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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告
設(shè)計(jì)（論文）題目:中型載貨汽車車架有限元靜力學(xué)分析
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: 劉彥龍
導(dǎo) 師 姓 名: 石美玉
開 題 時(shí) 間: 2011年3月11日
指導(dǎo)委員會(huì)審查意見：
簽字： 年 月 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
學(xué)生姓名
劉彥龍
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
石美玉
職稱
教授
從事
專業(yè)
車輛工程
是否外聘
□是√否
題目名稱
中型載貨汽車車架有限元靜力學(xué)分析
一、課題研究現(xiàn)狀、選題目的和意義
1.研究現(xiàn)狀
有限元法是當(dāng)今工程分析中獲得廣泛應(yīng)用的數(shù)值計(jì)算法。有于他的通用性和有效性，受到工程技術(shù)界的高度重視。伴隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，現(xiàn)已成為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）的重要組成部分。
近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和計(jì)算速度的不斷提高，有限元分析在工程設(shè)計(jì)和分析中得到了越來越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復(fù)雜的工程分析計(jì)算問題的有效途 徑，現(xiàn)在從汽車到航天飛機(jī)幾乎所有的設(shè)計(jì)制造都已離不開有限元分析計(jì)算，其在機(jī)械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木建筑、電子電器，國防軍工，船舶， 鐵道，石化，能源，科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域的廣泛使用已使設(shè)計(jì)水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）增加產(chǎn)品和工程的可靠性； （2）在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)潛在的問題；（3）經(jīng)過分析計(jì)算，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，降低原材料成本；（4）縮短產(chǎn)品投向市場的時(shí)間 ；（5）模擬試驗(yàn)方案，減少試驗(yàn)次數(shù)，從而減少試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。
當(dāng)前，國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)樗捎脕磉M(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：國外將有限元法引入到車架強(qiáng)度計(jì)算比較早，而我國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。在有限元法對汽車車架結(jié)構(gòu)的分析中，早期多采用梁單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散化。分析的初步結(jié)果是令人滿意的，但由于梁單元本身的缺陷，例如梁單元不能很好的描述結(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，因此梁單元分析的結(jié)果是比較粗糙的。而板殼單元克服了梁單元在車架建模和應(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)測手段。近十年來，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，由過去的定性或半定量的分析過度到定量階段。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。國外大型汽車公司經(jīng)過近百年的汽車設(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、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。
縱觀當(dāng)今國際上CAE軟件的發(fā)展情況，可以看出有限元分析方法的一些發(fā)展趨勢：
（1）與CAD軟件的無縫集成
當(dāng)今有限元分析軟件的一個(gè)發(fā)展趨勢是與通用CAD軟件的集成使用，即在用CAD軟件完成部件和零件的造型設(shè)計(jì)后，能直接將模型傳送到CAE軟件中進(jìn)行有限 元網(wǎng)格劃分并進(jìn)行分析計(jì)算，如果分析的結(jié)果不滿足設(shè)計(jì)要求則重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，直到滿意為止，從而極大地提高了設(shè)計(jì)水平和效率。為了滿足工程師快捷地解 決復(fù)雜工程問題的要求，許多商業(yè)化有限元分析軟件都開發(fā)了和著名的CAD軟件（例如Pro/ENGINEER、Unigraphics、 SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。有些CAE軟件為了實(shí)現(xiàn)和CAD軟件的無縫集成而采 用了CAD的建模技術(shù)，如ADINA軟件由于采用了基于Parasolid內(nèi)核的實(shí)體建模技術(shù)，能和以Parasolid為核心的CAD軟件（如 Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks）實(shí)現(xiàn)真正無縫的雙向數(shù)據(jù)交換。
（2）更為強(qiáng)大的網(wǎng)格處理能力
有限元法求解問題的基本過程主要包括：分析對象的離散化、有限元求解、計(jì)算結(jié)果的后處理三部分。由于結(jié)構(gòu)離散后的網(wǎng)格質(zhì)量直接影響到求解時(shí)間及求解結(jié)果的 正確性與否，近年來各軟件開發(fā)商都加大了其在網(wǎng)格處理方面的投入，使網(wǎng)格生成的質(zhì)量和效率都有了很大的提高，但在有些方面卻一直沒有得到改進(jìn)，如對三維實(shí) 體模型進(jìn)行自動(dòng)六面體網(wǎng)格劃分和根據(jù)求解結(jié)果對模型進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，除了個(gè)別商業(yè)軟件做得較好外，大多數(shù)分析軟件仍然沒有此功能。自動(dòng)六面體網(wǎng)格劃分 是指對三維實(shí)體模型程序能自動(dòng)的劃分出六面體網(wǎng)格單元，現(xiàn)在大多數(shù)軟件都能采用映射、拖拉、掃略等功能生成六面體單元，但這些功能都只能對簡單規(guī)則模型適 用，對于復(fù)雜的三維模型則只能采用自動(dòng)四面體網(wǎng)格劃分技術(shù)生成四面體單元。對于四面體單元，如果不使用中間節(jié)點(diǎn)，在很多問題中將會(huì)產(chǎn)生不正確的結(jié)果，如果 使用中間節(jié)點(diǎn)將會(huì)引起求解時(shí)間、收斂速度等方面的一系列問題，因此人們迫切的希望自動(dòng)六面體網(wǎng)格功能的出現(xiàn)。自適應(yīng)性網(wǎng)格劃分是指在現(xiàn)有網(wǎng)格基礎(chǔ)上，根據(jù) 有限元計(jì)算結(jié)果估計(jì)計(jì)算誤差、重新劃分網(wǎng)格和再計(jì)算的一個(gè)循環(huán)過程。對于許多工程實(shí)際問題，在整個(gè)求解過程中，模型的某些區(qū)域?qū)?huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)變，引起單 元畸變，從而導(dǎo)致求解不能進(jìn)行下去或求解結(jié)果不正確，因此必須進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)重劃分。自適應(yīng)網(wǎng)格往往是許多工程問題如裂紋擴(kuò)展、薄板成形等大應(yīng)變分析的必要 條件。
（3）由求解線性問題發(fā)展到求解非線性問題
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，線性理論已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)的要求，許多工程問題如材料的破壞與失效、裂紋擴(kuò)展等僅靠線性理論根本不能解決，必須進(jìn)行非線性分析求 解，例如薄板成形就要求同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的大位移、大應(yīng)變（幾何非線性）和塑性（材料非線性）；而對塑料、橡膠、陶瓷、混凝土及巖土等材料進(jìn)行分析或需考慮材 料的塑性、蠕變效應(yīng)時(shí)則必須考慮材料非線性。眾所周知，非線性問題的求解是很復(fù)雜的，它不僅涉及到很多專門的數(shù)學(xué)問題，還必須掌握一定的理論知識(shí)和求解技 巧，學(xué)習(xí)起來也較為困難。為此國外一些公司花費(fèi)了大量的人力和物力開發(fā)非線性求解分析軟件，如ADINA、ABAQUS等。它們的共同特點(diǎn)是具有高效的非 線性求解器、豐富而實(shí)用的非線性材料庫，ADINA還同時(shí)具有隱式和顯式兩種時(shí)間積分方法。
（4）由單一結(jié)構(gòu)場求解發(fā)展到耦合場問題的求解
有限元分析方法最早應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，主要用來求解線性結(jié)構(gòu)問題，實(shí)踐證明這是一種非常有效的數(shù)值分析方法。而且從理論上也已經(jīng)證明，只要用于離散求解 對象的單元足夠小，所得的解就可足夠逼近于精確值?，F(xiàn)在用于求解結(jié)構(gòu)線性問題的有限元方法和軟件已經(jīng)比較成熟，發(fā)展方向是結(jié)構(gòu)非線性、流體動(dòng)力學(xué)和耦合場 問題的求解。例如由于摩擦接觸而產(chǎn)生的熱問題，金屬成形時(shí)由于塑性功而產(chǎn)生的熱問題,需要結(jié)構(gòu)場和溫度場的有限元分析結(jié)果交叉迭代求解，即"熱力耦合"的 問題。當(dāng)流體在彎管中流動(dòng)時(shí)，流體壓力會(huì)使彎管產(chǎn)生變形，而管的變形又反過來影響到流體的流動(dòng)……這就需要對結(jié)構(gòu)場和流場的有限元分析結(jié)果交叉迭代求解， 即所謂"流固耦合"的問題。由于有限元的應(yīng)用越來越深入，人們關(guān)注的問題越來越復(fù)雜，耦合場的求解必定成為CAE軟件的發(fā)展方向。
（5）程序面向用戶的開放性
隨著商業(yè)化的提高，各軟件開發(fā)商為了擴(kuò)大自己的市場份額，滿足用戶的需求，在軟件的功能、易用性等方面花費(fèi)了大量的投資，但由于用戶的要求千差萬別，不管 他們怎樣努力也不可能滿足所有用戶的要求，因此必須給用戶一個(gè)開放的環(huán)境，允許用戶根據(jù)自己的實(shí)際情況對軟件進(jìn)行擴(kuò)充，包括用戶自定義單元特性、用戶自定 義材料本構(gòu)（結(jié)構(gòu)本構(gòu)、熱本構(gòu)、流體本構(gòu)）、用戶自定義流場邊界條件、用戶自定義結(jié)構(gòu)斷裂判據(jù)和裂紋擴(kuò)展規(guī)律等等。
2.選題目的
通過本文的研究，預(yù)計(jì)達(dá)到以下目的：
（1）建立車架結(jié)構(gòu)有限元分析的規(guī)范化步驟，為將有限元技術(shù)應(yīng)用于車架設(shè)計(jì)做好基礎(chǔ)性工作。
（2）通過運(yùn)用有限元軟件對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可供車架設(shè)計(jì)有關(guān)人員提供參考。
（3）對所研究的車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)特性分析，為車架的設(shè)計(jì)提供理論支持。
（4）對車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化進(jìn)行初步探討，為優(yōu)化設(shè)計(jì)運(yùn)用于車架設(shè)計(jì)進(jìn)行初步的嘗試，以便于以后更好地為車架設(shè)計(jì)服務(wù)。
3.選題意義
（1）運(yùn)用有限元法對初步設(shè)計(jì)的車架進(jìn)行輔助分析將大大提高車架丌發(fā)、設(shè)計(jì)、分析和制造的效能和車架的性能。
（2）車架在各種載荷作用下，將發(fā)生彎曲、偏心扭轉(zhuǎn)和整體扭轉(zhuǎn)等變形。傳統(tǒng)的車架設(shè)計(jì)方法很難綜合考慮汽車的復(fù)雜受力及變形情況，有限元法正好能夠解決這一問題。
（3）利用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，可以得到車架結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。從設(shè)計(jì)上避免車架出現(xiàn)共振的現(xiàn)象。
（4）通過對車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步降低車架的重量，在保證車架性能的前提下充分的節(jié)省材料，對降低車架的成本具有重要的意義。
有限元法已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)的重要工具之一，在汽車產(chǎn)品更新速度快，設(shè)計(jì)成本低、輕量化和舒適性要求越來越高的今天，對于提高汽車產(chǎn)品的質(zhì)量、降低產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)制造成本，提高汽車產(chǎn)品在市場上的競爭能力具有重要意義。
二、設(shè)計(jì)（論文）的基本內(nèi)容、擬解決的主要問題
設(shè)計(jì)內(nèi)容：
1.選題的背景、目的及意義；
2.Pro/E、ANSYS軟件研究；
3.車架設(shè)計(jì)的方法步驟研究；
4.用Pro/E軟件建立車架整體模型，然后導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分；
5.假定汽車滿載情況下，對車架進(jìn)行彎曲、扭轉(zhuǎn)、緊急剎車、急轉(zhuǎn)彎四種工況下的受力和變形情況的靜態(tài)有限元分析。
擬解決的主要問題：
1. ANSYS軟件的學(xué)習(xí)；
2.車架有限元模型的建立；
3.對車架的靜態(tài)特性（彎曲工況、扭轉(zhuǎn)工況、制動(dòng)工況、轉(zhuǎn)彎工況）進(jìn)行研究；
三、技術(shù)路線（研究方法）
車架結(jié)構(gòu)分析
確定有限元模型方案
模型方案
車架CAD模型建立
有限元模型的建立
靜態(tài)分析
結(jié)果比較
修改方案
完成設(shè)計(jì)
四、進(jìn)度安排
（1）知識(shí)準(zhǔn)備、調(diào)研、收集資料、完成開題報(bào)告 第1～2周（2.28～3.11）
（2） 整理資料、提出問題、撰寫設(shè)計(jì)說明書草稿、熟悉Pro/E、ANSYS軟件的使用 第3～5周（3.14～4.1）
（3）理論聯(lián)系實(shí)際分析問題、解決問題，使用Pro/E、ANSYS軟件完成中型載貨汽車車架的三維設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析等部分設(shè)計(jì)內(nèi)容，中期檢查 第6～8周（4.4～4.22）
（4）改進(jìn)完成設(shè)計(jì)，改進(jìn)完成設(shè)計(jì)說明書，指導(dǎo)教師審核，學(xué)生修改 第9～12周(4.25～5.20)
（5）評閱教師評閱、學(xué)生修改 第13周（5.23～5.27）
（6）畢業(yè)設(shè)計(jì)預(yù)答辯 第14周（5.30～6.3）
（7）畢業(yè)設(shè)計(jì)修改 第15～16周（6.6～6.17）
（8）畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯 第17周（6.20～6.24）
五、參考文獻(xiàn)
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六、備注
指導(dǎo)教師意見：
簽字： 年 月 日