基于有限元分析的汽車車架優(yōu)化設(shè)計

基于有限元分析的汽車車架優(yōu)化設(shè)計,基于,有限元分析,汽車,車架,優(yōu)化,設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 設(shè)計（論文）題目:基于有限元分析的汽車車架優(yōu)化設(shè)計 院 系 名 稱: 汽車與交通工程學(xué)院 專 業(yè) 班 級: 車輛工程07-1班 學(xué) 生 姓 名: 初瀚雷 導(dǎo) 師 姓 名: 趙雨旸 開 題 時 間: 2011-03-16 指導(dǎo)委員會審查意見： 簽字： 年 月 日 開題報告撰寫要求 一、“開題報告”參考提綱 1. 課題研究目的和意義； 2. 文獻綜述（課題研究現(xiàn)狀及分析）； 3. 基本內(nèi)容、擬解決的主要問題； 4. 技術(shù)路線或研究方法； 5. 進度安排； 6. 主要參考文獻。 二、“開題報告”撰寫規(guī)范 請參照《黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書及畢業(yè)論文撰寫規(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（論文）開題報告 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 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 一、課題研究現(xiàn)狀、選題目的和意義 1）課題研究現(xiàn)狀： 在國外，從60年代起就開始運用有限元法進行汽車車架結(jié)構(gòu)強度和剛度的計算。1970年美國宇航局將NASTRAN有限元分析程序引入汽車結(jié)構(gòu)分析中，對車架結(jié)構(gòu)進行了靜強度有限元分析，減輕了車架的自重，是最早進行車架輕量化的分析。當(dāng)前，國外各大汽車公司利用有限元軟件進行車架結(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。特別是隨機激勵響應(yīng)分析備受青睞，主要是因為它可用來進行車輛的強度、剛度、振動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度計算比較早，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)強度設(shè)計分析中。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)力分析時的局限，基本上可以作為一種完全的強度預(yù)測手段。近十 年來，由于計算機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。隨著計算機軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，特別是微機性能的大幅提高及普及，在微機上進行有限元分析已不再是很困難的事，同時有限元分析的應(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)計制造，在車架設(shè)計方面積累了豐富的試驗數(shù)據(jù)和理論分析經(jīng)驗，形成了實用的結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)庫、設(shè)計改正記錄和設(shè)計規(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、強度分析(應(yīng)用于整車、大小總成與零部件分析以實現(xiàn)輕量化設(shè)計)，NVH分析(各種振動、噪聲，包括摩擦噪聲、風(fēng)噪聲等)、機構(gòu)運動分析等；建立在分析和實驗基礎(chǔ)上的種優(yōu)化方法為車架設(shè)計提供了多種實用的選擇方案，使車架設(shè)計從經(jīng)驗設(shè)計到優(yōu)化設(shè)計跨出了一大步。在關(guān)于優(yōu)化算法方面的研究，國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?，國外輕量化研究主要有以下幾個方面：(1)提出先進的設(shè)計理念，發(fā)展先進的制造工藝并通過尺寸參數(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)輕量化過程中；(3)提出新的現(xiàn)代優(yōu)化方法，并進入到結(jié)構(gòu)輕量化中；(4)利用硬件優(yōu)勢，大量考慮動態(tài)過程中的各種約束，對尺寸參數(shù)進行優(yōu)化而得到輕量化結(jié)構(gòu)。 我國早在1956年就由我國著名的數(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，在研究變分問題的差分格式中，獨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。目前，我國利用有限元法進行汽車分析已發(fā)展到普遍應(yīng)用有限元法靜強度和有限元動態(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，采用板殼和梁單元組合建立有限元模型，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機車車頂結(jié)構(gòu)建立有限元模型，應(yīng)用自己編制的遺傳算法程序，對形狀、加強筋的布置數(shù)量和位置以及截面尺寸進行了優(yōu)化，減輕重量176.4Kg。2004年5月杜海珍針對汽車典型結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法及應(yīng)用進行了研究。為了解決在刪除無效材料時可能導(dǎo)致的應(yīng)力集中問題，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某重型載貨汽車車架結(jié)構(gòu)建立有限元模型，并對車架結(jié)構(gòu)的靜、動態(tài)特性分析的進行了研究，在建立簡單的車架梁單元優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上，以車架縱梁截面尺寸為設(shè)計變量對車架進行優(yōu)化分析，從車架體積和最大變形隨著迭代過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力特性靈敏度分析的動力修改技術(shù)。建立了某農(nóng)用車車架的參數(shù)化有限元模型，并對車架進行靈敏度分析，在分析結(jié)果的指導(dǎo)下，進行了車架的動力修改，取得了良好的效果，為農(nóng)用車改型設(shè)計及推出新產(chǎn)品提供了思路和設(shè)計依據(jù)，為在工程實踐中應(yīng)用結(jié)構(gòu)動力修改和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計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，但之前的研究對靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計大都是分開進行的，對其進行動力修改，提高其動力性能，單憑設(shè)計人員的經(jīng)驗進行修改，自然避免不了盲目性，也不能做到以最小的改動達到最佳的效果，因此有必要在靈敏度分析的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計。在國內(nèi)，高等院校對基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的車輛輕量化研究發(fā)展也很多，但由于沒有完備的結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)庫和設(shè)計規(guī)范，有時只能按解剖進口車結(jié)構(gòu)來進行參照性設(shè)計。具體在車架結(jié)構(gòu)分析方面，車架的剛度分析對結(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。虛擬試驗場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、強度分析，碰撞模擬分析，空氣動力特性分析。金屬板件拉延成形特性分析等已步入實用化階段，為車架的全面優(yōu)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。國內(nèi)目前的輕量化研究主要集中在汽車一般零部件、底盤車架結(jié)構(gòu)等的改形設(shè)計方面，在產(chǎn)品設(shè)計階段引入有限元法對車架輕量化設(shè)計的研究很少。與國外相比，國內(nèi)關(guān)于在輕量化設(shè)計過程中引入新的現(xiàn)代優(yōu)化算法的研究比較匱乏，輕量化設(shè)計過程中的分析規(guī)模較小，CAD／CAE一體化在產(chǎn)品設(shè)計開發(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，國內(nèi)外不少公司、科研機構(gòu)及高等院校陸續(xù)開發(fā)了一些通用性很強的大型有限元結(jié)構(gòu)分析軟件程序，這些程序可用來分析任意規(guī)模的結(jié)構(gòu)，如整架飛機或整個汽車的結(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加利福尼亞大學(xué)伯克利分校研制的SAP、美國麻省理工學(xué)院研制的ADINA、美國國家航空與航天局研制的NASTRAN、德國斯圖加特大學(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ANSYS開發(fā)的ANSYS軟件等等。這些通用程序的研制成功，大大簡化了結(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)計軟件一樣在汽車研發(fā)過程中得到普及，有實力的汽車廠商甚至為自己的產(chǎn)品開發(fā)獨立地從事這些有限元分析軟件的二次開發(fā)。 綜合分析這些文獻可知，當(dāng)前國內(nèi)對于有限元法應(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，并對其進行了局部的修改，由于軟硬件對計算模型規(guī)模的限制，模型的細(xì)化程度不夠，因而結(jié)構(gòu)的剛度、強度分析的結(jié)構(gòu)還比較粗略，計算結(jié)果多用來進行結(jié)構(gòu)的方案比較，離虛擬試驗的要求還有相當(dāng)大的差距。 2）課題研究目的和意義： 汽車的設(shè)計過程比較復(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的主要工作裝置，車架的強度、剛度及動態(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)計方法周期長、成本高，CAD/CAE技術(shù)的在車架設(shè)計中的應(yīng)用，可以大大縮短車架開發(fā)周期、降低開發(fā)費用，提高設(shè)計質(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)問題的優(yōu)點而被廣泛使用，各種汽車結(jié)構(gòu)件都可以用有限元法進行靜態(tài)分析、固有特性分析和動態(tài)分析。在進行靜力學(xué)分析時，通過有限元分析，可看到構(gòu)件在各個載荷狀況下的變形情況，可以得到剛度、強度等各種力學(xué)性能。之后可將這些結(jié)果返回到設(shè)計過程中，修改其中不合理的參數(shù)，經(jīng)過反復(fù)的優(yōu)化，使得產(chǎn)品在設(shè)計階段就可保證滿足使用要求從而縮短設(shè)計試驗周期，節(jié)省大量的試驗和生產(chǎn)費用，它是提高汽車設(shè)計的可靠性、經(jīng)濟性、適用性的方法之一。因此，為了保證其設(shè)計的精確性和縮短設(shè)計周期，基于有限元分析，研究它的靜、動態(tài)力學(xué)特性，對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，是非常重要和必須的。 二、設(shè)計（論文）的基本內(nèi)容、擬解決的主要問題 設(shè)計的主要內(nèi)容： （1）研究汽車車架的組成、結(jié)構(gòu)與設(shè)計； （2）建立有限元計算模型； （3）研究汽車車架的載荷； （4）加載進行靜、動態(tài)分析； （5）對汽車車架的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。 擬解決的主要問題： ANSYS分析主要步驟： （1）運用ANSYS進行有限元靜、動態(tài)分析，重點進行強度分析。 （2）應(yīng)用ANSYS的 參數(shù)化語言實現(xiàn)汽車車架參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。 三、技術(shù)路線（研究方法） 四、進度安排 （1）調(diào)研、資料收集，完成開題報告 第1、2周 （2）研究汽車車架的設(shè)計步驟與設(shè)計方法，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，進行靜、動態(tài)分析 第6~9周 （5）對汽車車架的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計 第10~12周 （7）完成設(shè)計說明書的撰寫，指導(dǎo)教師審核 第13周 （8）畢業(yè)設(shè)計（論文）修改、完善 第14周 （9）畢業(yè)設(shè)計（論文）審核、預(yù)審 第15周 （10）畢業(yè)設(shè)計（論文）修改、完善 第15、16周 （11）畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯準(zhǔn)備及答辯 第17周 五、參考文獻 [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]．機械強度，2002，24. [2]Kim T，盧耀祖等．機械與汽車結(jié)構(gòu)的有限元分析[M]．上海：同濟大學(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)計中應(yīng)用[J]．客車技術(shù)與研究，2002，4：11-12. [4]王國強．實用工程數(shù)值模擬技術(shù)極其在ANSYS上的實踐[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[J]．北京：機械工業(yè)出版社，1992，10. [6]鄭兆晶．有限元應(yīng)力計算結(jié)果改善處理的一種實用方法[J]．計算力學(xué)學(xué)報，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，賈素梅．輕型車有限元分析及應(yīng)用[J]．機械強度，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)動力學(xué)建模方法研究．機械工程學(xué)報，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)計方法探討[D]．貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(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]．計算機仿真，2004,21(12)：219-222. [15]吳浩皂，吳湘燕．客車車身有限元強度分析載荷條件的確定[J]．機械工程學(xué)報，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)強度計算[D]．長春光學(xué)精密機械學(xué)院學(xué)報，1998，21(2). 六、備注 指導(dǎo)教師意見： 簽字： 年 月 日