节能车车架优化设计与实验分析【含CAD图纸、三维SW图纸、说明书】
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含CAD图纸、三维SW图纸、说明书
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压缩包内含CAD图纸和三维建模及说明书,咨询Q 197216396 或 11970985摘 要发展节能车是未来汽车发展的趋势，而节能车车架轻量化则是影响节能车节能的关键因素之一。本论文即是以节能车车架的设计为研究基点，以降低油耗为出发点，分析车架结构对车辆油耗特性的影响规律，为节能车车架的设计做一些从理论到实战的基础研究工作。国内汽车设计的主要手段是用传统的样车和旧车型作参考的模式，在对车架进行分析设计时经常会对车架进行大幅度的简化。随着计算机技术的高速发展，汽车车架的结构设计逐渐由传统的经验设计方法转向了现代设计方法。其中，有限元方法已经成为建立有限元模型、模拟车架的主要分析途径，并慢慢走向成熟。本论文运用solidworks软件对车架进行建模，并进行利用有限元分析来分析车架的结构强度，然后再对车架进行优化，优化后再对车架进行验证，验证后对车架进行再优化，使车架结构达到最优的结果。本文不仅运用软件对车架进行设计分析，还对车架进行实物验证，力求设计出最合理的车架结构。关键词：节能车；车架；轻量化；三维建模；静力分析；优化设计ABSTRACTThe development of energy-saving vehicles is the trend of the future development of automobiles, and the lightweight of energy-saving vehicles is one of the key factors that affect the energy saving of energy saving vehicles. This thesis is that energy saving car chassis design as the research basis, in order to reduce the fuel consumption as a starting point, analysis the influence law of the frame structure of vehicle fuel consumption characteristics, for energy conservation design of the car frame to do some basic research from theory to practical work.The main method of domestic automobile design is to use the traditional model and the old model as the reference model, and the vehicle frame can be greatly simplified in the analysis and design of the frame. With the rapid development of computer technology, the structure design of automobile frame is gradually changed from the traditional experience design method to the modern design method. Among them, the finite element method has become the main analytical way to establish the finite element model and the simulation frame, and gradually mature.This paper use solidworks software modeling was carried out on the frame, and using finite element analysis to analyze the frame structure strength, and then optimize the frame, optimization of frame again after verification, validation of frame after optimization, the frame structure to achieve optimal results. This paper not only uses the software to design the frame, but also carries on the physical verification of the frame, and tries to design the most reasonable frame structure.Key words： Fuel Efficient Veicle; Frame; Lightweight; Statical Analysis ; Optimizasion Design II压缩包内含CAD图纸和三维建模及说明书,咨询Q 197216396 或 11970985目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1节能车的概述11.2节能车车架研究的目的和意义11.3节能车的节能技术11.4车架优化的技术手段22 节能车车架的设计32.1节能车车架研究的基本内容及设计路线32.2车架结构选择42.3车架材料的选择52.4车架的结构设计53 节能车车架模型的建立83.1车架方案一三维模型的建立83.2节能车车架方案二三维模型的建立93.3车架方案三三维模型的建立104 节能车车架有限元分析134.1 Solidworks有限元分析应用简介134.2节能车车架的结构静力分析134.3车架方案三结构优化225 节能车车架事物焊接及优化设计255.1车架实物焊接255.2节能车试跑结果分析265.3验证后的优化设计276 结论30参考文献31附录1：外文翻译32附录2：外文原文39致 谢43III节能车车架优化设计与实验分析1 绪论1.1节能车的概述节能车是一种低耗底排的新型车，比普通汽车更环保更符合经济发展的趋势。本论文即是即是进行节能车车架的设计研究，为节能车车架的设计做一些从理论到实战的基础研究工作。车架是车的重要部件，支撑着发动机、转向器、离合器、驾驶室等所有车上有关部件的质量，承受着基本上整个车子的各种重力和力矩。此外，节能车要达到节能的目的必须进行轻量化设计，而轻量化设计则对车架的结构有严格的要求，车架必须有足够的弯曲刚度以保证安装在其上的有关机构之间的相对位置在车辆行驶过程中保持不变并使车身的变形量最小；车架也应有足够的强度，以保证其有足够的可靠性与使用寿命，整个车架在使用期内不应有严重变形和开裂。1.2节能车车架研究的目的和意义1.2.1车架优化设计的目的而通过车架结构优化设计，对车架进行轻量化设计又能有效的减少车重，从而降低油耗。1.2.2车架优化设计的意义我国的汽车保有量逐年增加，需要更多的燃油，所以节能减排是中国汽车产业需要考虑的关键，也值得国家重视。车架的轻量化能够减少整车质量，从而能使汽车达到节能减排的目的，节油了能源和资本，从而具有一定的现实意义和经济意义。1.3节能车的节能技术为能提高节能车的节油特性，可以优化的对象有：传动系统、点火系统、汽缸、化油器、车架、转向系统、车轮和轮胎等，本文着手于节能车车架的设计分析。车架提供给节能车的节油特性就是车架的重量。首先是车架材料的选择，车架材料很大程度上决定着车架的重量。然后是车架的结构要简单，简单的结构能有效减少车架的重量。但是车架是节能车的重要部件，车架支撑着发动机、转向器、离合器、驾驶室等所有车架上需要支撑的部件的质量，承受着基本上整个车子的各种重力和力矩，因此对节能车车架结构的设计有一定的要求。接着是车架的轻量化设计，在保证车架的弯曲刚度和结构强度都满足要求的情况下，对车架的一些不重要部位以及车架材料结构进行调整，一些受力不大或者对整车的结构强度影响不大的部位可以相应的去除。以此来减轻车架的重量，然后达到节能的目的。1.4车架优化的技术手段本次节能车车架的设计主要用solidworks软件进行设计，车架的优化也是用solidworks软件的Simulation插件进行有限元分析，分析车架的静应力以及受力变形情况，根据分析结果对车架进行优化。solidworks有限元分析应用于机械、汽车、家电、电子产品等产品设计及研发，能够确保产品设计的安全合理性，同时采用优化设计，找出产品设计最佳方案。 本论文最初设计了三套车架方案，运用solidworks软件建模，然后再用solidworks的Simulation插件分别对三套车架方案进行静应力分析，分析后选择出一套比较合理的车架方案，然后进行优化，优化后进行实物验证，验证后再优化分析，然后再验证。通过这样分析-优化-分析-验证-优化-分析-验证的方式，进行来回的优化、分析和验证，对车架结构不断的进行调整和验证，以求出最合理的车架。2 节能车车架的设计2.1节能车车架研究的基本内容及设计路线2.1.1 节能车设计的大致内容（1）进行节能车总体布局设计；（2）进行车架结构设计；（3）进行有限元分析与优化设计；（4）进行车架实物焊接验证。2.1.2 技术路线表2-1 节能车车架设计路线分析题目，查阅并收集资料根据资料确定设计方案完成节能车总体布局设计节能车车架结构设计用solidworks软件分析对车架进行实物焊接验证完成装配图、零件图完成设计说明书N2.2车架结构选择车架是整个节能车的骨架，其需要支撑发动机、转向装置、车轮、驾驶座、车壳等。因此在进行车架结构设计时，需要考虑发动机的安装、驾驶员的驾驶空间、转向装置的安装方式、车轮轴的支撑方式以及传动装置传动方式的调整等。目前车架的类型大概有这几种：平板式、空间桁架式、梯形式、X型式、脊骨式。虽然近段有的汽车厂在进行车架结构设计时使用多种车架类型组合的复合结构甚至无骨架结构。但由于本文所设计的是节能车的车架，其要求重量更轻、结构简单，所以本文还是选择单一结构形式的车架。而在车架材料的选择上，管道或型钢焊接的车架最符合本文的设计要求，但这需要焊接设备和焊接技术做支撑。在多种车架类型中，最常用的是平板式、空间桁架式和脊骨式，在进行车架总体方案选择时注意控制转向结构形式，车手的驾驶姿势以及车壳的装卸等问题。由于车架在是整车的骨架，其要支撑起整个车辆，所以还得考虑驾驶产生震动时车架的变形量，这会影响到各个部位安装后会发生位移变形，导致节能车在驾驶时出现各种问题，比如转向灵敏度不符合要求，传动装置出现卡死等。以下是常见的车架类型：图2.1 平板式图2.2 空间式图2.3 梯形图2.4 X型图2.5 脊骨式在节能车车架的结构上，在经过对多种车架类型的分析比较后，本设计的车架方案选择上浮式和空间桁架式进行设计，其大体结构如下图： 图2.6 上浮式和空间桁架式车架2.3车架材料的选择本次设计的节能车车架所采用的材料是6061铝合金。6061铝合金的主要合金元素是镁和硅具有中等强度、良好的抗腐蚀性、可焊接性，氧化效果较好等优点。美铝6061是6系合金的主要合金，是经热处理预拉伸工艺的高品质铝合金产品；美铝6061具有加工性能极佳、良好的抗腐蚀性、韧性高及加工后不变形、上色容易、氧化效果极佳等优良特点。2.4车架的结构设计 目前汽车制造企业的汽车设计的车轮大多都是3-4个，但本文所设计的节能车是为了简化结构，提高传动效率，进一步减少车重，从而达到节能的目的。发动机的驱动齿轮直接通过链条与驱动车轮的链轮相连并进行传动，所以本次所设计的车架都是前两轮后一轮的节能车车型。车架的类型以及车轮结构确定后本次就需要测量车架的具体尺寸，其大致是通过对车手的体型和坐姿定下整车的初步尺寸，在根据发动机和车轮等个装置进行各项数据的测量，车身高度尽可能降低，可以参考发动机竖直放置时的最高点，这个高度车手躺下时的视野也是可以满足车手的驾驶要求。整车的车架重心不能太高，避免车辆在驾驶时高速转弯会发生翻车的危险，底盘高度也要保证有足够的离地间隙，防止车辆行驶过程中由于地面不平和自身震动而出现底盘触地的现象。通过前后载荷的分配来确定轴距轮距，保证有车轮对地面有足够附着力，避免车辆在高速行驶时转向和刹车不灵的情况发生。在保证车架用料少的同时，也利于车身设计的流线型。车架的前半部分大致是根据驾驶员的身高以及试驾姿势确定，首先是置脚横梁到前轮支撑梁的距离，在驾驶员坐下之后腿部伸长的距离来确定；再根据驾驶员的前脚部的活动范围确定了置脚横梁的横向距离，因为要考虑安装脚踏板，所以置脚横梁的宽度要比实际脚部的活动范围稍大；然后根据驾驶员驾驶时臀部的位置，确定车架前轮支撑梁到座椅横梁的纵向距离，再根据驾驶员的体形需要确定座椅横梁的横向宽度；根据发动机的极限高度和驾驶员驾驶时头部的高度确定座椅立梁的极限高度；根据发动机体积的尺寸确定发动机固定横梁与车架座椅横梁的间距；根据发动机底部定位孔的位置来确定支撑发动机的两个固定横梁的相对位置；根据后轮的大小以及发动机与车轮传动时需要的空间确定后轮支撑梁的位置；根据选用车轮的直径的大小和节能车底盘高度来确定后轮支撑樑与车架最下端的相对高度；根据驾驶员的驾驶姿势来确定支撑驾驶员背部的斜樑的角度；由于前轮支撑梁中间连接的横梁需要安装转向，所以前轮支撑梁的高度则根据驾驶员驾驶时其手部最方便的活动范围以及驾驶员的视野状况来确定前轮支撑梁的高度。根据要求，本文运用CAD软件设计了三个不同结构的车架进行分析对比，三种车架方案驾驶员都是选用体型较小的40kg重、身高在1550mm左右的女驾驶员，驾驶员半躺驾驶，后置发动机，单后轮驱动。车架尺寸如下：1、方案一 握把转动式转向，最大转向角20度，驾驶员视线角度上下为90度，左右为120度，接近角为8度。车架总长2335mm，总高625mm，车架最宽600mm，轴距1861mm，轮距800mm。图2.7 车架方案一设计图纸2、方案二 握把转动式转向，最大转向角20度，视线角度上下为90度，左右为120度，接近角为8度。总长2805mm，总高675mm ，车架最宽600mm， 轴距1861mm，轮距800mm。图2.8 车架方案二设计图纸3、方案三 前后拉杆式转向，最大转向角20度，视线角度上下为90度，左右为120度，接近角为8度。总长2380mm，总高390mm，车架最宽500mm，轴距1420mm，轮距800mm。图2.9 车架方案三设计图纸3 节能车车架模型的建立前面设计了车架的具体尺寸大小，下面再利用solidworks绘制三个车架的立体图形，方便对车架进行分析和优化。3.1车架方案一三维模型的建立1、建模流程如下：（1）用solidworks建模，用多步凸台拉伸命令，创建车架底板模型。图3.1 车架方案一模型创建过程截图（2） 用solidworks建模，用凸台拉伸和扫描命令，进一步创建车架前轮支撑樑和前置脚横梁的斜拉梁。图3.2 车架方案一模型创建过程截图（3）用solidworks建模，用凸台拉伸和扫描命令，进一步创建车架座椅斜梁及后桥立梁。图3.3 车架方案一模型创建过程截图（4） 车架方案一建模完成。图3.4 车架一模型创建过程截图2、车架模型特点由于车架座椅斜梁及后桥立梁支撑驾驶员，为了加强驾驶员后部、后桥前部这一部分纵梁的刚度，防止出现严重变形的情况，本文在上部增加了辅助纵梁，但为了发动机安装方便，辅助纵梁和车架底部的高度大于450mm。3.2节能车车架方案二三维模型的建立1、建模流程如下：（1）用solidworks建模，用凸台拉伸和扫描命令。图3.5 车架方案二模型创建过程截图（2） 车架方案一建模完成。图3.6 车架方案二模型创建过程截图2、车架模型特点为加强后桥的强度，增设了辅助斜梁，从而加强车架车架整体的刚度和强度。而且比方案一节省了一定的材料，和减少了一定的车架质量。进一步实现了整车的轻量化，但是其结构强度需要进一步分析是否满足要求。3.3车架方案三三维模型的建立1、 建模过程如下：（1） 用solidworks建模，用多步凸台拉伸命令，创建车架底板模型。图3.7 车架方案三模型创建过程截图（2） 用solidworks建模，用多步凸台拉伸、扫描和镜像命令，进一步创建车架其余横梁以及斜樑。图3.8 车架方案三模型创建过程截图（3） 车架方案三模型建立完成。图3.9 方案三车架建模过程截图2、车架模型特点由于此车架没有设计安装转向把手的横梁，所以此车架的转向采用安装在两侧的前后拉杆式转向，这样设计是为了方便车手的近出入，而且结构更简单，此车架结构为空间桁架结构，设计时运用了大量的三角形结构来增加其结构的稳定性。4 节能车车架有限元分析4.1 Solidworks有限元分析应用简介solidworks有限元分析应用于机械、汽车、电子产品、建筑等产品设计及研发。其作用是：确保产品设计的安全合理性，同时采用优化设计，找出产品设计最佳方案，降低材料的消耗或成本，在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题; 模拟各种试验方案，减少试验时间和经费，是产品设计研发的核心技术。使用solidworks进行有限元分析的一般步骤：1、建立数学模型；2、建立有限元模型；3、求解有限元模型；4、结果分析。4.2节能车车架的结构静力分析分析车架的结构应力就是要保证所设计的车架其结构强度在材料的屈服强度范围之内，防止车架有超出其结构能承受的最大应力而出现结构失效的情况。本文采用的车架材料是6061铝合金，材料屈服强度为55.15MPa，所以我们要控制车架的结构应力在其范围之内。并且车架出现的变形要小于2mm。4.2.1 Solidworks车架网格的划分方案一、二、三对应的车架模型都是采用基于曲率的网格划分。图4.1 网格因子参数1、 方案一网格划分前后截图。图4.2 网格划分截图2、 方案二网格划分前后截图。图4.3 网格划分截图3、 方案三网格划分前后截图。图4.4 网格划分截图 4.2.2 Solidworks施加夹具和载荷1、施加约束本次分析主要是为了研究车架的静应力，忽略其他力的影响，本文分别对所设计三个车架的主受力面施加约束，车架主要受力有整车和车手的重力，而其支撑部位则为三个车轮的位置，所以需要要在车轮的支撑樑上施加约束。图4.5 solidworks关于约束的描述根据车架受到车轮的力，本次分析本文采用的夹具为在平面上，然后限制其两个方向的自由度，只留一个方向运动的自由度，这样能够更直观的分析出车架受到的静应力。图4.6 solidworks添加约束图4.7 车架方案一施加约束图图4.8 车架方案二施加约束图图4.9 车架方案三施加约束图2、 施加载荷添加约束完成后，接着对车架施加载荷。除了车架自身重力外，还有车手、发动机等施加在车架上的重力，本次分析主要是车架自身、车手和发动机对车架施加的重力，所以载荷施加的部位分别为支撑车手和发动机的位置。图4.10 方案一施加载荷截图图4.11 方案二施加载荷截图图4.12 方案三施加载荷截图 4.2.3 Solidworks车架的静应力分析结果图4.13 方案一的车架位移图图4.14 方案一的车架应力图图4.15 方案二的车架位移图图4.16 方案二的车架应力图图4.17 方案三的车架位移图图4.18 方案三的车架应力图4.2.4车架静力分析的对比通过solidworks软件对三个车架进行有限元结构静力分析，发现车架变形不显著，应力均不大，位移也都在预算范围之内，三种车架方案的分析结果对比如下：表4.1 三种方案的静应力分析结果方案一方案二方案三最大位移值 /mm0.381.571.01最大应力值 /MPa10.4318.2124.67由表4.1可知，方案三所对应的车架的应力最大值为24.67MPa，小于所选材料6061铝合金的屈服极限55MPa，而且其位移为1.01mm，方案二的最大位移量则是最大的，其应力也不是最小的。三种方案通过比较可以看出，方案一所受的最大应力和最大位移都比方案二和方案三的要小。再结合在第二章所讨论的内容可以得出一个暂时的结论：方案一是三个方案中较好的一个方案。图4.19 三种车架方案的质量属性在完成对三种车架的静应力分析后，发现车架所受的最大应力都远小于车架材料的屈服强度，因此都满足本次的要求，然后本文再对三种车架方案的重量进行对比，方案一重量7.614kg是三个车架中最重的一个，而方案二和方案三分别为2.405kg和2.845kg，其重量差距不大接。因此，本文再对三种车架方案的结构合理性、焊接难度以及车手上下车的方便的问题进行了对比，最终决定对方案三进行优化和实物焊接验证。表4.2 三种方案的重量对比方案一方案二方案三重量 kg7.6142.4052.8454.3车架方案三结构优化选定方案三作为本文设计的车架方案后，再对其进行结构优化，对其在前面的分析中，发现其发动机部位的辅助直梁受力并不大，因此取消该直梁对车架整体的结构影响并不大。图4.20 车架优化取消的辅助直梁同样，前轮横梁的辅助支撑斜梁所受应力也不大，其对车架的结构应力影响较小，因此也可以取消。图4.21 车架优化取消的辅助支撑斜梁取消该直梁后再对车架进行应力分析，确认取消辅助直梁后车架整体结构强度在允许范围之内，应力分析结果图如下：图4.22 车架取消辅助直梁后的应力分析结果图图4.23 车架取消辅助直梁后的应力分析结果图图4.24 车架取消辅助直梁后的应力分析结果图根据应力分析结果图显示，车架最大受力位置位于前轮横梁与中间直梁的接触位置，其大小为39.17MPa，小于材料的屈服强度55.15MPa，所以取消发动机部位的辅助直梁后车架整体强度在允许范围之内，而其最大位移为1.483mm，重量为1.8kg。受力，位移和重量在优化后的变化如下表：表4.3 车架优化后的对比优化前优化后最大位移值 /mm1.011.594最大应力值 /MPa24.6736.66重量 /kg2.8452.5675 节能车车架事物焊接及优化设计5.1车架实物焊接本次节能车车架的设计不能止步于书面的研究，应该进行实物模型的建立，这样才能更直观的对车架进行设计分析，优化那些用solidworks设计时没有发现的问题。在进行分析对比后，本文选择对方案三进行实物焊接，并进行装载验证。图5.1 车架焊接车架焊接完成后进行车轮、转向、发动机等部件的安装，在安装部件的过程中，由于最初设计时为了让驾驶员出入方便，前轮位置并没有设计上横梁，因此转向不能采用常规的轮盘式转向盘，转向手把常见有两种方式，轮盘式和前后拉杆式。由于本次设计的车架结构的原因，本次设计采用前后拉杆式的转向，其体积小，控制灵敏。图5.2 车架部件安装在安装完各个主要部件后试驾：图5.3 节能车试驾然后进行实地试跑，并收集实验数据。根据操场一圈400米算，驾驶节能车跑25圈，等于行驶10公里，而行驶10公里的油耗为75ml，换算为133.33km/L。图5.4 节能车试跑5.2节能车试跑结果分析在实物模型的建立和试驾过程中，发现以下的问题，并进行改动：（1） 车架前端变形幅度较大。由于采用的不是本次设计预设的6061铝合金材料，而是用镀锌管焊接，材料的性能差异导致车架前端支撑脚部的位置出现较大变形。（2） 底盘过低。这会导致节能车在行驶过程中发生较大震动时可能会出现底盘触地的情况，这需要修改车架后轮支撑部分的高度，前轮只需要对转向节连接前轮轮轴的高度进行改动。（3） 驾驶员坐姿太低。本次所设计的车架是半躺式，这就会影响驾驶员驾驶时的视野情况，并且舒适度不高，因此需要对背靠的斜梁的角度进行调整，提高车手的视野角度。5.3验证后的优化设计针对上述的问题对车架进行优化，提高车架性能。首先是对车架进行结构调整，由于车架前端出现较严重的变形，所以要改变前端直梁的结构，由原先的正方形管改为长方形管： 图5.5 车架前端樑直梁修改前和修改后截面图然后是提高背靠斜梁的倾斜角度以提高驾驶员的驾驶视角，将原先的倾斜角度41改为46：图5.6 车架背靠斜梁角度调整然后是对车架进行轻量化处理，由于前面本文对车架进行静应力分析时车架受到的应力远小于其屈服应力，所以可以减小车架材料的壁厚，以减小车架的整体重量，壁厚由原先的2.5mm改为1.5mm。修改壁厚后再对车架进行分析，得到结果其最大应力值为39.17Pa，依然在屈服强度之内，而其变形位移最大位于前端横梁值处，位移大小为1.48mm，都在预算范围之内。图5.7 优化后的车架应力分析图图5.8 优化后的车架位移分析图图5.9 车架修改壁厚后的质量属性与修改壁厚前的车架重量相比，修改壁厚后的车架重量得到减轻，所受最大应力和最大位移的变化如下表：表5.1 车架轻量化后的分析数据对比优化前优化后最大位移值 /mm1.5941.483最大应力值 /MPa36.6639.17重量 kg2.5671.802随后本文在进行各种调整之后，再重新对车架进行焊接并安装上车轮、发动机和转向等各个装置，再进行试跑，同样是行驶10公里，油耗为63ml，换算为158.73km/L，优化后的车架结构强度满足要求，并且油耗得到降低，达到本次设计的目的。表5.2 车架优化前后油耗对比优化前优化后油耗ml75636 结论本次毕业设计是对节能车车架进行优化设计与实验分析，其大体流程是：首先本文是根据查阅的资料用CAD设计出三套车架方案，然后用SolidWorks进行建模并分析，选出较符合本文设计要求的车架方案进行优化，然后进行车架焊接验证，再根据验证的结果对车架进行优化，优化完成在进行车架焊接而后实地试跑并进行数据对比，以便看出车架优化后是否达到预期节油的效果。在对车架进行数次的结构优化和轻量化后，根据几次数据的对比，车架重量从最初的2.845kg优化到1.802kg，车辆的油耗得到下降，达到本次设计的目的。在第五章部分，在对车架进行轻量化时，车架的设计结构和车架材料对轻量化有很大的影响，车架设计的结构能直接影响到轻量化时的方向，而材料则影响到车架的结构强度和重量。并且进行车架实物焊接时我们遇到许多在设计时没有发现的问题，比如驾驶员的视角状况，驾驶员上下车是否方便等问题。驾驶可见视角会影响到驾驶员驾驶时对路面情况的判断，而上下车是否方便则考虑的是在驾驶车辆的过程中如果车辆发生事故驾驶员能否快速逃生。所以在对车架进行设计时实物验证是很有必要的。最后本文设计出了一个结构比较合理，重量较轻的节能车车架。虽然设计的还算合理，但是由于本文制作车架的材料采用的是镀锌管，并不是预设的6061铝合金，两者的结构强度不同，所以焊接出来的车架在真正驾驶时其产生的内应力与变形都会与设计分析时的结果会有一些出入。但是进行焊接实验可以验证其结构上的问题。参考文献1张学波,龙心义,李卫星.如何提升QM 200GY越野摩托车后平叉焊接强度J.摩托车,2012(22):82-84.2孙月恒.建筑信息模型对住宅产业化的重要作用J.住宅产业,2012(08):55-58.3周建美,王桂姣.基于有限元分析的节能车车架轻量化设计J.天津汽车,2008(09):72-74.4武柏年,黄小海,王国丽.节能车车架设计研究J.车辆与动力技术,2011(04):42-45.5胡溧,施耀贵,杨啟梁.基于有限元法的某型大学生方程式赛车车架优化设计J.武汉科技大学学报,2015,38(01):31-34.6陈大陆 ,何志刚 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Design process for a single-seat car bodyJ. Journal of Middle European Construction and Design of Cars,2011,9(3).20Iman Zafarparandeh,Ismail Lazoglu. Application of the finite element method in spinal implant design and manufactureM.Elsevier Inc.:2012-06-15.43附录1：外文翻译随机路面激励下被动半主动悬架四分车模型的设计优化G. VERROSS. NATSIAVAS亚里斯多德大学机械工程系，希腊(natsiavaauth.gr)C. PAPADIMITRIOU德国塞萨利大学机械与工业工程学系，38 334卷，希腊。(2005年3月28日获接纳2005年1月4日)文摘:提出了一种基于随机路面激励的非线性四分车模型悬架阻尼和刚度参数的优化方法。调查开始时，汽车模型涉及被动阻尼，具有恒定或双速率特性。在此基础上，我们还研究了悬架阻尼系数选取的汽车模型，从而使系统近似模拟了具有天钩阻尼的主动悬架系统的性能。对于半主动或无源双速率阻尼器的模型，等效悬架阻尼系数的值是关于车轮子系统的簧载质量相对速度的函数。因此，产生的运动方程是强非线性的。对于这些模型，首先采用适当的方法来获得由具有随机剖面的道路产生的运动的第二个力矩特征。该信息在车辆性能指标的定义下得到了进一步的应用，该指标对最重要的悬架参数进行了优化，得到了具有代表性的数值结果。特别关注道路质量的影响以及与车轮跳动有关的检查效果。最后，对被动线性悬架阻尼器和半主动减振器汽车所得到的结果进行了临界比较。关键词:四分车模型，双速率阻尼器，天钩阻尼，轮跳，随机优化。1. 介绍在汽车工业的许多领域，通常采用单自由度或双自由度四分之一汽车模型。这些ar-eas包括对地面车辆动态响应、识别、优化和控制的预测(如Karnopp等，19741 Harrison和Hammond, 19861 Sharp和Has-san, 19861 Hrovat, 19931 Dixon, 19961 Metallidis etal .， 2003)。这主要是由于四分之一车型的简单和他们提供的质量上正确的信息，特别是在骑车和搬运研究方面。此外，从这些简单的mod-els中提取的信息，为更详尽、准确和全面的研究提供了一个坚实的基础，更多的涉及到动力汽车模型(Verros et al.， 2000a)。本研究的主要目的是开发和应用一种系统的方法-ogy，使地面车辆的悬架阻尼和刚度参数在随机道路激励下的最佳组合。以往对该课题的研究大多涉及具有线性特征的汽车模型或受确定性道路激励作用的力学模型。此外，很少注意揭示和研究与车轮跳跃现象有关的重要影响，主要是由于其数学建模的固有困难(Palkovics和Venhovens, 19921 Verros和Natsiavas, 2001)。目前的工作结合最近的发展，涉及到对非线性四分之一车型的响应和优化，受到道路激励。在粒子-lar中，研究的模型包括具有强烈非线性阻尼和刚度特性的悬浮液，并允许车轮跳跃。此外，道路的不规则性被假定为random的性质，它们被频率光谱描述，这被认为是典型的汽车工程(Dodds和Robson, 19731 Gillespie, 1992)。然后将此激励应用于具有线性或双线性减震器和线性或三线性悬架弹簧的双自由度四分之一汽车模型。具体来说，除了线性模型外，还研究了带有被动或半主动悬架阻尼器的汽车系统。在最后一种情况下，根据悬架阻尼系数的选择，应用控制策略，使车辆接近理想状态的天钩。在阻尼或刚度系数可变的情况下，分析变得复杂，因为产生的运动方程涉及强非线性。类似的非线性也被引入到线性模型中，当车轮跳跃被包括在公式中(例如Verros和Natsiavas, 2001)。在选择了道路激发谱后，利用蒙特卡罗模拟法对所研究的非线性车辆模型进行了概率分析。随机道路轮廓的样本函数是利用光谱抑制方法生成的，然后通过对运动方程的积分(Shinozuka, 1972)计算出车辆对每个样本道路轮廓的响应。最后，利用所得到的样本车辆响应时间历史来估计响应的特征。这些特性反过来又形成了一个基础，这对于开发一个计算上合适和高效的优化过程是必要的。本论文的材料组织如下。在下一节中，我们介绍了被动和半主动的四分之一汽车模型。在第3节中，我们提出了一种计算非直线车辆模型的二阶矩特性的方法，该模型受已知光谱的随机道路轮廓的影响。该信息用于第4节，定义车辆性能指标，包括车辆行驶舒适性、车辆处理和悬挂的工作空间。然后，建立了基于该性能指标的悬架阻尼和刚度参数的最优值选择方法。在第5节中，给出了一些典型的数值结果，并通过应用该方法得到了一些数值结果。重点是对线性、双线性和天车模型的结果进行关键的比较。最后，总结了工作的重点。图1所示.车辆模型:(a)线性模型，(b)分段线性模型，(c)天钩模型。2. 力学模型本研究中研究的车辆系统的力学模型如图1所示。它们被称为四分之一车型，由于它们的简单性和质量上的正确信息，它们被广泛应用于汽车工程中，至少在最初的设计阶段(Hrovat, 1993年)。在所有情况下，坐标x1和x2分别表示车轮子系统和车身的绝对垂直位移。首先，对于图1(a)的线性模型，运动方程可以很容易地放入经典矩阵形式。其中x1t2 - 5 1x1 x22t表示响应向量，而数量表示质量矩阵，阻尼矩阵，以及系统的刚度矩阵。此外，矢量f 1t2包括由于道路粗糙度而产生的强迫项。特别地，车辆被假定为以一个恒定的水平速度40在道路上的一个侧面图s1z2。在这里，这个配置文件由一个随机过程表示，它具有统计分布，这与典型的道路概况(Dodds和Robson, 1973)的测量是一致的。因此，强迫向量是以形式表示的。其中xg 1t2, s140t2。图2.(a)悬浮阻尼器的受力特性。(b)恢复弹簧的力。(c)天钩模型的等效悬架阻尼系数。图1(b)和图1(a)中所示的模型的主要区别是，前者遵循一种常用的被动控制策略，即悬架阻尼系数c2在两个不同的值之间转换的值。更具体地说，对于这个模型，车身和车轮之间形成的阻尼力具有这种形式。其中x4 5 x42 6 x41。这意味着悬架阻尼系数取决于簧载质量与非簧载质量之间相对速度的符号，如图2(a)所示。换句话说，它在压缩时的值与扩展值不同(例如，沃尔玛公司，19901 Surace et al.， 1992)。此外，悬架弹簧也可能具有分段线性特性。一般情况下，典型的汽车悬架的恢复力具有非线性特性，可以通过折叠表达得到足够的精度。其中x5 x2 6 x1，而xc和xe表示被暂停的间隙(参见图2(b)。最后，图1(c)所示的力学模型被称为理想的“天钩”模型，并在传统悬架模型(Verros et al.， 2000b)上具有一定的优势。此外，该模型还包括了一个带阻尼系数的阻尼器阻尼器，它比轮胎的等效阻尼系数c1要大得多。在最简单的形式中，该模型具有线性特征。然而，由于不可能实现这类悬架，必须采用适当的控制策略，修改其特性。根据前人对这一课题的研究，采用以下控制力对天钩模型的行为进行了研究。在系统的两个质量之间。这意味着，为了对车辆进行主动控制，需要对悬架阻尼系数值进行连续监测，比如c92，基于对x41、x42和x4g的量的测量。在实际操作中，最经济、最容易实现的策略是基于半主动控制逻辑，采用双开关阻尼器。更具体地说，从c21和c22选取适当的阻尼系数值的公式中选择等效的悬挂阻尼系数(见图2(c)。在被动双线性或半主动控制策略的应用后产生的动力系统是强非线性的，因为悬架阻尼系数的值在某些点上发生变化。此外，即使对于具有线性特性的系统，当允许车轮单独分离和起飞时，也会产生强烈的非线性效应。这一现象被称为“车轮跳跃”(wheel hop in the literature)，它对车辆的整体动态响应产生了巨大的变化(Verros和Natsiavas, 2001)。为了将这种可能性纳入到力学模型中，首先引入了运动学变量。然后，如果X1 5 0，轮子与地面没有接触，当接触力在车轮与地面之间产生接触力的时间间隔内，失去接触，等于零(Leine et al.， 2000)。最后，运动方程的相应修正是，在轮作阶段，k1、c1和强制函数f 1t2等于零。3. 随机路面情况下的响应特性。一般来说，典型的道路是存在着大量的孤立的不规则现象，例如坑坑洼洼或凸起，它们被叠加在较小的但连续分布的剖面上。为了本研究的目的，我们只考虑后一种类型的道路。也就是说，本节讨论的是在前一节给出的车辆模型的二阶矩响应特性的估计。这些随机域是实值的，零均值，平稳，高斯分布。因此，对于他们的完整的统计描述，足以指定他们的二阶矩。在这里，这一要求是通过假设道路不规则有一个已知的单面功率谱密度来实现的，例如Sg 192，其中9 5 2是一个空间频率，对应的是一个具有波长的谐波规律性。根据之前对该主题的许多调查(例如，Dodds和Robson, 1973)，典型道路的几何轮廓非常精确地符合以下简单的分析形式。用对数对数刻度表示的直线。用这种方法，两种不同道路断面的粗糙度的振幅比与各自的Ag值的平方根比成正比。此外，在公式(5)中选择指数的值为n 5 2时，通常是相当准确和分析方便的，这也就意味着道路坡度具有类似于白
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