用 有限元分析研究 结构构件的强度。 典型的有限元分析 的重点是结构应力，挠度和自然频率。 首先对通常 被称为网格 的 离散结构 进行分析 。该网 格是由节点和元素 组成 ， 而且经常 从 CAD 创建 几何 系统。这些节点代表 位移计算的 结构。他们定义的局部质量，刚度和阻尼性能结构。有关这些数量方程 ，可 以自动开发 节点位移。其他投入，如边界条件，载荷和材料特性，必须 是由用户定义。所有这些 效果 都需要小心的判断和对有意义的结果进行认真
6、的分析 。结果后处理包括图像变形负载结构，彩色应力轮廓，振型动画。 MSS 多体系统仿真方法研究了 运动部件和组件，并经常 用 来研究车辆暂停或车辆的操作 和 动态 响应。一个典型的 完整的车型 MSS 将刚体组成（车轮，车轴，车架， 发动机，驾驶室 ）模拟成 关节连接和理想化力元。 MSS 代码自动发展非线性微分方程和代数方程定义模型中的物体运动。该方程 在数值上集成 刚体 3 位移，速度，加速度 和受力。结果以 图形和动 画 显示该系统的运动。至于 有限元分析， CAD 数据经常使用 MSS 的 发展模式。 CAD 几何数据是用于建立 MSS 的布局模式，如接头和力量元素的位置。 CAD
7、实体模型数据也可以用来估计 每个刚体 的 位置 ， 质 心 和惯性特性 。 作用在刚体 上的力 可以 用作 MSS 的输入负载，有限元分析确定 该刚体 的结构应力。 CAE 技术在本文所讨论的工具包括 基 与CAD 的 Pro / Engineer， ANSYS 进行有限元分析，以及 基于 ADAMS 的 MSS。下面的 讨论引用的是某型卡车的车架有限元分析 。 CAE 重型汽车建模 如上所述，在目前提供的 CAD 与 CAE 工具提 供了大量的整合。尽管如此，这些工具是非常 粗略的分析， 仍然需要 努力分析 重型 卡车和卡车 车架 。为了充分了解车架影响汽车操纵的变化，滚动稳定性，平顺性和持久性 ，需要一个详细的MSS 模型，可以模拟所有这些影响。使用 ADAMS 软件代码， 建立了 WesterStar卡车的 模型 。图二展示了 在 ADAMS 环境 下的模型 。 图 2 ADAMS 的 MSS 的模型 该模型包括以下几个特点： 100 刚体 180 力元 45 共同元素 415 度 -的自由度 固定 的机构包括车架，驾驶室，车桥，车轮，发动机，引擎盖，散热器，钢板弹簧，悬 挂臂 ，传动轴 。对于许多质量属性 这些机构 采用简化的实体模型。
