开题报告-梦想4.0号赛车行驶系设计.pdf

中北大学毕业设计开题报告学学生生姓姓名名：李元伟学学号号：1302064216学学院：院：机械与动力工程学院专专业：业：车辆工程设计题目设计题目：中北大学“梦想4.0号”赛车行驶系设计指导教师指导教师:尉庆国2017年3月3日毕毕业业设设计计开开题题报报告告1选题依据：一、赛事介绍FSAE（ulaSocietyofAutomotiveEngineers）方程式汽车大赛最早起源于1978年，那时美国举行了一个叫迷你印地（MiniIndy）的小型方程式赛车比赛。我国也于2010年在上海成功举办了首届中国大学生方程式汽车大赛（FSAE），到现在已经成功举办了7届，我国高校80多个车队加入了这个行列。这项比赛是各国汽车工程师协会为了挑战在校大学生或研究生赛车团队在小型休闲赛车方面的设计、加工、制造及创新能力而发起的一场赛事。大赛要求各个高校车队在12个月内自行设计和制造出一辆在加速、制动和操控性能以及耐久和燃油经济性等各个方面都能表现优异的小型单座休闲的方程式赛车。这项比赛到现在为止已经有30多年的历史了，其中德国、英国、澳大利亚、日本、巴西、意大利和中国等国家在美国举办之后相继加入了这一赛事。现在，FSAE发展迅速，在赛车设计方面越来越多的创新理念融入了里面，在制造方面也越来越精细。这项赛事给在校大学生提供了一个创新和实践的机会，为汽车行业培养了大量的具有扎实的理论基础、非凡的创新能力、高超的工程实践能力的年轻工程师。在一年的时间里，参赛团队要做好设计和加工方面的时间节点安排，在设计的时候也要考虑成本以及加工费，根据自己车队的实际情况做好预算（包括设备、材料等），这也给学生提供了一个团队工作的机会。中北大学行知车队也于2014年开始参加这个比赛，2017年将会参加中国第八届大学生方程式汽车大赛。2014年和2015年，行知车队在静态赛的成本报告项目中分别获得了第四和第五名的好成绩，2015年还获得了“优胜奖”。2016年，“梦想3.0号”赛车成功跑完耐久，是行知车队参加比赛以来第一次完赛，最后获得了总成绩“三等奖”的好成绩。经过三届的比赛，现在行知车队在比赛技巧以及赛车设计制作方面也已经积累了很多宝贵的经验。图1.1、图1.2、图1.3为中北大学行知车队前三年已经参赛的的FSAE赛车。图1.1中北大学2014年参赛赛车图1.2中北大学2015年参赛赛车图1.3中北大学2016年参赛赛车比赛规则中，对赛车的总体设计做出以下要求：（1）赛车式样：赛车必须车轮外露和座舱敞开（方程式赛车式样），并且四个车轮不能在一条直线上；（2）车身：除了驾驶舱必须开口以外，从赛车最前端到主防滚架（或者防火墙）的这段空间里，不允许车身上有深入驾驶舱的开口。允许在前悬架的零件处有微小的开口。（3）轴距：赛车的轴距至少为1525mm（60英寸）。（4）轮距：赛车较小的轮距（前轮或后轮）必须不小于较大轮距的75%。（5）可视性：技术检查表格上的所有条目必须在不借助工具（比如内窥镜或是镜子）的情况下清楚地呈现给技术检查官。呈示时可以通过拆卸或移动车身板件来实现1。在评分方面，规则中专门提出了测评内容。参赛车辆将在一系列的静态和动态项目中进行测评，包括：技术检查、成本与制造分析、营销报告、赛车设计、单项性能测试和良好的赛道耐久性1。其中技术检查不计分，但是在进行动态赛之前，赛车必须通过技术检查，否则无法继续比赛。各项分数如表1.1所示表1.1各比赛项目及分值静态项目分数动态项目分数技术检查不计分直线加速测试75成本与制造分析1008字绕环测试50营销报告75高速避障测试150赛车设计150效率测试100耐久测试300静态项目总分325动态项目总分675总分1000二、FSAE赛车行驶系国外研究现状FSAE赛事发展到今，国内外各个高校车队对方程式赛车的研究也越来越深入。国外高校对FSAE赛车研究比较早，所以对于方程式赛车的零部件设计及优化甚至加工制造更加丰富与成熟，在赛车行驶系方面技术积累相当多。在悬架方面，例如，美国一所高校对大学生方程式所用的轮胎的特点和各项性能进行对比研究，对于提高轮胎的各项使用性能有了一个相对全面的理论依据2；两个美国工程师比较详细地说明了赛车各系统构件的设计优化和制造要点以及赛车各项性能的设计理论，目前，在FSAE圈子里，成为了经典的设计学习教材3。一个美国高校车队设计悬架的整个过程，他们采用了拉杆式双横臂悬架，有效的降低了赛车的重心，在设计时采用了多种仿真和结构分析软件，分析了多种受载情况下各零部件的受力情况，为赛车其他模块儿设计提供数据4。文献一个俄罗斯高校对于悬架几何做了一个详细的研究5。目前，世界各国车队在车架方面的研究也累积了丰富的经验，都利用计算机技术对车架做了强度与刚度的分析与计算，而且计算机辅助软件也越来越丰富。现在，世界上普遍使用的CAE有限元仿真分析软件有：HyperWorks、ANSYS、MSC.NASTRAN、MARC、PATRAN、ABAQUS、LS-DYNA、ADINA、ANSA等，这些软件对于结构力学分析和零部件优化有很大作用。在汽车车架研究方面，国外CAE有限元分析技术的研究起步较早，CAE技术现己比较成熟。大学生方程式也将有限元分析作为设计中不可或缺的设计分析方法，有限元主要可以用于零部件的强度、刚度分析，以及疲劳耐久分析和性能分析。在FSAE赛车车架结构分析与优化方面，国外高校已经普遍将其作为赛车设计的一个标准流程，并通过建立虚拟样机来代替实车。因为参加大学生方程式赛车都是各高校精心手工打造，基本上一年一辆，不是量产车，我们不可能对其进行大部分试验，所以通过建立虚拟样机进行实验，这样不仅提高了设计效率，缩短了开发周期还降低了成本，这对于大学生来说，是很重要的。一个国外车队结合理论分析，讲述了路面激励对车架振动的影响。对车架进行扭转、压力刚度以及强度和对车架进行模态分析，使其达到理想的轻量化6。德国斯图加特大学详细的对大学生方程式进行CAE仿真分析，在轻量化方面做的非常好，而且赛车性能和加工工艺也较为突出7。三、FSAE赛车行驶系国内研究现状我们国内各高校对FSAE赛车研究较晚，但也有几所高校也有了自己独特的研究成果，其发表的论文也国内的经典教材。湖南大学的张武利用ADAMSCar对于赛车的操纵稳定性进行了动力学仿真8；湖南大学的柴天结合多年的FSAE赛车设计以及制造经验，比较详细的介绍了赛车各个系统设计要点，并且对湖南大学3辆FSAE赛车用ADAMSCar进行了整车仿真，通过对3辆赛车轮胎特性、偏频的对比分析，研究了其对整车性能的影响9。湖南大学刘美燕以2007年湖南大学方程式赛车为研究对象，利用ADAMSCar对悬架和整车进行了运动学仿真分析，对操纵稳定性做了详细的介绍10。北京理工大学的倪俊等对方程式轮胎模型做了简要介绍，在建模过程以及轮胎使用技巧方面提供了很有用的建议，供国内各个高校参考使用11。倪俊等人发表了多篇关于赛车各种外界条件下的赛车操纵稳定性仿真分析，利用ADAMSCar对赛车操纵稳定性进行了仿真，深入分析了有稳态回转、蛇形绕桩实验等12；倪俊等人考虑了空气动力学因素，使模型更加接近实际，在此基础上进行了进行了稳态回转实验、转向盘角阶跃输入实验、转向轻便性实验及回正性试验13。利用ADAMSCar建立了赛道模型，模拟了赛车行驶中遇到的典型侧风工况，分析了FSAE赛车遇到侧风时的稳定性14。文哈工大的李嫚很详细的介绍了他们学校参加比赛赛车的设计过程，利用ADAMSCar对悬架和整车进行仿真优化，用ANSYS对FSAE赛车主要受力部件进行有限元分析，从其应力和应变两方面确定是否满足结构要求15。2013年哈工大范雪梅除了讨论悬架设计方法和仿真分析方法以外，并且分析了碳纤维复合材料在悬架中的应用，研究了碳纤维管和金属胶粘的连接方法与工艺，并做了验证，为碳纤维复合材料在悬架上的应用提供了有力的依据16。华南理工大学的吴建瑜很详细的介绍了双叉臂悬架的设计和刚度计算方法，成为了国内FSAE赛车设计必备参考教材17。在车架方面，国内高校也逐步应用了有限元分析法，虽然没有国外早期研究有限元法在FSAE赛车上应用成熟，但经过7个赛季的发展，国内各高校也积累了很多经验。北京理工大学在有限元分析这一块儿，已经达到了较高的水平，他们的FSAE赛车无论是结构设计还是轻量化在国内都是做的非常好的。特别他们从2015赛季开始，黑鲨VI历史性的首次使用单体壳承载式车身，替代了原有的钢管桁架式车架，满足整车轻量化和高扭转刚度的要求。河北工业大学吴亮亮用HyperMesh对FSAE赛车车架进行多种工况分析（静态弯曲、扭转、满载加速、满载转弯、翻车），得到各种工况下的应力和位移云图，对结果进行分析。还用有限元软件对车架模型进行了模态分析，对实车车架进行了模态实验，二者进行了对比分析。文献中还介绍了一种远程在线测试系统，在车架薄弱点安装应变片，检测赛车车架在不同工况下应力变化，为轻量化设计提供了可验证的数据18。南京理工大学倪晓菊利用ABAOUS对车架进行不同工况（弯曲、激励、扭转、弯扭组合）的力学分析，计算车架的强度和刚度。为了防止共振，利用ABAOUS软件对车架进行动力学分析，主要是车架的模态分析，包括自由模态和约束模态的分析，并且根据分析结果提出结论并用电阻式应变仪对2015年比赛实车车架进行静力试验，把试验结果和有限元模型静力分析结果进行比较，验证模型的可靠性19。同济大学余海燕等用了单体壳是一种新型结构技术，车架和车身为一体代替了传统钢架结构，比传统钢架车架车身质量减少34%。文中用不同碳纤维和铝蜂窝板作为车身主材对FSAE赛车进行单体壳车身设计，通过对比，选择出了合适的碳纤维材料。并用有限元分析方法对单体壳车身进行了优化分析20。中北大学李越辉详细介绍了ANSYS有限元分析在车架上的应用，对车架进行了五种极限工况下的强度分析、弯曲刚度及扭转刚度分析、模态分析31。四、课题研究的内容及目的为了参加2017年10月中旬在襄阳举办的第八届中国大学生方程式汽车大赛，根据中国大学生方程式汽车大赛赛事规则和赛车制造标准要求，对中北大学“梦想4.0号”赛车行驶系统进行匹配计算分析，计算行驶系统及总成各部件的设计参数，完成行驶系统总成的设计及优化。行驶系统包括车架、悬架、车轮、轮胎和车桥等，在FSAE方程式赛车设计上，我们不说车桥，本文主要研究悬架和车架，并运用多体动力学软件ADAMS和静力学分析软件ANSYS对悬架和车架进行仿真分析。结合前三辆“梦想号”的行驶系统设计以及制造上的不足，并参考其他高校设计优点，将“梦想4.0号”赛车悬架和车架更好的匹配，分析悬架运动学参数的变化规律，为“梦想4.0号”赛车的调试提供理论依据和确保赛车具有良好的操纵稳定性和行驶平顺性。方程式赛车设计是倾向于操纵稳定性的，并不太多考虑舒适性。借助ANSYS软件的辅助设计，在车架保持高扭转刚度的同时，做到轻量化设计。悬架的机构设计方面的要求主要集中在可靠性、调整简便性、结构合理性、轻量化等方面。本文研究目的在于将依照机械设计的原则在借鉴国内外优秀赛车的设计与制造经验的同时对中北大学行知车队前三届赛车的悬架机构和车架的设计工作进行总结继承优点并改进不足以求在2017年中国大学生方程式汽车大赛中的设计答辩环节和分值比重较大的动态项目上取得优异成绩。毕毕业业设设计计开开题题报报告告设计方案：一、实践总结通过亲身实践，参加2016年大学生方程式汽车大赛，设计并制造了“梦想3.0号”赛车的悬架系统，以及和各高校车队交流，发现中北大学前三届赛车在设计以及制作上，尚有许多问题。针对目前的情况，下一步的研究重点应注意以下几个方面；（1）查阅相关资料，更全面的了解轮胎力学，掌握所用轮胎的力学特性；（2）在整车仿真分析中悬架的性能表现，通过调整悬架参数，进一步提升悬架性能和整车性能；（3）进行减振器弹簧刚度和阻尼匹配研究，探讨两者对赛车性能的影响趋势，为赛车调校提供理论依据；（4）本文只对悬架关键受力零部件进行静力学分析，下一步利用ADAMS应对其进行动态仿真分析，以更加接近悬架实际受力情况在用ANSYS对各个零部件进行有限元分析，进行拓补结构优化，实现悬架轻量化的目的；（5）由于时间、仪器设备、场地等条件限制，本赛车没有进行专门的实车测试实验，下一步可考虑通过实车测试实验或者K&C试验平台来验证悬架运动学仿真模型的准确性和调试赛车悬架，以获得更加优异的悬架性能和整车性能。（6）在去年车架基础进行进一步轻量二、设计方案确定由于高速赛车对操纵稳定性的要求较高，基于总布置的空间并参考了国内外赛车的悬架，采用独立悬架。由于双横臂独立悬架设计自由度大，悬架控制臂的长度可自行设定，且有较小的非簧载质量；为了使赛车拥有良好的操控稳定性，同时在满足比赛规则前提下，FSAE赛车前后悬架均选用不等长双横臂独立悬架。赛车上的双横臂悬架一般有3种设计方案：推杆驱动的双横臂悬架、拉杆驱动的双横臂悬架和叉臂驱动的不等长双横臂悬架19。通过综合比较上述3种不等长双横臂独立悬架的结构特点，并综合考虑整车的布置方案以及稳定杆的安装等影响因素以及前三辆赛车均采用推杆驱动不等长双横臂悬架，有了相关的经验。本课题最终确定前后悬架都采用推杆驱动的不等长双横臂悬架。三、研究内容本课题是以中北大学行知车队“梦想4.0”赛车为研究对象，主要研究内容为：（1）对赛车前后悬架进行整体设计，包括悬架结构类型的选择、悬架几何的设计、车轮定位参数的制定以及悬架偏频的选择与悬架刚度阻尼的计算20等。根据设计计算结果来建立赛车悬架系统的三维模型；(2)悬架运动干涉校核如控制臂与轮惘的干涉等；（3）悬架结构校核如悬架部件在各种工况下应力应变的校核等；（4）基于AdamsCar模块仿真平台，在分析Adams软件求解计算方法的基础上，分别建立FSAE赛车前后悬架的仿真模型，对前后悬架做运动学仿真分析，并得到车轮定位参数、轮距和侧倾中心高度等重要参数的变化规律；（5）从大学生方程式赛车规则、人机工程、总布置进行考虑，用CATIA建立了车架模，并用ANSYS进行刚度和强度校核分析。四、进度安排2017年2月13日-3月6日调研、文献检索、制定方案，撰写开题报告3月7日-5-5月20日制作中国大学生方程式赛车、撰写毕业设计说明书5月21日-6-6月10日准备和进行毕业设计论文答辩吗参考文献1中国大学生方程式汽车大赛规则2017.2KasprzakEGentzD.TheulaSAEtiretestconsortiumtiretestinganddatahandlingJ.SocietyofAutomotiveEngineersPaper，2006：801-808.3MillikenWF，MillikenDL.RacecarvehicledynamicsM.Warrendale，PA:SocietyofAutomotiveEngineersInternational，1995.4JawadBABaumannJ.DesignofulaSAESuspensionC.SocietyofAutomotiveEngineersConferenceProceedings，2002：267-272.5S.ChepkasovG.MarkinA.Akulova.SuspensionKinematicsStudyoftheulaSAESportsCarJ.InternationalConferenceonIndustrialEngineering2016：1280-1286.6WilliamB.RileyAlbertR.George.DesignAnalysisandTestingofulaSAECarChassisJ.SAEInternational2002.7BuchholzK.SoftwaretoolshelppropelulaSAEteamsJ.Training20142014:05-22