4 中国轻工业联合会科学技术奖申报书

4、中国轻工业联合会科学技术奖申报书 （2011 年度） 一 、 项 目 基 本 情 况 专业评审组： 序号： 编号： 技术发明奖 申报奖励等级 技术开发类 成果推广应用类奖 类 技术进步奖 工人创新类 重大工程类 社会公益类 中文 电动自行车结构动态设计理论方法的研究项目 名称 英文 主要完成人 主要完成单 位 项目名称可否公 布 密 级 定 密 日 期 保密期限(年) 申报单位 （盖章） 定密审查机构 主 题 词 1 代码 2 代码学科分类 名 称 3 代码 所 属 行 业 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 其 它 项目任务来 源 A A1 A2 A3 A4 B C D D1 D2 E F G H I 具体 计划 (基 金 )名称和编 号 天津市应用基础研究计划重点项目：电动自行车结构动态设计理 论方法的研究合同编号: 07JCZDJC09200 项目起止时 间 起止： 年 月 日 完成： 年 月 日 申报单位 联 系 人 E-mail: 2 邮 编 通信地址 联系电 话 移动电话 注：填表此申报书前，请务必阅读申报书填写说明 中国轻工业联合会科 技办公室制 3 二、项目简介 项目所属科学技术领域、技术内容、技术经济指标、应用推广及效益情况等： 我国电动自行车的年产量从 1998 年的 5.86 万辆，发展到 2009 年的 2369 万辆， 占世界总产量的 90%以上。目前 电动自行车全国保有量已经接近 1.4 亿辆。但在电 动自行车行业取得巨大发展的同时，也逐渐显露出一系列质量问题。在 2006、2008 年国家、地方等质量检测机构 对电动自行车产品进行的几次抽查结果表明，产品抽 样合格率在 70-90%。问题包括主要结构部件振动性能测试不合格、把立管静负荷较 小，整车质 量超重，最高速度超标。另外，由于车架、前叉断裂造成人身伤害的事件 时有发生。 针对电动自行车目前存在的问题，本项目采用 ANSYS 软件建立了包含运动副 的全悬架电动自行车的整车结构的动态性能分析模型；建立了基于标准路谱的随机 和梯形路面冲击的人-车- 路 环境下的刚柔耦合动力学仿真模型；在此基础上基于密 度法利用 HyperWorks 软件 进行了主要构件的 结构拓扑优化及整车车架的尺寸优化， 设计出新的电动自行车新车架，使整 车动态性能得到改善。采用多刚体理论建立了 电动自行车正面碰撞形态建模并仿真，用以研究 电动自行车车架的碰撞特性及骑手 的动力学行为特性和保护。 具体技术方案为： 1. 利用有限元法建立了电动自行车整车主要构件及整机的有限元模型，对整 车结构进行了有限元静力学分析， 对主要构件进行了结构材料的壁厚对模态频率的 灵敏度分析及整车的谐响应分析与壁厚的静力学优化分析；其关键技术为运动副的 建立。 2. 建立了多自由度的整机动力学分析模型及采用人体模型的整机刚体及刚柔 耦合模型；建立了基于标准路谱的随机激励路面输入模型和模拟路障的路面模型， 并进行了动力学性能分析与优化比较；其关键技术为人车路模型的构建方法。 3. 通过动力学分析数据，建立了主要结构件的拓扑优化模型。根据拓扑优化模 型加工制造的主要结构件， 动态性能得到了提高。通过对整车车架的尺寸优化， 获 得了轻量化的车架结构。其关 键技术为结构拓扑优化模型的建立及动力学数据的融 合。 采用该理论与方法所研制样机的主要结构部件的振动性能指标达到15万次以 上。较现 有国标的7万次提高 约100%。将 该研究成果 应用于天津大奥电动技术开发 有限公司电动自行车结构的优化和改造，使因车体结构不合理引起的电动自行车不 4 合格率大幅度的降低至5%以下。目前该理论与方法已应用到多个电动自行车生产 企业，并取得了良好的效果。 本课题还建立了电动自行车与障碍正面碰撞的模型，分析了电动自行车速度与 头部与地面碰撞点的关系及对人体的损伤研究。通过该碰撞研究，为电动自行车国 家标准“ 最高 车速“ 的确定，提供理 论支持。 三、主要技术创新点 （技术发明类项目填写主要技术发明点） 1.建立有限元模型进行静、动力学分析是机械零件常用的方法。目前市场上的 电动自行车多有减振系统，而减振系统中包含运动副。因此运动副的建立是电动自 行车有限元模型的关键，在本 项目中， 电动自行车的有限元模型包含转动副和移动 副，其技术环节是通过建立各构件运动副结合处的刚性区并释放相关自由度，再将 运动副连接的两构件进行相关节点耦合，实现构建之间的相对运动。在此基础上就 可以对电动自行车整车车架进行静、动力学分析及优化。这部分发表论文电动自行 车减震车架动态特性研究。 2.良好的动态性能能提高机械系统的产品质量及使用寿命。本项目为提高电动 自行车的动态性能，对电动 自行车车架主要构件及整车进行了车架的模态频率和振 型分析；并根据主要构件的结构特点，结合车身的振动特性，应用模态灵敏度分析技 术，研究了主车架各部分结 构的壁厚对其模态频率的影响关系，通过改变车架的壁 厚等可使车身具有较合理的动态特性。这部分发表论文电动自行车车架动态性能 分析及灵敏度研究。 3.电池作为电动自行车的核心部件，它的发展和先进性决定了电动自行车今后发展 的生命力。由于电池重量与体积的影响，及 电动自行车平均速度提高带来的动态激 励水平提高的影响，导致电动自行车的设计，主要就是围绕电池这个中心来进行的。 为了研究电池部件对电动自行车整车动态性能的影响，选取全悬架电动自行车为研 究对象。在传统车辆五自由度的动力学模型基础上，将电池作为独立刚体建立了电 动自行车六自由度的动力学模型，采用滤波白噪声作为路面输入模型，运用 Matlab/Simulink软件对电动自行车的平顺性进行了仿真。研究了电池后置安装、电 池质量和电池安装刚度等因素对整车动态性能的影响。此理论研究可以指导电动自 行车的总体方案设计。这部分发表论文电池对电动自行车平顺性的影响研究， Dynamic modelling and simulation of electric bicycle ride comfort。 4.机械系统整车动态性能往往只能通过生产出的样机进行测试。本项目利用虚拟样 5 机技术，利用lifeMOD软件建立基于生物力学的人体模型，在ADAMS软件中建立了 基于人-车- 路 环境下的多刚体模型和刚柔混合动力学模型；利用MATLAB 软件建立 基于标准路谱的随机激励模型和梯形等的路面冲击模型；在ADAMS中进行基于标 准路谱的随机激励模型和梯形等的路面冲击下的电动自行车动态性能仿真，以对其 动态性能参数进行测试和分析。这项工作既可以对整车性能进行评价，也可以研究 电动自行车中个车架结构的柔性特性、电池、人体、减震器 刚度和阻尼等因素对整 车性能的影响进行分析和评估，用于对这些因素的改进和优化，还可以输出各关键 节点的动态数据，对其结构进行优化。 这部分发表论文Research on battery to ride comfort of electric bicycle based on multi-body dynamics theory。 5、电动自行车的车架结构多根据经验由自行车结构改进设计的。为了获得跟符合力 学特性的车架结构，本项目利用人-车-路环境下的刚柔耦合动力学模型，提取了典 型路面激励下的关键点的振动数据，建立了电动自行车结构拓扑优化模型。探讨了 基于主车架HyperWorks 拓扑 优化中的关键参数对优 化结果的影响；研究了水平力、 电池载荷分量、电池位置等因素对优化结果的影响，最终得到了车架的拓扑优化结 果。在此基础上进行了尺寸优化， 获得了动态性能提高并轻量化的新的电动自行车 结构。 新结构的第一阶模态提高了26.35%，质量减轻16.9% ，最大应力减小15.7%。所研制 样机的主要结构部件的振动性能指标达到15万次以上。较现有国标的7万次提高约 100%。 6、本项目的主要创新，一是电动自行车结构研究的唯一性，即从文献 检索看，国内 外在电动自行车结构方面的研究，出本项目团队人员外，鲜有报道；二是研究的系统 性。本项目将机械系统研究的设计理论和常用方法及应用软件根据电动自行车的结 构特点集成起来，形成了系统的电动自行车结构动态设计理论与方法。其具体内容 为： (1)应用有限元理 论在Ansys软件中进行电动自行车整车车架结构的静力学和动力学 分析；并进行前期的静力学优化设计；对主车架进行壁厚参数的灵敏度分析，以提高 其模态性能；并将整车车架的模态特性文件输出到ADAMS软件中。 (2)利用Ansys软件中的模态特性文件在ADAMS中建立基于人-车-路环境下的刚柔 耦合动力学模型；利用MATLAB软件建立基于标准路 谱的随机激励模型和梯形路障 等的路面冲击模型；在ADAMS软件中进行基于标准路 谱的随机激励模型和梯形等 的路面冲击下的电动自行车动态性能仿真，研究电动自行车整机的动态特性。同时， 6 输出包括各运动副等关键节点出的动态载荷数据。 (3)根据ADAMS软件中输出的动态载荷数据，利用HyperWorks 软件进行了主要构件 的结构拓扑优化及整车车架的尺寸优化，设计出新的电动自行车新车架，使整车动 态性能得到改善。 (4)再对新车型 进行静、动态分析，以获得高动态性能的电动自行车结构。 （不超过 5 页） 四、第三方评价和推广应用情况 1、第三方评价 2、推广、应用情况 7 （不超过 2 页） 3、经济效益 （技术进步奖类社会公益项目可以不填此栏） 单位：万元（人民 币） 项目总投资 额 回收期（年） 年 份 新增利润 新增税收 创收外汇（美元） 节支总额 累 计 8 各栏目的计算依据： 4、社会效益 五、本项目曾获科技奖励情况 获奖时间 奖项名称 奖励等级 授奖部门（单位） 9 本表所填科技奖励是指： 1、省、自治区、直辖市政府设立的科技奖励； 2、经登记的社会力量设立的科技奖励； 3、国际组织和外国政府设立的科技奖励情况。 六、主要完成人情况 姓 名 杜文华 性 别 女 排 名 出生年月 1968.04 出生地 山西 民族 汉 身份证号党 派 无 行政职 务 工作单位 中北大学 所在地 山西 邮政编 码 030051 通讯地址 山西省太原市学院路 3 号 办公电 话家庭地址 山西省太原市学院路 3 号中北大学院内 住宅电 话 10 电子信箱 移动电 话毕业学校 天津大学 毕业时间 2101.12 文化程 度 博士研究生 技术职称 副教授 专业、专 长 机械制造及其自动 化 最高学 位 博士 曾获奖励及 荣誉称号情况 参加本项目的起止时 间 自 2007 年 04 月 至 2010 年 09 月 对本项目主要技术贡献：（申报技术发明类项目，填写对本项目主要技术创新贡 献） 1、建立了电动自行车的包含运动副的整车车架有限元模型，通过模态实验验证了 模型的准确性。设计了四种不同截面形状和尺寸的主车架，并分析了其对整车车 架动特性的影响规律。 2、建立了电动自行车的人-车-路环境下的刚柔耦合动力学模型。基于正弦和梯形 路面激励，研究了车架柔性、电池、人体质量、减振器等对整车动态特性的影响 规律。 3、建立了电动自行车与障碍物正面碰撞的仿真模型，研究了碰撞过程中人体的动 态行为及其与碰撞速度之间的关系。 声 明 本人对申报书内容及全部材料进行了审查，全部内容和材料属实，并对推 荐材料的真实性负责。 本人签名： 年 月 日 七、主要完成单位情况 （技术发明类项目不填此表） 单位名称 11 排 名 单位性质 A 研究院所 B 学校 C 社会团体 D 事业 单位 E 国有企业 F 民营企业 G 其它 联系人 联系电话 传 真 通讯地址 移动电 话 电子信箱 邮政编 码 对本项目技术创新和应用的贡献： 声明： 本单位严格按照中国轻工业联合会科学技术奖励办法及其实施细则的有 关规定，如实提供了相关材料，且不存在任何违反中华人民共和国保守国家秘 密法和科学技术保密规定等有关法律法规的情形。如有不符，本单位愿意 承担相关后果并接受相应的处理。 单 位 盖 章 年 月