开题报告-赛车车架模态分析与轻量化设计.doc

毕业设计（论文）开题报告书课 题 名 称 赛车车架模态分析与轻量化设计 学 生 姓 名 马 冬 学 号 1241103014 系、年级专业 机械与能源工程系2012级 车辆工程专业 指 导 教 师 张 彬 2015 年 12 月 20 日一、课题的来源、目的、意义（包括应用前景）、国内外现状及水平1.1课题来源:课题来源于生产实际，通过对赛车车架的模态分析减少整车振动和减轻车架质量，使赛车避免发生共振，解决赛车赛车的能耗和成本实际问题。1.2课题的目的和意义：目的：为了使赛车的动态特性和重量达到一定的匹配效果，借助ANSYS Workbench分析平台对车架进行了自由模态和约束模态的数值模拟，得到车架的固有频率和振型，最后借助车架各管件截面对固有频率的灵敏度分析，对车架进行了尺寸优化，使车架质量得到降低，并且避免发生共振。 意义：赛车车架的模态分析对于减少整车振动和提高动态性能具有重要意义，而轻量化则减小了赛车的能耗和成本。为了使赛车的动态特性和重量达到一定的匹配效果，借助ANSYS Workbench分析平台对车架进行了自由模态和约束模态的数值模拟，得到车架的固有频率和振型，最后借助车架各管件截面对固有频率的灵敏度分析，对车架进行了尺寸优化，使车架质量得到降低，并且避免发生共振。1.3国内外现状及水平：目前，国内外对车辆结构的设计和研究，特别是对车架的设计已经不再像以前一样是依靠经验来设计的，现在越来越多的人运用诸如如有限元分析等进行车辆结构的设计。在国内运用有限元方法对赛车车架结构进行分析起步较晚，发展较慢。20 世纪 60 年代中后期，国外开始把有限元运用到结构分析中。R.J.Helosh等人发表了一系列关于汽车有限元模型建立及处理的文章，成为今后研究汽车有限元问题的开端。70年代，美国宇航局把NASTRAN用于车架的结构分析中，在有限元静态分析、动态分析的基础上对车架进行了优化，在保证各项性能的前提下降低了赛车车架质量，它是最早的车架轻量化研究1。1977 年，Kamal和Wolf在小型客车模型上用有限元法进行了分析。90年代以后，国外专家也相继对车架的设计做了研究。Niiyama、Ao.Kazuo 等人利用优化方法改进了车架结构，设计出的新车架比原车架具有更好的静态特性2。有限元进入高速发展时期，成为主要的分析形式。美国通用汽车公司在根据现有有限元分析软件的基础上，自主研发了一些后处理软件，并用作研究发动机与道路激励的分析上，与之前的分析过程相比，简化程度显而易见3；美国福特公司利用有限元软件对汽车NVH性能进行分析4。近些年以来，国外专家对车架有限元方面进行了持续的关注及研究。目前，车架有限元技术在国外应用比较广泛，通过积累得到了大量研究成果。Beermann利用梁、板单元对汽车车架的横梁与纵梁的连接处进行了有限元模型的简化5；Elliot Brinkworth、Blake Siegler对赛车碳纤维车身进行了描述，并讲解了关于车身刚度分析的过程，成为赛车车身研究的起点6；William B.Riley 等人做了 FSAE车架的分析与试验，分析了路面激励对车架的影响7；PJ Masao Ishihama、Shingo Iizuka 等人根据车架仿真结果，对车架结构进行优化设计，实现了车架轻量化8；Brian Auer、Jared Mc Combs等人描述了车架设计的总体过程，并对车架结构进行了有限元分析及优化，优化后车架保持较好的性能9。Ryo Masutani、Daisuke Ito.等人对汽车进行有限元分析，并根据结果对车架实现了轻量化设计10。我国利用有限元的方法研究汽车起步较晚，相对来说比较落后，但是通过研究人员的不断努力，骨安涛、常国振等较早地将有限元法引进汽车车架的设计工作中；郑兆昌等人利用大型结构软件对货车车架进行了动态分析，并进行了静强度和刚度的分析11；马迅将车架模型简化成梁结构，进行了车架刚度和模态的分析，借助车架管件横截面对车架进行优化，降低车架质量11；于国飞等人利用梁单元对赛车车架进行网格划分，为优化设计提供了参考12，这是国内首次将有限元法应用到赛车车架的分析中；赵文娟利用有限元软件对赛车车架作了静态分析，提出了利用车架的模态分析结果直接对车架结构动态特性进行评价的方法13；姜立嫚对赛车车架进行静态结构分析和模态分析，得到相应的应力及位移分布，并对正面碰撞进行模拟，根据以上结果对车架进行优化，实现了车架的轻量化14。于国飞、黄红武等人利用有限元软件对方程式赛车车架的强度及刚度进行了计算，分15，并利用分析结果指导车架设计，在中国第一次将有限元技术应用到大学生方程式赛车车架的分析15，尽管我国汽车产业起步较晚，利用有限元分析的技术方法相对来说存在差距，但是仍然具有很大的发展空间。随着计算机技术的普及和发展，使得这种应用十分广泛的数值分析方法，有限元方法及其产品（如Hyper Works、ANSYS、ABAQUS、LS-DYNA等）以其便捷、高效的优势以及坚实的理论基础正在汽车车架的设计及结构优化中发挥着巨大作用16。与普通汽车不同，赛车车架作为整个系统总成的承载体，承受着各种不同工况下的各种载荷，而且由于赛车在比赛中存在着行驶的速度快，工作强度大等特点，所以，车架结构对赛车性能有很大的影响，将会直接影响着比赛成绩的好坏，运用建模的方法和利用有限元分析软件对赛车车架建立三维模型和有限元分析模型，通过模态分析获得车架各阶固有频率和振型（主要是前六阶），使其满足震动条件，避免共振现象带来的破坏，保证赛车行驶的安全性和可靠性。对赛车车架进行轻量化设计具有又十分重大的意义，因为当统一的限制发动机排量时，特别是对赛车的动力性、加速性要求较高的情况下，在满足赛车车架强度、刚度要求的同时，适度降低车架的重量，对改善汽车的运动性能具有十分重要的积极影响，运用有限元模态分析的设计方法是确保汽车结构强度、减轻车架重量的有效方法17。参考文献:1 Ao.Kazuo, Niiyama. Analysis of torsional stiffness share rate of truck frame. SAE Technical Paper Series, 1991: 18-21.2 王松.某商用客车车架有限元分析与结构优化D.武汉:武汉科技大学硕士学文论文, 2012.3 B.W.Deutshel, LB.Katnik. Improving Vehicle Response to Engine and Road Excitation Using Interactive Graphics and Modal Reanalysis Methods. SAE900817, 1990, 26(17): 1126-1132.4 Jasuja S.C.Ko R.C Application of CAE Analyses for Improved NVH Performance of the New 1992 Eeonoline. SAE Transaetion,1992, 28(22): 1125-1135.5 Beermann.H.T.Static analysis of commercial vehicle frames: a hybrid-finiteelement analytical. International Journal of Vehicle Design. 1984(5): 26-52.6 Elliot Brinkworth, Blake Siegler. Torsional Chassis Stiffness and Crashworthiness Analysis of the University of Leeds 2000 Formula SAE/ STUDENT Racing Car. Altair Engineering. 2000.7 William B. Riley, Albert R. George. Design, Analysis and Testing of Formula SAE Car Chassis. SAE International, 2002-01.8 Masao Ishihama, Shingo Iizuka, Optimization of super lightweight space. frame vehicle structure, 2003.9 Brian Auer, Iared Mc Combs. Design and Optimization of a Formula SAE Frame. SAE Technical Paper Series, 2006.10 Ryo Masutani, Daisuke Ito. Space Frame Design for Formula SAE. SAETechnical Paper Series, 2009.11 马迅,盛勇生.车架刚度及模态的有限元分析与优化J.客车技术与研究,2004,26(4):P 8-P11.12 于国飞,黄红武,吴俊辉.基于有限元的FSAE赛车车架的强度及刚度计算与分析N.厦门理工学院学报,2009,17(4): P29-P32.13 赵文娟.YD02赛车车架结构设计及其轻量化研究D.秦皇岛:燕山大学硕士学位论文, 2009.14 姜立嫚.FSAE赛车车架结构动态特性分析与优化设计D.北京:北京信息科技大学硕士学位论文,2012.15 邝坤阳.FSAE赛车车架的结构分析与优化D.合肥:合肥工业大学硕士学位论文, 2011, 3.16 张宝玉.基于有限元的FSC赛车车架结构分析及优化J.辽宁工业大学汽车与交通工程学院,2014.17 乔邦,陆忠东.基于有限元分析的赛车车架结构轻量化设计J.浙江科技学院学报,2014年6期:P455-P459.二、课题研究的主要内容、研究方法或工程技术方案和准备采取的措施2.1课题研究的主要内容（1）建立赛车车架三维实体模型和有限元模型。（2）借助ANSYS 分析软件对车架进行数值模拟，得到频率和振型， 为结构改进、避开各种振源的激励频率提供依据。（3）对车架进行振动特性的模态分析，判断车架是否具有共振破坏的危险，保证振动特性合理，车架的固有频率应避免接近各种激振源所产生的频率。（4）对车架尺寸进行优化，使车架质量得到降低，实现车架的轻量化目标。2.2研究方法或工程技术方案利用ANSYS Workbench分析平台对车架进行自由模态和约束模态的数值模拟，并将自由模态计算结果与实验数据进行对比，验证车架有限元模型的正确性；进而计算出验证后的车架有限元模型，各阶固有频率对车架各管件截面尺寸的灵敏度。最后借助车架灵敏度分析，对车架进行尺寸优化，使车架质量得到降低。2.3准备采取的措施利用ANSYS Workbench软件对车架模态进行数值模拟，得到车架的固有频率和振型，对固有频率进行灵敏度分析，借此对车架进行了尺寸优化，使车架质量得到降低，并且避免发生共振。（1）不断加强自身的学习，通过上网查找相关资料，收集主要原始数据以及其工作条件，对于赛车车架有感性的认识。（2）利用自己所学的知识，把理论和实践紧密联系起来，去图书馆查找相关书籍资料，对赛车车架模态分析深入了解。此过程中学习掌握相关应用软件的操作并综合分析有关的文献资料，提出总体方案。三、现有基础和具备的条件3.1现有基础：（1）、通过三年的大学学习，已经积累了一定的相关方面的经验，如材料力学、机械制造技术基础、机械原理、互换性与测量、液压与气压传动、电路学、液压传动与气压传动、有限元分析、机械设计、汽车设计、机械制图等课程，对课题所涉及的相关科学有了一定的了解，具有了相关的理论基础。（2）、参加过使用PROE、ANSYS等建模和仿真软件的培训课程，能够较熟练的使用上述软件。3.2具备条件：（1）学校车辆工程实验室为课题研究提供了实践基础，特别是已成功设计、制造出FSAE方程式赛车。（2）学院图书馆收藏了大量的相关资料、文献。包括有关专业方面的知识书籍和周刊、往年设计图纸、设计心得等，并且提供了网络化的机房，为查阅资料提供了便利。（3）可以在中国期刊网、维普网、万方数据库、超星数字图书馆等网站查找相关资料。四、总的工作任务，进度安排以及预期结果（1）查询相关文献，收集资料。（2）掌握ANSYS Workbench软件的使用方法。（3）借助ANSYS Workbench分析平台对车架进行模态分析，得到车架的固有频率和振型。（4）对车架各管件截面固有频率的灵敏度分析，,对车架进行尺寸优化，使车架质量得到降低。（5）在综合设计的基础上，校核和改正设计的不完善之处，（6）认真撰写毕业论文准备答辩。4.2进度安排2015.11.222015.12.10查看相关的资料；2015.12.102015.12.13下达任务书；2015.12.132015.12.20整理、完成开题报告和文献翻译；2015.12.202016.3.20熟悉相关软件应用，论文雏形搭建；2016.3.212016.4.15论文主要设计计算工作完成，并撰写中期检查报告；2016.4.152016.5.15撰写并修改论文；2016.5.152016.5.30准备论文等答辩事宜。4.3预期结果（1）较熟练的掌握ANSYS Workbench软件，建立赛车