（车辆工程专业论文）节能竞技车研发技术的研究.pdf

摘要 随着近些年来人们生活水平的提高，能源节约、环境保护问题已经渐渐受到人们 越来越多的关注。世界石油储备量的急剧减少及原油价格的不断上涨预示了节能是当 代汽车发展的必然趋势。 论文以2 0 0 7 年首届中国本田节能竞技大赛为设计背景，设计研发一款节能竞技 车。整个设计过程在满足竞赛要求的基础上，以降低整车机构复杂度从而降低整车整 备质量，减小整车阻力为主要指导思想，分别对节能竞技车的动力系统、转向系统、 行驶系统等整车各系统进行了合理的方案选定和参数匹配q 设计方面利用了 a u t o c a d 和c a t i a 等c a d 设计软件对所设计车辆进行了整体设计和三维数字化建 模j 利用a n s y s ，软件对所设计车架进行有限元分析j 确定车架结构的合理性以及车 架制作材料。利用a d a m s 软件对转向系统进行了运动学仿真，对转向梯形机构的参 数进行了合理匹配。通过大量的实车试验验证了整个设计方案的可行性，并在试验过 程中对各系统参数进行了进一步的调试，得出更为合理有效的系统参数和竞赛方案。 关键词：节能三维数字化建模有限元分析运动学仿真 a b s 仃a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to ft h e l i v i n g s t a n d a r d so fp e o p l e ，e n e r g y c o n s e r v a t i o na n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nh a sb e e ng r a d u a l l yg o tm o r e a n dm o r ep e o p l e s a t t e n t i o n ，t h es h a r pd e c l i n eo ft h ew o r l d so i lr e s e r v e sa m o u n ta n dt h ec o n t i n u er i s i n go f c r u d eo i lp r i c e si n d i c a t e st h a te n e r g ys a v i n gi st h en e c e s s a r yt r e n d so ft h ep r e s e n tv e h i c l e d e v e l o p m e n t p a p e r sd e s i g na n dd e v e l o pa l le c o n o p o w e rc a ro nt h ef i r s th o n d a2 0 0 7c h i n a e c o n o p o w e r t h em a j o rg u i d i n gi d e o l o g yw h i c hb a s e do ns a t i s f a c t i o no fc o m p e t i t i o n r e q u i r e m e n ti sr e d u c et h ew h o l ev e h i c l ee q u i p m e n tq u a l i t ya n dr e s i s t a n c et h r o u g ht h e w h o l ev e h i c l em e c h a n i s mc o m p l e x i t yd u r i n gt h ee n t i r ed e s i g np r o c e s s i ts e l e c tr e a s o n a b l e s c h e m ea n dm a t c hp a r a m e t e r so nt h ew h o l ee e o n o p o w e rc a rs y s t e m ss u c ha sd y n a m i c s y s t e m ，s t e e r i n gs y s t e mt r a v e l i n gs y s t e ma n ds oo n w h o l ed e s i g na n dt h r e e - d i m e n s i o n a l d i g i t a l i z a t i o nm o d e lt od e s i g n e dv e h i c l eb yl l s 迦a u t o c a dc 棚aa n dc a dd e s i g n s o f t w a r e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fd e s i g n e df i r m eh a sm a d eb yu s i n ga n s y ss 0 1 a r e m a k es u r et h er e a s o n a b l e n e s sa n dc h a s s i sm a t e r i a l so ft h ef l a m es t r u c t u r e k i n e m a t i c s s i m u l a t i o nt o s t e e r i n gt r a p e z i u mo fs t e e r i n gs y s t e ma n dr e a s o n a b l em a t c h i n gt ot h e p a r a m e t e r so fs t e e r i n gt r a p e z i u mb yu s i n ga d a m ss o f h v a r e a c c o r d i n gt oal a r g en u m b e r o fr e a lv e h i c l et e s t sp r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ee n t i r ed e s i g na n dc a r r i e do naf u r t h e r a d j u s t m e n to na l ls y s t e mp a r a m e t e r so ft e s t i n gp r o c e s s ，w h i c hg e tam o r e r a t i o n a la n d e f f i c i e n ts y s t e mp a r a m e t e r sa n dc o m p e t i t i o ns c h e m e k e yw o r d s ：e n e r g yc o n s e r v a t i o n ；t h r e e - d i m e n s i o n a ld i g i t a l i z a t i o nm o d e l ；f i n i t ed e m e n t a n a l y s i s ；k i n e m a t i c ss i m u l a t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包 含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 敝储签名：骗 嗍豹刁s 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属 学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利 等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论 文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 做作者签名：雷磊嘲5 日9 曰 导师言、tc 是1 加荆s 目 * 安丈学颈学位论文 第一章绪论 1 1 引言 能源是世界人类杜舍经济发展的重要物质基础，是生产力发展的主要动力源泉。 世界经济发展充分表明：能源的增长速度与g n p 同步增长，呈正相关。战后5 0 7 0 年代世界费本主义经济大发展与充足的廉价能源供给，特别是石油供给密切相关。为 此能源供给引起世界的普遍关注。能源是人类社会发展的重要基础瓷源。但由于世 界能源资源产地与能源消费中心相距较远，特别是随着世界经济的发展、世界人口的 尉增和人民生活水平的不断提高，世界能源需求量持续增大，由此导致对能源赉源的 争夺日趋激烈、环境污染加重和环保压力加大。近几年由于多方面因素的影响，国际 原油价格不断上涨。作为国际基准原油之一，蜘原油的期货价格从2 0 0 7 年1 月2 日的6 08 7 美元，橘，涨至1 2 月3 1 日的9 5 美元嘲，年度平均价为7 2 4 l 美元黼， 比2 0 0 6 年的平均每桶甑2 5 美元上涨了9 3 0 ，且年内最高价达到9 9 2 9 美尉桶。2 0 0 7 年油价涨幅是过去十年涨幅最大的一年【”。 2 0 0 8 年初国际原油价格首次突破1 0 0 美元俑，此后虽有波动。但还是呈上升趋 势。参见下蛋4 1 和4 0 。 图t lw t i 赢油价格走势( 2 0 0 7 1 1 - - 2 0 n 4 3 0 ) 第一章绪论 圈4 0 布 e 特原油价格走势( 2 0 0 7 1 1 - - 2 0 瑚1 4 3 0 ) 一、世界能源消费现状及特点 1 受经济发展和人口增长的影响，世界一次能源消费量不断增加。 随着世界经济规模的不断增大，世界能源消费量持续增长。1 9 9 0 年世界国内生 产总值为2 65 万亿美元( 按1 9 9 5 年不变价格计算) ，2 0 0 0 年达到3 43 万亿美元，年 均增长2 7 。根据 2 0 0 4 年b p 能源统计，1 9 7 3 年世界一次能源消费量仅为5 73 亿吨油当量，2 0 0 3 年已达到9 7 4 亿吨油当量。过去3 0 年来，世界能源消费量年均 增长率为1 8 左右。 2 世界能源消费呈现币附的增长模式发达国家增长速率明显低于发展中国家 过去3 0 年柬，北美，中南美洲、欧洲、中东、非洲及亚太等六大地区的能源消费总 量均有所增加但是经济、科技与社会比较发达的北美洲和欧洲两大地区的增长速度 非常缓慢，其消费量占世界总消费量的比例也逐年下降，北美由1 9 7 3 年的3 51 下 降到2 0 0 3 年的2 8o ，欧洲地区则由1 9 7 3 年的4 28 下降到2 0 0 3 年的2 9 9 。 o e c d ( 经济合作与发展组织) 成员国能源消费占世界的比例由1 9 7 3 年的6 8o 下降到 2 0 0 3 年的5 5 4 。其主要原因，一是发达国家的经济发展己进入到后工业化阶段， 经济向低能耗、高产出的产业结构发展高能耗的制造业逐步转向发展中国家；二是 发达国家高度重视节能与提高能源使用效率。 3 世界能源消费结构趋向优质化，但地区差异仍然很大 自1 9 世纪7 0 年代的产业革命以来，化石燃料的消费量急剧增长。初期主要是以 煤炭为主，进入2 0 世纪以后，特别是第二次世界太战以来，石油和天然气的生产与 消费持续上升，石油于2 0 世纪6 0 年代首次超过煤炭，跃居一次能源的主导地位。虽 长安大学硕士学位论文 然2 0 世纪7 0 年代世界经历了两次石油危机，但世界石油消费量却没有丝毫减少的趋 势。此后，石油、煤炭所占比例缓慢下降，天然气的比例上升。同时，核能、风能、 水力、地热等其他形式的新能源逐渐被开发和利用，形成了目前以化石燃料为主和可 再生能源、新能源并存的能源结构格局。到2 0 0 3 年底，化石能源仍是世界的主要能 源，在世界一次能源供应中约占8 7 7 ，其中，石油占3 7 3 、煤炭占2 6 5 、天然 气占2 3 9 。非化石能源和可再生能源虽然增长很快，但仍保持较低的比例，约为 1 2 3 。 由于中东地区油气资源最为丰富、开采成本极低，故中东能源消费的9 7 左右为 石油和天然气，该比例明显高于世界平均水平，居世界之首。在亚太地区，中国、。，印 度等国家煤炭资源丰富，煤炭在能源消费结构中所占比例相对较高，其中中国能源结 构中煤炭所占比例高达6 8 左右，故在亚太地区的能源结构中，石油和天然气的比例 偏低( 约为4 7 ) ，明显低于世界平均水平。除亚太地区以外，其他地区石油、天然 气所占比例均高于6 0 。 二、世界能源供应和消费趋势 根据美国能源信息署( e 认) 最新预测结果，随着世界经济、社会的发展，未来 世界能源需求量将继续增加。预计，2 0 1 0 年世界能源需求量将达到1 0 5 9 9 亿吨油当 量，2 0 2 0 年达到1 2 8 8 9 亿吨油当量，2 0 2 5 年达到1 3 6 5 0 亿吨油当量，年均增长率为 1 2 。欧洲和北美洲两个发达地区能源消费占世界总量的比例将继续呈下降的趋势， 而亚洲、中东、中南美洲等地区将保持增长态势。伴随着世界能源储量分布集中度的 日益增大，对能源资源的争夺将日趋激烈，争夺的方式也更加复杂，由能源争夺而引 发冲突或战争的可能性依然存在【l 】。 三、汽车节能的重要意义和途径 传统汽车的动力来源主要以石油为主，通常人们形象的把石油比喻成为汽车的血 液。但高油价引发了人们对未来能源安全的担心，如果随着石油资源的日益紧张，成 品油价格的飙升突破了人们对其的承受能力，那么将对传统的以油为血的汽车产业带 来巨大的冲击，因此各国的汽车产业都在积极研发各种节能的途径。 汽车的节能研究目前可大致分为两个方面： 1 高效化 所谓高效就是在当前以燃油为主要动力源的基础上，以有限的资源通过研究和改 进车辆的各方面性能参数，尽可能的提高能源的利用率，从而达到节能的目的。 3 第一章绪论 2 多元化 汽车能源多元化即通常所说的新能源或待用燃料。目前世界上采用比较多的汽 车新能源主要包括混合动力、生物燃料、纯电力汽车( 包括太阳能) 、氢动力等。 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：为了节能，日本 还将重新实施夏时制。大力开发新能源，采用太阳能、风能、燃料电池、氢能、超导 能等。此外，日本还在积极开展潮汐、波浪、地热、垃圾等发电的研究和实验。单是 汽车产业，1 日本汽车就以其良好的经济性风靡全球。 1 2 选题的背景， 本田节能竞技大赛是将参赛团队设计制作的汽车在规定时间、规定路线下，行驶 一定距离，并由此换算出升油能够行驶的公里数，耗油量少则胜出的一项赛事。+ 其 中参加比赛的车辆均搭载由本田开发的低油耗四冲程发动机。 h o n d a 节能竞技大赛于1 9 8 1 年在日本创办，至今已有2 7 年的历史。h o n d a 节能 竞技大赛的主要目的就是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。比赛要求参赛车辆使用统一的h o n d a 低油耗汽油发动机，发动机以外 的车架和车身等完全由各车队独自创作，每支参赛队带来的都是世界上独一无二的赛 车。赛车在指定的赛道内跑完赛程，比赛谁消耗的燃油最少。由于有着极高的乐趣性 和广泛的参与性，在日本，每年都有来自初中、高中和大学等的学校代表队、企业代 表队，以及来自社会上的共约5 0 0 支车队，创作出具有新颖构思和创意的赛车参加比 赛。在迄今为止的2 7 届比赛中创下的最高记录为3 4 3 5 3 2 5 k m l ，相当于北京到重庆 的直线往返距离。同时，这项比赛也逐渐向海外扩展，泰国、巴基斯坦、俄罗斯、韩 国等的参赛者相继参加了日本的比赛，2 0 0 7 年首次在中国上海举办了h o n d a 节能竞 技大赛，长安大学参加了这项赛事。 1 3 论文的主要内容及意义 h o n d a 节能竞技大赛的目的是通过比赛提高社会的节能和环保意识，参赛车队通 过各项独创技术不断挖掘一升汽油的无限潜能，从中体会到节能的重要性。同时，比 赛也为参赛者提供体验亲手制作赛车的乐趣的机会，提高实践能力。论文以2 0 0 7 年 首届中国本田节能竞技大赛为设计背景，设计研发一款节能竞技车。通过理论分析与 试验数据相结合的科学方法j 对节能竞技车辆的性能进行分析研究，为节能竞技车辆 4 长安大学硕士学位论文 今后的研发及改进提供依据。主要工作如下： 1 节能车整体方案的选取，通过对历年节能竞技车辆结构的对比分析，确定节能 竞技车辆的底盘、转向系统以及车身等部分的结构形式； 2 进行节能竞技车辆主要部分的设计研发及参数匹配，基于c a t i a 与a u t o c a d 等c a d 设计软件对节能竞技车辆进行结构设计与三维数字化建模； 1 t 3 基于a n s y s 软件对车架结构进行有限元分析，计算车架的强度、刚度； 4 节能竞技车辆转向系统的设计，并基于a d m a s 软件对节能竞技车辆转向机构 进行运动学防真： 5 按照设计方案进行了节能竞技车辆的实际制作； 6 通过实车试验确定合理的节能竞技车驾驶方案。 5 第= 章节眭车整件设* 方案确 第二章节能车整体设计方案确定 2 1 车轮的配置 车轮的配置包括了轮数的选择以及分配形式。在轮胎配置方案的选择中应该充 分考虑到节能车制作的简易性，行驶稳定性以及行驶阻力。根据节能竞技大赛比赛规 则，参安车辆必须为3 轮以上，要求其结构为无论在停止时还是行驶时都能自行站立。 从而得出如下几种车轮配置方案： 1 前一轮后两轮，如图2 1 。这种布置形式类似与在日常生活中见到的三轮车， 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。但是其方案的行驶稳定性较差，尤其是转向行驶稳定性，这将大大 降低节能车的行驶安全性。 图z l 前一轮后两轮的布置形式 2 前一轮后轮加两个辅助轮，如图2 2 。根据大赛规则参赛车辆在行驶过程 中要始终保持3 轮以上接触地面，因此在采取该种布置形式时要尽量避免出现两轮行 驶的情况发生。 删熟舞 1 r 图2 2 前一轮后一轮加两十辅助轮的布置形式 3 前两轮后两轮，如图2 3 。这种布置形式与常见的四轮轿车类似，其优点为有 较好的行驶稳定性但是在以节能为主要目的的竞技大赛中，这种布置方案的缺点则 更为突出。首先，由于接地面积较大，无疑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，同时也会影响接车的质量。 长安大学碰士学位论文 圉2 j 前两持后两轮的布置形式 4 自口两轮后一轮，如图2 4 。这种布置行驶在以往的节能竞技大赛中应用最为广 泛，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。 。二5 - 圈z 4 前两轮后一轮的布置形式 综台上述几种结构的优缺点，在节能为主的前提条件下，又要同时保证良好的操 稳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两轮后一轮的布置形 式。 2 2 车架的材料与结构 根据以上确定的车轮配置方案，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该同时考虑到小巧、轻便、结实、安 全等因素。 根据上面确定的前二后一的车轮布置形式，得出一下几种车架材料和结构的方 案： 1 钢管梯形车架，如图2 5 。 第= $ 车整体设计方案确定 霹鬻 粼岛舔淤埝溺 嗍 、，r “澜 一= 0 1 l 止 图2 6 铝制梯形车架 3 铝制无骨架结构车架，如图27 。 囊熊 图2 ，铝制无骨车集 4 钢管承载式车架，如图28 。 k 安大学磺学位论文 5 铝制承载式车架， 圈2 9 铝翻承羲式车桨 6 高级材料无骨架结构车架，如图2 1o - 鼍毫 匿2 1 0 高级材料无骨絮结掏车集 在制作过程中综合考虑到材料的强度要求，制作方案的可操作性，制作成本以 及制作周期等多方面因素，最终决定选取铝制梯形结构车架作为本次设计车辆的车架 方案。其优点主要为： 1 锅制材料这里主要选取铝合金，其质量较钢材较轻，而且在设计合理的前提条 件下能让车架保持足够的强度。 2 铝制材料加工方便，材料的结合可以通过铝焊或者铆接等方法来实现。 3 铝制材料价格便宜，与碳纤维等一些高级材料相比虽然在强度和重量方面具有 一定的差距，但在价格方面却无疑有着明显的优势，从而降低了车辆的制作成本。 2 3 驱动方案 本田节能太赛车辆采用统一配发的1 2 5 e e 摩托车发动机。常见的几种驱动方案如 f ： 第一章* 能车整体世计方寨确定 1 轴驱动，如图2l l 。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。 圈2 1 2 链传动 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拓置形式， 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。 2 , 4 轮胎 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 长女大学硬学位论文 驶稳定性的均衡。阻往比赛中，轮胎的种类基本分为一下几种 l2 0 英寸节能车专用轮，如图21 3 。 图2 ”如英寸节能车专用轮 22 0 英寸自行车专用胎，如图2 1 4 ，图中采用的轮胎尺寸为2 0 17 5 英寸，在 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。 32 6 英 的力臂加大， 圈2 1 5 2 6 英寸管式轮胎 隰琴 第= 章节能车整悼设计方案确定 力 41 2 英寸轮胎，如图21 6 ，选取直径较小的轮胎可以在一定程度上减小空气阻 一囝 圈2 1 6 1 2 英寸轮胎 综合考虑以上几种轮胎形式，最终采用2 0 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，前两轮采用2 0 英寸轮胎尺寸为2 0 x 1 3 5 英寸 后轮则采用2 0 1 8 5 英寸尺寸的自行车胎。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。 2 5 转向方案 考虑到车辆的结构形式，并结合所设计车辆为特定比赛车辆的特殊性，以及比赛 场地的因素，常见的节能车转向方法如下： l 中央支撑式，如图21 7 。这种形式结构简单，车架也可以设置得较低。但是， 要使左右车轮完全平行进行的定位调整很难在小转弯时车轴会发生很大的移动，必 须保证有充足的空间不会碰到车身、车架。还需要安装制动器以防脱开把手发生过 大的转向。 图2 1 7 中央支掉式 k 大学碰l 学位论女 2 阿 曼式，即梯形结构，如图21 9 。这种结构的构墙比较复杂，但与前轮定位 的调整较轻松，即使大幅度转方向盘，车轮也小会大幅度6 口后移动。图中为活塞杆转 向结构，其中转向臂的角度应保证前轮胎中心与后轮胎中心连接成线如图21 9 。 图2 1 8 阿卡曼式 圈2 1 9 阿卡曼式示意图 为了降低转向系统的复杂程度，同时叉能保证具有足够的转向能力，晟后转向方 案主要确定为利用转向横拉杆实现转向的整体式转向梯形结构，如图22 0 所示。 图22 0 转向机构模型 第= $ 节能车整体设计方m 2 2 6 车身材料 车身材料的选取在历届的节能竞技大赛中可谓是五花八门。参赛选手选取各种各 样的材料来制作自己的车身，在尽可能降低空气阻力的同时也展现了参赛对的想象力 和工艺制作水平，如图22 l 就展示了历届比赛中出现过的各种车身。 图2 2 l 历届节能大赛车身 论文中，车身材料主要采用玻璃钢进行加上制作。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。 长安大学硕士学位论文 第三章车架的设计与结构分析 3 1 有限元方法简介 2 1 3 1 【4 】 有限单元方法也称有限元法，是随着电子计算机的使用而发展起来的一种有效的 数值计算方法。这种方法大约起源于2 0 世纪5 0 年代航空领域飞机结构的强度分析。 该方法的基本思想就是把整体结构看作是由有限个单元相互连接而组成的集合体，每 个单元赋予一定的物理特性，然后组合在一起就能近似等效整体结构的物理特性。 有限元分析( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，f e a ) 是在结构分析领域中应用和发展起 来的，它不仅可以解决工程中的结构分析问题，同时也可以解决传热学：流体力学、 电磁学和声学等领域的问题。由于有限元计算精度高、适应性强、计算格式规范统一， 有限元计算结构已经成为各类工业产品设计和性能评估的可靠依据，已经成为工程设 计中不可缺少的一种重要方法，在大型结构应力应变分析、稳定性分析、传热分析、 电磁场分析、流体分析等方面扮演着越来越重要的角色：经过近几十年的发展，有限 元方法的理论更为完善，应用也更为广泛，而且已经开发出一批实用、有效的通用和 专业的有限元软件，国际上著名的通用有限元软件有几十种，常用的有a n s y s 、 a b a q u s 、n a s t r a n 、a l g o r 以及 a d r n a 等。 我国有限元法理论研究始于5 0 年代末，冯康教授创立了一套现代化和系统化求 解微分方程的近似方法。取名为基于变分原理的差分格式。其内容实质就是当时国际 上称之为的有限元法。不同之处是我国是从数学方面提出有限元法的。但是，我国有 限元法应用比较晚。7 0 年代中期才开始推广和使用。目前有限元法在我国工程方面 应用极为广泛，并且创造出巨大的经济效益。随着计算机功能日益增加和有限元法显 示出解决工程实际问题的巨大威力，许多高等院校、研究机构和软件公司得到各工业 部门( 如航空、航天、汽车、建筑等) 的大量资助，陆续研制出各种通用的有限元程序， 进一步推动了有限元法的理论研究和实际应用。 总的来讲，有限元分析软件将逐渐发展成为集有限元分析、设计与c a d 为一体 的软件，从软件技术上说，这种软件主要引入了数据库技术，即从c a d 数据库中直 接取出数据进行有限元模型化，以及将有限元分析验证结果传递给c a d 系统等技术。 这种软件的前后处理功能，特别是后处理功能得到进一步增强。使它具有能够自动生 成单元网格等前处理功能以及显示和绘制结构图、变形图、应力图等后处理功能。这 些功能使有限元法计算前的数据准备和查错，计算后的数据处理都变的极为方便，用 第三章车架的设计与结构分析 户使用更加方便，分析问题的效率进_ 步得到提高。用户可以在这样的系统支持下进 行多种设计方案的分析比较，生成最优设计方案，并进行详细设计，直到输出设计图。 3 2 a n s y s 简介及在机械领域的应用概况 3 2 i a n s y s 简介1 3 1 在目前大型通用的有限元分析软件中，美国的a n s y s 软件是最为通用有效的商 业有限元软件之一。其强大的分析功能、友好的操作界面以及广泛的应用领域已使得 该大型通用分析软件越来越受到瞩目。 a n s y s 软件是集结构、热、流体、电磁多场耦合等分析为一体的通用有限元软 件，a n s y s 已应用到全世界的诸多领域，涉及航空航天、汽车、船泊、通信、建筑 结构、通用机械、医疗器械及电子电器等。它是第一个通过i s 0 9 0 0 1 质量认证的大型 分析设计软件，是美国机械工程师协会( a s m e ) 、美国核安全局( n q a ) 及近2 0 种 专业技术协会认证的标准分析软件。在中国，a n s y s 软件第_ 个通过了中国压力容 器标准化技术委员会认证，并在国务院1 7 个部委推广使用。目前中国有7 0 以上的 高校及科研单位采用a n s y s 作为分析软件。 a n s y s 软件从2 0 世纪7 0 年代诞生至今，经过了3 0 多年的发展，已经被全球工 业界所广泛接受。通过分析结构受到外部负载后的响应，如位移、应力、温度等，便 可以提前预示结构受到外部负载后的状念，从而判断结构是否符合设计要求。因而引 入该软件进行产品设计分析，不仅可以缩减设计研发成本、缩短设计周期，而且还可 以对产品性能提前预估，以满足设计要求。 3 2 2 a n s y s 在机械领域的应用p j 机械工程领域需要“高技艺一的从业人员外，还需要更多的“高技术一来保证。 a n s y s 作为c a e ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 软件的代表之一，已被机械工业界 所广泛接受，并且颇受好评。a n s y s 在机械领域主要用于确定结构在载荷作用下的 静力、动力、热和流动等行为，研究结构的强度、刚度以及稳定性等问题。较常见的 有以下几类。 1 强度、刚度问题 分析结构在静态和动态外载作用下的应力和变形，评估其安全性，避免结构的断 裂破坏。该类问题主要涉及a n s y s 的结构分析模块，可以考虑结构的线性及非线性 特性。例如，大变形、应力刚化、接触、塑性、超弹性及蠕变等。 2 振动、噪声问题 1 6 长安大学硕士学位论文 研究结构的振动特性，以及在随时问变化载荷作用下的动态响应，以寻求隔振、 降噪的解决方案。该问题主要涉及a n s y s 的动力学、声学分析模块。 3 热、热变形问题 分析物体在热源作用下的稳态和瞬态温度分析，以及该温度分析下结构的热变 形，以获取该结构的热力学性能，校验是否能达到设计的要求。该类问题主要涉及 a n s y s 的热、热结构耦合分析模块。 4 流动问题 确定结构流体介质的流动及热行为，分析流动行为对结构安全性能、密封性能等 的影响，以保证结构的性能满足设计的需要。该类问题主要涉及a n s y s 的流体、结 构动力学分析模块。 5 冲击、碰撞、金属成形问题 对冲击、碰撞、金属成形过程进行数值仿真分析，校验其安全性能，并提前预示 结构的缺陷和不足，以及时修改设计，节约研发时间，缩减研发费用。这类问题主要 涉及a n s y s 的显式动力学分析模块。 3 3 车架设计与强度计算方法综述 5 1 五、六十年代，我国对于一般车架的设计及强度校核是靠经典的材料力学、弹性 力学、结构力学的经验公式，对车架的结构作大量的简化进行分析设计，设计的结果 依靠试验来验证，该法具有一定的可靠性和科学性，传统的经验分析设计方法，具有 简单易行的优点，目前在我国的车辆设计计算中仍起一定的作用。 同时，该法也有明显的不足，主要表现在以下两个方面： 1 在经验设计中，每次车架的设计改进都不会有明显的突破。使得其整体结构强 度，刚度问题都不能得到合理的解决。而且设计周期长，使得车架的更新换代的速度 比较慢，不能与现代化商品生产竞争相适应。 2 传统的经验设计，不能对车架结构的应力分布及刚度分布进行定量分析。因此， 设计中不可避免的造成车架各部分强度分配不合理的现象。这使得整个车架设计的成 本提高，而且某些部位强度不够，容易引起事故：某些部位强度又过于富裕，造成浪 费，从而使车架达不到优化设计的目的。 由于经验分析设计方法的以上不足，生产厂家迫切需求一种能与市场竞争相适应 的新的设计方法。随着电子计算机的出现及结构强度分析和结构优化程序的投入使 用，使得人们手工劳动强度大大降低，结构分析、设计速度大大提高。有限元方法就 1 7 第三章车架的设计与结构分析 是其中的一种。有限元法的基础是结构离散和分片插值。在结构分析中，就是要把一 个本来是连续的弹性体划分为通过节点相连的有限个单元，把一个具有无限多个自由 度的结构离散为有限自由度的系统。对每个单元给出满足连续条件的假定位移模式， 各个单元在相互连接的节点处有跨单元的连续性，然后再从能量原理出发建立起整体 刚度方程，求解这一线性代数方程组就可以得到结构的位移场以及应力场等。即每个 单元的单元特征借助于其连接点( 节点) 的位移和力来表示，将单元的性质按节点逐 叠加，施加适当的负荷和边境条件，求解所得方程式得到节点位移，荐回代求得结构 内力和应力。 有限元法为复杂车架结构分析设计提供重要的基础，同时也促进车架结构的分析 和设计的飞速发展。但随着对车辆的运动性能要求的不断提高，车辆的工作环境愈来 愈复杂。就车架的设计而言，仍把满足静强度的要求作为结构的主要乃至唯一判据， 显然不能符合实际情况。对于某些车辆的车架，在重载、高速行驶时其振动问题日益 突出。车架的强烈振动一方面会影响人们乘车的舒适性，另方面会影响车辆零部件 的安全使用。因此车架的动态分析就日益显得重要了。但就目前国内的情况来看有限 元动态分析主要集中在模态分析上，而且是单个部件的模态分析，这主要是由于在对 整车进行模态分析时，各个部件如车架与驾驶座、发动机、货箱等结合处的刚度与阻 尼都很难确定，从而影响了整车分析的精度和可靠性。为了能够在车架的设计初期就 对车架的静、动态性能有较全面的了解，提高车架的设计效率，很有必要在这方面作 一些工作。 3 4 节能车车架设计 车架是节能竞技车的主要承载部件，在工作中它不仅要支承三轮车上各部件的重 量，而且还要承受地面传来的支反力、张紧缓冲力和工作载荷等的作用。车架在保证 节能竞技车使用可靠性方面起着十分重要的作用，节能竞技车操纵的平稳性、驾驶的 安全性都和车架结构有不可分割的关系。由于其本身为竞技车辆，在设计过程中处理 考虑车架的强度以外，最主要的就是追求车架的轻量化。而且同时考虑到车辆行驶环 境的特殊性，路面平整度很好，而且路况较为单一，从而省去了悬架部分。 车架的基本设计参数如下： 1 未安装轮胎： 车架总长 2 4 2 5 m m 车架总宽 7 3 8 m m 2 安装轮胎后： 1 8 长安 学两学位论文 车架总长 2 6 4 0 m m车架总宽 9 7 6 m m 轴距 1 6 9 0 r a m轮距8 6 8 n u n 离地间隙5 0 m m 设计结构如图3 l 和图3 2 。 图3 i 未安装车轮结构图 垂l 垂 圈 安装车轮后结构圈 利用c a t i a 制作数模如图3 _ 3 。 第= 审下颦的敬计j 结构丹折 圈3 3 教果圈 在两个转向支臂的设计过程中应该注意因为设计过程中，转向摆臂和主销的装 配足以转向支臂为支撑义因为转向系统中，设计为丰销后倾以及轮胎的外倾，柬保 证车辆胄良好的回正能力和操稳性。同时由于决定采用矩形管材料因此在设计中将 转向支臂与车架在连接时就给定主销的后倾角度从而在最终装配时主销与矩形管表 面垂直，达到设计要求。 3 5 基于a n s y s 的车架材料的选取及强度分析 3 5 1 车架载荷工况的确定及受力分析 节能竞技车车架是主要的承载部件，在工作中不仅要支承节能竞技车上各部件如 车身自重、蓄电瓶和驾驶员的重量等静态载荷，还要承受发动机工作时的动载荷以及 地面通过减震装置传来的支反力、张紧缓冲力等的作用，在加速牵引和制动时，还要 受到惯性力的作用，可见车架在保证节能竞技车整机使用可靠性方面起着十分重要的 作用，因此论文对车架的工况载荷情况进行分析】。 3 52 车架载荷工况的确定 由于节能竞技车为竞技车辆的特殊性，路况单一且路面质量良好，因此在分析过 程中忽略动载工况，仅对静载工况进行一定的刚度分析。 实牟静载例即车架承受d i 车架自身质量和外加质量产生的载荷，外加质量包括乘 车人员和底盘各总成及能蔷电池等质量。由于驾驶员以半躺的形式驾驶车辆，如图 3 4 ，而且座椅靠背与车架连接可近似看作是点接触，故发动机以及驾驶员一部分重 长安大学礤士学位论文 量在座椅支撑点处以集中载荷的形式加到车架上。蓄电池及驾驶员另一部分重量则以 均部载荷的形式加到车架的前半部分。 田3 4 驾驶员驾驶姿势示意 3 5 3 基于a n s y s 的车架强度分析 在确定车架为梯形结构的基础上，分别选择管式合金钢，铝合金和镁合金对车架 的强度进行对比分析，从而选择出较为合理的车架材科。所选三种材料的基本特性如 下表3 1 。 表3 1 各种材料的基本特性 品种 弹性模量( p a ) 泊橙比 密度0 倒m 3 ) 台金钢 0 2 8 锅台金 镁台盒 由于材料本身属性的不同在选择管式材料时，所对应的横截面略有不同。铝合 盒管材和镁合金管材的横截面尺寸为2 5 m m x 3 8 m m x 2 m m 如图3 5 。合金钢管材的 横截面尺寸为2 0 m i n x 4 0 m m 1 2 m m 如图3 6 。 第三章车架的设计与结构分析 s e c t i o n 嘞珊 d a t a 锄盯 r e t 2 3 6 e 一 i 盯 钙疆- 0 7 i y z 0 i z z - 2 3 z 一0 7 v a e p t , , gc o n s r e 呲 2 0 5 e 1 2 t b t 摹i o nc 哪t 曲乞 一柏旺- 0 7 c e n r - 工o i dt - 0 1 2 5 c c z 0 1 dz 0 1 9 礼e rc e n r e zt 0 1 2 5 瓢e zc e n c e kz - 0 1 9 啦e zc o r t t f - 3 0 7 6 7 6 强e 篮c o r r t z - 一1 5 6 e 1 4 曩塘a zc o r k z z - 5 6 7 0 4 1 图3 5 铝合金管材和镁合金管材的横截面 图3 6 合金钢管横截面 根据以上对载荷工况的确定，在a n s y s 中选取梁单元进行建模，并分别按照图 3 5 以及图3 6 进行横截面属性设置，在实际载荷以及载荷分配的基础上对模型加载 如图3 7 。 长安大学碗 学位论文 曲， ， 00 01 2 3 2 0 n 口2 2 6 0， 圈3 7 麓加载荷示意 利用a n s y s 软件对不同材料以及截面的车架进行了静力学分析： 1 合金锅车架 舍金钢车架等效位移图如图3 , 8 ，合金钢车架等效应力图如图3 , 9 。 烹黑：= 。“= 五。：= 1 i 。= 圈3 8 音金钢车絮等效位移圈 n 矽 第二章车颦的设计结构分析 n z 。0 8 图3 1 0 锯合金车榘等效位移图 要矽 长安大学颧十学位论文 州 ：晨。 。：。焉：。 圈3 1 2 镁合金车架等效位移图 置 葛一 矽兰 第三章午桨的世计与结构n 析 n 圈3 1 3 镁合盒车集等教应力图 由a n s y s 软件对车架进行静力学有限元分析，分别得到三种材料车架的在满载 工况下的变形情况和应力分布情况如表32 。 表3 2 各种材料车集满载工况的情况 材料 需用应力( m p a ) 安全系数 摄大应力( m p a )最大变形( m ) 台金钢 锅台金 镁台盘 根据节能竞技车的实际情况取安全系数a = l5 ，则由许用应力值i 州= 以，h 分别 计算出合金钢的许用应力值为4 0 0 m p a ，铝合金的许用应力值为1 3 3 m p a ，镁台金的 许用应力值为1 2 0 m p a ，分别于上表中的分析结果进行比较，从而可以得出三种合金 均满足强度要求。 在所选三种材料均满足强度条件的情况下，针对节能竞技车的竞技特殊性做出选 择。首先由于以节能为主要目的，因此车架的重量必须受到足够的重视，比较三种材 科车架的体积和质量如表3 3 。 长安大学硕士学位论文 表3 3 各种材料车架的体积和质量情况 车架材料车架质量 合金钢车架 8 1 5 l ( g 铝合金车架 5 0 6 蚝。 镁合金车架 3 0 7 k g 由上表可以看出，镁合金在质量上有着比较明显的优势，但同时考虑到车架的成 本，综合考虑性价比方面，选择铝合金管材作为该辆节能竞技车的车架的制作材料。 3 5 4 车架弯扭刚度计算 车架刚度有多种，其中最重要的是车架的弯曲刚度和扭转刚度。参照车架的刚度 试验方法确定车架弯扭刚度的边界条件。 1 ) 弯曲工况的边界条件嗍 计算时约束前后轴在车架纵梁上的竖直投影点的垂直位移，让车架形成一简支梁 结构，并在前后支撑点中点处加一垂直向下的力，让车架产生纯弯曲变形，如图3 1 4 所示。 ， f， r f 一1 ，；，。耘 i i 圈3 1 4 车架弯曲刚度计算公式为：巳= 石q 3 7 f 式( 3 1 ) 式中q 弯曲刚度( n m 2 ) ； f 集中载荷( n ) ； a 轴距( m ) ； 卜载荷作用点处的挠度( m ) 。 2 ) 扭转工况的边界条件 6 1 约束前轴在车架左纵梁上的竖直投影点的垂直位移，约束后轴在车架右纵梁上的 竖直投影点的垂直位移，在后轴在车架左纵梁上的竖直投影点上施加一垂直向上的载 第三章车颦的设计与结构分析 荷，让车架产生纯扭转变形，如图3 1 5 所示。 一一一 一一， 一卜、 么一一 左。 j l 圈 1 5 车架的扭转刚度计算公式为：g = 鲁鲁 式( 3 2 ) 式中c r 扭转刚度( nm o ) 。 f 载荷( n ) ： l 一力臂( m ) ： l r 挠度( m ) 。 3 ) 弯扭刚度计算结果 在f = 2 0 0 n 时车架弯曲工况变形见图3 1 6 ，载荷作用点处的挠度为2 1 3 3 m m ：在 f - = 2 0 0 n 时车架扭转工况变形见图31 7 ，载荷作用点处的挠度为2 7 9 4 9 m m 。带入公 式( 3 1 ) 、( 3 2 ) 计算得：弯曲剐度为9 4 x 1 0 3nm 2 ，扭转刚度为6 5 n 肼，o 。 莎 圈3 1 6 弯曲变形 长安 学顿t 学位论文 ? 纱 n 田3 - 1 7 扭转壹形 3 55 车架模态分析 1 模卷分析概述与应用删 模态分析的经典定义是：