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本科畢業(yè)論文（設(shè)計）
開 題 報 告
論文題目
某貨車車架輕量化設(shè)計
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1．課題研究的目的和意義
汽車問世百余年來，特別是從汽車產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)及汽車工業(yè)的大發(fā)展以來，汽車為世界經(jīng)濟(jì)的大發(fā)展、為人類進(jìn)入現(xiàn)代生活產(chǎn)生了無法估量的巨大影響。今天，在發(fā)達(dá)國家，汽車的普及已經(jīng)達(dá)到很高的程度，在美國平均每個家庭擁有各種汽車2、3輛；雖然中國的汽車人均擁有量遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家水平，但是由于中國巨大的市場和國際汽車工業(yè)對中國汽車工業(yè)的影響，中國汽車工業(yè)經(jīng)過50年的風(fēng)雨歷程，已形成一個比較完整的工業(yè)體系。
任何問題都有兩面性，汽車工業(yè)的發(fā)展為人們帶入現(xiàn)代生活的同時也帶來了許多問題[1][2]，例如，一、能源問題，每年汽車的石油消耗量保持在近100億桶，并每年以一定的速度增加，而世界石油資源只能開采幾十年，煤炭資源也只夠開采一百來年，人類面臨著嚴(yán)重的能源危機(jī)，節(jié)能環(huán)保成為工業(yè)領(lǐng)域不可避免的課題，汽車工業(yè)同樣不可避免。二、環(huán)境問題，汽車每年向大氣排放大約幾億噸的有害氣體，占大氣污染物的60％以上，被認(rèn)為大氣污染的“頭號殺手”。汽車尾氣中C02、CO、HC是大氣污染的主要有害氣體，特別是C02溫室效應(yīng)近年來傾向日趨明顯。
汽車作為現(xiàn)代化社會大工業(yè)的產(chǎn)物，在推動人類文明向前躍進(jìn)并給人類生活帶來了便捷舒適的同時，對大自然生態(tài)環(huán)境的惡化也有著難以推卸的責(zé)任。目前世界汽車的保有量超過6億輛，每年新生產(chǎn)的各種汽車約3500萬輛，汽車每年的石油消耗量約占世界每年石油產(chǎn)量的一半以上。隨著人們對環(huán)境保護(hù)的日益重視，以緩解石油資源緊缺所帶來的能源危機(jī)，節(jié)能環(huán)保技術(shù)越來越多為廣大汽車公司所采用，車輛輕量化是降低能量消耗的有效措施之一，資料表明，車重減輕10%，燃油消耗可降低6%-8%[3]。普遍認(rèn)為客車、貨車的車架骨架質(zhì)量占整車質(zhì)量的60%，對于專用車，車架所占的質(zhì)量比例則更大，因此減小車架質(zhì)量可為車輛輕量化提供最大的潛力。輕量化還可以減少原材料的消耗，降低車輛的生產(chǎn)成本。
本課題就是在上述背景下提出的，目的在于研究載貨車車架結(jié)構(gòu)使之受力合理，等強(qiáng)度及等壽命設(shè)計。對重型車的車架進(jìn)行以減輕自重為目標(biāo)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提出車架的輕量化方案，在保證承載能力的前提下有效降低質(zhì)量，一定程度上起到節(jié)能的作用。最終達(dá)到保證載貨車在性能和功能不受影響或有所提高的情況下，減輕載貨車車架質(zhì)量。
2．國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
受到能源和環(huán)境保護(hù)的壓力，世界汽車工業(yè)很早就開始了輕量化的研究。雖然應(yīng)用輕金屬、現(xiàn)代復(fù)合材料是現(xiàn)代車輛輕量化研究的熱點之一，但是這些新材料應(yīng)用在主要承載部件上的成本較高，因此在短時間內(nèi)很難普及[4]。另一方面，
車輛的傳統(tǒng)材料——鋼材，由于其強(qiáng)度高、成本低、工藝成熟，并且是最適于回收循環(huán)利用的材料，因此利用鋼材實現(xiàn)輕量化的可能性備受關(guān)注。
1994年,國際鋼鐵協(xié)會成立了由來自全世界18個國家的35個鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)組成的ULSAB(Ultra-Light Steel Auto Body)項目組，其目的是在保持性能和不提高成本的同時，有效降低鋼制車身的質(zhì)量。ULSAB項目于1998年5月完成，其成果是顯著的。ULSAB試制的車身總質(zhì)量比對比車的平均值降低25%，同時扭轉(zhuǎn)剛度提高80%，彎曲剛度提高52%，一階模態(tài)頻率提高58%，滿足碰撞安全性要求，同時成本比對比車身造價降低15%[5]。
從1997年5月啟動的ULSAC (Ultra-Light Steel Auto Closures)、ULSAS
(Ultra-Light Steel Auto Suspension)和1999年1月啟動的ULSAB_AVC(Advanced
Vehicle Concepts)為ULSAB的后續(xù)項目，也在輕量化研究上取得很大成[6~8]。
除了以上提到的國際上著名的四個輕量化項目外，全世界范圍內(nèi)對基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的輕量化技術(shù)也進(jìn)行了大量的研究。韓國漢陽大學(xué)J.K.Shin、K.H.Lee、S.I.Song和G.J.Park應(yīng)用ULSAB的設(shè)計理念和組合鋼板的工藝，對轎車前車門內(nèi)板進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，成功地使前車門內(nèi)板的質(zhì)量減重8.72%，此技術(shù)己在韓國一家汽車企業(yè)中得到應(yīng)用[9]。
通用汽車公司的R.R.MAYER、密西根大學(xué)的N.KIKUCHI和R.A.SCOTT應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)以碰撞過程中最大吸收能量為目標(biāo)對零件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。此技術(shù)
已應(yīng)用到一款轎車的后圍結(jié)構(gòu)上[10]。
瑞典Linkoping University的P.O.Marklund和L.Nilsson從碰撞安全性角度對轎車B柱進(jìn)行了減重研究。研究以B柱變形過程中的最大速度為約束變量，以B柱各段的厚度為優(yōu)化變量，以質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)，實現(xiàn)在不降低安全性能的條件下
減重25%[11]。
美國航天航空局蘭利研究中心的J.Sobieszczanski Sobieski和SGI公司的S.
Kodiyalam以及福特汽車公司車輛安全部門的R.Y.Yang共同進(jìn)行了轎車的BIP
(Body In Prime)基于NVH(噪聲、振動、穩(wěn)定性)和碰撞安全性要求下的輕量化研
究，實現(xiàn)了在不降低性能的條件下減重15Kg[12]。
從上面的文獻(xiàn)中,可知國外的汽車結(jié)構(gòu)輕量化研究主要可分為四類:
(1) 提出先進(jìn)的設(shè)計理念，發(fā)展先進(jìn)的制造工藝并通過尺寸參數(shù)優(yōu)化而得到新的輕量結(jié)構(gòu)；
(2) 將拓?fù)鋬?yōu)化和形狀優(yōu)化引入到結(jié)構(gòu)輕量化過程中；
(3) 利用硬件優(yōu)勢，大量考慮動態(tài)過程(如碰撞、振動過程)中的各種約束，對尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化而得到輕量結(jié)構(gòu)，主要強(qiáng)調(diào)安全性；
(4) 提出和應(yīng)用新的現(xiàn)代優(yōu)化算法，并引入到結(jié)構(gòu)輕量化過程中、
國內(nèi)對基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的車輛輕量化研究開展也很多，在車架的輕量化方面，吉林工業(yè)大學(xué)的黃金陵曾經(jīng)在對影響車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的因素進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，運用懲罰函數(shù)法得到了汽車車架各梁截面參數(shù)的最佳值[13]。河北工學(xué)院的馮國勝曾經(jīng)在有限元分析的基礎(chǔ)上，采用復(fù)合形法和罰函數(shù)法對汽車車架結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了實例優(yōu)化計算[14]。此外，國內(nèi)對轎車和客車的結(jié)構(gòu)輕量化做了大量的研究[15~18]。
由國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀可以看出，目前國內(nèi)外對車輛的輕量化都主要集中在車身上，對車架的輕量化研究也集中在對轎車和客車的研究，真正將輕量化應(yīng)用到重型車和專用車結(jié)構(gòu)方面的還相當(dāng)少。對于車架占據(jù)絕大部分質(zhì)量的專用車輛來說，減小其車架質(zhì)量可為車輛輕量化提供最大的潛力挖掘空間。
依據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，目前對轎車和客車骨架應(yīng)用有限元法進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析，并在此基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和改進(jìn)己是常用的技術(shù)手段，但對于一些需求量相對較少，產(chǎn)量不高的重型車和專用車，有限元技術(shù)還沒有得到廣泛使用。本文將有限元法引入重型專用車的設(shè)計、分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作中，既解決企業(yè)設(shè)計生產(chǎn)過程中的實際問題，也有較高的應(yīng)用價值。
3. 本課題的研究內(nèi)容及技術(shù)方案
本文的研究對象為EQ1290W載重汽車車架，論文的任務(wù)側(cè)重于對車架
的結(jié)構(gòu)有限元分析，完成其輕量化設(shè)計研究。主要內(nèi)容包括：
1. 車架設(shè)計
參照EQ1290W載重汽車相關(guān)參數(shù)進(jìn)行車架設(shè)計；
2. 車架有限元建模
先在CATIA中建立其三維幾何模型，在此基礎(chǔ)上利用ANSYS建立其有限元模型及邊界條件；
3. 典型工況下車架靜態(tài)分析
根據(jù)實際車架受力情況對車架進(jìn)行加載,分析各種工況下車架的靜態(tài)強(qiáng)度和剛度,對靜態(tài)性能進(jìn)行評估；
4. 車架質(zhì)量的優(yōu)化設(shè)計
在滿足強(qiáng)度和剛度的前提下，使其質(zhì)量盡可能小，并做優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)分析，檢驗方案的可行性；
4. 本設(shè)計的特色
ANSYS是大型的通用有限元軟件，其功能強(qiáng)大，可靠性好，具有強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)分析能力和優(yōu)化設(shè)計模塊，因而被國外大多數(shù)汽車公司所采用。
本文將基于ANSYS建立車架結(jié)構(gòu)的實體單元模型，對汽車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力的研究。首先，對ANSYS進(jìn)行了簡要的介紹，為車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析做好準(zhǔn)備工作；其次，以某重型載貨汽車車架結(jié)構(gòu)為研究對象，利用ANSYS建立了車架結(jié)構(gòu)有限元的實體單元模型，對車架建模過程進(jìn)行了研究；再次，對車架結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性進(jìn)行深入研究，對車架進(jìn)行性能分析評價；最后，建立車架結(jié)構(gòu)簡單的梁單元優(yōu)化模型，以車架縱梁截面尺寸作為設(shè)計變量，以車架總體積為設(shè)計目標(biāo)，運用ANSYS優(yōu)化模塊對車架結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計進(jìn)行有益的嘗試。
5. 進(jìn)度安排
第1周至第3周：搜集資料，寫開題報告；
第4周至第7周：確定車架的基本結(jié)構(gòu)；
第8周至第10周：建立車架的三維實體模型；
第11周至第16周：輕量化設(shè)計；
第17周：撰寫說明書；
第18周：準(zhǔn)備答辯。
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