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: 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(shí) 間: 2011-03-16 指導(dǎo)委員會審查意見： 簽字： 年 月 日 開題報(bào)告撰寫要求 一、“開題報(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、“開題報(bào)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(jì)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(jì)（論文）開題報(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 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： 在國外，從60年代起就開始運(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(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、噪聲，包括摩擦噪聲、風(fēng)噪聲等)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析等；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。總的看來，國外輕量化研究主要有以下幾個方面：(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(jìn)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(jìn)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(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(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。為了解決在刪除無效材料時(shí)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(jìn)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(jì)變量對車架進(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(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，但之前的研究對靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)大都是分開進(jìn)行的，對其進(jìn)行動力修改，提高其動力性能，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(jì)數(shù)據(jù)庫和設(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(jì)方面，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段引入有限元法對車架輕量化設(shè)計(jì)的研究很少。與國外相比，國內(nèi)關(guān)于在輕量化設(shè)計(jì)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(jì)過程中的分析規(guī)模較小，CAD／CAE一體化在產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(shí)，國內(nèi)外不少公司、科研機(jī)構(gòu)及高等院校陸續(xù)開發(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，這些程序可用來分析任意規(guī)模的結(jié)構(gòu)，如整架飛機(jī)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(jì)軟件一樣在汽車研發(fā)過程中得到普及，有實(shí)力的汽車廠商甚至為自己的產(chǎn)品開發(fā)獨(dú)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(xiàn)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(jìn)行了局部的修改，由于軟硬件對計(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(qiáng)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(jì)方法周期長、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發(fā)周期、降低開發(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、固有特性分析和動態(tài)分析。在進(jìn)行靜力學(xué)分析時(shí)，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(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(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、動態(tài)力學(xué)特性，對其結(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、動態(tài)分析； （5）對汽車車架的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 擬解決的主要問題： ANSYS分析主要步驟： （1）運(yùn)用ANSYS進(jìn)行有限元靜、動態(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、動態(tài)分析 第6~9周 （5）對汽車車架的結(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)說明書的撰寫，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. 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