车辆工程毕业设计26基于ANSYS的平台式汽车大梁校正仪设计

摘 要

车身校正是通过一定的外力将因事故损坏或疲劳损坏的部位修复到车辆出场时技术标准\"状态“的过程。汽车在人们的日常生活中起着不可或缺的作用，当然有使用就会有损坏，而且损坏的情况也越来越严重，从而一些专门的修复工具也随之产生—平台式汽车车身校正设备。目前，国内普遍采用的车身校正设备主要有框架式和平台式，其中平台式较多。这种设备较为先进，国内外制造的设备一般都采用这种形式，是国际间比较流行的一种车身校正设备。平台式车身校正设备主要包括有举升支架，工作台，加力塔及其连接机构。本设计的目的旨在对平台式汽车大梁校正仪的二维设计及三维虚拟设计进行探索和实践，为校正仪的设计提供参考。

本设计是通过对现有设备的调查研究，再结合自己的想法设计一台结构简单，使用方便的平台式汽车大梁校正设备。本设计首先利用AutoCAD进行二维设计计算及校核，再利用三维建模软件CATIA对汽车大梁校正仪的整机进行虚拟建模，最后利用有限元受力分析软件ANSYS，对关键部件进行有限元分析。虚拟设计中首先利用三维建模软件CATIA对大梁校正仪整体三维实体进行建模，然后将关键部位零件文件类型另存为IGS格式，通过IGS格式将零件模型导入ANSYS进行有限元结构静力学分析，验证结果的可行性。利用CATIA和ANSYS软件对平台式汽车大梁校正设备的设计开发完全是在虚拟的环境中进行的，通过更改技术参数就可以实现对设计方案的完善，缩短开发周期，提高设计质量和效率，降低研发成本。这也是未来产品设计开发方法的发展方向。

关键字：大梁校正仪；结构设计；三维建模；虚拟装配；有限元分析

I

ABSTRACT

Body through certain correction is a force for accident damaged or fatigue damage repair to vehicles out of the technical standards “state” process.Car in People's Daily life plays an indispensable role, of course, have use will have damaged, and the damage situation of also more and more serious, which some special repair tools generates - using automotive calibration equipment.At present, the domestic car calibration equipment widely used are mainly frame type, including using more peaceful desktop.This equipment, advanced manufacturing equipment both at home and abroad are usually use this form, is international popular a kind of body calibration equipment.Using body calibration equipment mainly include lifting stents, workbench, strength tower and its connection institutions.

This design is based on the investigation and study of existing equipment, coupled with his own idea design a simple structure, easy to use and using car girders of calibration devices.Using three-dimensional modeling software CATIA, finite element stress analysis software ANSYS, the whole car girders is corrective on virtual modeling,the key components in finite element analysis.Firstly, the 3d modeling software to beam is corrective CATIA overall three-dimensional entity is modeled,then will key parts parts file types save as IGS format,through the IGS formats will import ANSYS finite element part modeling statics analysis, structure of the feasibility of the results of the validation.Using CATIA and ANSYS software using cars for the design and development of calibration equipment beam is completely in a virtual environment.By changing the technical parameters can be achieved on the perfect design scheme, shorten the development cycle, improve the design quality and efficiency, reduce the r&d costs.This is the future product design and development method development direction.

Key words: Girders calibration apparatus；Structure design；3D modeling；Virtual assembly； Finite element analysis

II

目 录

摘要 ................................................................................................................................... Ⅰ Abstract ............................................................................................................................. Ⅱ 第1章 绪论 ..................................................................................................................... 1

1.1 研究背景 ............................................................................................................... 1 1.2 研究的目的和意义 ............................................................................................... 1 1.3 课题研究的现状 ................................................................................................... 3 1.4 研究内容及研究方法 ........................................................................................... 4

1.4.1 研究内容 ..................................................................................................... 4 1.4.1 研究方法 ..................................................................................................... 4 1.5 承载式车身矫正原理介绍 ................................................................................... 5

第2章 大梁校正仪二维结构设计及校核 ............................................................... 6

2.1 简述平台式汽车大梁校正仪工作原理 .............................................................. 6 2.2 车身校正设备的特点 .......................................................................................... 6 2.3 车身校正设备的特点 .......................................................................................... 7 2.4 平台主要结构确定 .............................................................................................. 8 2.4.1 平台整体结构形式及基本组成 ................................................................. 9 2.4.2 平台表面设计 ........................................................................................... 10 2.4.3 选材 ........................................................................................................... 10 2.4.4 平台支撑梁的校核 ................................................................................... 10 2.5 平台后支撑架的主要结构确定 ........................................................................ 12 2.5.1 平台后支撑架整体结构形式及基本组成 ............................................... 12 2.5.2 平台支撑架的选材 ................................................................................... 13 2.5.3 平台支撑架的校核 ................................................................................... 15 2.6 拉塔的主要结构确定 ........................................................................................ 15 2.6.1 拉塔的主要结构形式及基本组成 ........................................................... 15 2.6.2 拉链固定装置的设计 ............................................................................... 16

1

2.6.3 拉链转向装置的设计 ............................................................................... 17 2.6.4 拉塔的选材 ............................................................................................... 18 2.6.5 拉塔的校核 ............................................................................................... 18 2.7 夹具的主要结构确定 ........................................................................................ 20 2.7.1 夹具的主要结构形式及基本组成 ........................................................... 20 2.7.2 夹具基座的主要结构 ............................................................................... 21 2.7.3 夹具基座的选材 ....................................................................................... 21 2.7.4 夹具升降调节块的主要结构 ................................................................... 22 2.7.5 夹具升降调节块的选材 ........................................................................... 22 2.7.6 夹钳体的主要结构 ................................................................................... 22 2.7.7 夹钳体的选材 ........................................................................................... 23 2.7.8 夹钳体的校核 ........................................................................................... 23 2.7.8 螺栓与螺母的选侧 ................................................................................... 24 2.8 举升臂的主要结构确定 .................................................................................... 25 2.8.1 举升臂的主要结构 ................................................................................... 25 2.8.2 举升臂的选材 ........................................................................................... 25 2.8.3 举升臂的校核 ........................................................................................... 25

第3章 大梁校正仪的三维结构设计....................................................................... 27

3.1 CATIA软件简介 ................................................................................................ 27 3.2利用CATIA进行三维建模 ............................................................................... 28 3.2.1 平台的三维建模 ....................................................................................... 28 3.2.2 后支架的三维建模 ................................................................................... 30 3.2.3 夹具基座的三维建模 ............................................................................... 31 3.2.4 夹钳体的三维建模 ................................................................................... 31 3.3 利用CATIA进行三维虚拟装配 ...................................................................... 32 3.3.1 CATIA装配功能概述 ............................................................................... 32 3.3.2装配的CATIA零件图 .............................................................................. 33 3.2.3 CATIA整机装配图及爆炸图 ................................................................... 37 3.4 本章小结 ............................................................................................................ 38

第4章 大梁校正仪的有限元分析 ........................................................................... 39

4.1 ANSYS有限元分析软件介绍 ........................................................................... 39 4.1.1ANSYS软件简介 ....................................................................................... 39

2

4.1.2ANSYS软件功能简介 ............................................................................... 39 4.2 ANSYS与CATIA接口的建立 ......................................................................... 39 4.3利用ANSYS对主要零部件进行分析 .............................................................. 42 4.3.1定位夹具卡钳体的有限元分析 ................................................................ 42 4.3.2夹钳体受侧向力的有限元分析 ................................................................ 48 4.3.3后支架的有限元分析 ................................................................................ 54 4.3.4前支架的有限元分析 ................................................................................ 60 4.3.5举升臂的有限元分析 ................................................................................ 65

结论 ...................................................................................................................................... 72 参考文献 ............................................................................................................................ 73 致谢 ...................................................................................................................................... 74 附录A ................................................................................................................................. 75 附录B ................................................................................................................................. 80

3

第1章 绪 论

1.1 研究背景

由于汽车拥有量的不断增多，汽车使用过程中的损伤是不可避免的，如何使损伤后的汽车恢复良好的状态，一直是汽车维修行业的主体努力的主题。尤其是汽车车身由结构式向整体式发展，对汽车车身修理行业推出了越来越多的技术要求。在汽车碰撞修理包括许多方面的知识，如车身矫正，喷漆、焊接，设备维修等。许多维修设备生产厂家投入了大量的人力物力财力开发和研制车身矫正设备，取得了许多应我成果，并投入生产使用。

本课题在意识到车身校正维修中越发重要之后，经过老师仔细研究选择的，在本次设计也中，主要研究的是车身校正。经过对市场多家汽车维修厂调查发现，有的仍然是靠维修技工的经验来进行校正工作。有的采用已经使用了很久的陈旧设备，只有几家从国外引进了先进的设备并投入使用。令我感到遗憾的是，有几家维修厂引进先进的设备却放置不用。反而仍用原来的陈旧设备。经过询问得知，维修工人认为新设备虽然先进，但是使用起来相当复杂，而且维修结果也相差无几。带着这一问题，结合我的设计课题—平台式车身校正设备设计，我找到了我的指导老师—王强老师，一同研究了先进的进口设备之后，结合目前我国维修行业的现状，通过自己的思考和老师的指导，设计一台既能达到维修目的又操作简单方便易学易用的平台是车身校正仪。经过查阅许多相关资料，指导老师细心的指导，以及本人的努力研究，进行了反复的推敲及多次的修改，得出以下设计成果，由于本设计中涉及有许多以前未学过的知识，加上时间仓促，而且水平有限，设计中仍然存在许多错误和不足，恳请各位老师批评指正。

1.2 研究的目的和意义

随着汽车行业的蓬勃发展，汽车修理行业也迎来新的春天。在维修领域中，平台式大梁校正仪的作用将越来越大，因为其安装方便，无需专门为其修建地基，节省点建地基的费用，而且它的价格相对便宜，功能齐全，工作时车身稳定，深受广大汽修者的青睐。在中国市场占有率极高，而且环形大气的外观在客户外形审美上有很大的优势，所以大多数国内4S店都采用该种设备。

经过对本市维修企业调研后发现了许多问题，不是车身矫正仪设备陈旧，靠经验进行维修，就是引进了先进设备却不能完全发挥出其功能。我认为这样一来就存在许多弊端。由于目前汽车行业发展速度较快，新车型不断诞生，车身结构和使用材料都在不断

1

变化，仅仅靠人的经验是不可的，因为维修的最终目的需要达到原设计制定的技术标准状态，即使不能完全达到原设计的技术标准也不应该产生太大的误差，避免汽车在行驶时事故的发生。而如果引进了先进的技术设备，在使用中却不能完全发挥出其效果，这无疑是一种浪费。汽车维修行业也是在近期迅速发展起来的，过渡期较短，工人技术水平有限，制约了先进设备优势的发挥。

本设计的目的是如何既能达到技术要求，又使结构简单成本较低，而且耐用性好，操作起来简单方便。

车身校正是将一个因为事故损坏或疲劳破坏的轿车、货车、客车的车架恢复到符合制造厂制定的技术标准状态的过程。这个过程一般是在修理设备上进行的。将车辆固定在适当的位置，施加一个推力或拉力，对车架进行修正。本设计就是在研究目前已经投入使用的车身校正设备的基础上，再结合自己所掌握的知识，通过详细思考反复推敲，采纳指导老师的建议，设计的一套平台式汽车大梁校正设备及附属工具。

目前，在我国的平台式大梁校正仪不能对非承载式车身大梁进行多点有效的固定。随着三维模拟应用软件在产品设计开发领域的应用，可以在虚拟环境中对校正仪进行优化设计，改进其不足。 为此，本课题基于计算机仿真平台，应用当前应用比较广泛的三维软件CATIA、有限元软件ANSYS，进行平台式大梁校正仪的强度、刚度、稳定性等方面的计算机仿真研究与分析，为我国汽修领域中“平台式大梁校正仪”等产品的设计、技术开发方面提供更多的理论参考，进一步提高汽车平台式大梁校正仪的性能和可靠度，使之更符合市场需求。

ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析软件，能够进行包括结构、热声、流体以及电磁场等学科的研究，在核工业，铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。而CATIA是法国达索公司的产品开发旗舰解决方案。作为PLM协同解决方案的一个重要组成部分，它可以帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。

本课题运用虚拟样机技术对平台式大梁校正仪进行虚拟设计，应用CAD/CAE领域比较领先的设计软件AutoCAD进行二维草图绘制，使用了当前先进的三维设计软件CATIA建立三维虚拟模型及整机装配，将模型通过接口倒入ANSYS，利用ANSYS对关键性零部件进行静力学分析，验证其可靠性，如果不合格可在CATIA中修改尺寸，在利用ANSYS进行静力学分析，反复校核修改，直至合格。之后进行运动干涉仿真。利用三维建模和有限元分析软件为设计平台，在产品制造之前运用CATIA、ANSYS软

2

件进行仿真研究，可以及早发现并更正设计当中的缺陷，通过改变尺寸参数，完善设计方案，缩短开发周期，提高设计质量和效率，为此设备的实际生产提供理论支持。

1.3 课题研究现状

目前大梁校正仪有两种：框架式与平台式，也称欧式和美式，两类中各分国产进口两类。欧式平台的主要特点是功能性强，可以通过拉塔的平面180度的弯曲和行架上的移动来实现各个部位的拉伸，无死角。平台式大梁校正仪在汽车维修养护中大梁校正仪发挥着至关重要的作用，随着现代汽车行业的迅猛发展，其需求量将大幅提高。据业内人士分析，目前国内每年汽车大梁校正仪需求量在1000台左右，而且目前仍以5%-10%以上的速度增长。大梁校正仪可以分为：简单L型、地框型、框架型和平台型；市场上占有比较好的是美式平台，即通过平台举升功能来实现下盘维修拆卸，通过动力泵控制的360°环形工作拉塔来实现拉伸功能的矫正设备。中国市场占有率极高，而且环形大气的外观在客户外形审美上有很大的优势，所以大多数国内4S店都采用该种设备。

但就功能性而言，相比较欧式设备，劣势很明显：操作空间有限，操作复杂，费时费劲，且由于环形处的死角问题导致了修理的死角，但基本能满足维修需要，而且由于设备价格有优势，4-12万左右，但是随着维修要求的不断提高，环形设备的技术升级和欧式设备的走俏，貌似不可避免。但就目前市场上畅销的几种最强力品牌：奔腾，三重，卓越，杜卡，奔腾借助其强势的营销手段，市场占有极高，但就产品功能性而言，各产品差异不大，就稳定性而言，奔腾和三重比较领先，但三重公司长期致力于行走质量路线，营销劣势使其在市场占有上于奔腾有了一定差距，但价格较适宜，其他产品价格虽低，但质量很难保证。

未来1-2年大梁校正仪市场价格总体走势将平稳，专家的主要判断依据是，未来我国汽车车身大梁校正设备整体质量水平和技术含量将不断提升，行业标准和技术门槛也不断提高，但国产化比例也将大幅提高，需求量也不断上升，总体而言未来市场价格水平将呈平稳走势。不过由于近年来，汽保生产商与日俱增，一些新势力大打价格战必然导致在制造上的偷工减料，导致质量缺陷，为防止这种现象的发生，有实力的汽修设备企业应大力注重新产品的研究和开发，不断提高产品的性能和附加值，并且在生产管理上多下功夫，大大降低生产成本，在使产品能够不断满足市场日益增长的需求的同时，适当降低销售价格，提高产品和企业的市场竞争能力，提高市场占有率。

我国大梁校正仪产品技术未来发展方向：大梁校正仪可以提供快速高效的维修，可以使车辆恢复到车辆出厂的原始数据。车身矫正是指通过一定的外力将因事故损坏或疲劳损坏的部位修复到车辆出厂时技术标准“状态”的过程。对于“状态”一词，它包含两层含义。“状”是指比较直观的外观和形状，而“态”则是一种比较抽象的更深层次的概念，

3

如金属内部分子结构是否能按照原来的位置重新顺序排列、内部的应力是否完全释放等，它将直接关系到车辆修复后的功能和寿命。结构件是指在车身上起到主要支撑及承载作用的构件，是车身零部件的安装基础，常见于纵梁、横梁、门柱及下边梁等部位。这类构件通常具有非常高的强度，加之结构多为封闭式的箱形截面，所以在修理时应采取一定的手段和措施，利用合理的工艺进行修复。尽量采用就位修复工艺整体式车身校正时，应尽可能采取就位修理的方法。这样在牵拉时，可有效地将周围一些变形部位顺便“带”出，同时也会由于少拆装构件而节省大量的时间。通常情况下，很多钣金维修技师会将骨架拆下后矫正，这样其实是不科学的。前杠骨架在受到撞击后，撞击力的传递将会造成纵梁前部发生变形。骨架拆下后没有合适固定很难采取一个缓和的矫正力进行修复，另外修复完骨架后还需要对前纵梁进行修复。所以比较好的方法是进行就位修理。

但目前国内还有60%的汽修厂没有专业的事故汽车修理设备，这将严重制约我国汽修业的发展。因此每个汽修企业应该追踪和关注大梁校正仪技术发展趋势。

1.4 研究内容及研究方法

1.4.1 研究内容

(1)分析平台式汽车大梁校正仪的结构形式及工作原理，根据以下主要技术指标、要求或生产纲领：要求平起升降300mm-1200mm多种高度，通用车体固定夹钳，可任意调整工作高度和角度。工作台长度 5600mm，工作台高度300-1200mm，工作台宽度2100mm，拉塔工作范围360度，液压系统最大工作压力16Mpa，气源压力要求0.8Mpa， 拉塔牵引最大拉力30KN，完成方案设计及质量校核计算。利用AutoCAD完成校正仪的二维总体结构设计，然后CATIA建立三维模型，在将关键零部件模型通过专用模型数据转换接口导入ANSYS软件进行有限元分析，获得校正仪在载荷工况作用下的应力、应变及变形状，然后用CATIA整机虚拟装配。

(2)拟解决的主要问题

1）平台式汽车大梁校正仪总体方案设计；

2）利用AutoCAD完成大梁校正仪二维结构设计； 3）利用CATIA完成大梁校正仪的三维建模； 4）利用ANSYS软件对关键零部件进行有限元分析； 5）利用CATIA完成整机虚拟装配。 1.4.2 研究方法

研究技术路线如图1.1所示。

4

5

图1.1技术路线图

第2章 大梁校正仪二维结构设计及校核

2.1平台式汽车大梁校正仪工作原理

平台式汽车大梁校正仪是基于承载平台的基础上附加液压举升机构、定位夹具和拉塔等装配成的。修理前先将平台的前支架悬起来，用液压举升机构将平台的一端高度缓慢降低，是平台车有顶顶角度的斜坡，这样汽车可被牵引机构通过斜坡拉到平台上，然后举升机构在将平台恢复水平状态，之后再通过可调位置的夹具夹紧不同的汽车裙边后定位汽车。在进行拉塔牵引校正之前必须事先检查汽车定位情况，夹具必须加紧牢固，保证汽车在受力拉伸校正时整个事故车体和未被拉伸的部分不会发生移动或变形。然后驱动液压系统通过推动可上升的塔柱进行拉伸校正，此时因为大梁受损的部位不同，所以需要调整拉塔在平台上的位置。拉塔是通过拉塔固定叉和拉塔内侧夹紧块固定在平台上的，拉塔通过四个滚轮挂在平台外边缘的半圆导轨上，因此可以实现360°范围工作。拉塔定位后把拉链一端的钩子钩在受损部位，通过驱动液压系统推动可上升的塔柱升高进而拉动链子进行拉伸校正汽车大梁。

2.2车身校正设备的特点

目前本市多家汽车维修厂使用的车身校正设备主要包括平台式和框架式，他们都拥有几方面的相同的功能，

(1)能进行精确、彻底的车身车架结构校正 (2)具有安全、高效的结构固定器和夹具 (3)能在需要的方向上施加得以控制的拉拔力 (4)能进行多点和全方位的拉拔校正

但对设计中采用的平台是矫正仪具有以下具体的特点。 (1)工作台面的平整精加工，平面度高，台面宽广；

(2)液压牵引加力塔，可沿着工作台轨道360度做作业，移动灵活，固定牢靠，并且可以

6

从台架上拆卸下来；

(3)加利塔长度采取不可调整的形式，增加了加力塔体本身的强度，拉力强劲，可以配合拉了直接修理车身塌陷部位。

(4)可调式通用钳，他不仅可以沿着台架纵向移动，本身还可以横向移动，同时为了配合不同车型的高度，夹钳自身也可以调整，其夹紧力大，可以牢固地对车体进行定位夹紧； (5)配备可移动式上车设备，与台架分体，车辆上倒台架上后可以移走，不干涉加力塔的工作，轻便灵活，节省空间；

(6)设备总质量不大，可以随维修企业的调整需要进行移动。

鉴于平台式汽车大梁校正仪有如此诸多优点，故在本设计中决定采取平台形式。

2.3承载式车身矫正原理介绍

一台设备是否具有生命力，能否在激烈的市场竞争中立足，主要看其是否有市场。而目前车身结构的发展对设备的影响是很大的，因此，有必要简单说说车身的结构。碰撞的形式及特点对车身校正设备有很大的影响，在设计之前应该对碰撞形势及特点有一定的了解。

车身结构目前主要是传统式和整体式，又可称为非承载式和承载式。传统结构的汽车车架是一个独立部分，通过螺栓与车身连接在一起。而整体式车身结构中，车架结构部件经常是焊接在车身上，而目前轿车越来越多地采用整体式车身结构，因此，在设计校正设备时要考虑到对某一位置的拉拔校正是否会改变其他位置的参数，防止一边校正好却发现另一边发生变形，造成反复校正，对人力及物力造成不必要的浪费的。

车架的损坏可分为五种不同的形式吗：歪斜、下垂、弯皱、呈菱形和扭曲。 (1)歪斜：碰撞时车架一 的前部中部和后部边梁会向左或和向右弯曲，发生的歪斜损坏。 (2)边梁下垂：当左右边梁受到冲击时，产生了弯曲变形，导致边梁下垂，。发动机和车身的重量也迫使边梁下垂。当出现下垂现象时车架边梁上的折痕一般处于边梁上部。当车架受到一个很大的冲击时，边梁会在其他区或控制点发生弯曲变形。

(3)弯皱损坏：一般发生在前横梁之后或和后轴上部的车架区域。在发生弯皱损坏时，海边梁下部产生折痕，而下垂折痕在上部产生。

(4)菱形损坏：当汽车边梁的角部受到猛烈撞击时，边梁后移。结果造成边梁和横梁之间的角度发生变化，引起车架和车身歪斜，使其形成一个近似平行四边形的形状，这种破坏常被称为菱形破坏。

(5)扭曲损坏：还一个发生在承受很大载荷的车架受到撞击的情况下，这种碰撞使得汽车车发生翻转，边梁扭曲，超出了水平面。

当一辆电车发生事故时，一般对应其进行车身、车架检查，确定受到损坏的程度，

7

当汽车前部受到撞击时 ，不管它是传统结构的车架还是整体结构的车架，车架受损的是顺序大致如下:首先是歪斜损坏，然后是下垂、变皱、菱形和扭曲损坏，这些是根据撞击的程度决定的。

传统结构车架的车辆在后部发生碰撞时可能出现以下的情况：弯皱、歪斜、和下垂，也可能出现扭曲的现象，但是弯皱、歪斜和下垂的速损坏被修理之后，扭曲现象也会得到改正，由于车架的后面部分有较好的弹性，所以它能吸收车架受到的严重的冲击，而不会使车架的中心部分受到菱形损坏。

具有整体式结构的车辆当其时后部受到冲击时，破坏发生的顺序和前部受到撞击时发生的顺序一样：歪斜、下垂和弯皱。

只有在了解了车架损坏的类型之后，针对不同形式和不同程度的损坏采取合理的校正方法才能对车身进行校正。

2.4平台主要结构确定

2.4.1 平台整体结构形式及基本组成

平台是校正设备的支承装置，所以它的强度十分重要，必须满足设备的工作需求。文章设计采用强度较高的轨道式台架。另外，根据现在常见的车辆的基本尺寸为依据设计台架，以便更好地适应各种车辆的车身尺寸。本章设计中的台架尺寸大小可以满足中、小型轿车的需要。

本次设计的主要针对的对象为中小型轿车，因此，设计尺寸主要依据以下各类型车辆的常见尺寸，经调查各种车型尺寸为及整车重量之后，确定了抬台架的尺寸、选材、形状以及加工工艺。

常见汽车车身尺寸见表2.1所示。

表2.1常见汽车车身尺寸表

成产厂商 现代汽车 本田汽车 丰田汽车 东风汽车 一汽轿车 上海通用 上海大众 奇瑞汽车

品牌 北京现代 本田 丰田 东风 一汽奔腾 通用五菱 Polo QQ

型号

YF 奥德赛 卡罗拉

东风悦达起亚K5 B70

五菱荣光 Polo GTI 1.4T 0.8L

车长 4820mm 4686mm 4540mm 4845mm 4705mm 4035mm 3970mm 3550mm

车宽 1835mm 1905mm 1760mm 1835mm 1782mm 1620mm 1680mm 1580mm

轴距 2795mm 3302mm 2600mm 2795mm 2675mm 2700mm 2470mm 2400mm

根据表2.1所列车型尺寸，参考平台式大梁校正仪生产厂家产品的尺寸，最终确定平台的设计尺寸。

8

外边缘：长=5600mm; 宽=2100mm; 倒圆角半径为R=700mm; 内边缘：长=4600mm; 宽=1100mm; 倒圆角半径为R=200mm; 平台上下钢板厚度:h=10mm。

因为此次设计所要举升的重量为2t左右的乘用车，所以这样的尺寸完全适用于市面上的轿车尺寸，保证事故车辆能平稳的停放在平台上。平台设计的尺寸如图2.1所示。

图2.1平台结构尺寸

平台的支撑是用焊接的横梁作为支撑臂，支撑臂是冷拔异型钢管。因为要满足拉塔可以360°范围工作，拉塔的内侧加紧块也会360°范围绕平台移动，因此必须为夹紧块留出空间，所以在横梁焊接之前，在横梁末端要按照夹紧块尺寸去除一些材料，为夹紧块留出移动的空间。

在设计中，考虑应保证其力学性能，因此，采取上下表面焊接在一起的形式，内边缘应留出30mm，外边缘应留出45mm，以便用于连接夹具和加力塔等装置，横截面总的宽度是500mm，为事故车有足够的承载面积。平台横截面的具体形状尺寸如图2.2所示。

图2.2平台很断面

为了能够将平台与支架连接处表达清晰，图2.3是将平台沿着纵向局部剖开，显示出平

9

台与支架连接部位的具体结构。

图2.3平台侧视结构

2.4.2平台表面设计

平台上下表面的形状为长方形，四个角是圆弧状外边缘半径是700mm，内边缘半径为200mm，四个角的圆弧都必须圆滑过渡，目的是为了使拉塔可以围绕平台四周移动而不会受到限制，满足360°范围工作的要求。

平台上表面外边缘有一圈间距为140mm的圆孔，是用于固定拉塔座的。只要将拉塔固定叉上的圆孔与平台上表面外边缘有一圈的圆孔对准，然后把定位销插入圆孔，拉塔就会被固定住，不会再沿着平台边缘移动。当拔出定位销后，推动拉塔，它就能沿着平台边缘360°范围移动，实现多点定位工作稳定可靠。

台架下表面的形状政应该以上表面保持一致，但由于加力塔需要通过导轮固定在台架下表面，因此台架下表面的边沿应设计成凸起状，用来提供导轮行走的轨道。具体轨道形状如图2.4所示。

图2.4平台正向截面

2.4.3选材

台架的上表面连接部分不仅起到连接作用，还可以很大程度上提高整个台架的强度与承重能力，选材上要尽量让台架上下表面一致或近似，选择Q235号钢，以保证整个台架具有相等的强度。

台架的下面与加里塔上的固定装置直接联结，因此工作时一定会有力作用在下表面边缘处和导轮轨道到处，因此，在选择材料是不仅要考虑其力学性能，还要考虑是否适合焊接，综合各方面的因素决定选择Q235号钢。 2.4.4平台支撑梁的校核

受力如图2.5所示

10

图2.5平台横梁受力分析

两个焊点受力FA=FB=17920KN，支撑力F=17920KN，

My (MPa) (2.1) Iz3b1h13b2h2Iz (mm4) (2.2)

12

F (MPa) (2.3) A式中：M－界面上的弯矩；

y－所求正应力点到中性轴的距离； Iz－界面对中性轴的惯性矩 b1—型钢外宽 b2—型钢内宽 h1—型钢外高 h2—型钢内高 弯矩M=F x L=11760 x 250=2.94 x 10³ Nm

Iz1373333mm4

My64.22MPa[]390MPa Iz所以台架支撑完全符合弯曲应力。

11

图2.6利用Pro/E计算质量

如图2.6所示，平台的质量约为1.55吨。

2.5平台后支撑架的主要结构确定

2.5.1平台支撑架整体结构形式及基本组成

平台上表面与地面之间有一个高度，需要支撑，支承方式有许多种。本次设计采用了较简单的不可升降的固定支承方式。这种方式结构简单，工作稳定，制造成本较低，而且运输与装配比较方便，占地空间小有很大的综合优势优势。

支架是承载平台、拉塔、以及事故车辆重量总和的设备，对其强度有较高的要求，而且要能适应不平整的地面，所以必须有可调节的设计。结构简单，易于安装，工作稳定，工作时不能出现移动或损坏。

因为台架长度为5600mm，为使其受力均匀，采取４点固定的方式，即两根横梁分布靠近进台架两端，以保证台架工作时稳定性良好。

利用横梁与台架上了面连接，横梁下部焊接两根立柱，两根立柱之间的下端焊接一根连接梁，用来提高支撑的稳定性。其装配结构如图2.7所示。

图2.7平台支架装配图

平台支架主要是由冷拔异型钢管焊接而成，为了提高它支撑的稳定性，在两根立柱

12

之间的下端焊接一根连接梁，在立柱与最底部的方管之间，左右两侧个含焊接有加强筋板，双管齐下，保证了支架的强度和工作稳定性。

支撑架使用冷拔异型钢管(GB/T3094-2000)焊接而成，其断面如图2.8所示。

图2.8冷轧异型钢管断面图

其规格查表可选A=100mm，B=60mm，S=10mm 支架尺寸如图2.9所示。

图2.9后支架二维结构尺寸

2.5.2平台支撑架的选材

支架是承载平台、拉塔、以及事故车辆重量总和的设备，绝对不允许在工作室发生变形，所以对其强度有较高的要求，要求工作稳定，工作时不能出现移动或损坏。除了在结构上通过焊接加强钣金和在立柱间焊接横梁之外，在选材上要选择强度较高的材料。通过挑选，我们选择45钢，因为它的抗压强度是600MPa，足够满足要求，而且45钢是市面上常用的钢材，几个较低，可以降低成本。 2.5.3平台支撑架的校核

平台支撑架安装完毕后，其下端与地面接触，地面的支撑力通过支架传递给平台，平台和拉塔以及事故车辆的重力之和全部压在之际立柱的上端截面上，承受面载荷。我们只要对其压应力进行校核。受力如图2.10所示。

13

图2.10后支架受力

根据公式2.3得F17920N3.2MPa[]600MPa A5600mm2支架重量约等于60kg。这里计算质量是通过利用Pro/E的质量分析功能来实现的，通过Pro/E来计算质量可以十分精确，而且操作很方便，在设计过程中可很大程度上提高工作效率，支架重量的计算结果如图2.11所示，支架的质量约为59.6kg。

图2.11利用Pro/E计算质量

2.6拉塔的主要结构确定

2.6.1拉塔的主要结构形式及基本组成

本设计中的加力塔塔座与地面之间并无支承装置，也就是说加力塔是一侧与台架相连接，另设是悬空的，因此如果要保证加力塔与台架固定工作稳定，必须要实现多点定位。塔座与台架的内边缘连接处设计成倒“L”形钩，以达到工作时可以通过螺栓固定卡

14

在台架内边缘下表面处，从而减轻加力塔与台架之间的定位销工作时的负荷，可以保证工作时的稳定性。台架的外边缘部分通过一个“T”形定位块将加力塔与台架固定在上表面上。台架上表面处的外边缘有一个圈锁们止销孔，定位块两侧也各有一个锁止销孔，固定时将定位块与台架上表面外边缘的锁止销孔对齐，插入锁止销就可以实现固定加力塔的作用。同时加力塔塔座的下端两侧安装有四个导向轮，左右两侧各有两个，他们与台架下表面外边缘的轨道勾在一起，当取下锁止销时，推入定位块后，加力塔就可以在导向轮的作用下，沿着台架的轨道自由移动，这样既可以达到方便移动的目的，同时还可以减少摩擦。

拉塔的在本设计中占很重要的地位，他作为主要工作部件，其性能好坏决定整个设备的适用成度，塔身部分受力较大，因此为了使塔身具有更高的强度，决定设计为底座与塔柱一体式。塔柱主要是一根钢管，由于其半径较大，可以避免受拉力大而且集中，造成设备长时间使用而导致断裂和损坏设备以或者伤害人员的事故。下面对其结构进行介绍，具体形状尺寸如图2.12所示。

由于车身校正的拉拔力较大，加力塔要求塔身长度较长，将塔身设计成多段可伸缩式，第一段长度适中，高1400mm，而且较粗，可承受较大的拉拔力，第二段为可伸缩式的，由液压缸提供举升力，并且可以固定拉链，进而可将液压缸举升力转换成拉链的拉力。塔身是固定在平台上的，首先要考虑到拉塔的安装，其次要考虑到拉塔的工况。

安装时是将平台抬起大约120mm的高度，让拉塔下横梁伸入平台，然后用内六角螺栓将拉塔内侧夹紧块拧紧，这个夹紧块可以勾住平台的内边缘，安装在拉塔上的滚轮可以勾住拉塔的外边缘轨道上，这样就可以将拉塔装在平台上了。

由于制造的原因，首先，塔身与塔座无法制造一体，必须是用分离件焊接成的形式。塔身是一根钢桶，它是直接插入到塔座中焊接成一体的。由于塔身与塔座在工作时不可以相对移动，并且还要承受矫正拉力的反作用力，工作时安全可靠，不能有变形，否侧还会二次损坏事故车辆，因此它们之间的必须焊接成一体，只有这样才能固定牢靠地作用，垃塔结构如下图2.12所示。

15

图2.12拉塔二维结构尺寸

拉塔的工况一是满足拉塔可以在平台上360°范围移动，二是拉塔在施加拉拔力时要固定不动，拉塔上的滚轮和拉塔内侧夹紧块抱住了平台的内外边缘，这就像磁悬浮列车的轨道一样保安证拉塔既不会掉下来又能够移动。拉塔配备的“T”固定叉的方形长柄伸进拉塔的壳内，只要固定叉不动，拉塔就会被限制住不能移动。两个固定销将固定叉固定在平台上，这样拉塔就通过固定叉被固定在平台上了。

由于车身校正的拉拔力较大，加力塔要求塔身长度较长，将塔身设计成多段可伸缩式，第一段长度适中，高1400mm，而且较粗，可承受较大的拉拔力，第二段为可伸缩式的，由液压缸提供举升力，并且可以固定拉链，进而可将液压缸举升力转换成拉链的拉力。塔身是固定在平台上的，首先要考虑到拉塔的安装，其次要考虑到拉塔的工况。安装时是将平台抬起大约120mm的高度，让拉塔下横梁伸入平台，然后用内六角螺栓将拉塔内侧夹紧块拧紧，这个夹紧块可以勾住平台的内边缘，安装在拉塔上的滚轮可以勾住拉塔的外边缘轨道上，这样就可以将拉塔装在平台上了。 2.6.2拉链固定装置的设计

拉链固定装置是将转换方向后的拉链固定于塔身的顶端，以保证拉链的使用长度，防止拉链在使用过程中打滑，影响较正的效果。

拉链固定装置的具体形式主要是在拉塔的顶端焊接一块厚钢板，钢板的两端各有一

16

个“U”型槽，固定拉链时将拉链卡在“U”形槽中，便可以实现拉链的固定。

由于拉链固定装置所用的钢板较厚，其强度足够固定拉链使用，故校核可以省略。

图2.13拉链固定装置的二维结构尺寸

图2.13是俯视图的尺寸，钢板焊接在可升降塔柱顶端的，标注尺寸为10mm的是一块钢板竖立焊接在厚钢板上的，为加强其强度，竖着焊接的钢板下部焊接有又短又宽的条形钢块。竖着焊接的钢板上设计有螺栓孔，用于固定斜梁，所以此钢板必须有足够的稳定性。

斜梁是用于将铁链挂在上面，然后将汽车大梁向上拉拔的装置，通过两个M30的螺栓将其固定在可升降塔柱上。斜臂结构如图2.14所示。

图2.14拉塔斜臂二维结构尺寸

2.6.3拉链转向装置的设计

17

校正设备所用的拉链是一端与车身损坏部位相连，另一端通过固定于塔身上的拉链转向装置与塔身上端的拉链锁固装置相连，拉链转向装置在纠正工作进行时起到将拉链所受的拉力转换方向的作用，因此它直接承受拉链提供的强大拉力。由于这种强大拉力的存在，要求拉链转换装置应具有足够的强度。

拉链转向装置的结构主要是一个导向轮，导向轮中间有轴孔，放入一个销钉作为导向轮的轴固定在塔身上的链圈上。拉链转向装置的结构如图2.15所示。

图2.15拉塔链圈二维结构尺寸

销轴是受拉力直接作用的部件，它的强度是整个拉链转向装置中最重要的部分，因此在校核时应该主要对销轴进行校核。

销轴选用35钢，热处理硬度为28～38HRC，表面氧化处理为A型的GB/T 882 25*120的销轴。

要想使销轴长时间使用不被破坏，只需要对销轴的抗剪切应力和抗弯曲应力进行校核便可以。本设计中销轴是放在导向轮轴孔中的，用来定位导向轮子，因此不太容易产生弯曲变形，所以不用校核它的抗弯能应力，只需对其进行抗剪切应力的校核。

由公式可得AR2，R=25mm，根据公式2.3得F16MPa[]315MPa，故A不能损坏，销轴的强度足够使用。所以选用此销轴完全成立。 2.6.4拉塔的选材

塔身受力较大，而且需要提供较大的强度，应选择综合性能良好，中低温性能良好，冶炼工艺简单，成本低的材料，所以选择优质碳素结构钢45（GB/T699—1999），抗拉强度[σ]=600MPa。

18

2.4.5拉塔的校核

将塔身放平，其结构可以看成是一根圆柱悬臂梁，其受力弯矩图、剪力图如图2.16所示。

图2.16拉塔受力分析

弯矩MFL F=31400N L=1400mm

惯性矩Iz(R4r4) R=70mm r=58mm

4得My344MPa[]400MPa Iz用Pro/E计算加力塔塔身质量。将密度参数按照单位换算好后输入，点击“眼镜图标”就能输出精确的质量参数，拉塔重量的计算结果如图2.17所示，拉塔座质量约等于103.5kg。

19

图2.17利用Pro/Ej计算质量

拉塔斜臂梁的校核也可以将其看成悬臂梁，其受力弯矩图、剪力图如图2.18所示。

图2.18拉塔斜臂受力分析

两个焊点受力FP=31.4KN，支撑力FFpcos2029.5KN根据公式2.1 弯矩MFL29500001.4241890Nm 惯性矩Iz3293333.33mm4 得

My537.4MPa[]600MPa Iz20

2.7夹具的主要结构确定

2.7.1夹具的主要结构形式及基本组成

夹具主要起固定车辆的作用，对设计有夹具，每一个夹具不仅可以沿着自身滑道，还可以沿着台架进行纵向移动横向移动。定位是由加紧片和加紧衬片通过一个螺栓的拧紧来实现的。每一个夹具上，都有两个加紧片，以保证能够加紧车辆车身下部的挤压焊件上，使车辆充分固定，工作稳定安全。

夹具是用于固定事故车辆，因此车辆的裙边一定是不规则的，而且由于车型的不同，裙边也不会完全一样。这样就要求夹具不但可以升降，还能够根据事故车的变形情况调整一定的角度，所以在本设计中，设计用丝杠的形式实现夹具高度和角度的调整，用一个长一些的有内螺纹的螺母作为升降调节块，并且在端部设计有卡槽。当欲调整高度时，只要卡住升降调节块上的卡槽之后再转动就可以调整，而且不会干扰到夹具的角度。下图是夹具的装配图。要保证夹具的夹钳部分能够移动，所以在固定夹钳体的支撑板上开有滑槽，移动夹钳体设计成底部有加强筋，并且加强筋与滑槽要相配合。此配合既要满足移动夹钳体能轻松滑动，又要保证移动夹钳体能保持直线移动，所以在滑道处设计成过度配合。夹具的基本结构如图2.19所示。

夹具主要通过上端一对卡钳来承受载荷，汽车裙边支撑在卡钳上，每对卡钳承受四分之一的拉拔力载荷，因此相当于每个卡钳最大承受液压缸提供拉力载荷的四分之一。分析可知卡钳端面承受的是均布载荷，因卡钳底部焊接在平板上，故不考虑其X轴向的弯曲变形。查表知45钢弹性模量E2.091011MPa，其他尺寸参数见二维结构图。

图2.19夹具组装

1－夹具基座 2－升降调节块 3－丝杠 4－加紧螺母 5－夹紧螺栓 6－移动夹钳体

21

7－固定夹钳体 8－加强筋 9－基座立柱 10－基座立柱加强筋 11－基座固定螺钉 2.7.2夹具基座的主要结构

夹具基座是保证夹具能稳定工作的关键零部件，它要保证夹具能够根据事故车辆的不同轮距做出横向调整，所以它要和滑道配合在一起使用。基座用固定螺钉牢靠地固定在滑块上，滑块可以在滑道内滑动，这样就同时实现了夹具的既能固定夹紧又能沿着滑道移动。基座的具体形状尺寸如图2.20所示。

图2.20夹具基座二维结构尺寸

2.7.3夹具基座的选材

本次设计的夹具是连接车身受损部位与台架的装置，它的设计一定要保证在受到较大拉力的情况下仍具有较大的夹紧力和稳定性，绝对不能发生或破裂等损坏。设计中夹具在拉力较大的情况下夹紧力也很大，所以夹具基座的结构和材料的设计和选择是十分重要的。考虑到基座受到较大的车重压力，所以选择强度较大的45号钢作为基座的材料。

其内部的阶梯台受力较大，每一个夹具基座承受1/4的车重，我们以两吨重的车为样本，则每一个夹具基座承受49000N的重力，根据公式2.3得F=49000N，面积

A(R2r2)3.14(662482)6443.28mm2

可得F49000N7.6MPa[]600MPa 2A6443.28mm所以完全能够承受车辆施加的压应力。 2.7.4夹具升降调节块的主要结构

22

升降调节块顾名思义它是用于调节夹具高度的一个零件，本身并不升降，升降块内侧有内螺纹，只要转动调节块，利用丝杠的原理实现夹具体的升降而其本身由夹具底座支撑柱内凸台支撑，这样实现了调节块不变高度变角度，夹具体改变高度不变角度，从而保证了工作时的稳定性。升降调节块是一个拥有内螺纹的大螺母，内螺纹是M48的标准粗牙螺纹，升降调节块的具体形状尺寸如图2.21所示。

图2.21夹具升降块二维结构尺寸

2.7.5夹具升降调节块的选材

本次设计的夹具是连接车身受损部位与台架的装置，它的设计一定要保证在受到较大拉力的情况下仍具有较大的夹紧力和稳定性，绝对不能发生或破裂等损坏。设计中夹具在拉力较大的情况下夹紧力也很大，所以夹具的升降块的选材是十分重要的。考虑到基座受到较大的车重压力，所以选择强度较大的45号钢作为基座的材料。夹具螺栓为4.8级M16的螺栓，其许用应力我为400MPa，显然大于7.6MPa，所以升降块的强度足够承受其载荷。 2.7.6夹钳体的主要结构

本次设计的夹钳体是参考网上资料和时下比较流行的夹具体的结构形式而设计完成的。它的优点是结构简单，制造工艺也相对简单，但是其强度较大，因为夹钳体的夹紧零件只有两个，所以工作时稳定性好，夹紧力大，拆装方便。综合上述因素，我设计了本次设计的夹钳体，其具体结构形状尺寸如图2.22所示。

23

图2.22夹钳体二维结构尺寸

夹钳体是由几部分焊接而成，主要部件是一个130mm见方的基板。基板下部焊接一个M48规格的丝杠，长85mm，基板上部焊接一个带有加强筋的夹钳，高75mm，宽度与基板一样宽。加强筋是45°锐角的钢板，直角边27mm,其主要用于防止夹钳在施加拉拔力时发生弯曲。基板上的矩形槽深10mm,宽10mm,长68mm,作为滑道可使滑动夹钳沿着滑道随着螺母的旋紧横向移动，加紧事故车的裙边。 2.7.7夹钳体的选材

本次设计的夹钳体是整个仪器与车身受衔接的重要部位，它的设计一定要保证在受到较大拉拔力的情况下仍具有较大的夹紧力和稳定性，绝对不能发生或破裂等损坏。设计中夹钳体在拉拔力较大的情况下夹紧力也要很大，所以夹钳体的选材是十分重要的。考虑到其强度要求，所以选择强度较大的45号钢作为夹钳体的材料。 2.7.8夹钳体的校核

夹钳体的校核也可以将其看成悬臂梁，其受力弯矩图、剪力图如图2.23所示。

24

图2.23夹钳体钳口受力分析

垂直受力Fp31.42KN，根据公式2.1 弯矩MFL157000.0751177.5Nm 及惯性矩Iz86666.67mm4 得My135.86MPa[]600MPa Iz所以夹钳体的材料完全符合要求。

夹钳体的质量计算如图2.24所示。其质量约为5.1公斤。

图2.24利用Pro/E计算质量

2.7.9螺栓与螺母的选侧

夹具的加紧方式是通过螺栓与螺母的旋进旋出来实现的，为了提高修复时的工作效率，设计成单螺栓配合加紧的形式，由此对螺栓的强度有一定的要求，每个夹具最大承受拉力F=31400N，本设计选择4.8级M16的螺栓，横截面积AR2，根据公式2.3得

25

此螺栓最大承受拉应力156.2MPa<400MPa，所以选用的螺栓完全合格。

2.8举升臂的主要结构确定

2.8.1举升臂的主要结构

举升臂是在事故车辆拉上平台上后由液压缸提供动力将平台有倾斜举升到水平位置的部件，它要承载平台、拉塔、以及事故车辆重量总和的一半，另一半重量由后支架承载。对举升臂的强度的要求较高，要求在举升时不能有变形和断裂，而且其结构简单，易于安装，工作稳定。工作时液压缸速度较缓慢，因此不会受到冲击载荷。举升臂使用冷轧钢板和起到加强稳定性的钢管、钢块焊接而成，其机构和尺寸如图2.25所示。

图2.25举升臂二维结构尺寸

2.8.2举升臂的选材

举升臂受力较大，而且需要提供较大的强度，应选择综合性能良好，而且由几个零件焊接而成，要求焊接性能良好，中低温性能良好，成本低的材料，所以选择优质碳素结构钢45（GB/T699—1999），抗拉强度[b]600MPa，屈服强度[s]255MPa。 2.8.3举升臂的校核

当平台倾斜，事故车辆被拉到平台上，欲将平台举升到水平位置时是举升臂受力最大的时候。此时举升臂几乎处于水平状态，其中间孔受力竖直向下，两端孔瞬时处于固定状态，受力如图2.26所示。

26

图2.26举升臂受力分析

两端支点受力FA=FB=5880N，支撑力F=11760N，根据公式2.1 弯矩M=F x L=11760 x 200=2352x10³ Nmm， 惯性矩Iz216104mm4 得My65.3MPa[]600MPa Iz所以台架支撑完全符合弯曲应力。

夹钳体的质量计算如图2.27所示。其质量是15.3kg。

图2.27利用Pro/E计算质量

27

第3章 大梁校正仪的三维结构设计

3.1 CATIA软件简介

CATIA是英文Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application的缩写。是世界上一种主流的CAD/CAE/CAM 一体化软件。在70年代Dassault Aviation 成为了第一个用户，CATIA也应运而生。从1982年到1988年，CATIA 相继发布了1版本、2版本、3版本，并于1993年发布了功能强大的4版本，现在的CATIA 软件分为V4版本和 V5版本两个系列。V4版本应用于UNIX 平台，V5版本应用于UNIX和Windows 两种平台。V5版本的开发开始于1994年。为了使软件能够易学易用，Dassault System 于94年开始重新开发全新的CATIA V5版本，新的V5版本界面更加友好，功能也日趋强大，并且开创了CAD/CAE/CAM 软件的一种全新风格。

法国 Dassault Aviation 是世界著名的航空航天企业。其产品以幻影2000和阵风

战斗机最为著名。CATIA的产品开发商Dassault System 成立于1981年。而如今其在CAD/CAE/CAM 以及PDM 领域内的领导地位，已得到世界范围内的承认。其销售利润从最开始的一百万美圆增长到现在的近二十亿美圆。雇员人数由20人发展到2，000多人。

CATIA是法国Dassault System公司的CAD/CAE/CAM一体化软件，居世界

CAD/CAE/CAM领域的领导地位，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子\\电器、消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，其特有的DMU电子样机模块功能及混合建模技术更是推动着企业竞争力和生产力的提高。CATIA 提供方便的解决方案，迎合所有工业领域的大、中、小型企业需要。包括:从大型的波音747飞机、火箭发动机到化妆品的包装盒，几乎涵盖了所有的制造业产品。在世界上有超过13,000的用户选择了CATIA。CATIA 源于航空航天业，但其强大的功能以得到各行业的认可，在欧洲汽车业，已成为事实上的标准。CATIA 的著名用户包括波音、克莱斯勒、宝马、奔驰等一大批知名企业。其用户群体在世界制造业中具有举足轻重的地位。波音飞机公司使用CATIA完成了整个波音777的电子装配，创造了业界的一个奇迹，从而也确定了CATIA 在CAD/CAE/CAM 行业内的领先地位。

CATIA V5版本是IBM和达索系统公司长期以来在为数字化企业服务过程中不

断探索的结晶。围绕数字化产品和电子商务集成概念进行系统结构设计的CATIA V5版

28

本，可为数字化企业建立一个针对产品整个开发过程的工作环境。在这个环境中，可以对产品开发过程的各个方面进行仿真，并能够实现工程人员和非工程人员之间的电子通信。产品整个开发过程包括概念设计、详细设计、工程分析、成品定义和制造乃至成品在整个生命周期中的使用和维护。

3.2利用CATIA进行三维建模

CAITA是基于草图特征的三维建模软件，CATIA通过对三维实体的精确建模及装配来生成最终的产品。CAITA中装配的模型的构造是由各种特征来组合生成的，零件的设计过程就是特征的累积过程。下面对主要零部件做详细的建模过程分析，因其尺寸较多在步骤中不作详细说明。 3.2.1平台的三维建模

平台式大梁校正仪的主要部件就是平台，它承载两个拉塔、四套夹具和整个事故车辆的重量。平台的三维建模要用到很多特征，如拉伸、抠槽、旋转、旋转抠槽、钻孔、扫掠、倒角、镜像、阵列等。

平台的台面是基础件，先在XY平面用草绘画出台面的尺寸轮廓，轮廓尺寸与CAD而二维尺寸相同，然后用凸台命令进行拉伸即可。平台的内槽和外槽是用扫略特征加工的，但是必须建立扫略的轨迹，此轨迹可以沿着平台的内轮廓画出。具体步骤如下：

第一步：新建>零件>输入文件名 >进入零件模式，然后选择XY面为草绘面>绘制草图>退出工作台>选择凸台命令，拉伸厚度取100mm（系统默认单位mm）。

第二步：选择XY面为草绘面>绘制扫略草图(与平台外圈重合的轮廓线)

第三步：选择扫略草图轮廓线上的一个节点>新建平面(平面属性：通过轮廓线节点与轮廓线垂直的平面)

第四步：选择创建的平面进入草绘>绘制草图(绘制出外槽的形状)>退出工作台>选择扫略命令>选择轮廓线，选择扫略轨迹>单击确定。

第五步：选择XY面为草绘面>绘制扫略草图(与平台内圈重合的轮廓线)

第六步：选择扫略草图轮廓线上的一个节点>新建平面(平面属性：通过轮廓线节点与轮廓线垂直的平面)

第七步：选择创建的平面进入草绘>绘制草图(绘制出内槽的形状)>退出工作台>选择扫略命令>选择轮廓线，选择扫略轨迹>单击确定。其建模效果如图3.2和图3.3所示。

29

图3.2 平台外缘 图3.3平台内缘

第八步：选择平台的上平面>选择钻孔工具>钻孔(按照二维尺寸确定钻空位置) 第九步：选择阵列工具>选择上一步钻的孔>按照圆周方向阵列1/4个圆：按照直线方向阵列足够个数的孔。

第十步：利用草绘工具和凸台拉伸工具创建支架的钣金，其建模效果如图3.4所示。

图3.3平台液压缸固定板

完成的平台整体模型效果如图3.5所示。

30

图3.5平台整体示意图

3.2.2后支架的三维建模

支架是平台式大梁校正仪的主要支撑部件，它要支持平台、两个拉塔、四套夹具和整个事故车辆的重量。但是支架的三维建模要用到的特征不是太多，主要用到拉伸、钻孔、镜像。先在YZ平面用草绘画出最低梁的横断面的尺寸轮廓，轮廓尺寸与CAD而二维尺寸相同，是“回”字形状的草绘轮廓线，然后用凸台命令进行对称拉伸即可。其他两个立柱和上部的横梁也是通过同样的拉伸方法创建出来的。具体步骤如下：

第一步：新建>零件>输入文件名 >进入零件模式，然后选择YZ面为草绘面>绘制草图>退出工作台>选择凸台命令，对称拉伸长度各取750mm（系统默认单位mm）。

第二步：选择上一步所建横梁的上表面为草绘面>绘制“回”字形草图(以YZ面为对称面绘制对称草图)>利用凸台工具拉伸360mm。

第三步：选择YZ平面点击草绘>绘制“回”字形草图(用约束工具限定其相对位置) 第四步：选择XZ平面点击草绘>绘制肋板形草图>用凸台工具对称拉伸各6mm。(用约束工具限定其直角边与立柱和横梁表面相接触)第五步：选择最低横梁的侧面点击草绘>绘制方形草图>在方形上表面钻孔，其建模效果如图3.5所示。

图3.6后支架局部

完成的支架整体模型效果如图3.7所示。

31

图3.7后支架后视图

3.2.3夹具基座的三维建模

夹具基座是平台式大梁校正仪的重要支撑部件，它要支持整个事故车辆重量的1/4而且起到稳定的作用。但是支架的三维建模要用到的特征不是太多，主要用到拉伸、钻孔、镜像、阵列。具体步骤如下：

第一步：新建>零件>输入文件名 >进入零件模式，然后选择XY面为草绘面>绘制底板草图>退出工作台>选择凸台命令，拉伸高度取15mm（系统默认单位mm）。

第二步：选择上一步所建基板的上表面为草绘面>绘制圆环形草图>退出工作台>利用凸台工具拉伸360mm。

第三步：选择第一步所建基板的上表面为草绘面>绘制圆环草图>退出工作台>选择凸台工具向上拉伸30mm，

第四步：选择第一步所建基板的上表面为草绘面>选择钻孔工具钻直径为12mm的孔>选择镜像工具>选择钻出的两个孔以YZ面基准镜像。

第五步：选择XZ平面点击草绘>绘制肋板形草图>凸台工具对称拉伸各6mm。>选择圆周阵列工具(角度间隔90°以圆柱上表面为参考面，阵列个数是4个)完成的支架整体模型效果如图3.8所示。

图3.8夹具基座

3.2.4夹钳体的三维建模

32

夹钳体是直接加紧事故车辆裙边的零部件，它要承受拉拔力大约1/2的力量，所以依然要建有加强筋来起到稳定的作用。夹钳体的三维建模要用到的特征也不是很多，主要用到拉伸、开槽、钻孔、镜像、攻螺纹，具体步骤如下：

第一步：新建>零件>输入文件名 >进入零件模式，然后选择XY面为草绘面>绘制基板草图>退出工作台>选择凸台命令，拉伸高度取15mm（系统默认单位mm）。

第二步：选择上一步所建基板的下表面为草绘面>绘制圆形草图>退出工作台>利用凸台工具向下拉伸85mm。

第三步：选择YZ面为草绘面>绘制夹钳体钳口侧面草图>退出工作台>选择凸台工具对称拉伸65mm。

第四步：选择上一步所建钳口板的上表面为草绘面>选择钻孔工具在对称中心的位置钻直径为20mm的孔。

第五步：选择第二步创建的圆柱表面创建一个点>选择螺旋线，以创建的点为起点创建螺旋线>在XZ平面点击草绘>绘制三角形草图>退出工作台>选择扫略工具让三角形草图以螺旋线为轨迹进行扫略创建处螺纹特征。第六步：选择建基板的上表面为草绘面>绘制对称矩形草图>退出工作台>利用抠槽工具向下拉伸10mm。

第七步：选择建基板的侧表面为草绘面>绘制三角形加强筋草图>退出工作台>利用凸台工具向内拉伸10mm >选择镜像工具以YZ面为对称平面将加强筋拉伸特征镜像。

完成的支架整体模型效果如图3.9和图3.10所示。

(a)夹钳体正面 (b)夹钳体背面

图3.9固定夹钳体

3.3利用CATIA进行三维虚拟装配

利用CATIA可以把已经建好的所有三维零件实体导入进装配模式进行整机虚拟装

33

配。这期间需要使用众多约束及实例化等功能，下面做具体介绍。 3.3.1 CATIA装配功能概述

CATIA装配设计产品2 (ASD) 可用鼠标和图形化的命令方便地抓取零件并放置到正确的位置，来建立装配约束。装配设计产品2使用自顶向下或自底向上的方法帮助设计者管理庞大的、有层次结构的CATIA V4、V5、VRML 或 STEP格式的装配零件。零件和子装配的的数据可以方便地重用，无需数据复制。高效率的工具如爆炸视图自动生成、碰撞和间隙检查、自动BOM表生成等大大减少了设计时间、提高了装配质量。柔性子装配功能使用户能动态地切断产品结构和机械行为之间的联系，这一独特的命令能够在父装配中移动子装配的单独部件，或者管理实例化子部件不同的内部位置。

装配就是零件形成组件的过程，其实质是通过CATIA指定零件间位置的过程。通过指定零件间的约束，确定零件的装配位置关系来完成装配图。 3.3.2装配的CATIA零件图

1.大梁校正仪平台

作为整个大梁校正仪的基础，需要对其进行固定约束。如图3.10所示。

图3.10平台

2.前后支架

利用轴约束、面约束和尺寸约束在平台上即可，图3.11和3.12所示。

图3.11后支架

34

(a)前支架侧视图 (b)前支架正面图

图3.12前支架

3.夹具组件

夹具体带有轴线的零件均轴线相合，其约束完毕后整体固联。如图3.13和图3.14所示。

(a)夹具底座 (b)升降调节块

(c)固定夹钳体 (d)移动夹钳体

图3.13夹具组件

35

(a)夹具滑道 (b)夹具底座固定夹板 (c)滑道夹紧块

(d)夹钳螺栓 (e)夹钳螺母

图3.14夹具组件

4.液压和举升系统

活塞杆与支承轴轴线相合，底端约束进缸体中，缸体底端与固定绞支座轴线相合。如3.15所示。

(a)举升臂 (b)活塞头

(c)液压缸 (d)活塞

(e)开口销 (f)销轴

图3.15液压系统组件

5.拉塔组件

36

1.铁链拉力转向组件使用距离约束和轴约束依次完成期间的位置关系。如图3.16和3.17所示。

(a) 钩子连接环 (b)铁链转块 (c)链圈

(d)建模块 (e)铁链 (f)钩子销轴

图3.15铁链拉力转向组件

2.拉塔固定组件使用距离约束、面约束和轴约束依次完成期间的位置关系。如图3.16所示。

(a)拉塔转块 (b)拉塔滚轮 (c)拉塔固定叉

(d)拉塔内侧夹紧块 (e)内六角圆柱头螺钉 (f)拉塔支撑球

图3.16拉塔固定组件

3.拉塔座和可升降塔柱拉塔固定组件使用距离约束、面约束与平台确定与平台的相对位

37

置关系，用轴约束和距离约束确定与拉塔座的相对位置关系，各个组件如图3.17所示。

(a)拉塔座 (b)升降拉塔柱

图3.17拉塔座和可升降塔柱

(a)拉塔斜臂

(b)斜臂固定螺栓 (c)斜臂固定螺母

图3.18拉塔斜臂及固定螺钉螺母

3.3.3 CATIA整机装配图及爆炸图

CATIA的整机装配是在装配模式下进行的，装配模式的建立：开始—机械设计—装配设计。

1、其整机装配图如下图3.19所示：

38

图3.19整机装配图

2、爆炸图通过单击分解，如图3.20所示：

39

图3.20整机爆炸图

3.4 本章小结

本章首先通过CATIA对框架式大梁校正仪各零件进行三维建模，期间利用了凸台，旋转，创建面，凹槽，肋，曲面螺纹等命令特征，并进行属性渲染。然后将所建的零件模型利用相合、智能移动，偏移距离，角度约束，固联等约束，及实例化等复制特征进行整机装配。装配完成后把所有约束及面等符号标识隐藏，这样可清晰的看见整机装配后的实体。

第4章 大梁校正仪的有限元分析

4.1 ANSYS有限元分析软件介绍

4.1.1 ANSYS软件简介

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD等， 是现代产品设计中的高级CAE工具之一。 4.1.2 ANSYS软件功能简介

ANSYS是一种应用广泛的通用有限元工程分析软件。开发初期时为了应用与电力工业，现在其功能已经广泛应用于航空、电子、汽车、土木工程等各个领域，能够满足各行业有限元分析的需要。

40

ANSYS软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。

4.2 ANSYS与CATIA接口的建立

通过ANSYS对主要零部件的有限元分析时，需要把在CATIA中建的三维零件导入ANSYS中进行受理及变形分析。所以我们需要在二者之间建立连接接口。由于目前软件之间的接口建立问题一直比较复杂，其中三维设计软件Pro/E与ANSYS之间的接口建立技术最为成熟。但是CATIA与ANSYS之间的接口即使建立了再导入后也会丢失很多特征，所以为了准确的分析零部件，我们将CATIA中建好的零件另存为igs格式，然后用Pro/E软件将其打开，这样就可以把Pro/E中的零件导入ANSYS进行分析（这里所做的零件间导入均默认单位mm）。

下面是对其具体操作的图解，单击“开始”命令依次找到相关选项。如图4.1所示：

图4.1 开始菜单

找到相关选项后，点击ANS-ADMIN图标，会出现下图4.2所示的选项框，选择单击第一项ANSYS/Workbench Configure Cluster。

41

图4.2 配置工作台

点击如下命令图4.3中的选项后单机OK。

图4.3配置

将Pro/E的地址拷贝到“Machine hostname”的框中，单击Add完成创建如图4.4所示。

图4.4添加主机地址

上述步骤完成后我们就可以去Pro/E中找到已经建好的接口。

把事先导入Pro/E中的CATIA零件打开后，单击第二项ANSYSGeom即可打开ANSYS进入界面，此时零件已经进入ANSYS中。

注意：当进行ANSYS分析时，在将三维模型导入时会出一些现问题，这里要将三

42

维模型做如下处理：

(1)首先ANSYS与Pro/E的衔接是最为成熟的，但是Pro/E的三维建模环境与CATIA先比属于以及软件，相对落后。利用CATIA进行装配后，如果再次改变某一个零件的尺寸参数时，装配中的此零件也将随之改变，而且不会出现错误。但是Pro/E的装配图中此零件不但不随之改变而且还会出现错误。

为改变这一僵局，本人是用CATIA建模，然后另存为IGS格式的文件，再利用IGS格式文件导入到ANSYS当中。

但是还要注意的是由于CATIA与ANSYS的衔接不好，用CATIA另存的IGS文件不能直接导入ANSYS当中，如果导入后将只剩下线框，而没有实体。所以将CATIA另存的IGS文件用Pro/E打开，之后再用Pro/E另存副本功能将IGS文件再次另存为IGS文件，这样用Pro/E另存的IGS文件就可以被ANSYS打开了。

(2)因为都是用冷拔异型钢管焊接的，都是方形管，没有用到圆柱形管，所以在梁立柱之间起到加强作用的横梁也要设计成方形的，如果设计成圆柱管，在往ANSYS导入时就会出现问题。

(3)ANSYS分析的是一个整体，不能出现有分割性的面存在，所以在方管焊接处必须打通(即将焊接处接触面用拉伸去除的方法去掉，达到相互垂直的方管是相通的效果)，这样ANSYS才能将它识别，导入才会成功。我用的是ANSYS12.0版本的，而且我是用CATIA创建的三维模型，另存成IGS格式文件导入ANSYS的。

4.3 利用ANSYS对主要零部件进行分析

本次设计主要针对主要零部件进行有限元分析，包括前支撑架和后支撑架、举升臂、定位夹具四个零件。在分析中为了便于网格划分，我们忽略了一些对整体受力分析影响很小的特征。下面来进行具体的操作及结果的分析。 4.3.1 定位夹具卡钳体的有限元分析

由前面的受力分析可知，夹具体主要的受力在卡钳上，因其直接承受汽车载荷。我们这里单独拿出来进行有限元分析。夹钳体的受力情况如图4.5所示。

43

图4.5夹钳体钳口受力

1.定义属性

单元属性主要包括：单元类型、实常数、材料常数。典型的实常数包括：厚度、横截面积、高度、梁的惯性矩等。材料属性主要包括：弹性模量、泊松比以及材料密度等。

零件进入ANSYS界面后，在左侧命令栏里进行如下操作： （1）Preferences/Structural；

（2）Preprocessor/Element Type/ADD Edit Delete/Library of Element Types 第一对话框选定单元类型为Structural Solid，第二对话框设定为Tet 10node 187；

（3）Preprocessor/MaterialProps/MaterialModels/Structural/Linear/Elastic/Isotropic/输入EX(弹性模量)值，输入PRXY(泊松比)值。卡钳材料为45钢，主要参数如下表4.1所示,弹性模量EX(=2.17e11 N/m² ,泊松比PRXY=0.270。

表4.1 55钢材料属性

材料名称 弹性模量E (N/m²) 泊松比μ 质量密度ρ (kg/m³) 张力强度 (N/m²) 屈服强度 (N/m²) 55

2.网格划分

2.17E+11 0.270 7.83E+03 6.45E+08 3.80E+08 本设计中主要采用自由网格划分，模型自由划分可采用以下途径划分网格： Meshing/MeshTool选中Smart Size复选框，将精度设置为4，单击Mesh/Pick All。网格划分后的有限元模型如图4.6所示，有限元模型中共有个9543单元，5577个节点。

44

图4.6夹钳体网格划分

3.施加约束及载荷

对夹具卡钳结构分析时我们进行面力分析，即加的为表面载荷。加载步骤如下： （1）Solution/Analysis Type/New Analysis/Static；

（2）Solution/Define Loads/Apply/Structural/Displacement/On Areas； 选择卡钳下部的圆柱面进行约束，这里选择ALL DOF(全约束)；

（3）Solution/Define Loads/Apply/Structural/Pressure/On areas卡钳上端面钳口输入加载压强的大小（注意方向），受力输入的为F产生的压强值：F15700N3019230Pa。

A2600mm2

图4.7约束图模型 ①—约束面

45

图4.8加载模型 ①—加载面

（4）求解Solve/CurrentLS/Ok/Close。 4.查看结果及分析

（1）查看变形结果:General PostProc/Plot Results/Deformed Shape/Ok；（PlotCtrls/Animate/ Deformed Shape/Ok，可直观观察固定卡钳的变形情况)General PostProc/Plot Results/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solu/DOF Solution；总变形如图4.9所示。

图4.9总位移变形图

下面是X Y Z方向位移及总变形量云图。

46

图4.10 X方向变形云图

图4.11Y方向变形云图

图4.12 Z方向变形云图

47

图4.13 总变形云图

变形量分析：从图中可以看出X方向的最大变形量为0.139mm，Y方向的最大变形量为0.004mm， Z方向的最大变形量为0.126mm，总方向最大变形为0.142mm。可见固定卡钳的变形主要为水平方向变形。变形量很小，充分满足刚度要求。

（2）查看应力结果：General PostProc/Plot Results/Contour Plot/Nodal

Solu/Stress/SX(X方向应力)、SY（Y方向应力）、SZ（Z方向应力）、SEQV（综合应力）。如下图所示；

图4.14 X方向应力状况云图

48

图4.15 Y方向应力状况云图

图4.16 Z方向应力状况云图

图4.17 综合应力状况云图

49

应力结果分析：数值显示，蓝色部位应力值最小，红色部位应力值最大。X方向最大应力为198MPa，Y方向最大应力82.9MPa，Z方向最大应力为94.2MPa，综合应力最大值为 182MPa。最大应力发生在基板和立板焊接的接缝处。无论是单个方向的最大应力，还是综合应力值均小于材料的需用应力[σ]=645MPa，充分满足强度要求。通过有限元分析可知，我们所设计的夹具卡钳尺寸及选用的材料均符合要求。 4.3.2夹钳体受侧向力的有限元分析

支撑架受力较大，而且需要提供较大的强度， 所以选择优质碳素结构钢55（GB/T699—1999），抗拉强度[σb]=645MPa,屈服强度[σs]=380MPa。其受载荷是面载荷，作用在立柱上截面。后支架的受力情况如图4.18所示。

图4.18夹具侧向受力

1.建立装配零件

导入装配文件后利用Glue粘接命令将两个组件粘接在一起，使两组件可以相互作用。

2.定义属性

后支架的材料为45钢，主要参数如表4.1所示：弹性模量EX(=2.e17 N/m² ，泊松比PRXY=0.270。

3.网格划分

网格划分后的有限元模型如图4.19所示，有限元模型中共有个9908单元，12522个节点。

50

图4.19夹钳体的网格划分

4.建立接触对

接触对是设置夹钳体的钳口与裙边之间能有相互摩擦作用，其模型如图4.20所示. 上端面输入加载压强的大小（注意方向），受力输入的为F产生的压强值：

图4.20后支架受力

5.施加约束及载荷

对后支架进行结构分析时我们进行面力分析，即加的为表面载荷。 侧面输入加载压强的大小（注意方向），受力输入的为F产生的压强值：F31400N314MPa。

A100mm251

图4.21约束模型 ①—约束面

图4.22加载模型 ①—被夹住的裙边侧面加载

求解Solve/CurrentLS/Ok/Close。 4.查看结果及分析 总变形如图4.22所示。

52

图4.23总位移变形图

下面是X Y Z方向位移及总变形量云图。

图4.24 X方向变形云图

图4.25 Y方向变形云图

53

图4.26 Z方向变形云图

图4.27 总变形云图

变形量分析：从图中可以看出X方向的最大变形量为0.105mm，Y方向的最大变形量为0.015mm，Z方向的最大变形量为0.148mm，总方向最大变形为0.248mm。可见后支架的变形主要为水平方向的变形。变形量很小，均小于0.3mm，充分满足刚度要求。

（2）查看应力结果：General PostProc/Plot Results/Contour Plot/Nodal

Solu/Stress/SX(X方向应力)、SY（Y方向应力）、SZ（Z方向应力）、SEQV（综合应力）。如下图所示；

54

图4.28 X方向应力状况云图

图4.29Y方向应力状况云图

图4.30 Z方向应力状况云图

55

图4.31 综合应力状况云图

应力结果分析：数值显示，蓝色部位应力值最小，红色部位应力值最大。X方向最大应力为370MPa，Y方向最大应力295MPa，Z方向最大应力为507MPa，综合应力最大值为 614MPa。最大应力发生在基板和立板焊接的接缝靠接近中间处。无论是单个方向的最大应力，还是综合应力值均小于材料的需用应力[σ]=645MPa，充分满足强度要求。通过有限元分析可知，我们所设计的后支架的尺寸及选用的材料均符合要求。 4.3.3 后支架的有限元分析

支撑架受力较大，而且需要提供较大的强度， 所以选择优质碳素结构钢45（GB/T699—1999），抗拉强度[σb]=600MPa,屈服强度[σs]=355MPa。其受载荷是面载荷，作用在立柱上截面。后支架的受力情况如图4.32所示。

图4.32 后支架受力

1.定义属性

后支架的材料为45钢，主要参数如表4.2所示：弹性模量EX(=2.09e11 N/m² ，泊松比PRXY=0.269。

表4.2 45钢材料属性

材料名称 弹性模量E (N/m²) 泊松比μ 质量密度ρ (kg/m³) 张力强度 (N/m²) 屈服强度 (N/m²) 45 2.09E+11 0.269 7.89E+03 6.00E+08 3.55E+08 56

2.网格划分

网格划分后的有限元模型如图4.33所示，有限元模型中共有个13947单元，6770个节点。

图4.33后支架网格划分

3.施加约束及载荷

对后支架进行结构分析时我们进行面力分析，即加的为表面载荷。 上端面输入加载压强的大小（注意方向），受力输入的为F产生的压强值：F17920N3.2MPa。 2A5600mm

57

图4.34约束模型 ①—底面加载

图4.35加载模型

①—左立柱断面加载 ②—右立柱断面加载

求解Solve/CurrentLS/Ok/Close。 4.查看结果及分析 总变形如图4.22所示。

58

图4.36总位移变形图

下面是X Y Z方向位移及总变形量云图。

图4.37 X方向变形云图

59

图4.38Y 方向变形云图

图4.39 Z方向变形云图

图4.40 总变形云图

变形量分析：从图中可以看出X方向的最大变形量为0.672e-03mm，Y方向的最大

60

变形量为0.0086mm，Z方向的最大变形量为0.0027mm，总方向最大变形为0.009mm。可见后支架的变形主要为水平方向的变形。变形量很小，均小于0.5mm，充分满足刚度要求。

（2）查看应力结果：General PostProc/Plot Results/Contour Plot/Nodal

Solu/Stress/SX(X方向应力)、SY（Y方向应力）、SZ（Z方向应力）、SEQV（综合应力）。如下图所示；

图4.41 X方向应力状况云图

图4.42 Y方向应力状况云图

61

图4.43 Z方向应力状况云图

图4.44 综合应力状况云图

应力结果分析：数值显示，蓝色部位应力值最小，红色部位应力值最大。X方向最大应力为23070Pa，Y方向最大应力12344Pa，Z方向最大应力为24289Pa，综合应力最大值为 87681Pa。最大应力发生在立柱与两个横梁焊接的接缝处。无论是单个方向的最大应力，还是综合应力值均小于材料的需用应力[σ]=600MPa，充分满足强度要求。通过有限元分析可知，我们所设计的后支架的尺寸及选用的材料均符合要求。 4.3.4 前支架的有限元分析

支撑架受力较大，而且需要提供较大的强度， 所以选择优质碳素结构钢45（GB/T699—1999），抗拉强度[σb]=600MPa,屈服强度[σs]=355MPa。其受载荷是面载荷，作用在立柱上截面。后支架的受力情况如图4.45所示。

62

图4.45前支架受力

1.定义属性

后支架的材料为45钢，主要参数如表4.2所示：弹性模量EX(=2.09e11 N/m²，泊松比PRXY=0.269。

2.网格划分

网格划分后的有限元模型如图4.46所示，有限元模型中共有个40096单元，19792个节点。

图4.46前支架网格划分

3.施加约束及载荷

前支架端面输入加载压强的大小（注意方向），受力输入的为F产生的压强值：

F17920N6.4MPa2A2800mm。

63

图4.47约束模型 ①—底面约束

图4.48 加载模型

①—左立柱断面加载 ②—右立柱断面加载

（4）求解Solve/CurrentLS/Ok/Close。 4.查看结果及分析

X Y Z 总变形如面4.49所示。

64

图4.49总位移变形图

下面是X Y Z方向位移及总变形量云图。

图4.50 X方向变形云图

65

图4.51 Y方向变形云图

图4.52 Z方向变形云图

图4.53总变形云图

变形量分析：从图中可以看出X方向的最大变形量为0.672e-03mm，Y方向的最大变形量为0.0086mm，Z方向的最大变形量为0.0027mm，总方向最大变形为0.009mm。可见固定卡钳的变形主要为水平方向变形。变形量很小，均小于0.5mm，充分满足刚度要求。

（2）查看应力结果：General PostProc/Plot Results/Contour Plot/Nodal

Solu/Stress/SX(X方向应力)、SY（Y方向应力）、SZ（Z方向应力）、SEQV（综合应力）。如下图所示；

66

图4.54 X方向应力状况云图

图4.55 Y方向应力状况云图

图4.56 Z方向应力状况云图

67

图4.57 综合应力状况云图

应力结果分析：数值显示，蓝色部位应力值最小，红色部位应力值最大。X方向最大应力为4.63MPa ，Y方向最大应力9.09MPa，Z方向最大应力为21.0MPa，综合应力最大值为19.4MPa。最大应力发生在立柱与最低横梁焊接的接缝处。无论是单个方向的最大应力，还是综合应力值均小于材料的需用应力[ σ]=600MPa，充分满足强度要求。通过有限元分析可知，我们所设计的前支架尺寸及选用的材料均符合要求。 4.3.5举升臂的有限元分析

支撑架受力较大，而且需要提供较大的强度， 所以选择优质碳素结构钢45（GB/T699—1999），抗拉强度[σb]=600MPa,屈服强度[σs]=355MPa。其受载荷是面载荷，作用在立柱上截面。后支架的受力情况如图4.58所示。

图4.58 举升臂受力加载

1.定义属性

举升臂材料为45钢，主要参数如下表4.2所示：弹性模量EX(=2.09e11 N/m²，泊松比PRXY=0.269。

2.网格划分

68

网格划分后的有限元模型如图4.59所示，有限元模型中共有个3547 单元，7540个节点。

图4.59举升臂网格划分

3.施加约束及载荷

对举升臂进行结构分析时我们进行面力分析，即加的为表面载荷。举升臂两端圆孔下半内表施加载荷，压强的大小（注意方向），受力输入的为F产生的压强值：

F17920N6.4MPa。

A2800mm2

图4.60约束模型

69

①—圆柱面加约束 ②—圆柱面加约束 ③—圆柱面加约束 ④—圆柱面加约束

图4.61加载模型

①—内侧下半圆柱面加载 ②—内侧下半圆柱面加载

（4）求解Solve/CurrentLS/Ok/Close。 4.查看结果及分析

X Y Z总变形如面4.62所示。

图4.62总位移变形图

70

下面是X Y Z方向位移及总变形量云图。

图4.63 X方向变形云图

图4.64 Y方向变形云图

图4.65 Z方向变形云图

71

图4.66 总变形云图

变形量分析：从图中可以看出X方向的最大变形量为0.011mm，Y方向的最大变形量为0.021mm，Z方向的最大变形量为0.059mm，总方向最大变形为0.06mm。可见固定卡钳的变形主要为水平方向变形。变形量很小，均小于0.5mm，充分满足刚度要求。

查看应力结果：General PostProc/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solu/Stress/SX(X方向应力)、SY（Y方向应力）、SZ（Z方向应力）、SEQV（综合应力）。如下图所示；

图4.67 X方向应力状况云图

72

图4.68 Y方向应力状况云图

图4.69 Z方向应力状况云图

图4.70 综合应力状况云图

应力结果分析：数值显示，蓝色部位应力值最小，红色部位应力值最大。X方向最

73

大应力为35MPa ，Y方向最大应力42.9MPa，Z方向最大应力为33.9MPa，综合应力最大值为58.7Pa。最大应力发生在立柱与最低横梁焊接的接缝处。无论是单个方向的最大应力，还是综合应力值均小于材料的需用应力[σ]=600MPa。通过有限元分析可知，我们所设计的举升臂尺寸及选用的材料均符合要求。

74

结 论

平台式汽车大梁校正仪的主要功能就是将因交通事故后汽车大梁以及车身发生变形的车辆进行校正维修，使其大梁和车身恢复到出厂时的技术水平。在汽车行业的蓬勃发展，大梁校正仪也将越来越广泛地被维修行业所需求和应用。大梁校正仪主要由拉塔、平台、支架、液压举升系统和维修附件组成，

本次设计研究的主要结论如下：

（1）利用CAD绘制出平台式汽车大梁校正仪的二维装配图和关键部位的零件图，利用三维建模软件CATIA创建了平台式汽车大梁校正仪虚拟三维模型，并且完成了其三维整体的装配。利用IGS格式文件成功地将三维零件模型导入到ANSYS有限元分析软件当中。利用ANSYS有限元分析软件对平台式汽车大梁校正仪的关键部件进行了有限元分析。

（2）对校正仪的关键部件进行了二维结构设计和理论校核，并进行了运动受力和干涉分析检查，对零件的尺寸做了调整，使其结构更加简单，使用方便，成本更低。 （3）对校正仪的夹具、支架、举升臂进行了模拟加载，计算分析，并将其结果与理论分析结果进行了比较、分析，通过检查表明本课题研究分析的性能与相关理论所介绍的结果保持一致。证明用本课题所建立的校正仪的夹具、支架、举升臂受到应力的真实性，并说明所建立的模型是可行的。

此校正系统结构简单，使用方便，适用于市面上大多数车型的尺寸及轻型的小型吉普车，但是其质量较大，占地面积较大，至少需要5m×9m的平整水泥地面，所以对维修场地的要求较高，只适用于有一定条件的维修企业。因此在未来的设计中需要对材料做进一步的选择，以降低其重量。在结构设计上需要进一步提高，以减少其占地面积，使其能更好地适用于不同级别的维修企业。

75

参考文献

[1] (美)罗伯特•斯卡福.汽车车身修复[M]，北京:机械工业出版社，1998.10 [2] (美)詹姆斯 E.杜菲．汽车碰撞后的修复[M]，北京:机械工业出版社，1998.5 [3]薛风先，胡仁喜，康士廷．ANSYS12.0机械与结构有限元分析从入门到精通[M]，北

京：机械工业出版社，2010.3

[4]戴冠军．最新客车与轿车车身维修手册[M]，北京：中国物资出版社，1996.8 [5]蒋学祤,蒋崴．汽车维修机工具典型结构[M]，北京：人民交通出版社，1994.3 [6]天天汽车工作室．轿车车身维修技能实训[M]，北京：机械工业出版社，2003.9 [7]周 宁．ANSYS机械工程应用实例[M]，北京：中国水利水电出版社，2006.3 [8]李黎明．ANSYS有限元分析使用教程[M]，北京：清华大学出版社，2005.1 [9]王庆五，左昉，胡仁喜．ANSYS 10.0机械设计高级应用实例[M]，北京：机械工业出

版社，2006.1

[10]尤春风．CATIA V5高级应用[M]，北京：清华大学出版社，2006.1

[11]王登峰．CATIA V5机械(汽车)产品全精通教程[M]，北京：人民交通出版社，2007.4 [12]盛选禹，盛选军．CATIA V5运动和力学分析实例教程[M]，北京：化学工业出版社，

2008.4

[13]杜黎蓉，林博正，朱明．CATIA V5三维零件设计[M]，北京：人民邮电出版社，2005.9 [14]马 兰．机械制图[M]，北京：机械工业出版社，2006.5

[15]齐乐华．工程材料与机械制造基础[M]，北京：高等教育出版社，2006.4 [16]周松鹤，徐烈烜．工程力学[M]，北京：机械工业出版社，2007.5

[17]程本付．使用通用定位夹具对非承载式车身大梁进行校正[M],汽车维修与保养，

2008.6

[18]张鹏．俯仰升降式立体车库液压系统设计[J]，液压与气动，2007.7：10-11

[19]James.E.Daffy．Collision Repair Fundamentals[M]，Singapore：Original edition published

by Cengage Learning，2008.9

[20] Tang Nade．America Multirack 2000 Beam Calibrator[J]，Beijing：China Academic

Journal Electronic Publishing House，1999.11

76

致 谢

在本次设计的过程中，得到了指导老师的悉心指导和帮助，在此对指导老师表示深深的感谢。

回顾毕业设计的整个过程，使我感受良多，几个月下来深感自己的欠缺，知道还有很多的知识和技能需要学习。通过此次毕业设计使我加深了对汽车的认识，而且我也对二维绘图软件CAD有了进一步的学习，更重要的是我对三维建模软件CATIA和有限元分析软件ANSYS有了更进一步地掌握，对即将面临的工作，打下了一定的基础。通过对软件的运用，使我认识到了三维建模软件和分析软件在工程设计当中所起的重要作用，而且在未来的产品设计开发当中它们所起的作用将越来越广泛而深入。

由于本人以前对汽车知识和软件知识了解不多，而且实践经验太少，在设计过程中遇到很多问题，但王强老师总是耐心地给我讲解有关方面的知识，还专门开设了软件方面的课程，这些软件是我们在设计过程中乃至在今后的工作中经常使用的软件，及时解决了我们遇到的问题。老师的辛勤付出和平易近人的授课态度全都历历在目，让我由衷的钦佩和感动。

王老师治学严谨，要求我们要严格认真地完成毕业设计，一丝不苟，对每个细节都悉心指导，因为细节决定成败，这种严谨的作风一直影响着我，对我的帮助和教导我将谨记一生！

77

78