某貨車車架輕量化設計【三維CATIA】【含9張CAD圖紙、說明書】【QX系列】

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本科畢業(yè)論文（設計） 開 題 報 告 論文題目 某貨車車架輕量化設計 - 1 - 1．課題研究的目的和意義 汽車問世百余年來，特別是從汽車產品的大批量生產及汽車工業(yè)的大發(fā)展以來，汽車為世界經濟的大發(fā)展、為人類進入現(xiàn)代生活產生了無法估量的巨大影響。今天，在發(fā)達國家，汽車的普及已經達到很高的程度，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低于發(fā)達國家水平，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)經過50年的風雨歷程，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，人類面臨著嚴重的能源危機，節(jié)能環(huán)保成為工業(yè)領域不可避免的課題，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)的產物，在推動人類文明向前躍進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任。目前世界汽車的保有量超過6億輛，每年新生產的各種汽車約3500萬輛，汽車每年的石油消耗量約占世界每年石油產量的一半以上。隨著人們對環(huán)境保護的日益重視，以緩解石油資源緊缺所帶來的能源危機，節(jié)能環(huán)保技術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]。普遍認為客車、貨車的車架骨架質量占整車質量的60%，對于專用車，車架所占的質量比例則更大，因此減小車架質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構使之受力合理，等強度及等壽命設計。對重型車的車架進行以減輕自重為目標的結構優(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量，一定程度上起到節(jié)能的作用。最終達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，減輕載貨車車架質量。 2．國內外研究現(xiàn)狀 受到能源和環(huán)境保護的壓力，世界汽車工業(yè)很早就開始了輕量化的研究。雖然應用輕金屬、現(xiàn)代復合材料是現(xiàn)代車輛輕量化研究的熱點之一，但是這些新材料應用在主要承載部件上的成本較高，因此在短時間內很難普及[4]。另一方面， 車輛的傳統(tǒng)材料——鋼材，由于其強度高、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試制的車身總質量比對比車的平均值降低25%，同時扭轉剛度提高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，全世界范圍內對基于結構優(yōu)化的輕量化技術也進行了大量的研究。韓國漢陽大學J.K.Shin、K.H.Lee、S.I.Song和G.J.Park應用ULSAB的設計理念和組合鋼板的工藝，對轎車前車門內板進行了結構優(yōu)化，成功地使前車門內板的質量減重8.72%，此技術己在韓國一家汽車企業(yè)中得到應用[9]。 通用汽車公司的R.R.MAYER、密西根大學的N.KIKUCHI和R.A.SCOTT應用拓撲優(yōu)化技術以碰撞過程中最大吸收能量為目標對零件進行優(yōu)化設計。此技術 已應用到一款轎車的后圍結構上[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，以質量為優(yōu)化目標，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]。 從上面的文獻中,可知國外的汽車結構輕量化研究主要可分為四類: (1) 提出先進的設計理念，發(fā)展先進的制造工藝并通過尺寸參數(shù)優(yōu)化而得到新的輕量結構； (2) 將拓撲優(yōu)化和形狀優(yōu)化引入到結構輕量化過程中； (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)進行優(yōu)化而得到輕量結構，主要強調安全性； (4) 提出和應用新的現(xiàn)代優(yōu)化算法，并引入到結構輕量化過程中、 國內對基于結構優(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)大學的黃金陵曾經在對影響車架結構強度和剛度的因素進行理論分析的基礎上，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]。河北工學院的馮國勝曾經在有限元分析的基礎上，采用復合形法和罰函數(shù)法對汽車車架結構參數(shù)進行了實例優(yōu)化計算[14]。此外，國內對轎車和客車的結構輕量化做了大量的研究[15~18]。 由國內外的研究現(xiàn)狀可以看出，目前國內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，真正將輕量化應用到重型車和專用車結構方面的還相當少。對于車架占據(jù)絕大部分質量的專用車輛來說，減小其車架質量可為車輛輕量化提供最大的潛力挖掘空間。 依據(jù)國內外研究現(xiàn)狀，目前對轎車和客車骨架應用有限元法進行靜力分析和模態(tài)分析，并在此基礎上對結構進行分析和改進己是常用的技術手段，但對于一些需求量相對較少，產量不高的重型車和專用車，有限元技術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計、分析和結構優(yōu)化工作中，既解決企業(yè)設計生產過程中的實際問題，也有較高的應用價值。 3. 本課題的研究內容及技術方案 本文的研究對象為EQ1290W載重汽車車架，論文的任務側重于對車架 的結構有限元分析，完成其輕量化設計研究。主要內容包括： 1. 車架設計 參照EQ1290W載重汽車相關參數(shù)進行車架設計； 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行加載,分析各種工況下車架的靜態(tài)強度和剛度,對靜態(tài)性能進行評估； 4. 車架質量的優(yōu)化設計 在滿足強度和剛度的前提下，使其質量盡可能小，并做優(yōu)化后的結構分析，檢驗方案的可行性； 4. 本設計的特色 ANSYS是大型的通用有限元軟件，其功能強大，可靠性好，具有強大的結構分析能力和優(yōu)化設計模塊，因而被國外大多數(shù)汽車公司所采用。 本文將基于ANSYS建立車架結構的實體單元模型，對汽車車架結構進行靜力的研究。首先，對ANSYS進行了簡要的介紹，為車架結構進行有限元分析做好準備工作；其次，以某重型載貨汽車車架結構為研究對象，利用ANSYS建立了車架結構有限元的實體單元模型，對車架建模過程進行了研究；再次，對車架結構的靜態(tài)特性進行深入研究，對車架進行性能分析評價；最后，建立車架結構簡單的梁單元優(yōu)化模型，以車架縱梁截面尺寸作為設計變量，以車架總體積為設計目標，運用ANSYS優(yōu)化模塊對車架結構的輕量化設計進行有益的嘗試。 5. 進度安排 第1周至第3周：搜集資料，寫開題報告； 第4周至第7周：確定車架的基本結構； 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：輕量化設計； 第17周：撰寫說明書； 第18周：準備答辯。 6. 參考文獻 [1]靳福來，汽車輕量化技術現(xiàn)狀，汽車技術，1995，7：56—58 [2]華潤蘭，論汽車輕量化，汽車工程，1994，209(6)：375—383 [3] B.Honf., G.Bremana, Light-weight Body-current Status and Future Challengers, Chenises-German Ultra-Light Symposium, Beijing, 2001, (9):201~207 [4] 馮美斌，汽車輕量化技術中新材料的發(fā)展及應用，汽車工程，2006，28(3)： 213~220 [5] Ultra-Light Steel Auto Body Final Report, Porsche Engineering Services, Inc. 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