（光学工程专业论文）电动客车车身结构轻量化设计与研究.pdf

摘要 摘要 续驶里程较短，动力不足足限制电动客车应用推广的技术难题。减轻电动客车总 质量对延长其续驶里程，提高比功率，改善动力性具有非常重要的意义。而电动客车 车身骨架作为电动客车的主要承载部件，所占电动客车总质量百分比最大，因此对电 动客车车身骨架进行轻量化研究对减少电动客车总质量具有十分重要的意义。 本文以某客车公司研究丌发的纯电动客车g z 6 1 0 0 e v 的车身骨架为研究对象，运 用有限元分析方法在电动客车车身结构轻量化设计与研究领域进行了以下几项工作： 1 ) 对该车型车身骨架进行结构简化。在运用c a t i a v 5 软件进行三维建模之后将 实体模型导入a n s y sw o r k b e n c h 软件中建立了电动客车车身骨架仿真分析平台。 2 ) 在车身骨架有限元分析模型的基础上，根据城市公交客车的常见行驶工况如弯 曲、扭转、紧急转弯、紧急制动等危险工况下进行车身结构强度与刚度分析，得到车 身骨架在各工况下应力应变的分布情况，分析原设计中存在的设计余量，为轻量化优 化方案的提出提供必要的依据； 3 ) 根据有限元分析的结果提出了两种轻量化方案，一是保持原车材料不变，运用 a n s y sw o r k b e n c h 软件平台对车身骨架进行拓扑优化设计；二是广泛采用先进高强度 钢代替原车设计中的使用的普通碳素钢，以结构件的截面参数为变量进行轻量化设计。 经研究发现广泛采用先进高强度钢后，车身骨架的减重效果更为明显。本文通过 计算分析，在满足各工况强度与刚度的要求下，运用拓扑优化方案最终使车身骨架的 总质量由2 1 4 0 7 k g 下降至2 0 1 8 k g ，减重幅度为5 7 ，而广泛采用先进高强度钢后， 车身骨架的总质量则由2 1 4 0 7 k g 下降至1 8 1 3 2 k g ，减轻3 2 7 k g ，减重幅度高达到 1 5 2 7 。 由此可以预见在先进高强度钢的生产工艺与加工成型技术获得突破性进展后，广 泛采用先进高强度钢将是实现车身骨架轻量化的最主要的途径。 关键词：电动客车、车身骨架、轻量化、有限元法、先进高强度钢 广东_ t - 业大学硕士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r i cp a s s e n g e rc a r ss h o r t e rm i l e a g ea n dl e s sp o w e ra r er e s t r i c t e dt op r o m o t et h e i r a p p l i c a t i o nt e c h n i c a lo b s t a c l e r e d u c et h et o t a lq u a l i t yo fe l e c t r i cb u st oe x t e n di t sr a n g e ， i n c r e a s ei t sp o w e r ，e n h a n c et h ep o w e ri sv e r yi m p o r t a n t w h i l et h ee l e c t r i cb u sb o d yf l a m e a st h em a i nb e a r i n gc o m p o n e n t so fe l e c t r i cb u s ，e l e c t r i cb u sf o rt o t a lm a s s p e r c e n tm a x i m u m ， s ot h ee l e c t r i cb u sb o d yf r a m el i g h t w e i g h tr e s e a r c ho nr e d u c i n ge l e c t r i c p a s s e n g e rc a r g e n e r a lq u a l i t yi sv e r yi m p o r t a n t t h i sp a p e rt a k e sab u sc o m p a n yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fp u r ee l e c t r i cb u sb o d y s k e l e t o no fg z 610 0 e va st h er e s e a r c ho b je c t ，u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di nt h e a n a l y s i so f “e l e c t r i cb u sb o d ys t r u c t u r a ll i g h t - w e i g h t i n gd e s i g na n dr e s e a r c h “f i e l ds t u d y w a sc a r r i e do u tt h ef o l l o w i n gw o r k ： 1 ) o nt h ev e h i c l eb o d ys k e l e t o ns t r u c t u r es i m p l i f i c a t i o n u s i n gc a t i a v 5s o f t w a r et o e s t a b l i s ht h es k e l e t o n st h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n ga n dt h e ni m p o r tt h ee n t i t ym o d e li n t o a n s y sw o r k b e n c ht oe s t a b l i s ht h ep r o j e c t 2 ) b a s i n go nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e l ，a c c o r d i n gt ot h ec i t yb u sd r i v i n gc y c l e ， s u c ha sb e n d i n g ，t o r s i o n ，e m e r g e n c yt u r n i n ga n d e m e r g e n c yb r a k i n gw h i c ha l la r ed a n g e r o u s w o r k i n gc o n d i t i o n so fb o d ys t r u c t u r a l ，s t r e n g t ha n dr i g i d i t ya n a l y s i s ，g e tt h eb o d yi nv a r i o u s c o n d i t i o n so fs t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o n ，a n a l y s i so ft h ed e f e c t si nt h ef o r m e rd e s i g n m a r g i n ，a sal i g h t w e i g h to p t i m i z a t i o ns c h e m ei sp r o p o s e dt op r o v i d et h en e c e s s a r yb a s i s ； 3 ) a c c o r d i n gt ot h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sr e s u l t sa r ep r e s e n t e df o rt w ol i g h t w e i g h t s c h e m e ，o n ei st om a i n t a i nt h eo r i g i n a lc a rm a t e r i a lc o n s t a n t ，u s ea n s y s w o r k b e n c h s o f t w a r ep l a t f o r mo nb o d yf r a m ed e s i g no ft o p o l o g yo p t i m i z a t i o n ；t w oi st h ew i d e s p r e a d a d o p t i o no fa d v a n c e dh i g hs t r e n g t hs t e e l ( a h s s ) i n s t e a do ft h eo r i g i n a lv e h i c l ed e s i g ni nt h e u s eo fo r d i n a r yc a r b o ns t e e l ，t h es t r u c t u r eo ft h ec r o s ss e c t i o np a r a m e t e ra sav a r i a b l e l i g h t w e i g h td e s i g n t h es t u d yf o u n dt h a tt h ew i d e s p r e a da d o p t i o no fa h s s ，b o d yw e i g h tl o s se f f e c ti sm o r e o b v i o u s i nt h i sp a p e r ，t h r o u g hc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s ，i ns a t i s f i e st h ec o n d i t i o no fs t r e n g t h a n ds t i f f n e s sr e q u i r e m e n t s ，u s eo ft o p o l o g i c a lo p t i m i z a t i o n s c h e m ef i n a l l yt h eb o d y f r a m e w o r ko f t o t a lq u a l i t yf a l l sf r o m2 1 4 0 7 k gt 0 2 0 1 8 k g ，w e i g h tl o s sr a t eo f 5 7 ，a n dt h e w i d e s p r e a da d o p t i o no fa d v a n c e dh i g hs t r e n g t hs t e e l ，t h eb o d y f r a m eo ft o t a lm a s si s d e c r e a s e df r o m214 0 7 k gt o 1813 2 k g ，r e d u c e 3 2 7 k g ，w e i g h tl o s sh i g ha m p l i t u d eu pt o 1 5 2 7 i tc a nt h u sb ep r e d i c t e di nt h ea h ssp r o d u c t i o nt e c h n o l o g ya n dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y w a sab r e a k t h r o u g h ，t h ew i d e s p r e a da d o p t i o no fa h s s w i l lb et h er e a l i z a t i o no fb o d yf r a m e l i g h t w e i g h tm o s tm a i nw a y k e y w o r d s ：e l e c t r i cc a l ，b o d ys k e l e t o n ，l i g h t w e i g h t ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a h s s c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) ”i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i i c o n t e n t s ( c h i n e s e ) i v c o n t e n t s ( e n g l i s h ) 一v i i c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1 i n t r o d u c t i o n 。1 1 2 t h ee l e c t r i cb u sc u r r e n tt e c h n o l o g i c a lp r o b l e m sa n a l y s i s 2 e l e c t r i cp a s s e n g e rc a rl i g h tw e i g h t i n gr e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n da b r o a d 3 1 4 m a i nm e t h o d sf o rl i g h t e n i n gb u s ”5 1 5 t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dw i t ht h ei n t r o d u c t i o no f a n s y s w o r k b e n c h 5 1 5 1 f i n i t ee l e m e n tm e t h o da n a l y s i so f t h eb a s i cs t e p 7 1 5 2 a n s y s w o r k b e n c hi n t r o d u c t i o n 8 1 6 w a y so f t h i n k i n ga n d r e s e a r c hm e t h o d s 8 c h a p t e r2e l e c t r i cc a rb o d ys t r u c t u r ea n a l 3 7 s i sa n dm o d e l i n g 、 2 1e l e c t r i cb u sb o d ys k e l e t o ns t r u c t u r ea n a l y s i sa n ds i m p l i f i e d 9 2 2e l e c t r i cb u sb o d yf i n i t ee l e m e n tm o d e l 10 2 2 1b o d yf l a m ef i n i t ee l e m e n tm o d e l 11 2 2 2b o d yl o a dh a n d l i n g 1 3 2 2 3e l e c t r i cb u sb o d yf r a m ea n a l y s i so f m a i nb e a r i n g 1 4 2 3b o d yf r a m et e c h n i q u ei n d e x 15 2 3 1b o d yf r a m es t r e n g t hi n d e x15 1 5 2 3 2b o d yf r a m es t i f f n e s si n d e x l6 16 2 4f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sc o n d i t i o n so f f 9 。1 9 2 4 1e l e c t r i cb u sd r i v i n gc y c l eo fc h o i c e ”1 9 2 4 2e l e c t r i cb u sb o d yf e at od e t e r m i n et h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s 1 9 2 4 3e a c hc o n d i t i o nl o a dd e s c r i p t i o n 2 0 v l i 广东工业大学硕士学位论文 c h a p t e r3e l e c t r i cb u sb o d yf r a m ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 2 2 3 1 b e n d i n g 2 2 3 2 t o r s i o n 2 4 3 3 e m e r g e n c yb r a k i n gc o n d i t i o n s 3 0 2 9 3 4 e m e r g e n c yt u r n i n g 31 3 5 c o m p u t a t i o n a lr e s u l t sa n a l y s i s 3 4 3 5 1b o d yf r a m es t r e n g t ha n a l y s i s 3 4 3 5 2b o d yf r a m es t i f f n e s sa n a l y s i s 3 5 3 5 c h a p t e rs u m m a r y 3 5 c h a p t e r4e l e c t r i cb u sb o d ys k e l e t o nt o p o l o g yo p t i m i z a t i o nd e s i g n 3 6 4 1 t o p o l o g yo p t i m i z a t i o n 3 6 4 1 1i n t r o d u c eo fs t r u c t u r a lt o p o l o g yo p t i m i z a t i o n 3 6 4 1 2t o p o l o g yo p t i m i z a t i o nb a s i cp r i n c i p l e sa n dc o m m o nm e t h o d sa n ds t e p 37 4 2e l e c t r i cb u sb o d ys k e l e t o no f t o p o l o g yo p t i m i z a t i o n 3 9 4 2 1p r e t r e a t m e n tt o p o l o g yo p t i m i z a t i o na n a l y s i s 3 9 4 2 2t o p o l o g yo p t i m i z a t i o nr e s u l t sa n a l y s i s 4 0 4 3 b o d yf r a m el i g h t w e i g h td e s i g n 4 2 4 4 c h a p t e rs u m m a r y 4 5 c h a p t e r5a d v a n c e dh i g hs t r e n g t hs t e e le l e c t r i cb u sb o d ys k e l e t o no p t i m i z a t i o n 4 6 5 1 a d v a n c e dh i g hs t r e n g t hs t e e ls e l e c t i o na n da p p l i c a t i o n 4 9 4 6 5 2a d v a n c e dh i g hs t r e n g t hs t e e lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y 4 7 5 3a d v a n c e dh i g hs t r e n g t hs t e e lb o d yf r a m eo p t i m i z a t i o ns c h e m e 4 8 5 3 1l e f t ，r i # ts i d ef r a m es e c t i o nt oc h o o s et h es h a p ea n ds i z e 51 4 8 5 3 2f r a m ec r o s ss e c t i o ns h a p ea n ds i z e 5 4 51 5 4a d v a n c e dh i 【g hs t r e n g t hs t e e lb o d yf r a m es t r e n g t ha n d r i g i d i t yc h e c k 51 5 5 c h a p t e rs u m m a r y 6 0 c o n c l u s i o na n do u t l o o k 6 1 c o n c l u s i o n 6 1 o u t l o o k 6 2 r e f b r e n c e s 。6 3 a c a d e m i cp a p e r sp u b l i s h e dd u r i n gt h ed e g r e e ”6 5 a c k n o v t ，l e d g m e n t s 6 7 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论1 帚一早z 否y 匕 纯电动客车是采用动力电池取代燃油作为驱动汽车行驶的能量，并通过驱动电机 把电能转化为机械能驱动汽车行驶的一种新能源汽车。随着地球极端环境的变化对人 类生存环境的影响，低碳环保已经成为当今世界各国的共识，并成为各国各界关注的 焦点，甚至上升为国际政治高度，成为发达国家制衡发展中国家发展的重要手段之一。 与美日欧等发达国家大力发展纯电动轿车不同，我国人口众多，在主要的大城市人口 密集，交通拥堵十分严重，公共交通才是解决我国城市交通拥堵日益严重的重要手段， 因此受到我国政府的高度重视。我国早在2 0 0 5 年，国务院办公厅下发4 6 号文件，转 发了关于优先发展城市公共交通的意见，这是建国以来，有关发展公共交通的第一 个全面系统的文件。2 0 0 6 年，国家发改委联合建设部、财政部、劳动和社会保障部四 部门联合下发了关于优先发展城市公共交通若干经济政策的意见，进一步明确了优 先发展城市公共交通的经济政策，为优先发展城市公共交通创造了良好的政策环境。 所谓“公交优先 是指城市内的客运交通以大容量、速度快的公共交通工具为主，其 他的交通工具为辅助。掘统计，辆中型公交车所占道路面积分别相当于1 0 辆自行车、 6 辆摩托车、2 辆出租车所占面积，而载客量却是他们的十几甚至到几十倍，运送相同 数量的乘客，公交车与小汽车相比，分别节省土地资源1 4 ，投资5 6 ，而空气污染却 不n d , 汽车的1 1 0 t 。目前在城市公共交通中，燃油客车仍然占据绝大多数，而其中很 大一部分是“带病”工作，排放与污染较为严重，是城市空气污染的重要来源。 纯电动客车由于零排放，零污染以及低噪音等诸多优点。世界各国已将其列为高 科技发展的战略项目。为了支持2 0 0 8 年北京奥运会，北京市从2 0 0 0 年起持续支持开 展面向奥运的纯电动大客车研发与示范工作。形成了一系列具有完全自主知识产权的 科技成果，获得发明专利9 项，实用新型专利6 项。在整车和关键部件技术以及应用 方面取得了重大突破，达到了国内领先水平。并在2 0 0 8 年奥运会期间，投入5 0 辆纯 电动大客车在三条线路上进行2 4 小时不问断的运行服务，客车最短发车间隔为5 分钟。 2 0 0 9 年1 月国家科技部、财政部、国家发展与改革委员会、工业和信息化部于共同启 广东工业大学硕士学位论丈 动十城千辆工程计划，该计划的主要内容为：计划用三年时间在十个城市中，通 过提供财政补贴的方式，每个城市平均推出1 0 0 0 辆新能源汽车开展服务性质的运行示 范，涉及的车型主要是这些大中城市的公交客车、出租车、公务用车、市政工程车， 争取使全国新能源汽车的运营规模在2 0 1 2 年占到汽车市场份额的1 0 。 为鼓励节能汽车的发展，在2 0 0 9 年1 月2 3 日，科技部联合财政部出台了节能 与新能源汽车示范推广财补助资金管理暂行办法，暂行办法规定，动用中央财政对购 置节能与新能源汽车给予一次性定额补助，鼓励全国十三个试点城市率先在公交客车、 出租车、公务用车、市政工程车、邮政车等车型中推广使用节能与新能源汽车。办法 明确规定，中央财政对购置节能与新能源汽车将按同类传统汽车的基础价差，并适当 考虑规模效应、技术进步等因素给予一次性定额补贴。其中，纯电动和燃料电池客车 每辆补贴分别高达5 0 万元和6 0 万元，混合动力客车最高每辆补贴4 2 万元。而长度1 0 米以上城市公交客车则是此次补贴的重点。 据悉，作为国家第二批新能源汽车示范推广试点城市，广汽集团客车公司在2 0 1 0 年第十六届广州亚运会期间先后向2 0 1 0 年广州亚运会提供了2 6 辆纯电动公交车、1 1 4 辆混合动力公交车、2 1 4 辆无障碍客车等6 个类别9 种车型共计1 0 0 0 余辆新型公交客 车。 目前，世界上几乎所有的发达国家和大型汽车厂商都在致力于电动汽车的研究开 发和推广应用工作。在美洲已经商业化的纯电动汽车接近6 0 0 0 辆，其中3 1 6 辆为过去 一年中新增的大巴公交车辆。在欧洲，各种电动车已经超过5 0 万辆，其中有1 0 万辆 电动轿车和厢式车、4 0 万辆踏板车。 1 2 电动客车目前存在的技术问题分析 自上世纪5 0 年代在载货汽车底盘上改装木质车身以来，我国客车制造行业历经改 装、仿制、技术引进吸收到如今的自主研制开发四个阶段。如今已形成了以“三龙一 通 为龙头，百家争鸣的行业格局。我国已成为世界客车产销量位居第一的客车工业 大国，然而纵观世界，由于我国客车生产技术总体落后，设计水平较低导致我们还不 是世界客车工业的强国。在巨大环境保护、节能排放的压力下，各国政府都在大力资 助企业，科研院所进行新能源汽车的开发与推广，虽然各国都取得了很大的成绩，但 2 第一章绪论 市场反映却不如人意，在技术还有很多需要解决的问题，主要表现在： 1 、续驶里程有限。新能源汽车采用液化石油气，天然气，燃料电池，电池等作为 汽油与柴油的替代品给汽车提供能量。其中用电池作为能量的称之为纯电动客车，现 在开发的电池由于存储的电能有限，其功率、比功率与发动机相比相去甚远，所以充 足一次电，能行驶的距离十分有限。大量的试验表明，在理想状况下( 即客车以恒速 在良好的电池调节系统的状况) 能续驶里程的里程大约为1 0 0 k m 至2 4 0 k m ，最长的续 驶里程也不过3 4 0 k m 。而在城市循环工况下测试，绝大部分的电动客车也就不过5 0 k m 至8 0 k r n 左右，远不能满足现代客车的长途运输。 2 、电动客车整备质量大。为了解决电动客车的续驶里程有限的问题，重要的途径 之一便是增加电池容量，这样电动客车所携带的电池质量就要增大，占客车整备质量 的比重可达4 5 左右。因此必须寻求电动客车的轻量化设计，通过减少车身骨架等的 质量来抵消由于增加电池所带来的质量增大的矛盾。 3 、电池充电时间长，寿命短，回收性能差。也是电动客车推广应用的主要障碍。 4 、设计方法落后，先进的计算机辅助分析应用不足。主要表现在整车协调性较差， 设计中如果遇到局部强度较弱时，往往采用“头痛医头，脚痛医脚 的局部加强的方 法，使得最终设计的客车质量越加越大。由于缺少设计过程中的c a e 分析，设计师只 能依靠自身经验进行设计，因此对那些构件应该减少、材料减薄的幅度为多少缺少明 确的依据，生产过程中不敢实施。如此延续下来，整车装备质量增加，而新的结构形 式也不容易产生。 1 3 电动客车轻量化国内外研究现状 1 ) 国外研究现状。汽车轻量化课题一直受到欧美国家的重视。1 9 9 4 年，德国奥 迪公司斥资8 0 0 万欧元在德国内卡苏姆建立了铝材中心( 1 9 9 4 2 0 0 2 ) ，后来更名为“奥 迪铝材及轻量化设计中心”。该中心自成立以来致力于研究材料连接技术、车身结构、 材料技术和构造技术等汽车轻量化的关键技术，以寻求汽车车身轻量化的最佳解决方 案，实现了车身质量的大幅降低。其实早在该中心成立以前，世界上第一辆全铝车身 框架结构( 简称a s f ) 的奥迪a 8 便成功下线。而随后在1 9 9 9 年诞生于这里的奥迪a 2 ， 则成为世界上首批采用a s f 技术的量产车。紧接着在2 0 0 2 年，奥迪铝材及轻量设计 3 广东工业大学硕士学位论文 中心又见证了第二代奥迪a 8 的诞生。采用相同技术的蓝博基尼g a l l a r d o 超级跑车也紧 随其后，于一年后在意大利的s a n t a g a t a 正式投产。在此期间，奥迪还开发了全新的 汽车生产技术使得其铝制车身制造的自动化操作程度达8 0 ，赶上了传统钢制车身生 产的自动化水平。“铝材及轻量设计中心”所取得的铝制车身量产化成就深受全球汽车 行业的广泛赞誉。 在日本，新能源汽车技术和汽车轻量化技术的研究一直走在世界的前列。在2 0 0 9 年1 2 月4 日，同本庆应义塾大学环境情报学部清水浩教授在东京举办的“2 0 0 9 国际宇 博会”上作了拥有2 1 世纪基础技术的日本一电动汽车的未来的主题演讲，披露了 正在研制的具有8 轮全驱动五十铃( i s u z u ) 纯电动公交汽车。这款车的整车轻量化 也取得了突破性进展。配置空调的整车整备质量为8 0 0 0 k g ，成功突破了纯电动公交汽 车比传统柴油公交汽车过重的瓶颈。而国内同级别的1 0 米电动客车的整备质量至少要 在1 00 0 0 k g 以上，这2 吨差别的秘诀就在于车身轻量化和动力电池组的运用水平上。 2 ) 国内客车轻量化研究现状。目前国内客车产量虽然号称世界第一，是名副其实 的客车大国，但是与欧美发达国家相比，我国客车设计技术落后，尤其是在客车轻量 化方面的研究，我国还只是出于相对起步阶段，普遍存在的问题较多，归纳起来主要 表现在以下几方面： ( 1 ) 经验化设计，参照性设计还很普遍，尤其是在一些小型客车企业。设计过程 的大多时间多用来解决样车试验以后出现的设计问题，而在试制生产之前几乎没有进 行c a e 仿真分析，使得设计与分析过程完全脱节，导致开发成本高，浪费了大量的人 力，物力以及财力，效率低下。 ( 2 ) 由于软硬件对计算模型规模的限制，客车模型的细化程度不够，因而对结构 的分析还只是出于初级阶段，强度与刚度分析的结果还比较粗略。计算结果只能用来 进行结构的方案比较与塞选，距离计算机虚拟试验的要求还有比较大的差距。 ( 3 ) 汽车轻量化在我国起步较晚，客车制造企业在这方面可以利用的资源比较有 限。尤其是缺少高效实用的设计软件与c a e 分析辅助客车骨架的设计；另外国内高强 度钢板的生产工艺，机械性能以及高强度钢的加工成型技术还不成熟，不能完全满足 客车轻量化设计要求；而轻质合金材料，如镁合金零部件，铝合金汽车板在客车上的 应用成本过高，需要解决的设计、工艺以及生产过程中的问题还比较多【2 1 。 4 第一章绪论 ( 4 ) 客车轻量化技术应该足共用技术，必须将科研院所、原材料生产基地、客车 制造商、客车运营商通过客车轻量化这一技术平台紧密地联系在一起，形成牢固的产 业链条，壮大产业集群。 1 4 客车轻量化的主要途径 在现阶段，电池技术一直是电动汽车发展的一个瓶颈，车载电池的单位质量存储 的能量太少，无法保证其较长距离的行驶。研究表明，汽车的能量消耗与汽车自身总 质量成正比，汽车质量每降低1 ，可节省燃料消耗0 6 l 。因此，要想减少不必 要的能量消耗应在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备 质量，从而提高汽车的动力性，减少能量消耗，即对汽车进行轻量化设计与制造。 车辆轻量化主要有以下四种途径： 1 、应用低密度金属及其合金。如铝与铝合金、镁与镁合金，钛与钛合金等。以及 运用现代低密度复合材料等，达到减重目标。这种方法效果明显，但是成本较高，是 目f i 汽车轻量化的重要手段之一。 2 、提高高强度钢，尤其是先进高强度钢的应用比例。这种方法是通过提高钢材的 强度，从而减小钢板的厚度，效果明显，材料成本也较轻金属低。但是由于强度高， 加工成形困难，依赖于先进的加工成形技术的发展。 3 、采用先进的加工成形技术，如液压成型技术，激光拼焊板技术，辊压成形技术 等。通过节约材料，减少焊点，既减少了成形零部件的质量，其强度也到了加强。 4 、运用先进的c a e 软件对结构进行优化设计，在保证承载能力和舒适性的前提 下减轻质量。这种方法是本文的研究重点。 1 5 有限元法与a n s y s w o r k b e n c h 的介绍 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，简称f e a 法) 通过网格划分先将连续体离散化 为若干个有限大小的单元体的集合，再运用结合计算机技术的数值方法对该连续体的 力学问题进行求解，是一种高效常用的计算方法，适合于求解所有连续介质和场的问 题【”。其基本原理是在连续的求解域离散为一组单元的组合体的基础上，对每一单， 5 广东工业大学硕士学位论文 元假设一个简单的位移函数来近似的模拟其位移分别规律，通过虚位移原理求得每 个单元的平衡方程，即是建立单元节点力和节点位移之间的关系。最后把所有单元 的这种特性关系集合起来，就可以建立整个物体的平衡方程组。考虑边界条件后解 此方程组求得节点位移，并计算出各单元应力1 3 】。值得注意的是，由于连续体离散 化的程度不一，故而求解得到的是实际问题的近似解。 有限单元法最早可上溯到2 0 世纪4 0 年代。美籍德国数学家c o u r a n t 在1 9 4 3 年的工作中，第一次应用定义在三角区域上的分片连续函数和最小位能原理来求 解圣维南( s t v e n a n t ) 扭转问题1 4 】。但由于当时没有计算机这一工具，没能用来分析 工程实际问题，因而未得到重视和发展。现代有限单元法的第一个成功的尝试是在 1 9 5 6 年，美国波音公司工程师t u r n e r 、c l o u g h 等人在分析飞机结构时，将钢架位 移法推广应用于弹性力学平面问题，给出了用三角形单元求得平面应力问题的正 确答案【5 1 。1 9 6 0 年，克拉夫( c l o u g h ) 进一步处理了平面弹性问题，并第一次提 出了“有限单元法 这一概念【6 1 ，使人们认识到它的功效。 但是早期的有限元法在是在变分原理的基础上发展起来的，它适用于以拉普拉斯 方程和泊松方程所描述的各类物理场中，而这类物理场与泛函的极值问题有着紧密的 联系，因此具有一定的局限性。1 9 6 9 年以来，j t o d e n ，b a s z a b o ，g c l e e 等学者 在流体力学中应用加权余数法中的柯辽金法( g a l e r k i n ) 和最小二乘法等同样获得了有 限元方程，因而使得有限元法也可以应用于以任何微分方程所描述的各类物理场中， 而不再要求这类物理场和泛函的极值问题有所联系。 随着计算机技术的发展，有限元法在工程计算中的得到了广泛的运用，出现了许 多解决有限元计算的软件。目前最流行的有：a n s y s 、a d i n a 、a b a q u s 、m s c 四个比较知名比较大的公司生产的同名软件，其中a d i n a 、a b a q u s 在非线性分 析方面有较强的能力目前是业内最认可的两款有限元分析软件，a n s y s 、m s c 进 入中国比较早，所以在国内知名度高且应用广泛。其中a n s y s i 7 】软件是融结构、流 体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限 元分析软件公司之一的美国a n s y s 丌发。它能与多数c a d 软件接口，实现数据的共 享和交换，实现同步更新，如p r o e n g i n e e r 、n a s t r a n 、i d e a s 、a u t o c a d 、 s o l i d w o r k s 以及c a t i av 5 等，是现代产品设计中的高级c a e 工具之一。 6 第一章绪论 1 5 1 有限元法分析的基本步骤 对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是 具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为： 第步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区 域。 第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的 有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元的网络划分。显然单元尺寸越小( 网络 越细) 则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因 此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。 第三步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问 题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等 价的泛函形式。 第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其 中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的 离散关系，从而形成单元矩阵( 结构力学中称刚度阵或柔度阵) 。 为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循对工程应用而言，重要的 是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅 精度低，而且有缺失的危险，将导致无法求解。 第五步：总装求解：将单元总装形成离敖域的总矩阵方程( 联合方程组) ，反映 对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足定的连续条件。总装是 在相邻单元结点进行，状态变量及其导数( 可能的话) 连续性建立在结点处。 第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立方程 组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。 对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重 复计算。 可见，有限元分析一般可分成三个阶段，前处理、计算求解和后处理。前处理是建 立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提 7 广东工业大学硕士学位论文 取信息，了解计算结果。 1 5 2a n s y s w o r k b e n c h 介绍 面对制造业信息化大潮、仿真软件的百家争鸣、企业智力资产的保留等各种工业 需求，a n s y s 公司提出的观点是：保持核心技术多样化的同时，建立协同仿真环境。 其目标是通过对产品研发流程中仿真环境的开发与实施，搭建一个具有自主知识 产权的、集成多学科异构c a e 技术的仿真系统。以产品数据管理p d m 为核心， 组建一个基于网络的产品研制虚拟仿真团队，基于产品数字虚拟样机，实现产品 研制的并行仿真和异地仿真。所有参与仿真工作相关的人、技术、数据在这个统 一环境中协同工作，各类数据之间的交流、通讯和共享皆可在这个环境中完成。 a n s y sw o r k b e n c h 就是这样的一个协同仿真环境的平台。 1 6 研究思路与方