節(jié)能車車架設計與優(yōu)化

節(jié)能車車架設計與優(yōu)化,節(jié)能,車車,架設,優(yōu)化 畢 業(yè) 設 計（論 文） 設計(論文)題目： 節(jié)能車車架設計與優(yōu)化 　　　　　　　　 學生姓名： 二級學院： 班　　級： 提交日期： 目錄 目 錄 摘 要 III Abstract IV 1 緒 論 1 1.1 課題研究背景及意義 1 1.2 國內(nèi)外研究形狀 1 1.2.1 車架有限元分析的研究現(xiàn)狀 1 1.3 汽車節(jié)能途徑 2 2 節(jié)能車車架設計 3 2.1 車架的設計要求 3 2.2 車架的類型選擇 3 2.3 車架的材料選用 5 2.4 車架幾何尺寸的確定 5 2.5 車架縱橫梁截面形狀尺寸的確定 6 3 節(jié)能車車架建模 9 3.1 基于UG軟件三維建模 9 3.1.1 UG軟件介紹 9 3.2 建立車架三維模型 9 4 優(yōu)化前的車架分析 12 4.1 ANSYS軟件的介紹 12 4.2 車架材料選擇和網(wǎng)格劃分 12 4.3 載荷及約束處理 14 4.4 觀察車架總體變形 15 4.5 模態(tài)分析 16 5 優(yōu)化后的車架分析 19 5.1 材料優(yōu)化 19 5.2 形狀優(yōu)化 21 6 總 結 25 參考文獻 26 致 謝 27 IV 摘要 節(jié)能車車架設計與優(yōu)化 摘 要 車架在汽車中扮演著重要角色，需要承載各種力、力矩以及連接各部件總成使它們成為一個整體。因此，車架要便于其上各總成的安裝維修，結構簡單，自身質(zhì)量小，要有足夠的強度和合適的剛度，車架形狀利于汽車重心的降低。 本課題的節(jié)能車車架以第六屆HONDA中國節(jié)能車競技賽的數(shù)據(jù)為例，使用NX UG軟件設計建立車架的三維模型并導入有限元ANSYS中分析其施加約束和載荷后的應力分布與位移變形量。在不改變形狀的基礎上選用鋁合金材料代替不銹鋼材料，還有在原有形狀上進行更改，分析對比三者之間的受力結果選擇其中最優(yōu)化的方案。 關鍵詞：節(jié)能車車架；三維建模；有限元分析；結構優(yōu)化； Abstract Energy saving vehicle frame design and optimization Abstract Frame plays an important role in the automobile, it needs to carry a variety of forces, moments and connecting the parts assembly to make them as a whole.Thus, frame to facilitate its each assembly installation and maintenance, simple structure, small mass itself, have sufficient strength and appropriate stiffness, the frame shape will help reduce the center of gravity of the car. The subject of energy saving car frame with the sixth HONDA China energy saving car racing data as an example, the use of NX UG software design 3D model frame and importing ANSYS finite element analysis of the stress distribution in applying restraints and loads post with displacement deformation.Without changing the shape on the basis of selection aluminum alloy instead of stainless steel materials, as well as changes in the original form, the results of comparative analysis of the force among select the most optimal solution. Key words: Energy saving vehicles; 3D modeling; The finite element analysis; Structure optimize; 第1章 緒論 1 緒 論 1.1 課題研究背景及意義 眾所周知，選購汽車主要看的就是其制造技術的安全性，汽車工業(yè)的歷代變革也始終以安全為首要原則。車架的作用就是在其上安裝各總成，作為一樣不可缺少的組件將發(fā)動機、底盤和車身等總成連成一個整體；同時，車架還需要承受行駛過程中來自各總成的靜載荷和動載荷。因為車架強度直接影響整車性能，關系到后期制造出來的車輛能否正常行駛以及安全程度，所以必不可少的就是對節(jié)能車車架的構造性分析[1]。 節(jié)能是全世界人民現(xiàn)在時刻都在關注的話題，同樣也關系到社會的可持續(xù)發(fā)展。現(xiàn)在預估全球汽車保有量已超8億，然而耗損的石油量占據(jù)了石油開采量的50%以上，為了使損耗降低，汽車輕量化成了解決此問題的主要手段之一。研究數(shù)據(jù)顯示，車身每次減輕10%，耗油率可縮減6%-8%。通常來說，客運汽車、載貨汽車的車架質(zhì)量占整車的60%；另外專用車車架骨架所占質(zhì)量比值則相對來說要更大。總之，減輕車架自重是現(xiàn)在汽車輕量化的動力來源，輕量化使得原材料的使用量減少、節(jié)約成本。 汽車技術雖是日新月異，但汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主題確一直是“節(jié)能、環(huán)保、安全”。汽車輕量化設計對提升車輛動力性，減輕污染與降低能源消耗，簡便結構等存在實際意義。本課題采用軟件UG來建立車架的三維模型并導入ANSYS中賦予其截面、材料等基本參數(shù)，劃分網(wǎng)格之后施加約束與載荷最后進行求解分析，得出需要的靜力與模態(tài)分析。依據(jù)分析結果通過改變車架的使用材料和更改車架形狀來進行優(yōu)化。 1.2 國內(nèi)外研究形狀 人們對汽車是否“安全、節(jié)能、環(huán)?！痹絹碓街匾暎囓嚰茏鳛橐粋€關鍵部件，其結構質(zhì)量影響著整車的安全使用及整車的經(jīng)濟性，因而對車架進行優(yōu)化設計是十分必要的。 1.2.1 車架有限元分析的研究現(xiàn)狀 早期，由于國內(nèi)外汽車技術都不發(fā)達，致使汽車車架的設計只能依靠于專業(yè)人員的從優(yōu)經(jīng)驗。通過結構力學、材料力學、彈性力學的經(jīng)驗公式，對車架的結構進行大量簡化從而分析，這樣的設計分析結果依賴于實驗驗證。雖然該法存在一定的科學性與可靠性，但是其中存在的不足之處顯而易見，不能較為準確的分析出車架結構的應力分布及剛度分布，而且也不可避免的造成車架強度的分配不均，且這樣的設計周期相對較長，后期更改比較困難，使得車架更新?lián)Q代的速度不能與現(xiàn)代產(chǎn)品生產(chǎn)競爭相適應。 車架強度有限元分析起源于60年代中期，國外對車架進行有限元法的輔助設計非?？粗?，長期的研究實驗取得了眾多的有效成果。Akin.J.E提議在車架縱橫梁連接處采用梁、板混合單元進行合適的簡化；Kim.H.S等詳細介紹了車架在極限靜態(tài)強度分析結果下指導設計。 一些國內(nèi)專家簡化車架結構使其成為一組離散型單元的集合體，即連接單元各自端點用以取代真實的車架結構；用虛位移原理建立位移方程，通過節(jié)點平衡和連續(xù)條件求解出位移解，從而求出各單元的內(nèi)力與應力；這也是國內(nèi)專家首先采用桿系有限元方法。吉林大學的袁淵利用板殼單元建立客車車架有限元模型并研究分析其結構的靜、動態(tài)特性。以車架縱梁截面尺寸為設計變量建立簡化的車架梁單元優(yōu)化模型進而優(yōu)化分析，車架質(zhì)量可以從體積和最大變形隨著迭代過程變化的曲線圖上明顯看出有所下降。 當前國內(nèi)有限元法已經(jīng)成為建立有限元模型，模擬車架的主要分析途徑；有限元法不需要對所分析的車架結構進行簡化，即可以考慮各種計算要求和條件，也可以計算各種工況，而且計算精度較高。 1.3 汽車節(jié)能途徑 （1）輕量化 輕量化途徑有兩種：一、廣泛應用高性能、低密度材料作為原材料來減輕自重，如高強度材料（高強度鋼）、輕質(zhì)材料（鋁合金，塑料，復合材料）。雖說這種方法的減重效果較快，但存在研究周期長，成本大等主要問題；二、優(yōu)化傳統(tǒng)鋼材車架達到最輕質(zhì)量。該法優(yōu)點是對于本身質(zhì)量較大，結構復雜的重型車容易實行且節(jié)約成本，空間運用變化較大。[2] （2）高效化 采用燃油直噴技術、增壓中冷技術、代用燃料、液壓成型、半固體鑄造技術、廢棄再循環(huán)等新節(jié)能技術，可以使能量最大程度的被使用，從而減少燃油量的耗損。 2 第2章 節(jié)能車車架設計 2 節(jié)能車車架設計 2.1 車架的設計要求 車架上相對安裝了動力總成、底盤總成，而直接裝載在車架之上的有車身或貨廂等，因而車架不僅是汽車的基礎部件同時也是承載基體。以防汽車在行駛過程中車架變形過大導致安裝在上面的各總成受到破壞不能正常工作，所以車架要有足夠的剛度（包括彎曲、扭轉(zhuǎn)）。以轎車為例：車身鈑金零件過早破壞或者車門關閉不嚴等諸多嚴重問題都可能是扭轉(zhuǎn)剛度不夠引起的。但載重車相反，它是扭轉(zhuǎn)剛度不宜過高但要有一定的柔性，因為在不平路面行駛時各輪軸必須適應地形，前后軸之間要有一定揉角。車架剛度不適當偶爾會影響汽車行駛性能，如前輪擺振。[3] 車架是承載部件，其受到的各種作用力分析起來較為復雜，在保證使用可靠的基礎上盡可能的減輕其自重。另外，設計車架結構時要考慮乘客的安全性，在車架上安裝能夠吸收撞擊能量的裝置。 車架結構設計的主要要求包括以下幾點[4]： （1）具有足夠強度。保證車架的主要零部件在汽車大修里程范圍內(nèi)不因受力過大而變形。 （2）具有足夠的抗彎剛度，保證車架在許可范疇內(nèi)產(chǎn)生變形，便于車架上各總成正常工作。避免車架變形量太大而使其它裝置不能正常工作，因而規(guī)定其最大彎曲撓度需滿足小于10mm的要求。 （3）具有合適的扭轉(zhuǎn)剛度。一般希望車架“兩端大、中間小”。 （4）具有較輕的質(zhì)量。車架自重一般在整車整備質(zhì)量的10%以內(nèi)，所以在滿足節(jié)能車車架強度和剛度足夠的要求下，要求減輕車架自重，以提高整車整備的輕量化水平。 歸納總結上述要求：車架結構設計時需要重點保證材料的強度、彎扭剛度合格以及車架自身的輕量化。 2.2 車架的類型選擇 目前，汽車車架的總體結構形式主要有框架式車架、中梁式車架（也稱脊骨式車架）和綜合式車架三種[5]。 如圖2.1所示框架式結構的車架包括兩種類型：邊梁式和周邊式。邊梁式車架由左、右兩根不直接相連的縱梁和若干根橫梁拼接而成，發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形所產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)作用于車架各部位。這樣的構造有利于安裝布置車身和其他主要總成，也便于改裝和變形。周邊式車架則采用縱梁“前后端窄，中間寬”的結構特點，這樣可以緩和不平路面對車輛產(chǎn)生的沖擊，減輕車內(nèi)躁聲。此外，周邊式車架縱梁中部位置的寬度接近于地板寬度，從而提升汽車的橫向穩(wěn)定性，縮短縱梁兩側(cè)安裝件的懸伸長度。前后端較窄則保證了前輪轉(zhuǎn)動空間的靈活性和后輪輪距不致于過大。但是這種車架結構形式上比邊梁式繁瑣，生產(chǎn)成本要高，材料使用量大。 圖2.1 框架式 圖2.2 脊梁式 如圖2.2所示的中梁式車架是位于車輛中央并貫穿前后的一根縱梁，因此亦稱為脊梁式車架[6]。中梁的斷面可做成箱形也可做成管形。中梁式車架的特點：能使車輪在某些路況下的轉(zhuǎn)動空間較大，保證路面與車輪的接觸性良好。在同等噸位下的車輛采用中梁式車架比邊梁式車架的質(zhì)量要輕，從而減輕了車輛的自重，同時重心較低，行駛穩(wěn)定性較為良好；車架的強度剛度相對較大，特別是抗扭剛度；中梁還有一個特殊身份就是封閉傳動軸的防塵套；不足之處就是這種車架精度要求高，工藝繁雜，給保養(yǎng)和修理帶來諸多不便。 綜合式車架也稱復合式車架，因為它是集中了框架式車架和脊梁式車架的一些設計優(yōu)點制造出來的。該車架前段是用以安裝發(fā)動機的邊梁式結構，而中后部位則引用脊梁式結構。這樣的車架結構集合了上述兩種車架的特點，使得地板的高度更低，中部的抗扭剛度更大，綜合性能較好；但是地板中間往往會形成影響后座乘客舒適感的大鼓包，加之其工藝制造較為困難，因而該類型的車架應用不夠廣泛。 由于所設計的節(jié)能車載物較少且在良好路面上行駛，因而采用框架式結構車架；車架要有供駕駛員乘坐的容積以及放置發(fā)動機的位置，邊梁式車架可節(jié)約空間則適合使用。該車架的縱橫梁同時產(chǎn)生彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況，避免其產(chǎn)生應力集中。 通過比較下圖2.3和圖2.4所示的上浮式車架和下浮式車架這兩種邊梁式車架結構。在相同材料和截面尺寸下，后者相較于前者而言強度、剛度要好，且構造簡便，質(zhì)量較輕。輕量的整車車身安裝在這種焊接技術較為強悍的梯形車架上，不但能緩解汽車在行駛過程中受到路面作用的強烈沖擊，而且便于駕駛員的操縱簡易性。另外，下浮式車架在保證了強度足夠、剛度合適外，而且結構簡單，制作簡便，因此最終選用下浮式車架結構。 圖2.3 上浮式　　　　　　　　 圖2.4 下浮式 2.3 車架的材料選用 節(jié)能車車架的材料選用需考慮如強度和剛度、材料成本的高低以及方案設計制作的方便可行性等眾多要素。概況要點之后主要有下面三種材料可供選擇： （1）槽鋼?，F(xiàn)在制作車架最成熟的材料就是槽鋼，其截面形狀為凹槽形，它具有高強度、高抗扭能力，承載性能好，其次成本較低且方便焊接。使用槽鋼制作出來的車架滿足節(jié)能車的剛度要求，穩(wěn)定和牢固也滿足了安全性要求；但是車架制作出來后質(zhì)量較大，不能達到節(jié)能車要求的節(jié)能效果。 （2）鋁合金。用鋁合金制作的車架較其他材質(zhì)的車架更為輕便，是現(xiàn)在車架使用較為時興的材料，鋁合金已運用于一些節(jié)能車及高檔車領域。鋁合金車架雖然滿足了節(jié)能車車架制造要求的強度剛度及焊接技術，但價格比較昂貴、焊接技術復雜。 （3）不銹鋼。相對槽鋼來說不銹鋼質(zhì)量更輕，強度性能變化較小，且抗腐蝕性能好，從而成為現(xiàn)在節(jié)能車車架廣泛使用的材料。不銹鋼制造出來的車架能減輕整車質(zhì)量，符合節(jié)能要求；現(xiàn)在不銹鋼的焊接技術滿足車架的剛度、強度要求，能保證車架的穩(wěn)固牢靠性，符合制作要求。 綜合考慮上列三種材料的強度、剛度、焊接技術、穩(wěn)定性以及制作成本等方面的性能，決定此次優(yōu)化之前的節(jié)能車車架選用較為普遍的不銹鋼材質(zhì)。 2.4 車架幾何尺寸的確定 分析以往節(jié)能車車架的設計經(jīng)驗得出一個道理：車架尺寸越小，結構越緊湊，節(jié)能效果越好。根據(jù)第六屆HONDA中國節(jié)能車競技賽確定節(jié)能車外廓尺寸如下： 車身外廓尺寸確定車架幾何尺寸。 車架幾何尺寸主要包括：車架總長、總寬、總高以及縱橫梁截面尺寸。 節(jié)能車車架長度即縱梁長度主要取決于節(jié)能車外廓尺寸。車架中主要承載的元件是縱梁，由于該節(jié)能車車架不僅是承載式車身也是駕駛艙，車架外殼尺寸及結構形式確定了車架長度（此車架總長綜合考慮了軸距和駕駛員身高），即整體式縱梁在X方向上的長度為1620mm，滿足設計要求。 車架寬度指左右縱梁腹板最外側(cè)之間的距離，其取決于輪距。車架寬度設置愈寬可提升整車橫向穩(wěn)定性；但是當前輪做最大偏轉(zhuǎn)時，不允許和車架相碰，限制了車架寬度；許多因素對車架寬度的要求往往是相互矛盾的[2]。為了滿足設計要求節(jié)能車車架寬度為350mm。 車架高度取決于整車高度，考慮到本身也是車身骨架的車架在節(jié)能車行駛過程中的穩(wěn)定性，兼顧整車的質(zhì)量限制，確定車架高度為450mm。 車架的總布置尺寸如圖2.5： 圖2.5 車架總體尺寸 2.5 車架縱橫梁截面形狀尺寸的確定 車架中主要承載的元件是縱梁，各裝置總成集中的垂直載荷通過各裝置點作用在縱梁上，前、后鋼板彈簧反作用于縱梁使其成為一根承受彎曲載荷的梁[3]。其形狀應該力求簡單，斷面沿長度方向沒有變化或者變化較小，以簡化工藝。初步估算，節(jié)能車車架所受到的最大應力與最小應力之間差值較小，所以車架縱梁采用等截面材料。根據(jù)縱梁受載的情況，縱梁的截面形狀有：開口的槽形、Z形截面及閉口的箱形截面，還有一些疊槽形、工字型、和管形截面。 槽形截面的縱梁主要承受彎曲載荷且便于裝配。雖然槽形截面的抗扭剛度遠遠不如閉口截面，但若將縱梁做成一些封閉截面，則縱梁側(cè)面一些裝了油箱、蓄電池等的支架安裝起來就會困難得多。[3] 疊槽形的閉口截面是在槽形截面上的加強設計，其抗扭能力比槽形截面強。 Z形截面和工字形截面的車架簡化了工藝裝備，但是由于縱梁上翼面向外凸出，不便于在縱梁腹板上安裝油箱等總成。 箱形閉口截面的抗扭剛度比較高；管形截面的優(yōu)點是結構簡單，節(jié)省材料，容易彎曲；缺點是在相同轉(zhuǎn)動慣性矩下用料較多且不便于構件間的連接。 橫梁的作用就是連接左、右兩縱梁形成一個整體框架，不僅用來保證車架的抗扭剛度和承受縱向載荷，而且還用來支承汽車上的主要部件[7]。橫梁往往以其所在位置來稱呼，如前橫梁、發(fā)動機后懸置橫梁、中橫梁等，這樣更容易熟悉、理解[3]。該車架采用管形橫梁，它的好處是結構簡單、節(jié)省材料，滿足輕量化要求。 縱梁和橫梁之所以均采用管形結構，是因為該車架所受的彎矩和扭矩不大，且在長度方向上縱梁需要進行彎曲變形的工藝處理，節(jié)能車車架的自身質(zhì)量較輕。 在結構設計時，初步確定縱梁方管的截面尺寸(即長，寬和壁厚)須作如下幾點假設：縱梁作為支承前后軸的簡支梁，整車的裝載質(zhì)量均作用在簡支梁上，所有內(nèi)外載荷均通過截面形心(忽略局部扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的影響)。 車架簡化為如圖2.6所示的簡支梁模型。 圖2.6 簡支梁模型 節(jié)能車車架設計步驟如下： 彎矩計算過程：點和點為車輪安裝位置點，和為車輪作用于車架的反作用力，為發(fā)動機均布載荷，為駕駛員均布載荷，發(fā)動機質(zhì)量為，已知駕駛員重量為計算可知： 車架彎矩圖如圖2.7所示。 圖2.7 車架簡支梁彎矩圖 由圖可知，梁上的最大彎矩為。汽車在行駛過程中需要考慮所受動載時的最大彎矩，因而最大靜彎矩需乘以動載系數(shù)k。由于節(jié)能車的行駛路況良好，故k取1.5，實際行駛過程中會遇到最高路障，所以此動載系數(shù)的選取考慮了上述存在的可能性。。 縱梁截面尺寸的確定： 由于縱梁在長度X方向上的截面尺寸沒有變動，所以彎曲應力的最大值處于其最大彎矩處。 設b為方管長度(單位mm)，壁厚取12mm，則方管內(nèi)的空心部分長度為b-2.4。 確定該節(jié)能車車架使用厚度為12mm的25mm×25mm方管。 8 第3章 節(jié)能車車架建模 3 節(jié)能車車架建模 3.1 基于UG軟件三維建模 目前在虛擬平臺建立三維模型的建模軟件種類繁多，如UG、CATIA、Pro/E、CAD等眾多軟件。本課題的車架設計選用了三維建模軟件UG。UGS PLM提出的新一代數(shù)字化產(chǎn)品NX具有知識管理基礎，NX的特色之處就是可以管理生產(chǎn)和系統(tǒng)性能知識，每一步設計決策都由已知準則來決定，工程專業(yè)的技術人員通過變革驅(qū)動產(chǎn)品的革新創(chuàng)造出了更大的利潤。 產(chǎn)品制作早期從觀點到生產(chǎn)過程都集中成一個實現(xiàn)數(shù)字化管理和協(xié)作的框架中，一步步的改善使得NX通過了無可匹敵的全范圍產(chǎn)品檢驗運用和過程自動化工具?？蛻粼诳紤]如何降低成本、縮減進入市場時間的過程中看到了NX以往為其他客戶提供的高質(zhì)量解決方案，從而認識到NX可以全方位改善他們所遇到的困難。通過使用NX將注意力放在跨越整個產(chǎn)品周期的技術創(chuàng)新上再次驗證了NX的成功。 3.1.1 UG軟件介紹 制造廠商設計一個未來產(chǎn)品的工作流程包含項目前階段—具體的設計—分析—模擬—組裝—維護。剛好美國通用公司開發(fā)出的一款作為PLM協(xié)同解決方案重要組成部分的旗艦解決方案UG可以很好的完成廠商的設計要求。 設計對象的混合建模：在UG建模環(huán)境中，做到了實體和曲面的真正互操作；變量和參數(shù)化混合建模：在設計建模過程時，由于UG提升了變量驅(qū)動及后參數(shù)化能力進而不必考慮如何參數(shù)化設計目標；幾何和智能工程混合建模：UG具有在整個周期內(nèi)方便用戶修改的能力以及擁有智能化的樹結構，便于客戶后期對實體模型或曲面模型進行重復修改，尤其是設計后期出現(xiàn)重大問題也可進行修改，即使對原方案進行更新?lián)Q代也可以。企業(yè)可將前期積累的經(jīng)驗知識放置在UG知識庫內(nèi)，方便后期用于企業(yè)新人的栽培，指導新車型的開發(fā)，縮短推入市場的周期。UG模塊基于一個平臺，設計的三維模型修改全體現(xiàn)在二維平面以及有限元分析，模具和數(shù)控加工程序中，體現(xiàn)了各模塊之間真正的全相關性。UG提供的多模型鏈接工作環(huán)境及混合建模方式，使得周期大大縮減的并行工程設計模式已不再是新興概念，可協(xié)同工作又不相互牽連的模式使得各分系統(tǒng)工作人員只在總體設計部門發(fā)放出基本結構尺寸后便可開始工作。真正的并行工程設計環(huán)境是上游設計的修改直接影響下游工作的刷新，上游設計結果可作為下游的參考得益于模型之間存在的互相聯(lián)接性。 3.2 建立車架三維模型 進入UG軟件的[任務環(huán)境中的草圖]界面，將XC-YC平面作為車架設計的主要平面，繪制出相應的樣式之后退出草圖界面，回到[建模]界面進行拉伸，經(jīng)過一系列類似的重復操作，利用UG軟件建立了如圖3.1的車架三維模型以及主視圖3.2、俯視圖3.3、左視圖3.4。 圖3.1車架三維模型 圖3.2 主視圖 圖3.3 俯視圖 圖3.4 左視圖 11 第4章 優(yōu)化前的車架分析 4 優(yōu)化前的車架分析 4.1 ANSYS軟件的介紹 分析軟件各式各樣，其中最具有代表性的有：ANSYS、SAP系列、ADINA、ASKA以及I-DEAS等等。這些功能強大的有限元軟件，不但可以分析線性問題還可以分析非線性的動態(tài)特性問題，同時也可以分析單個實體或者多個實體的結合體。ANSYS是大型通用有限元分析軟件，其集中了結構、電場、聲場、流體、磁場和耦合場。ANSYS軟件提供的一個連續(xù)改進的功能清單主要包含：電磁分析、接觸分析、計算流體動力學分析、結構高度非線性分析、自適應網(wǎng)格劃分、優(yōu)化設計、利用ANSYS參數(shù)設計語言（APLD）的擴展宏命令功能及大應變/有線轉(zhuǎn)動功能。產(chǎn)品設計過程中，用戶可以通過運用對話框、下拉式菜單和子菜單進行數(shù)據(jù)輸入和功能選擇，對產(chǎn)品性能進行仿真分析；這種方法方便用戶操作的同時易于發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品出現(xiàn)的問題，節(jié)約設計成本，減短設計周期，提高設計成功率。 Workbench是ANSYS公司開發(fā)研究的協(xié)同仿真環(huán)境，它給產(chǎn)品研發(fā)流程帶來革命性的變化，它能解決企業(yè)研發(fā)產(chǎn)品過程中軟件CAE的異構問題。面對如今制造業(yè)信息化潮流、數(shù)不勝數(shù)的仿真軟件、保留企業(yè)智力資產(chǎn)等眾多工業(yè)需求，ANSYS公司的觀點一直都是：“保持核心技術多樣化的同時，建立協(xié)同仿真環(huán)境”。所有與仿真工作相關的人、技術、數(shù)據(jù)在這個統(tǒng)一環(huán)境中協(xié)同工作，各類數(shù)據(jù)之間的交流、通訊和共享皆可在這個環(huán)境中完成。 4.2 車架材料選擇和網(wǎng)格劃分 利用UG軟件畫出如圖4.1簡化車架的線體圖，以IGS的格式保存之后導入ANSYS workbench中，點擊標題欄中的View下的Shaded exterior賦予線體模型截面，在DM界面生成車架的三維模型，如圖4.2所示。 圖4.1 車架線體模型 圖4.2 Workbench中車架有限元模型 在ANSYS中選用不銹鋼作為車架首次分析的材料，具體操作步驟如圖4.3所示：雙擊B2中的Engineering Data,進入材料設置界面，在彈出的快捷菜單Outline Filter中選擇A3欄General Materials,然后單擊Outline of General Material的B10欄的加號按鈕。 圖4.3 材料選擇 對于有限元來說，劃分網(wǎng)格是其中最關鍵的一個步驟，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響解算的精度和速度。ANSYS Workbench的網(wǎng)格劃比較智能，具有自由網(wǎng)格、掃掠網(wǎng)格、映射網(wǎng)格等多重控制方法。點擊DM 界面分析樹Mesh，在出現(xiàn)的Details of “Mesh”框中將相關性Relevance設置為最高100，網(wǎng)格劃分的元素大小Element Size設為10mm,屬性設置完成右擊Mesh點擊Generate Mesh對車架進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分越小，分析結構就越接近于實際存在的情況。最后劃分出來的網(wǎng)格如圖4.4。 圖4.4 網(wǎng)格劃分 4.3 載荷及約束處理 此車架所承受的力主要包括：駕駛員重力400N；發(fā)動機重力150N；外殼及其他附件重力100N。車殼通過四周的四個安裝點與車身連接，故將車殼和一些其他小附件的重力分散為4個分力作用在車架四周。給車輛后方的發(fā)動機施加一個集中力。人體上半身重量與下半身重量的比值約為9:5。車架中間位置放置駕駛員座位，上半身質(zhì)量作用于臀部的力為256N，腿部中間位置作用于下半身的重力為144N；節(jié)能車車輪采用“兩個前輪、一個后輪”的裝置樣式。因為需要滿足總體設計簡單輕便的要求，所以此次設計的節(jié)能車沒有設置彈性懸架系統(tǒng)。車架施加約束載荷后的分布如圖4.5所示。[8] 圖4.5 車架載荷約束的分布圖 約束分為彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況。汽車在較為平整路面上勻速直線行駛時模擬計算得到的應力分布和變形情況主要是彎曲工況，此時安裝的車輪三個平面平行，只需約束兩前輪在UX、UY和UZ3個方向上的自由度及后輪在UZ方向上的自由度。而彎扭工況下的車輪三個平面不平行，左前輪則懸空，只約束右前輪在UX、UZ方向上的自由度和后輪在UX、UY和UZ3個方向上的自由度，其余自由度釋放。 4.4 觀察車架總體變形 對車架添加位移約束和載荷后，分析求解出應力分布和位移狀況。如圖4.6~圖4.8所示的就是計算分析出來的應力分布圖、位移變形量和總變形分布圖。 圖4.6 應力分布圖 圖4.7 位移變形圖 圖4.8 總變形分布圖 從求解出來的圖4.6和4.7可以看出此次使用不銹鋼材料的車架計算分析出來的最大應力為40.292MPa，最大位移為1.321 mm。顯然節(jié)能車車架的強度、剛度和變形量均在安全范圍之內(nèi)。 4.5 模態(tài)分析 車架在行駛過程中所受到外部激勵主要有兩種：一、一般頻率在20Hz左右的隨機振動；二、工作時，發(fā)動機燃燒所產(chǎn)生的壓力與活塞往復運動生成的慣性力引起的簡諧振動，此類頻率范圍較寬。如果車架某一固有頻率重合與上述兩種頻率，則會產(chǎn)生共振造成車架損壞的危險性。因此，需要分析車架固有頻率及振型，以避免發(fā)動機活塞運動的激勵頻率與車架產(chǎn)生共振現(xiàn)象。 選擇Workbench主界面Toolbox 模塊下的Modal選項進行一系列的操作，用蘭索斯法的模態(tài)提取方法提取出車架空載狀態(tài)下的固有頻率及相應振型。并設定提取的模態(tài)階數(shù)為10，起止頻率分別為0和100Hz，提交計算得出結果如表1和圖4.9～4.12所示。 模態(tài)階數(shù) 自由模態(tài)固有頻率 [Hz] 振型特點 Y方向旋轉(zhuǎn) 俯仰 Z方向平移 Z方向旋轉(zhuǎn) X方向旋轉(zhuǎn) Y方向旋轉(zhuǎn) 彎曲 彎曲和扭轉(zhuǎn) S型彎曲 S形側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn) 表1 車架前10階固有頻率及振型 圖4.9 第七階固有振型 圖4.10 第八階固有振型 圖4.11 第九階固有振型 圖4.12 第十階固有振型 對該節(jié)能車而言，應避免車架低階頻率與發(fā)動機低怠速運轉(zhuǎn)狀況下的頻率發(fā)生共振。此外，還要考慮車輛最高速度與最佳節(jié)油效果時的發(fā)動機運轉(zhuǎn)頻率。車輛最高轉(zhuǎn)速為40km/h，根據(jù)傳動方面的計算，此時發(fā)動機轉(zhuǎn)速為4263rpm,運轉(zhuǎn)頻率為35.5Hz，未與車架固有頻率重合。發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速為900rpm左右，對應頻率約為6.6Hz，未與車架固有頻率重合；在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為3500rpm~4000rpm這個范圍內(nèi)，發(fā)動機的燃油消耗率最小為304g/km，此時發(fā)動機的運轉(zhuǎn)頻率為29.1~33.3Hz，未與車架固有頻率重合。[8] 25 第5章 優(yōu)化后的車架分析 5 優(yōu)化后的車架分析 設計節(jié)能車車架結構的重要前提是滿足質(zhì)量輕且各方面性能達標的要求，使車架具有成為汽車總成所存在的意義。進行經(jīng)驗設計求解出的近似值精度不夠高，在傳統(tǒng)車架的設計方面人類運用的是不夠準確和科學的類比思想。車架的某些局部應力較高、大范圍的應力水平較低的現(xiàn)象可以從車架靜力分析的結果圖上知曉，優(yōu)化強度的空間很大，因此減輕車架質(zhì)量，降低制作成本的優(yōu)化設計不可或缺。 上文進行分析的車架采用了不銹鋼材料，經(jīng)過有限元分析之后可以看出來設計的車架有足夠優(yōu)化的空間，為此針對材料方面進行了優(yōu)化，采用了比不銹鋼更為輕型的鋁合金。此次利用ANSYS Workbench12.0進行了靜力分析，具體操作如下： 5.1 材料優(yōu)化 打開Workbench界面，如圖5.1通過右擊Toolbox下的Static Structural中A3欄Geometry，選擇Import Geometry /Browse導入已經(jīng)保存好的車架igs格式的文件。 圖5.1 導入車架 雙擊A2中的Engineering Data，進入材料設置界面，如圖5.2在彈出的快捷菜單Outline Filter中選擇A3欄General Materials，然后單擊Outline of General Material的A4欄的加號按鈕。 圖5.2 材料選擇 雙擊A4欄的modal進入DM界面，點擊分析樹下的mesh，將相關性和元素尺寸分別設置為100、10。再右擊mesh選擇出現(xiàn)選項中的Generate Mesh，則出現(xiàn)如圖5.3的網(wǎng)格劃分圖。 圖5.3 網(wǎng)格劃分 約束和載荷的施加與上章中一樣，在此就不再次說明了。 對車架添加約束和載荷后，點擊DM界面分析樹下的Solution再點擊標題欄的Solve，軟件就會對車架進行求解，包括應力求解和位移求解。如圖5.4、圖5.5所示的就是車架分析得出后的應力云圖和位移云圖。 圖5.4 應力云圖 圖5.5 位移云圖 此次車架的靜力分析得出的最大應力為19.857Mpa，最大位移為0.635mm，與不銹鋼材料車架的應力和位移變形量相比，其值遠遠減少。滿足強度、剛度要求的前提下，達到了車架優(yōu)化的要求。 5.2 形狀優(yōu)化 為了能夠有更多的優(yōu)化對比，又建立了一種在原有車架基礎上稍作變動的新車架模型，下面是此模型的靜力分析步驟及圖形。 打開Workbench界面，如圖5.6通過右擊Toolbox下的Static Structural中A3欄Geometry，選擇Import Geometry /Browse導入已經(jīng)保存好的車架igs格式的文件。出現(xiàn)如圖5.7的有限元三維模型。 圖5.6 導入車架 圖5.7 有限元三維模型 雙擊A2中的Engineering Data，進入材料設置界面，如圖5.8在彈出的快捷菜單Outline Filter中選擇A3欄General Materials，然后單擊Outline of General Material的A4欄的加號按鈕。 圖5.8 材料選擇 雙擊A4欄的modal進入DM界面，點擊分析樹下的mesh，將相關性和元素尺寸分別設置為100、10。再右擊mesh選擇出現(xiàn)選項中的Generate Mesh，則出現(xiàn)如圖5.9的網(wǎng)格劃分圖。 圖5.9 網(wǎng)格劃分 約束和載荷的施加與上章中一樣，在此就不再次說明了。 對車架添加約束和載荷后，點擊DM界面分析樹下的Solution再點擊標題欄的Solve，軟件就會對車架進行求解，包括應力求解和位移求解。如圖5.10、圖5.11所示的就是車架分析得出后的應力云圖和位移云圖。 圖5.10 應力云圖 圖5.11 位移云圖 修改形狀之后的應力、位移圖已經(jīng)通過ANSYS分析得出，最大應力為22.857Mpa，最大位移為0.425mm。 對比結果如表2 表2 分析對比 名稱 應力（Mpa） 位移(mm) 質(zhì)量(kg) 方案1：不銹鋼原車架 40.292 1.321 24.743 方案2：鋁合金原車架 19.857 0.635 12.956 方案3：鋁合金新車架 22.857 0.425 16.231 上表明確顯示了三種方案的應力、位移和質(zhì)量。不銹鋼原車架就不考慮了，對于方案2、3各有特色，在輕量化的基本要求下我認為最終使用方案2比較合適，因為方案2的位移雖然比方案3的位移大，可是兩種之間的差距很小，而且方案2的車架質(zhì)量相對來說要小，綜合考慮之下認為方案2是三者之間最優(yōu)化的。 第6章 總結 6 總 結 此次畢業(yè)設計的課題在基于UG和ANSYS的基礎上設計了節(jié)能車的車架，收集相關的資料，分析以往節(jié)能車車架的設計要點是前期的準備工作。以第六屆HONDA中國節(jié)能車競技大賽的數(shù)據(jù)為例確定車架基本結構及尺寸。對車架的主體進行簡化的三維建模，針對三維建模軟件UG與分析軟件ANSYS進行了介紹。將模型導入ANSYS Workbench中進行靜態(tài)分析，通過變換制作材料以及改變形狀來得到優(yōu)化。 本次節(jié)能車車架的優(yōu)化設計我主要在制作材料上一開始選擇了較為普遍的不銹鋼，引用了較為先進的UG軟件三維建模，ANSYS軟件進行處理分析。在保持尺寸形狀不變的基礎上，使用了比不銹鋼更為輕型的鋁合金對原有車架再次進行靜力分析，分析對比了兩者之間的應力及位移圖，更改車架結構形狀賦予其鋁合金材料再進行分析，三者之間進行應力位移的對比，得出最優(yōu)的結構設計。 當然設計中依然存在著不足之處，在滿足剛度和強度的前提下，我們可以進行多方面的優(yōu)化更改，去除多余尺寸、改變外形、使用更為先進的材料等，從而達到最大程度的優(yōu)化。 參考文獻 參考文獻 [1] 劉濤.汽車設計[M].北京:北京大學出版社，2008,1. 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[20]蒲廣益.ANSYS Workbench12基礎教程與實例詳解[M].北京：中國水利水電出版社，2010.10. 27 致謝 致 謝 畢業(yè)設計即將完成，答辯結束也意味著大學四年的生活將畫上一個完滿的句號。在完成畢業(yè)設計的這段時間里非常感謝凌秀軍老師給予我的幫助，讓我在實習期間有更加充裕的時間可以來書寫畢業(yè)設計所涉及到的各類資料。在課題一開始的選題以及接下來的開題報告、外文翻譯和大綱上老師悉心指導，校正錯誤。在最重要的設計說明書上老師更是多次為我指點迷津，幫我開拓思路，一針見血的指出我存在的問題，讓我少走彎路、少做無用功，老師認真、嚴謹?shù)膽B(tài)度深深的感染了我，這將是我以后在工作和生活中都一直需要學習并且保持的。 此外還要感謝我的父母，感謝他們多年來在經(jīng)濟、精神和生活上給予我支持、理解和鼓勵以及給了我良好的家庭教育。他們不遺余力的支持是我心中永遠的明燈，指引著我前進，祝愿他們身體健康，幸福快樂。 最后向所有幫助過我的老師、同學、以及抽出寶貴時間對我論文進行評審的專家們表示最誠摯的謝意!也祝福大家今后工作順利，事事如意。