基于有限元分析的汽车车架优化设计-开题报告

纸， 明书全套毕 业设计均有 毕业设计（论文） 开题报告 学生姓名 系部 汽车与交通工程学院 专业、班级 指导教师姓名 职称 副教授 从事 专业 车辆工程、 交通工程 是否 外聘 是 否 题目名称 基于 有限元分析的汽车车架 优化设计 一、 课题研究 现状 、 选题 目的 和意义 1）课题研究现状： 在国外，从 60年代起就开始运用有限元法进行汽车车架结构强度和刚度的计算。 1970年美国宇航局将 车架结构进行了静强度有限元分析，减轻了车架的自重，是最早进行车架轻量化的分析。当前，国外各大汽车公 司利用有限元软件进行车架结构静态分析、模态分析的技术已非常成熟，其工作重心已转向瞬态响应分析、噪声分析、碰撞分析等领域。特别是随机激励响应分析备受青睐，主要是因为它可用来进行车辆的强度、刚度、振动舒适性和噪声等方面的分析：国外将有限元法引入到车架强度计算比较早，而我国大约是在七十年代末才把有限元法应用于车架的结构强度设计分析中。在有限元法对汽车车架结构的分析中，早期多采用梁单元进行结构离散化。分析的初步结果是令人满意的，但由于梁单元本身的缺陷，例如梁单元不能很好的描述结构较为复杂的车架结构，不能很好的反映车 架横梁与纵梁接头区域的应力分布，而且它还忽略了扭转时截面的翘曲变形，因此梁单元分析的结果是比较粗糙的。而板壳单元克服了梁单元在车架建模和应力分析时的局限，基本上可以作为一种完全的强度预测手段。近十 年来，由于计算机软件与硬件的飞速发展，板壳单元逐渐被应用到汽车车架结构分析中，使分析精度大为提高，由过去的定性或半定量的分析过度到定量阶段。随着计算机软、硬件技术的发展，特别是微机性能的大幅提高及普及，在微机上进行有限元分析已不再是很困难的事，同时有限元分析的应用得以向广度和深度发展。 国外大型汽车公司经过近百年的 汽车设计制造，在车架设计方面积累了丰富的试验数据和理论分析经验，形成了实用的结构设计数据库、设计改正记录和设计规范。目前应用于车架开发上比较成熟的方面主要有：刚度、强度分析 (应用于整车、大小总成与零部件分析以实现轻量化设计 )， 各种振动、噪声，包括摩擦噪声、风噪声等 )、机构运动分析等；建立在分析和实验基础上的种优化方法为车架设计提供了多种实用的选择方案，使车架设计从经验设计到优化设计跨出了一大步。在关于优化算法方面的研究，国外将遗传算法引入到结构形状优化算法中并获得良好的效果。总的看来，国外轻量化 研究主要有以下几个方面： (1)提出先进的设计理念，发展先进的制造工艺并通过尺寸参数优化而得到新的轻量化结构； (2)将拓扑优化和形状优化引入到结构轻量化过程中； (3)提出新的现代优化方法，并进入到结构轻量化中； (4)利用硬件优势，大量考虑动态过程中的各种约束，对尺寸参数进行优化而得到轻量化结构。 我国早在 1956年就由我国著名的数学家冯康教授在有限单元法的研究方面发表了研究论文，在研究变分问题的差分格式中，独立的提出了分片插值的思想，并把它用于工程结构的分析，为有限元法的形成做出了贡献。目前，我国利用有限元法 进行汽车分析已发展到普遍应用有限元法静强度和有限元动态响应分析及优化分析阶段。 2002年马迅、盛勇牛以车架的部分结构的截面尺寸为优化变量，采用板壳和梁单元组合建立有限元模型，以车架变形和一阶频率为约束，在弯曲和扭转工况取得了减重 效果。 2003年 10月李娜采用板壳单元对机车车顶结构建立有限元模型，应用自己编制的遗传算法程序，对形状、加强筋的布置数量和位置以及截面尺寸进行了优化，2004年 5月杜海珍针对汽车典型结构拓扑优化方法及应用进行了研究。为了解决在删除无纸， 明书全套毕 业设计均有 效材料时可能导 致的应力集中问题，基于围绕结构边界和孔洞周围附加人工材料单元的思想，提出了一种新的基于应力及其灵敏度的优化准则。 2005年 4月吉林大学的余传文采用板壳单元对某重型载货汽车车架结构建立有限元模型，并对车架结构的静、动态特性分析的进行了研究，在建立简单的车架梁单元优化模型的基础上，以车架纵梁截面尺寸为设计变量对车架进行优化分析，从车架体积和最大变形随着迭代过程的变化曲线可以看到车架的自重明显降低 2006年 6月北京航空航天大学的张洪伟，张以都等人探讨了基于动力特性灵敏度分析的动力修改技术。建立了某农用车 车架的参数化有限元模型，并对车架进行灵敏度分析，在分析结果的指导下，进行了车架的动力修改，取得了良好的效果，为农用车改型设计及推出新产品提供了思路和设计依据，为在工程实践中应用结构动力修改和结构优化设计理论作了有益的尝试。虽然前人在车架的有限元分析方面已做了大量的工作，但之前的研究对灵敏度分析和优化设计大都是分开进行的，对其进行动力修改，提高其动力性能，单凭设计人员的经验进行修改，自然避免不了盲目性，也不能做到以最小的改动达到最佳的效果，因此有必要在灵敏度分析的基础上进行优化设计。 在国内，高等院校对基于结构 优化的车辆轻量化研究发展也很多，但由于没有完备的结构设计数据库和设计规范，有时只能按解剖进口车结构来进行参照性设计。具体在车架结构分析方面，车架的刚度分析对结构分析的重要性近些年已受到广泛的重视。从分析类型上看，仍以车架结构静态分析为主。虚拟试验场整车分析正在着手研究，此外还有焊装模拟分析、喷涂模拟分析等。其中，车架刚度、强度分析，碰撞模拟分析，空气动力特性分析。金属板件拉延成形特性分析等已步入实用化阶段，为车架的全面优化设计奠定了基础。国内目前的轻量化研究主要集中在汽车一般零部件、底盘车架结构等的改形设计 方面，在产品设计阶段引入有限元法对车架轻量化设计的研究很少。与国外相比，国内关于在轻量化设计过程中引入新的现代优化算法的研究比较匮乏，轻量化设计过程中的分析规模较小， 同时，国内外不少公司、科研机构及高等院校陆续开发了一些通用性很强的大型有限元结构分析软件程序，这些程序可用来分析任意规模的结构，如整架飞机或整个汽车的结构。这些有限元软件已发展到成熟的阶段，比较成熟并且普及较广的有美国加利福尼亚大学伯克利分校研制的 国麻省 理工学院研制的 国国家航空与航天局研制的 国斯图加特大学宇航结构静力学研究所研制的 界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 些通用程序的研制成功，大大简化了结构分析工作，只要求使用任意掌握有限元法的基本理论，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。这些大型商业通用有限元分析软件也像 实力的汽车厂商甚至为自己的产品开发独立地从事这些有限元分析软件的二次开发。 综合分析这 些文献可知，当前国内对于有限元法应用于车架结构分析的研究只是限于对车架或车架结构在静态扭转、弯曲载荷以及几种极限工况载荷作用下的分析，得出车架结构的静态应力分布，并对其进行了局部的修改，由于软硬件对计算模型规模的限制，模型的细化程度不够，因而结构的刚度、强度分析的结构还比较粗略，计算结果多用来进行结构的方案比较，离虚拟试验的要求还有相当大的差距。 2）课题研究目的和意义： 汽车的设计过程比较复杂 ， 涉及到工程材料、生产工艺、结构力学等众多学科。 汽车车架 是 汽车 底盘的主要工作装置， 车架的强度、刚度及动态特性直接 影响整车的使用寿命、舒适性、车内噪声、操纵稳定性等基本性能。 传统的设计方法周期长、成本高， 术的在车架设计中的应用，可以大大 缩短车架开发周期、降低开发费用，提高设计质量。 在 车架 的结构分析中，有限元法 由于其能够解决结构形状和边界条件都非常任意的力学问题的优点而被广泛使用，各种汽车结构件都可以用有限元法进行静态分析、固有特性分析和动态分析。在进行静力学分析时，通过有限元纸， 明书全套毕 业设计均有 分析，可看到构件在各个载荷状况下的变形情况，可以得到刚度、强度等各种力学性能。之后可将这些结果返回到设计过程中，修改其中不合理的参 数，经过反复的优化， 使得产品在设计阶段就可保证满足使用要求从而缩短设计试验周期，节省大量的试验和生产费用，它是提高汽车设计的可靠性、经济性、适用性的方法之一。因此， 为了保证其设计的精确性和缩短设计周期， 基于有限元分析， 研究它的静 、动态 力学特性，对其结构进行优化设计，是非常重要和必须的。 二、 设计（论文） 的基本内容 、 拟解决的主要问题 设计的主要内容： （ 1）研究汽车 车架 的组成、结构与设计； （ 2）建立有限元计算模型； （ 3）研究汽车 车架 的载荷； （ 4）加载进行 静、动态 分析 ； （ 5）对汽车车架的结构参数进行优 化设计。 拟解决的主要问题： 析主要步骤： （ 1） 运用 行有限元静、动态分析，重点进行强度分析。 （ 2） 应用 参数化语言实现汽车车架参数的优化设计。 三、 技术路线 （研究方法） 纸， 明书全套毕 业设计均有 四、 进度安排 （ 1） 调研、资料收集，完成开题报告 第 1、 2 周 （ 2） 研究汽车 车架 的设计步骤与设计方法，分析汽车 车架 受力情况 第 3 周 （ 3） 建立有限元模型 第 4、 5 周 （ 4） 施加载荷和边界条件，求解 ，进行静、动态分析 第 69 周 （ 5） 对汽车车架的 结构参数进行优化设计 第 1012 周 （ 7） 完成 设计说明书 的撰写 ，指导教师审核 第 13 周 （ 8）毕业设计（论文）修改、完善 第 14 周 （ 9）毕业设计（论文）审核、预审 第 15 周 （ 10）毕业设计（论文）修改、完善 第 15、 16 周 （ 11）毕业设计（论文）答辩准备及答辩 第 17 周 五、 参考文献 1王海霞，汤文成等客车车骨架有限元建模技术及结果分析 D机械强度， 2002， 24. 2，卢耀祖等机械与汽车结构的有限元分析 M上海：同济大学出版社， 2003. 3杨华，曹立波特 征建模在汽车车身覆盖件设计中应用 J客车技术与研究， 2002， 4： 114王国强实用工程数值模拟技术极其在 J 西安： 西北工业大学出版社 , 2000. 5黄天泽，黄金陵汽车车身结构与设计 J北京：机械工业出版社， 1992， 10. 6郑兆晶有限元应力计算结果改善处理的一种实用方法 J计算力学学报， 1999， 11. 7黎西亚，李成刚，胡于近车架有限元分析技术发展综述专用汽车 ， 2001(1):138冯胜国，贾素梅轻型车有限元分析及应 用 J机械强度， 1996,18(2). 9刁勤芳汽车车身骨架结构的有限元分析及结构优化设计研究 M南京：东南大学， 1988. 10孙凌玉，谢军，于春生等汽车车身结构动力学建模方法研究机械工程学报 ， 1999, 35(5)：72 74. 11， at of in d， 1990， 28(9 10)： 18312 of a 1 ， 1995， 20913李少波，谢庆生，楚甲良汽车车身设计方法探讨 D贵州工业大学学报 (自然科学版 )，)，