基于ANSYS的大学生节能车结构优化设计

摘 要大学生节能车是由大学生设计的一种竞技型赛车。在过往比赛中，有很多各式各样的节能车出现。本设计主要针对大学生节能车进行整车设计方案的选择，对车身及车架进行设计并对车架进行强度校核。借助和限元受力分析软件车身及车架部分进行建模分析。进行先，借助和架及重要的零部件进行三维建模，通过对所建的大学生节能车零部件模型进行大学生节能车整车的虚拟装配，然后通过软件中的分析程序对装配后的整车进行简单的重心、惯性矩，使用专业的有限元分析软件据有限元分析结果进行了较为深入的分析研究，并提出结构优化设计方案。关键字：大学生节能车；结构设计；三维建模；有限元分析； by of 摘 要 . 论. 研究目的及意义. 国内外研究现状. 研究内容及研究方法.究内容.究方法.能车整车设计方案.节能车结构分析. 车轮配置.一后二.二后二.二后一. 车架结构.梁式车架.梁式车架.合式车架. 转向方案的确定.形结构）. 发动机布置、动力驱动传动方案. 轮胎选择.0英寸节能车专用轮.0英寸自行车专用胎.6英寸管式轮胎.2英寸轮胎. 车身造型. 材料的选取.架材料的选取.身材料的选取. 本章小结. 设计参数及要求. 车架设计结构及其校核. 材料截面尺寸的确定. 车架外形结构设计. 车架总体结构布置. 转向机构的工作原理. 转向机构分析. 车身制作工艺分析. 车架制作工艺分析.0 车身与车架连接方式.1 本章小结.身建模问题分析：.身建立过程如下：.车架建模.架建模问题分析.架建立过程如下. 节能车主要部件建模. 节能车车架装配. 节能车整车装配. 本章小结.整车装配干涉检查.节能车整车质量、重心及惯性矩分析.与. 车架静力学分析.的车架模型导入.元类型的设定.架静力学分析结果.架静力学分析结果分析. 车架极限转向分析.限转向分析假设条件.的车架模型导入.元类型的设定.架极限转向分析结果.架极限转向状态结论分析.车架模态分析.的车架模型导入.元类型的设定. 车身曲率分析. 车身曲率结果分析.0 结构优化措施.1本章小结. . .能汽车与新能源汽车的开发逐渐并已成为是全世界的课题。而目前在环保节能车方面，仍然处于探索阶段。环保节能车大致可分为：新能源汽车，混合动力车及利用新技术改善汽车的运行条件从而实现对汽车使用者对燃油经济性的要求。而每年又有大大小小的汽车节能比赛，使得节能车渐渐地深入人心。各大汽车厂商每在大型汽车展销会上均有节能概念车发布，也表明要建设节能社会低碳社会的决心。减小车重、降低风阻、改善发动机系统等技术，以改善汽车燃油经济性。但由于生产和维修等条件的不足；生产条件和整车材料的技术要求不成熟，使得很多节能概念车没有量产。由日本本田公司发起的“大学生节能车大赛便是旨在通过比赛提高社会的节能和环保意识，以推动全球车辆节能技术的发展为目的的比赛。由大学生所设计的节能车，在于以最低的燃油消耗量行驶最长的里程，不仅标志着当代大学生对环境保护的意识在提升，更是对节能车开发形式的一种探索。随着汽车行业的蓬勃发展，也随之进入了一个以“节能、环保、安全”为主题的全新汽车发展时期。这不仅顺应了对生活环境条件改善的要求，也符合建设低碳社会、低碳生活的原则。地球是我们赖以生存的家园，保护地球是我们的责任。在资源紧张、温室效应加剧、极端天气频发的条件下。开发节能车已被各国重视，很多国家、科研所和大学投入专项资金用于研发节能车。着当前我国国民经济和汽车工业的快速发展, 以及由此带来的能源消耗和环境问题的日益突出, 交通节能减排工作的重要性不断增加,而汽车节能减排则又是其中的重要组成部分, 重要性不言而喻。国家“十一五”规划和“十七大”都对汽车的节能减排提出了要求，并将发展新能源汽车、节能汽车等政府策略逐渐上升为国家战略。考虑到我国当前汽车节能技术发展的实际情况, 除了推行节能惠民车型并已着手限制汽车的排量，并已积极推进以混合动力、燃料电池、先进柴油、醇类汽车等为代表的新能源汽车技术的研发力度，为了响应国家的号召及适应全球对新能源汽车的需求，一汽集团、上汽集团、长安汽车以及清华大学、吉林大学、华南理工大学等企业和高校一直致力于汽车节能减排技术的研究。电控燃油喷射系统的普及，进、排气控制技术、柴油机电控技术的应用以及电动汽车、混合动力汽车等的开发，比亚迪汽车、哈飞汽车、长安汽车等在陆续研发出的电动（出租）汽车、混合动力车；辽宁曙光汽车也已研发出电动公交车，为我国新能源汽车行业的发展奠定了基础。另一个推进汽车节能减排工作的措施就是大力研究开发适合我国现阶段汽车行业技术现状,以及适合大量在用汽车的高性能汽车节能产品。并通过各种场合及汽车大赛来宣传新能源车型和节能车的重要性，用以控制日益增长的碳排放量。众所周知，日本是一个自然资源极度缺乏的国家，因此在资源的利用以及新能源的研发方面都是极其重视并在一些节能技术方面处于世界领先地位，单是汽车产业，日本汽车就以其良好的经济性风靡全球。本田公司早在20世纪80年代便开始创办汽车节能大赛，已风靡各国；丰田公司又研发了世界上为数不多的量产混合动力车普锐斯。同样在汽车工业发达的欧美，汽车节能技术的研发始终被放在汽车发展问题的最前沿，如外界广泛所说的大众黄金组合“术。每年在欧美车展上，由欧美各大汽车厂商研发的新型环保概念车都有亮相，有些车型也已经投产，其中大多数以电动汽车为主，如由美国通用汽车公司旗下雪佛兰品牌的科鲁兹系列车型已研发出科鲁兹电动车。欧美等发达国家已开始提倡使用电动汽车用以缓解日趋紧张的全球能源供应，不仅是新能源汽车，欧美也在大力发展传统汽车的节油技术，比如宝马的之相同的是日本本田的i，但这些技术仍未实现全电子控制，而且通常仅对进气门的升程和开闭时刻进行控制，所以发动机的进、排气控制技术仍有较大的开发潜力。发动机缸内直喷技术等技术的研发，也为传统汽车的节油技术的发展提供了参考。究内容本设计为全国大学生节能车比赛用车，要求车身长小于3m，自重小于60载1人，驾驶员重量小于40公升汽油能行驶里程大于300公里，行驶速度大于50km/h，能够变速，要求零部件材质轻，车身外形设计要求风阻小，流线型好，即节油又美观。应在详细分析节能车结构形式及工作原理基础上，完成总体方案的设计；利用析大学生节能车制作工艺；利用三维建模软件和利用进行节能车的虚拟装配；利用要包括对车架的静力分析和模态分析并依据分析结果进行结构优化设计。究方法通过使用计算机辅助设计软件对车身进行曲率分析，车架进行静力学及模态分析，可以详细了解到车身设计是否符合要求，方便改进车身设计的不足。通过于改进车架。使车身及车架整体性能得倒提升，达到设计方案的优化。从而分析出结构设计的缺陷，方便设计人员进行改进；同时对于一些不需要的部件则采取弃用的办法从而达到设计方案的优化。了使节能车能够正常运行，要求在配置上要具有整车的动力传动系统，由车轮支撑车体在地面运行并由发动机通过传动系驱动车辆并且能够变速，车辆转向机构控制节能车转向。节能车同样需要车身保护驾驶员，降低节能车所受阻力。对于车身要求外形流线、美观。节能车在配置及操纵上。在材料的选取上要了考虑到车架及车身的选材的成本及其轻量化。一后二这种布置形式类似于日常生活中所见到的三轮车。在设计制作过程中容易利用自行车部件从而减低了制作难度，节省制作时间，而且驾驶构造比较简单。但行使稳定性较差，尤其是转向行驶稳定性，会降低节能车的行驶安全性。二后二类似于常见的四轮轿车。优点为有较好的行驶稳定性，但在以节能为主要目的的竞技大赛中，这种布置方案的缺点更为突出。首先，由于接地面积较大，提高了车辆在行驶过程中的行驶阻力。其次，构造的复杂度会明显提高，同时也影响整车的质量。二后一其优点为在保证较小的行驶阻力的前提条件下，能够很好的保证行驶的稳定性，从而提高了节能车的安全性。轮布置形式为前二后一综合上述结构的优缺点，在节能为主的前提条件下，又要同时保证良好的操纵性和行驶安全性。因此确定节能竞技车的车轮布置形式为前二后一的布置形式。架结构根据车轮的配置方案，选取适合的车架材料和结构。因为车架质量的大小在一定程度上影响油耗，而且所选材料以及结构的合理性对车辆的安全性有着很大的影响，在车架材料和结构方案的确定过程中应同时考虑到小巧、轻便、结实、安全等因素。车架设计要求：1）具有足够的强度，保证在比赛期间的任务工况下，车架的主要零部件不因为受力而破坏。2）具有足够的抗弯刚度、扭转刚度，以免车架上的总成因变形过大而早期损坏或失去正常能力。3）车架重量要轻，在保证强度、刚度的前提下，车架的自身质量，应尽可能小，以减小整车整备质量。车架结构形式基本上有三种：边梁式、中梁式（脊骨式）车架、综合式车架。梁式车架由两根位于两边的纵梁及若干根横梁组成，用铆接法或焊接法将纵梁与横梁连接成坚固的刚性构架。其特点：便于安装驾驶室、车厢及一些特种装备和布置其他总成，有利于改装变型车和发展多品种汽车上。梁式车架只有一根位于中央贯穿前后的纵梁，故称为脊骨式车架。这种结构的车架有较大的扭转刚度，使车轮有较大空间。其优点：车轮有加大的运动空间，便于采用独立悬架，可提高汽车的越野性与同吨位货车相比，其车架较轻，减少了整车质量；同时重心较低，因此行驶稳定性好；车架的强度和刚度较大；脊梁还能起封闭传动轴的防尘套作用。但这种车架的制作工艺复杂，精度要求高，给保养和修理带来诸多不便。合式车架又称复合式车架。他同时具有中梁式和边梁式车架的特点。车架的前后部均近似边梁式结构，而中部采用脊梁式结构。此结构使中部抗扭刚度大，地板高度低，但地板中间往往形成大鼓包，影响乘坐舒适性，加工工艺复杂，应用不广泛。由于节能车载荷小，行驶路面状况较好，因此车架选用边梁式整体结构。由于车架内部要有一定的容积，便要求车架本身结构不能太复杂，采用边梁式结构可以节约大量的空间。在承受扭矩时，纵梁和横梁同时产生弯曲和扭转，避免应力集中。向方案的确定考虑到车辆的结构形式并结合所设计车辆的特殊性及比赛场地因素。常见节能车转向结构如下。是以整个车轴作为转向装置，车架也可以设置的较低。但要使左右车轮完全平行进行的定位调整很难，在转小弯时，车轴会发生很大的移动。虽然结构形式制作方面较为简单，但在实际驾驶操作方面明显存在弊端。形结构）这种结构比较复杂，但与前轮定位的调整较为轻松，即使大幅度转方向盘，车轮也不会大幅度前后移动。其中两转向臂的角度理想的情况应该保证两前轮中心易与后轮中心连接成线，为降低转向系统复杂程度，同时又能保证具有足够的转向能力。动机布置、置式发动机、后置式发动机、中置式发动机。在节能车上所采用的常为后置式发动机。前置式发动机对车身设计要求有所提高，将使驾驶员座位高度升高，不利于降低风阻系数及造型美观。也会使前轴载荷增大，不利于转向系统的布置，也会影响车辆行驶稳定性。中置式发动机亦然。由于后轮为驱动轮，在设计传动系时会影响整车车重。后置式发动机便于转向系统布置，使底盘降低，有利于减小迎风面积，有效降低风阻，且驾驶员视野开阔。便于后轮的动力输出。驱动，这种驱动形式的优点为传动效率较高，缺点为由于采用后一轮的车轮布置方式，因此会造成发动机质心偏离车辆的中心线。驱动2、链传动，链传动效率没有轴传动的传动效率高，由于摩托车本身采用链传动，因此在设计和制造过程中更加容易实现。驱动驱动方法的确定由于在发动机方面没有进行较大的改造，因此采用了较为保守的链传动形式，基本借鉴与摩托车的传动形式。由于轮胎确定为前二后一的布置形式，如果采用前驱的方案将会使设计制造的复杂程度增加，所以决定采取后驱的驱动形式。一方面后一轮驱动不用涉及差速器等方面的考虑，另一方面也前两轮转向系统的结构形式也会简便许多，同时也达到了减小整车质量的目的。为了降低节能车车重，选择链传动。能够省去布置结构复杂的传动系（万向节类的）。变速机构拟采用摩托车式变速方法，即通过手柄的旋转控制界气门开度达到变速作用。节能车由发动机发出动力经由变速机构到达发动机外部的主动链轮，接着由传动链传动从动链轮，最后通过分离式离合器到达驱动车轮。胎选择在设计过程中，轮胎的选取也是十分重要的环节。轮胎不但影响着车辆在行驶中的滚动阻力，还影响着车辆在行驶中稳定性，因此在选取过程中要注意行驶阻力和行驶稳定性的均衡。在过往的比赛中，轮胎的种类基本分为一下几类。0英寸节能车专用轮20英寸节能车专用轮是由德国大陆集团马牌轮胎提供的专业低滚动阻力轮胎，0英寸自行车专用胎采用自行车轮胎是要注意的一点为自行车在行驶过程中车轮和车轴是不受侧向力作用的，但是在节能车的结构形式中，车轮和车轴是要受到侧向力作用的。因此所选的车轮的车轴必须要有足够的强度。6英寸管式轮胎车轮直径选取过大会造成侧向力作用在车轴上的力臂加大，所以在选取较大致敬的车胎时应注意保证车轴的强度。2英寸轮胎选取直径较小的轮胎可以在一定程度上减小空气阻力。终采用20英寸的自行车专用胎。考虑到降低滚动阻力的同时保证足够的附着系数，三个轮胎均使用高气压轮胎，目的在于减小接地面积。后轮采用较宽的车胎其主要原因为驱动方案定为后轮驱动，保证获取足够的驱动力。当车轮在地面上滚动时，地面的出现使流场发生变化，升力变成正值，并且由于尾涡相对较大，阻力也更大。从车轮完全暴露在气流中的一级方程式赛车上测出的气动阻力来看，其中车轮阻力越占高达45%的比重。由此可见，为了使车身制作简单，将两前轮暴露在外，但是做增大了空气阻力，故采用扰流板将车轮中辐条覆盖或在设计车身时将车轮与后轮一样完全包裹起来。身造型车身设计，应以流线型设计，降低风阻系数，以追求更低的空气阻力。为了最大限度地降低车身内循环阻力，把车身底部除了后车轮部分之外完全包裹起来，形成了一个整体式车身。这样做还有一个好处就是，在驾驶竞技车辆行驶时，驾驶室内不会进入太多的灰尘，为驾驶员营造了一个较为干净的驾驶环境。由于车轮布置在车身外，也影响了节能车的空气阻力系数。为了追求更低的空气阻力系数，整个车身采用流线型设计，在尾部采用稍微上翘式结构。架材料的选取考虑到材料的选取要考虑到制作成本和安全性，所以可考虑得车架材料是钢材和铝材。料优点对比材料优点对比碳钢的优点 铝材的优点（1）价格低廉 （1）密度比钢小（2）材料加工方便 （2）材料加工也较为方便综上所述，在成本一定的前提下。为降低制作成本，应选用碳钢。身材料的选取车身的材料可用帆布、木板、玻璃钢等。其主要原因为成型相对简单容易实现，强度足够的条件下重量上也有一定的优势。玻璃钢的密度只有碳钢的1/41/5，但拉伸强度却接近，强度可以与高级合金钢相媲美。章小结本章节叙述了对于节能车整车部分的选择方式。从综合设计角度上考虑，将轮胎设置为前一后二形式；选择车架时采用边梁式结构可以节约大量空间，并且可以降低车重，在车架选择方式上为边梁式车架最好选择；转向方式上为提高车辆转向时的稳定性要选择阿卡曼式；传动的方式选择为链传动，链传动的噪音也很小；车轮的选择为20英寸自行车专用胎即可满足设计要求。计参数及要求车身长小于3m，可以得出车架由于要求车身长度小于3m，节能车车架即是车身骨架，车架长度也应小于3m。该节能车车身结构紧凑。要求车架能够承受总质量小于100乘载1人，驾驶员重量小于50预留给发动机及其它部件的重量估算为50在设计中材料强度满足要求，则可以适当的添加元部件。架设计结构及其校核对于车架的计算校核一般有三种计算方法可以遵循:（1）运用复杂的有限元法对车架进行计算；（2）依据材料力学、工程力学中的经验公式；（3）根据经验设计对车架进行设计。由于节能车为参加节能大赛而特别研制，车架本身就是车身骨架，要支撑赛车上的几乎所有部件：比如要容纳驾驶员，放置发动机和蓄电池及驾驶员座椅；要固定车身；车轮直接安放在车架上。这和轿车及货车车架有些不同。而表明了该节能车车架结构设计的特殊性。由于车架采用边梁式，所以车架设计较为简单。但需做一下假设，便可将车架视为简支梁。1）梁为支撑在前后轴上大的简支梁；2）整车的载质量均加在简支梁上；3）所有载荷均通过截面的型心。支梁简化模型在计算车架时视其为简支梁。计算其弯曲强度即是材料的弯曲强度。C、这两点均有 和 。令发动机质量为25驶员质量50于车架可视为简支梁，因此可以视乘员和发动机的集中载荷转变为在梁上均布载荷，以方便计算校核。架载荷的分布乘员分布载荷 ，C=D=E=F=（解得： , 。计算可得车架弯矩图，架弯矩由图3上最大弯矩 ，考虑到节能车在行驶过程中受动载荷时的最大弯矩可在最大静弯矩前乘以动载荷系数k，由于节能车在比赛中行驶路况较好，故取k=动载荷系数考虑了实际行驶过程中遇到的路障的载荷增值。因此动载荷下的最大弯矩 。料截面尺寸的确定由于纵梁在长度方向上截面尺寸无变化，所以在最大弯矩处其弯曲应力达到最大值 。在选材校核时，需校核其抗拉强度是否在许用范围内。设方管横截面积s，45钢 =600材料均符合强度要求。架外形结构设计车架在做校核时是经过合理简化的，在设计上要对车架进行相应的细化。车架即为车身骨架，要支撑赛车上的几乎所有部件：比如要容纳驾驶员，放置发动机和蓄电池及驾驶员座椅；要固定车身；车轮通过转向机构布置在车架上。车架造型的简练可以使得整车结构紧凑，结构紧凑的形式会使整车质量降低，但也会产生造成质量集中使得整车应力集中。发动机的安装位置在车架的后部、同时还需安装车轮及传动机构。所以车架后部还需承载车轮，及安装动力传动部件、控制部件的质量。还要预留出一定的宽度空间，以方便安装。所以要考虑到安装的条件。车架上还要布有控制的线。稍复杂的还要安装有行车电脑等高级装备，所以材料型材的选择要考虑到布线的要求及条件。因此，架总体结构布置在确定使用边梁式车架后，首先将轴距进行了确定，并估算出发动机及驾驶员的布置位置以便求出它们对车架的均布载荷。在确定车架支撑符合条件后，对于车架内部所拥有的横梁及其它辅助安装设施便都基于车架。安装时要考虑对车内驾驶员的舒适度。为方便驾驶员乘坐，车架横向的设计也要考虑到驾驶员乘坐的舒适性，轮距的宽度为驾驶员提供了容身活动的空间。车架前端部分要求安装有车地板，为分散驾驶员质量避免造成集中受力，故在驾驶员乘坐区分别布置3个横梁。驾驶员在驾乘车辆的时候，要在驾驶员后面安装有驾驶员靠背，虽靠背材料好选择，但在节能车架上添加了驾驶员靠背安装斜梁。在设计时应考虑到方便支撑方式的设计，在车架上焊上一根横梁，这根横梁同时也会对车架的稳定性起到作用，同样在立面上加装一个梁，可以增强车架的强度及抗扭曲能力。发动机及必要的重要机械部件均安装于车架后段，在设计时考虑机械部件有故障率的存在，因此对于节能车车架后段的设计采用模块化的设计方式。模块化的设计是针对节能车车架本身相对而言的。在该模块框架上可以起到安装或对发动机起到辅助支撑作用，提供安装必要节能车机械部件提供一个平台。例如安放蓄电池、部分的传动机构。车架后部安装机械部件的方式可使车辆重心向后移动，尽量保证装配后节能车车辆的重心在轴距中心处为最佳，便可提高车辆的稳定性。为了方便车架后部辅助安装模块的拆卸，对于车架后部的设计也要考虑到对辅助模块的安装拆卸的影响，因此在车架后部设计时，应对车架辅助模块部分的安装进行设计考虑，在车架纵梁的后段上布置方钢横梁及角钢上横梁。位于车架主干纵梁末端的方钢，方便焊接后面的纵梁部分。角钢横梁，焊接在车架最后部分的横梁上，它不仅能提高整车后部分的抗弯曲能力，同时方便辅助安装模块的安装使用。综上所述，节能车车架整体设计方案为在车架采用边梁式结构，在车架边梁上布置有8