基于有限元分析的汽車車架優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于有限元分析的汽車車架優(yōu)化設(shè)計(jì),基于,有限元分析,汽車,車架,優(yōu)化,設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告 設(shè)計(jì)（論文）題目:基于有限元分析的汽車車架優(yōu)化設(shè)計(jì) 院 系 名 稱: 汽車與交通工程學(xué)院 專 業(yè) 班 級(jí): 車輛工程07-1班 學(xué) 生 姓 名: 初瀚雷 導(dǎo) 師 姓 名: 趙雨旸 開(kāi) 題 時(shí) 間: 2011-03-16 指導(dǎo)委員會(huì)審查意見(jiàn)： 簽字： 年 月 日 開(kāi)題報(bào)告撰寫(xiě)要求 一、“開(kāi)題報(bào)告”參考提綱 1. 課題研究目的和意義； 2. 文獻(xiàn)綜述（課題研究現(xiàn)狀及分析）； 3. 基本內(nèi)容、擬解決的主要問(wèn)題； 4. 技術(shù)路線或研究方法； 5. 進(jìn)度安排； 6. 主要參考文獻(xiàn)。 二、“開(kāi)題報(bào)告”撰寫(xiě)規(guī)范 請(qǐng)參照《黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)及畢業(yè)論文撰寫(xiě)規(guī)范》要求。字?jǐn)?shù)應(yīng)在4000字以上，文字要精練通順，條理分明，文字圖表要工整清楚。 SY-025-BY-3 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告 學(xué)生姓名 初瀚雷 系部 汽車與交通工程學(xué)院 專業(yè)、班級(jí) 車輛工程07-1班 指導(dǎo)教師姓名 趙雨旸 職稱 副教授 從事 專業(yè) 車輛工程、 交通工程 是否外聘 □是√否 題目名稱 基于有限元分析的汽車車架優(yōu)化設(shè)計(jì) 一、課題研究現(xiàn)狀、選題目的和意義 1）課題研究現(xiàn)狀： 在國(guó)外，從60年代起就開(kāi)始運(yùn)用有限元法進(jìn)行汽車車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的計(jì)算。1970年美國(guó)宇航局將NASTRAN有限元分析程序引入汽車結(jié)構(gòu)分析中，對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜強(qiáng)度有限元分析，減輕了車架的自重，是最早進(jìn)行車架輕量化的分析。當(dāng)前，國(guó)外各大汽車公司利用有限元軟件進(jìn)行車架結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析、模態(tài)分析的技術(shù)已非常成熟，其工作重心已轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)分析、噪聲分析、碰撞分析等領(lǐng)域。特別是隨機(jī)激勵(lì)響應(yīng)分析備受青睞，主要是因?yàn)樗捎脕?lái)進(jìn)行車輛的強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)舒適性和噪聲等方面的分析：國(guó)外將有限元法引入到車架強(qiáng)度計(jì)算比較早，而我國(guó)大約是在七十年代末才把有限元法應(yīng)用于車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析中。在有限元法對(duì)汽車車架結(jié)構(gòu)的分析中，早期多采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行結(jié)構(gòu)離散化。分析的初步結(jié)果是令人滿意的，但由于梁?jiǎn)卧旧淼娜毕?，例如梁?jiǎn)卧荒芎芎玫拿枋鼋Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的車架結(jié)構(gòu)，不能很好的反映車架橫梁與縱梁接頭區(qū)域的應(yīng)力分布，而且它還忽略了扭轉(zhuǎn)時(shí)截面的翹曲變形，因此梁?jiǎn)卧治龅慕Y(jié)果是比較粗糙的。而板殼單元克服了梁?jiǎn)卧谲嚰芙：蛻?yīng)力分析時(shí)的局限，基本上可以作為一種完全的強(qiáng)度預(yù)測(cè)手段。近十 年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)軟件與硬件的飛速發(fā)展，板殼單元逐漸被應(yīng)用到汽車車架結(jié)構(gòu)分析中，使分析精度大為提高，由過(guò)去的定性或半定量的分析過(guò)度到定量階段。隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，特別是微機(jī)性能的大幅提高及普及，在微機(jī)上進(jìn)行有限元分析已不再是很困難的事，同時(shí)有限元分析的應(yīng)用得以向廣度和深度發(fā)展。國(guó)外大型汽車公司經(jīng)過(guò)近百年的汽車設(shè)計(jì)制造，在車架設(shè)計(jì)方面積累了豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析經(jīng)驗(yàn)，形成了實(shí)用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)計(jì)改正記錄和設(shè)計(jì)規(guī)范。目前應(yīng)用于車架開(kāi)發(fā)上比較成熟的方面主要有：剛度、強(qiáng)度分析(應(yīng)用于整車、大小總成與零部件分析以實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì))，NVH分析(各種振動(dòng)、噪聲，包括摩擦噪聲、風(fēng)噪聲等)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析等；建立在分析和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的種優(yōu)化方法為車架設(shè)計(jì)提供了多種實(shí)用的選擇方案，使車架設(shè)計(jì)從經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)到優(yōu)化設(shè)計(jì)跨出了一大步。在關(guān)于優(yōu)化算法方面的研究，國(guó)外將遺傳算法引入到結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化算法中并獲得良好的效果?？偟目磥?lái)，國(guó)外輕量化研究主要有以下幾個(gè)方面：(1)提出先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，發(fā)展先進(jìn)的制造工藝并通過(guò)尺寸參數(shù)優(yōu)化而得到新的輕量化結(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(guò)程中；(3)提出新的現(xiàn)代優(yōu)化方法，并進(jìn)入到結(jié)構(gòu)輕量化中；(4)利用硬件優(yōu)勢(shì)，大量考慮動(dòng)態(tài)過(guò)程中的各種約束，對(duì)尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化而得到輕量化結(jié)構(gòu)。 我國(guó)早在1956年就由我國(guó)著名的數(shù)學(xué)家馮康教授在有限單元法的研究方面發(fā)表了研究論文，在研究變分問(wèn)題的差分格式中，獨(dú)立的提出了分片插值的思想，并把它用于工程結(jié)構(gòu)的分析，為有限元法的形成做出了貢獻(xiàn)。目前，我國(guó)利用有限元法進(jìn)行汽車分析已發(fā)展到普遍應(yīng)用有限元法靜強(qiáng)度和有限元?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)分析及優(yōu)化分析階段。2002年馬迅、盛勇牛以車架的部分結(jié)構(gòu)的截面尺寸為優(yōu)化變量，采用板殼和梁?jiǎn)卧M合建立有限元模型，以車架變形和一階頻率為約束，在彎曲和扭轉(zhuǎn)工況取得了減重13.31％的效果。2003年10月李娜采用板殼單元對(duì)機(jī)車車頂結(jié)構(gòu)建立有限元模型，應(yīng)用自己編制的遺傳算法程序，對(duì)形狀、加強(qiáng)筋的布置數(shù)量和位置以及截面尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，減輕重量176.4Kg。2004年5月杜海珍針對(duì)汽車典型結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法及應(yīng)用進(jìn)行了研究。為了解決在刪除無(wú)效材料時(shí)可能導(dǎo)致的應(yīng)力集中問(wèn)題，基于圍繞結(jié)構(gòu)邊界和孔洞周圍附加人工材料單元的思想，提出了一種新的基于應(yīng)力及其靈敏度的優(yōu)化準(zhǔn)則。2005年4月吉林大學(xué)的余傳文采用板殼單元對(duì)某重型載貨汽車車架結(jié)構(gòu)建立有限元模型，并對(duì)車架結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)特性分析的進(jìn)行了研究，在建立簡(jiǎn)單的車架梁?jiǎn)卧獌?yōu)化模型的基礎(chǔ)上，以車架縱梁截面尺寸為設(shè)計(jì)變量對(duì)車架進(jìn)行優(yōu)化分析，從車架體積和最大變形隨著迭代過(guò)程的變化曲線可以看到車架的自重明顯降低Iz01。2006年6月北京航空航天大學(xué)的張洪偉，張以都等人探討了基于動(dòng)力特性靈敏度分析的動(dòng)力修改技術(shù)。建立了某農(nóng)用車車架的參數(shù)化有限元模型，并對(duì)車架進(jìn)行靈敏度分析，在分析結(jié)果的指導(dǎo)下，進(jìn)行了車架的動(dòng)力修改，取得了良好的效果，為農(nóng)用車改型設(shè)計(jì)及推出新產(chǎn)品提供了思路和設(shè)計(jì)依據(jù)，為在工程實(shí)踐中應(yīng)用結(jié)構(gòu)動(dòng)力修改和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論作了有益的嘗試。雖然前人在車架的有限元分析方面已做了大量的工作，但之前的研究對(duì)靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)大都是分開(kāi)進(jìn)行的，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力修改，提高其動(dòng)力性能，單憑設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修改，自然避免不了盲目性，也不能做到以最小的改動(dòng)達(dá)到最佳的效果，因此有必要在靈敏度分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在國(guó)內(nèi)，高等院校對(duì)基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的車輛輕量化研究發(fā)展也很多，但由于沒(méi)有完備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)和設(shè)計(jì)規(guī)范，有時(shí)只能按解剖進(jìn)口車結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行參照性設(shè)計(jì)。具體在車架結(jié)構(gòu)分析方面，車架的剛度分析對(duì)結(jié)構(gòu)分析的重要性近些年已受到廣泛的重視。從分析類型上看，仍以車架結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析為主。虛擬試驗(yàn)場(chǎng)整車分析正在著手研究，此外還有焊裝模擬分析、噴涂模擬分析等。其中，車架剛度、強(qiáng)度分析，碰撞模擬分析，空氣動(dòng)力特性分析。金屬板件拉延成形特性分析等已步入實(shí)用化階段，為車架的全面優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)目前的輕量化研究主要集中在汽車一般零部件、底盤(pán)車架結(jié)構(gòu)等的改形設(shè)計(jì)方面，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段引入有限元法對(duì)車架輕量化設(shè)計(jì)的研究很少。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)關(guān)于在輕量化設(shè)計(jì)過(guò)程中引入新的現(xiàn)代優(yōu)化算法的研究比較匱乏，輕量化設(shè)計(jì)過(guò)程中的分析規(guī)模較小，CAD／CAE一體化在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段的應(yīng)用還不成熟以至于汽車生產(chǎn)廠家很少采用。 同時(shí)，國(guó)內(nèi)外不少公司、科研機(jī)構(gòu)及高等院校陸續(xù)開(kāi)發(fā)了一些通用性很強(qiáng)的大型有限元結(jié)構(gòu)分析軟件程序，這些程序可用來(lái)分析任意規(guī)模的結(jié)構(gòu)，如整架飛機(jī)或整個(gè)汽車的結(jié)構(gòu)。這些有限元軟件已發(fā)展到成熟的階段，比較成熟并且普及較廣的有美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校研制的SAP、美國(guó)麻省理工學(xué)院研制的ADINA、美國(guó)國(guó)家航空與航天局研制的NASTRAN、德國(guó)斯圖加特大學(xué)宇航結(jié)構(gòu)靜力學(xué)研究所研制的ASKA、世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó)ANSYS開(kāi)發(fā)的ANSYS軟件等等。這些通用程序的研制成功，大大簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)分析工作，只要求使用任意掌握有限元法的基本理論，熟悉建立有限元分析模型的方法和通用程序的使用方法即可。這些大型商業(yè)通用有限元分析軟件也像CAD設(shè)計(jì)軟件一樣在汽車研發(fā)過(guò)程中得到普及，有實(shí)力的汽車廠商甚至為自己的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)獨(dú)立地從事這些有限元分析軟件的二次開(kāi)發(fā)。 綜合分析這些文獻(xiàn)可知，當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)于有限元法應(yīng)用于車架結(jié)構(gòu)分析的研究只是限于對(duì)車架或車架結(jié)構(gòu)在靜態(tài)扭轉(zhuǎn)、彎曲載荷以及幾種極限工況載荷作用下的分析，得出車架結(jié)構(gòu)的靜態(tài)應(yīng)力分布，并對(duì)其進(jìn)行了局部的修改，由于軟硬件對(duì)計(jì)算模型規(guī)模的限制，模型的細(xì)化程度不夠，因而結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度分析的結(jié)構(gòu)還比較粗略，計(jì)算結(jié)果多用來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的方案比較，離虛擬試驗(yàn)的要求還有相當(dāng)大的差距。 2）課題研究目的和意義： 汽車的設(shè)計(jì)過(guò)程比較復(fù)雜，涉及到工程材料、生產(chǎn)工藝、結(jié)構(gòu)力學(xué)等眾多學(xué)科。汽車車架是汽車底盤(pán)的主要工作裝置，車架的強(qiáng)度、剛度及動(dòng)態(tài)特性直接影響整車的使用壽命、舒適性、車內(nèi)噪聲、操縱穩(wěn)定性等基本性能。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法周期長(zhǎng)、成本高，CAD/CAE技術(shù)的在車架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，可以大大縮短車架開(kāi)發(fā)周期、降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。在車架的結(jié)構(gòu)分析中，有限元法由于其能夠解決結(jié)構(gòu)形狀和邊界條件都非常任意的力學(xué)問(wèn)題的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用，各種汽車結(jié)構(gòu)件都可以用有限元法進(jìn)行靜態(tài)分析、固有特性分析和動(dòng)態(tài)分析。在進(jìn)行靜力學(xué)分析時(shí)，通過(guò)有限元分析，可看到構(gòu)件在各個(gè)載荷狀況下的變形情況，可以得到剛度、強(qiáng)度等各種力學(xué)性能。之后可將這些結(jié)果返回到設(shè)計(jì)過(guò)程中，修改其中不合理的參數(shù)，經(jīng)過(guò)反復(fù)的優(yōu)化，使得產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段就可保證滿足使用要求從而縮短設(shè)計(jì)試驗(yàn)周期，節(jié)省大量的試驗(yàn)和生產(chǎn)費(fèi)用，它是提高汽車設(shè)計(jì)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、適用性的方法之一。因此，為了保證其設(shè)計(jì)的精確性和縮短設(shè)計(jì)周期，基于有限元分析，研究它的靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，是非常重要和必須的。 二、設(shè)計(jì)（論文）的基本內(nèi)容、擬解決的主要問(wèn)題 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容： （1）研究汽車車架的組成、結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)； （2）建立有限元計(jì)算模型； （3）研究汽車車架的載荷； （4）加載進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)分析； （5）對(duì)汽車車架的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 擬解決的主要問(wèn)題： ANSYS分析主要步驟： （1）運(yùn)用ANSYS進(jìn)行有限元靜、動(dòng)態(tài)分析，重點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度分析。 （2）應(yīng)用ANSYS的 參數(shù)化語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)汽車車架參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 三、技術(shù)路線（研究方法） 四、進(jìn)度安排 （1）調(diào)研、資料收集，完成開(kāi)題報(bào)告 第1、2周 （2）研究汽車車架的設(shè)計(jì)步驟與設(shè)計(jì)方法，分析汽車車架受力情況 第3周 （3）建立有限元模型 第4、5周 （4）施加載荷和邊界條件，求解，進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)分析 第6~9周 （5）對(duì)汽車車架的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) 第10~12周 （7）完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的撰寫(xiě)，指導(dǎo)教師審核 第13周 （8）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）修改、完善 第14周 （9）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）審核、預(yù)審 第15周 （10）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）修改、完善 第15、16周 （11）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯準(zhǔn)備及答辯 第17周 五、參考文獻(xiàn) [1]王海霞，湯文成等．客車車骨架有限元建模技術(shù)及結(jié)果分析[D]．機(jī)械強(qiáng)度，2002，24. [2]Kim T，盧耀祖等．機(jī)械與汽車結(jié)構(gòu)的有限元分析[M]．上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2003. [3]楊華，曹立波．特征建模在汽車車身覆蓋件設(shè)計(jì)中應(yīng)用[J]．客車技術(shù)與研究，2002，4：11-12. [4]王國(guó)強(qiáng)．實(shí)用工程數(shù)值模擬技術(shù)極其在ANSYS上的實(shí)踐[J]．西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2000. [5]黃天澤，黃金陵．汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[J]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992，10. [6]鄭兆晶．有限元應(yīng)力計(jì)算結(jié)果改善處理的一種實(shí)用方法[J]．計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，1999，11. [7]黎西亞，李成剛，胡于近．車架有限元分析技術(shù)發(fā)展綜述．專用汽車，2001(1):13-15. [8]馮勝國(guó)，賈素梅．輕型車有限元分析及應(yīng)用[J]．機(jī)械強(qiáng)度，1996,18(2). [9]刁勤芳．汽車車身骨架結(jié)構(gòu)的有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[M]．南京：東南大學(xué)，1988. [10]孫凌玉，謝軍，于春生等．汽車車身結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模方法研究．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，1999, 35(5)：72—74. [11]Radaj D，Soegiharto S．Structural concentration at spotwelded jointS：improved model，comparison of resultS，stresS Singularity．Welding in the Worl d，1990，28(9／10)：183-189. [12]McKnight J．The development of a low floor city bus—Volvo B1 OL．Proc，Insm Mech，Engrs，Part D，1995，209-7793. [13]李少波，謝慶生，楚甲良．汽車車身設(shè)計(jì)方法探討[D]．貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，Vol28(6)，1999：78—82. [14]盧海峰，李軍．基于特征體系的車身結(jié)構(gòu)模型研究[D]．計(jì)算機(jī)仿真，2004,21(12)：219-222. [15]吳浩皂，吳湘燕．客車車身有限元強(qiáng)度分析載荷條件的確定[J]．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，1997,33(5). [16]李景涌．有限元法[M]．北京：北京郵電大學(xué)出版社，1999．2，第一版，129-133. [17]楊宇光，胡锫．客車車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算[D]．長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，21(2). 六、備注 指導(dǎo)教師意見(jiàn)： 簽字： 年 月 日