基于ANSYS的大学生节能车结构优化设计
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摘 要
大学生节能车是由大学生设计的一种竞技型赛车。在过往比赛中，有很多各式各样的节能车出现。本设计主要针对大学生节能车进行整车设计方案的选择，对车身及车架进行设计并对车架进行强度校核。借助Pro/E和CATIA三维建模软件，有限元受力分析软件ANSYS，对车身及车架部分进行建模分析。进行ANSYS有限元分析。首先，借助Pro/E和CATIA三维建模软件对所设计的车身、车架及重要的零部件进行三维建模，通过Pro/E对所建的大学生节能车零部件模型进行大学生节能车整车的虚拟装配，然后通过Pro/E软件中的分析程序对装配后的整车进行简单的重心、惯性矩，使用CATIA分析程序中的曲率分析程序对节能车车身进行曲率分析，用专业的有限元分析软件ANSYS对节能车车架进行静力学分析及车架模态分析，依据有限元分析结果进行了较为深入的分析研究，并提出结构优化设计方案。
关键字：大学生节能车；结构设计；三维建模；有限元分析；结构优化
ABSTRACT
Students efficient car is designed by students of a sports-type car. In the past games, there are many kinds of energy-saving cars appear. The design of the main vehicle is for saving for college students the choice of vehicle design, the design of the body and frame and frame strength check. With Pro/E and CATIA the three-dimensional modeling software, finite element analysis software ANSYS, part of the car-body and the car-frame modeling and analysis. ANSYS finite element analysis carried out. First, the use of Pro/E and CATIA three-dimensional modeling software designed body, frame and major components for three-dimensional modeling, through the Pro/E on the energy-saving cars built by students for students efficient car parts and components model of vehicle The virtual assembly, then Pro/E software analysis program for simple vehicle after assembly center of gravity, moment of inertia, the use of CATIA Analysis Program curvature analysis program for energy-saving vehicle body curvature analysis, finite element with a professional analysis software ANSYS, energy car chassis frame static analysis and modal analysis, finite element analysis is based on the results of a more in-depth analysis and study, and propose structural optimization design.
Keywords：Students efficient car；Structure design; three-dimensional modeling; Structure optimization; element analysis
目 录
摘 要I
ABSTRACTII
第1章绪 论1
1.1 研究目的及意义1
1.2 国内外研究现状1
1.3 研究内容及研究方法2
1.3.1 研究内容2
1.3.2 研究方法3
第2章节能车整车设计方案4
2.1节能车结构分析4
2.2 车轮配置4
2.2.1 前一后二4
2.2.2 前二后二4
2.2.3 前二后一5
2.3 车架结构5
2.3.1 边梁式车架6
2.3.2 中梁式车架6
2.3.3 综合式车架7
2.4 转向方案的确定7
2.4.1中央支撑式8
2.4.2阿卡曼式（梯形结构）8
2.5 发动机布置、动力驱动传动方案8
2.5.1发动机布置方案8
2.5.2驱动传动方案9
2.6 轮胎选择10
2.6.1 20英寸节能车专用轮10
2.6.2 20英寸自行车专用胎10
2.6.3 26英寸管式轮胎10
2.6.4 12英寸轮胎11
2.7 车身造型12
2.8 材料的选取12
2.8.1 车架材料的选取12
2.8.2 车身材料的选取12
2.9 本章小结12
第3章 节能车车架设计及校核13
3.1 设计参数及要求13
3.2 车架设计结构及其校核13
3.3 材料截面尺寸的确定15
3.4 车架外形结构设计15
3.5 车架总体结构布置15
3.6 转向机构的工作原理17
3.7 转向机构分析18
3.8 车身制作工艺分析18
3.9 车架制作工艺分析19
3.10 车身与车架连接方式19
3.11 本章小结20
第4章 节能车三维建模21
4.1 CATIA车身建模21
4.1.1 车身建模问题分析：21
4.2.2 车身建立过程如下：21
4.2 Pro/E车架建模29
4.2.1 车架建模问题分析29
4.2.2 车架建立过程如下29
4.3 节能车主要部件建模38
4.4 节能车车架装配38
4.5 节能车整车装配39
4.6 本章小结40
第5章 节能车性能分析42
5.1 Pro/E整车装配干涉检查42
5.2 Pro/E节能车整车质量、重心及惯性矩分析42
5.3 Pro/E与ANSYS的接口建立44
5.4 车架静力学分析46
5.4.1、将Pro/E的车架模型导入ANSYS中46
5.4.2 单元类型的设定46
5.4.3 车架静力学分析结果48
5.4.4 车架静力学分析结果分析50
5.5 车架极限转向分析50
5.5.1 极限转向分析假设条件50
5.5.2 将Pro/E的车架模型导入ANSYS中50
5.5.3 单元类型的设定50
5.5.4 车架极限转向分析结果52
5.5.5 车架极限转向状态结论分析54
5.6车架模态分析55
5.6.1 将Pro/E的车架模型导入ANSYS中55
5.6.2 单元类型的设定55
车架模态分析结果56
车架模态分析结果分析60
有限元结论分析60
5.8 车身曲率分析61
5.9 车身曲率结果分析63
5.10 结构优化措施64
5.11本章小结65
结 论66
参考文献68
致 谢70
研究目的及意义
随着汽车的发展形式和设计思想的转变，节能汽车与新能源汽车的开发逐渐并已成为是全世界的课题。而目前在环保节能车方面，仍然处于探索阶段。环保节能车大致可分为：新能源汽车，混合动力车及利用新技术改善汽车的运行条件从而实现对汽车使用者对燃油经济性的要求。而每年又有大大小小的汽车节能比赛，使得节能车渐渐地深入人心。各大汽车厂商每在大型汽车展销会上均有节能概念车发布，也表明要建设节能社会低碳社会的决心。减小车重、降低风阻、改善发动机系统等技术，以改善汽车燃油经济性。但由于生产和维修等条件的不足；生产条件和整车材料的技术要求不成熟，使得很多节能概念车没有量产。由日本本田公司发起的“HONDY”杯大学生节能车大赛便是旨在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为目的的比赛。由大学生所设计的节能车，在于以最低的燃油消耗量行驶最长的里程，不仅标志着当代大学生对环境保护的意识在提升，更是对节能车开发形式的一种探索。随着汽车行业的蓬勃发展，也随之进入了一个以“节能、环保、安全”为主题的全新汽车发展时期。这不仅顺应了对生活环境条件改善的要求，也符合建设低碳社会、低碳生活的原则。地球是我们赖以生存的家园，保护地球是我们的责任。在资源紧张、温室效应加剧、极端天气频发的条件下。开发节能车已被各国重视，很多国家、科研所和大学投入专项资金用于研发节能车。
1.2国内外研究现状
我国是一个能源资源相对缺乏的国家，随着当前我国国民经济和汽车工业的快速发展, 以及由此带来的能源消耗和环境问题的日益突出, 交通节能减排工作的重要性不断增加,而汽车节能减排则又是其中的重要组成部分, 重要性不言而喻。国家“十一五”规划和“十七大”都对汽车的节能减排提出了要求，并将发展新能源汽车、节能汽车等政府策略逐渐上升为国家战略。
考虑到我国当前汽车节能技术发展的实际情况, 除了推行节能惠民车型并已着手限制汽车的排量，并已积极推进以混合动力、燃料电池、先进柴油、醇类汽车等为代表的新能源汽车技术的研发力度，为了响应国家的号召及适应全球对新能源汽车的需求，一汽集团、上汽集团、长安汽车以及清华大学、吉林大学、华南理工大学等企业和高校一直致力于汽车节能减排技术的研究。电控燃油喷射系统的普及，进、排气控制技术、柴油机电控技术的应用以及电动汽车、混合动力汽车等的开发，比亚迪汽车、哈飞汽车、长安汽车等在陆续研发出的电动（出租）汽车、混合动力车；辽宁曙光汽车也已研发出电动公交车，为我国新能源汽车行业的发展奠定了基础。另一个推进汽车节能减排工作的措施就是大力研究开发适合我国现阶段汽车行业技术现状,以及适合大量在用汽车的高性能汽车节能产品。并通过各种场合及汽车大赛来宣传新能源车型和节能车的重要性，用以控制日益增长的碳排放量。2.1节能车结构分析
大学生节能车是由大学生进行设计的一款节能竞技的整车。为了使节能车能够正常运行，要求在配置上要具有整车的动力传动系统，由车轮支撑车体在地面运行并由发动机通过传动系驱动车辆并且能够变速，车辆转向机构控制节能车转向。节能车同样需要车身保护驾驶员，降低节能车所受阻力。对于车身要求外形流线、美观。节能车在配置及操纵上。在材料的选取上要了考虑到车架及车身的选材的成本及其轻量化。
2.2 车轮配置
2.2.1 前一后二
这种布置形式类似于日常生活中所见到的三轮车。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。但行使稳定性较差，尤其是转向行驶稳定性，会降低节能车的行驶安全性。如图2.1所示。 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布置形式，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。为了降低节能车车重，选择链传动。能够省去布置结构复杂的传动系（万向节类的）。变速机构拟采用摩托车式变速方法，即通过手柄的旋转控制界气门开度达到变速作用。
节能车由发动机发出动力经由变速机构到达发动机外部的主动链轮，接着由传动链传动从动链轮，最后通过分离式离合器到达驱动车轮。
2.6 轮胎选择
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驶稳定性的均衡。在过往的比赛中，轮胎的种类基本分为一下几类。
2.6.1 20英寸节能车专用轮
20英寸节能车专用轮是由德国大陆集团马牌轮胎提供的专业低滚动阻力轮胎，如图2.11所示。5.9 车身曲率结果分析
分析通过曲率分析可以得出：
（1）车身上表面形状值最小，表示其半径越大。属于平整上升、流线型越好；
（2）节能车车身的曲率显示车身两侧曲率逐渐增大后变小；
（3）在车身中后部，曲率变化不大，相对车身前部两侧，这样的车身中后部，空气理论上在通过车身前部后，车身后段，无有效阻碍空气流动，缩小迎风面积；
（4）车身尾部在设计时，采用了上长下短的设计，考虑到应尽量避免在车尾部产生阻碍空气流通的涡流；
（5）车尾的平面近似于一平整的平面，且车身尾部长边长于下边，并且车尾的高度也有所降低。
5.10 结构优化措施
由车架的有限元分析结果可以得出：由于前轴支撑位置稍有靠后。导致前轴载荷较大，前轴支撑位置处要承受很大的弯矩及弯曲应力；发动机处于车架中后段，也导致车架中后段要承受很大的质量，尤其是后轴焊接处下断面及向上支撑臂所受弯曲及剪应力更大。
由于节能车的特殊要求，虽质量不如正常车辆的10%，没有安装悬架，但考虑到乘员的安全性，仍要求能够承受弯曲应力和弯矩。将节能车布置为发动机后置、前二后一轮式并由后轮驱动，也间接导致前后两轴的载荷大。振动无法由悬架过滤，将直接传导至车架。车架振动由车架所做的模态分析便可得知，车架振动幅度很大。所以，要求所选择的钢材要有很大的抗弯曲强度。
依据车架的静力学有限元分析，车架选用材料时，选用材料应有较好的抗弯曲强度，并能承受较大的剪应力。在运行过程中，车身会发生震动，震动将导致车身发生变化，出现很多种的振型，在观察振型后发现所选择的材料同样要有较好的抗扭及抗弯强度。在加工时，可以适当在车架中添加部分用于辅助支撑的梁。防止因为车架振动变形，导致车架纵梁出现裂痕。
在对节能车车架进行焊接时，应对焊接处进行强化处理，在焊接时应尽量避免出现焊接气泡、焊接部位不完全等问题的发生，以增强焊接强度。
针对于节能车所选用的材料，整车采用的材料为钢材，使得整车质量很大，将影响车辆的燃油经济性。在强度符合的条件下，可以适当减小选择钢材的厚度。如在经济条件允许的前提下，优先选用铝材。由于钢的密度比较大，且在抗弯强度相同的时候，钢材比铝材的总质量要大出很多。这会使得整车质量有所增加。
在对节能车车架做的其质心分析中可以得出节能车车架质心距离地面比较高，这样不利于提高节能车行驶时的车辆稳定性，应对这样的情况，应尽可能使节能车整车质心降低。在设计装配时，应尽可能将发动机的装配位置设计的低一些，这样可以降低车辆质心的高度。为了使从而使节能车整车的质心处于节能车两轴之间的理想位置，尽量将节能车发动机布置的靠后一点，这样做虽然会增加节能车后轴的载荷，但质心的靠后及下降的高度可能会影响到整车运行的稳定性。理想的质心位置处于车身轴距中间并稍往前靠。这样在车身转弯时、车辆行驶时车辆的稳定性将有所增强。
车身的设计在流线型的基础上，应考虑到降低它的迎风面积，减小其尾部产生的涡流。车在运动时，会带动其周围的空气进行运动，当气流在通过车身凹处会在车身的凹面形成涡流。在形成涡流的同时，会增加车体运动的阻力。在车尾也易形成涡流， 大学生节能车是由大学生进行设计的一款节能竞技的整车。本文运用有在校期间所学知识并利用了相关软件针对大学生节能车进行优化设计。对节能车利用CAD软件分别对车架及车身的二维草图绘制，并利用CATIA对车身进行建模并对所建车架进行了曲面曲率分析；也利用了Pro/E三维建模软件对车架及关键零部件进行了建模，并利用了Pro/E软件中的装配功能对整车及车架进行装配，同时对装配后的整车进行质量及质心进行分析。应用有限元分析软件ANSYS对车架进行了静力学分析及模态分析并得出了相应的分析结果，并通过分析有限元分析结果，提出相应的优化措施，以实现对结构优化。通过本课题的研究，最终得出以下结论：
1、针对大学生节能车的设计要求，需对节能车车架进行设计，并对车架进行强度校核，并对车身进行设计。利用CAD对节能车的车身及车架进行了二维草图。节能车车架的设计简化程度很大，制作工艺不复杂，能够减轻车架制作人员的劳动强度。节能车车身的设计采用了流线形设计，尽量避免产生对车身有阻碍的涡流。
2、针对节能车车身利用了CATIA软件中的汽车A级曲面功能对进行车身进行了建模。在CATIA车身建模完成后，利用曲面曲率分析对车身进行了曲面曲率的分析。经过车身曲面曲率分析，得出所设计的大学生节能车车身曲率设计符合设计要求的流线形又美观。
3、Pro/E软件对节能车车架进行三维建模，并利用Pro/E的装配功能对节能车整车进行了装配，对装配后的整车进行了整车总质量及质心的分析。节能车总质量达到600kg，由于整车总质量很大会对整车燃油经济性造成影响；节能车整车质心位置在两轴之间符合设计要求。
4、有限元分析软件ANSYS对节能车车架进行了静力学分析，车架在受力变形时，车架纵梁骨架与车架立梁联接焊接处所受应力最大。车架前端变形量较车架后半部变形量大，导致车架纵梁要承受很大的弯矩。通过对车架所做的静力学分析可知车架所受的弯曲强度及应力均在车架材料的许用应力范围内。
5、有限元分析软件对节能车车架进行了模态分析。在节能车运动中，车架会产生振动，通过模态分析所分析出的车架振动频率在设计时可以避免因为发动机，传动系的振动频率与车架振动频率近似或相同而使节能车产生共振现象。在设计选用材料及关键部件时，要尽可能避免其频率与车架频率相同，防止产生共振，威胁节能车运行安全。
本设计中所设计的节能车满足大学生节能车的设计要求。
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