HQJ-500型节油车车架优化设计【6张CAD图纸和说明书全套终稿】
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6张CAD图纸和说明书全套终稿
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黑龙江工程学院本科生毕业设计摘 要面对国际国内能源的减缩，节能减排已经成为汽车业所面临的主题。节能环保具有现实意义和深远意义。车架是汽车的重要组成部分，承受车上装置和来自地面的交变作用力，需要满足一定的刚度和强度。由HONDA公司发起的节能竞技大赛将会促进更加节能减排的汽车的问世。汽车节能可以通过很多渠道做到，本设计主要从车辆的轻量化角度出发，通过减少车架质量，从而在满足车架刚度的强度的条件下来进一步减少节油车整车质量。本设计对整车做了整体总布置，确定了重心的位置。而且通过PRO/E软件设计出了三个不同结构的模型，然后将三个车架模型转换成工程图。最后通过ANSYS软件多车架进行进一步的有限元分析，其中包括静力结构分析，模态分析，和基于实际情况的有限元优化设计。由于车架结构的复杂性，通过有限元软件不但可以减少繁重的计算量，而且可以有效提高计算精度。通过静力结构可以更为直观的反映出车架受的最大应力和变形，同时便于三种车架比较。通过模态分析可以看出车架的动态特性，看其是否在发动机怠速状态下与发动机发生共振，应该避免共振。车架优化设计原则上是以梁段横截面的高、宽和壁厚为设计变量（DV）,以总应力和位移为状态变量（SV），以车架总重量为目标函数的设计过程。但基于实际，本优化设计是在选出最好的车架模型的基础之上通过加减不同的梁，变换在不同处的梁截面，从而达到对车架优化的目的，进一步实现整车的轻量化而使得节能车更节能、更环保。 关键词：节能车；车架；轻量化；三维建模；静力分析；模态分析；优化设计ABSTRACTFacing the reduce of resource in our country or in the whole world, saving resource and protecting the environment are becoming more and more important nowadays. They have direct and huge meanings .The frame plays an important part in the car.It bends changing machanics from the car and ground, and should satisfied some strength. The composition which is put out by the HONDA Corporation would make more economical car be possible. We have many ways ,but my design is to try to make the frame much lighter. By doing this we can get the frame which meet our requiry. My design do the work that make the cars components be in its really destination and make sure the location of its gravity. I have made three modes by PRO/E software and changed they into engineering paintings. At last I try to test by softwareANSYS,including statical analysis and motal analysis and getting better results by compariment .because of the frames not simpty, analysising by the sortware is more convinent and we can get more accute resaunts. By statical analysis we can get directly pictures of the whole machanic and the leave of the move from is original position. By motal analysis we can diagnose that if the frame will shock with the engine at the same pace. We should get the best resaunts by regarding the width and height in the cut face as the DV, by regarding the whole strength and the leave move from its original location as its SV, by regarding the gravity as its objective function. After thinking the reality, based on finding the best modes, I change different size of different beams so that we can get the best resaunts . Finally will get the most economical frame. It will make the economical car much better in realm of economy and will be good for our environment.Key words： Fuel Efficient Veicle; Frame; Lightweight; Statical Analysis; Motal Analysis ; Optimizasion Design II目 录摘要IAbstractII第 1章 绪论11.1 节油车的研究背景11.2 HONDA节能竞技大赛的规则简介21.3节能赛车的节能技术简介31.4节能赛车的车架简介41.5节能赛车车架的研究的目的和意义61.6 HQJ-500型节油车车架研究的基本内容及技术路线7第 2 章 HQJ-500型车架结构设计与总体布局82.1 节油车车架选用材料82.2 节油车车架结构设计82.3 节油车总体布局82.4 节油车整体质心位置的确定102.5 本章小结14第 3 章 基于PRO/E的模型的构建153.1 Pro/E软件简介153.2 车架三维模型的构建153.2.1 节油车车架方案一模型163.2.2 节油车车架方案二模型203.2.3 节油车车架方案三模型233.3 本章小结26第 4 章 有限元分析与优化设计274.1 有限元分析的简介274.1.1 有限元法及分析过程简介274.1.2 ANSYS软件简介304.2 基于对该车车架分析的软件预设置324.2.1 PRO/E和ANSYS接口的创建324.2.2 设置内存与选求解器344.3 节油车车架的结构静力分析384.3.1 ANSYS参数的定义384.3.2 网格的划分384.3.3 施加约束和载荷394.3.4 车架的结构静力分析444.3.5 车架静力分析的对比及阶段性结论504.4 基于实际的节油车车架优化设计504.4.1 优化设计的基本概念504.4.2 基于实际的车架结构的优化设计514.4.3 车架优化设计的阶段性结论534.5 车架的模态分析534.5.1 有限元模态分析简介534.5.2 优化后车架的模态分析534.5.3 优化后车架模态分析的结论574.6 本章小结57结论58参考文献59致谢61附录63附录A63附录B68 第1章 绪 论1.1 节油车的研究背景节能与环保是当今世界的重要课题。汽车工业也面临了创新、优化产品类型的新挑战，以适应广大民众和社会的需求。其实，汽车的从无到有，由简单到复杂，由追求的目标的单一化发展到追求速度、舒适性等方面的多元化，一直在升级换代。百年间，在节约能源上有很大进展。整车轻量化，降低轮胎的滚动阻力，降低空气阻力，变速器多挡及无挡化，代用燃料的使用等思想就恰恰是人们对汽车在节能领域的总结和探索。上个世纪八十年代的世界性课题之一就是“节能”，本田技研钻研节能课题的成果之一，就是推出了油耗仅为160km/L的新经济性车型spuercub,并为纪念这一车型的推出而举办了节能车竞技大赛。第一届大赛在铃鹿赛道上举行，比赛分为第一组合第二组两类。第一组的参赛车辆为搭载了本田50cc冲程引擎的市售二轮车，参赛选手为16岁以上的有驾驶执照者，是使用一定量的燃料比赛行驶多长的距离的竞技。另外，第二组的参赛的车辆为搭载一台50cc4冲程发动机的原创车型，参赛选手为18岁以上有驾驶执照者，是在规定的路程中以平均25km/h以上的时速行驶后比较油耗的竞技。随着大赛举办次数的增多，油耗竞技的运动性和靠自己的智慧、技术制作车辆并不断改良的魅力使之越推越广，凭参赛者自己的双手扩大了影响，使大赛不断成长至今。21世纪节约能源、节省资源之外，环保工作也是刻不容缓。但是另一方面，能够随时去到自己想的地方去这种对车辆灵便性的要求也越来越高。要解决这一矛盾，除了投入科学技术之外，还需要使用者掌握经济智慧的使用方法。以“挑战一升，环保一生”为口号的Honda节能竞技大赛，2007年正式登陆中国，参赛车辆统一搭载了由Honda公司提供的单缸四冲程发动机，车身和底盘等靠自己设计。比赛时用一定量的油在跑道内行驶，换算成一升油能在跑道上行驶多少千米，油耗少，则胜出。比赛旨在让更多的人体会到“低油耗就是环保”。 Honda中国节能竞技大赛是以搭载Honda4冲程的发动机为基础装置，分为两个组别，分别是市售车级别和节能车级别。其中节能车级别又分为学生组别、Honda关联企业组别和普通组别。现在学生组别一般由高校老师带领，学生动手动脑的积极参与。去年去我校黑龙江工程学院在2010年的Honda中国节能竞技大赛上取得了很好的成绩。1.2 HONDA节能竞技大赛规则简介凡参赛的车辆必须符合大赛的规则，车手在规定的时间内行驶玩规定的路程，然后测量油耗。凡违反大赛规则的队伍将被取消参赛资格。具体比赛的进行流程在本说明书就不在赘述。下面就赛车规则予以简单的介绍。要求参赛车辆必须为3轮以上（包括3轮），要求其结构无论是停止还是行驶时都为三轮以上（包括三轮）结构且能够站立。全高要求在1.8米以下，轴距要求在1.0米以上，全长要求在3.5米以下，轮距要求在0.5米以上，全宽要求在2.5米以下，排气管要求不能超出车身后面以及侧面10厘米以上，刹车配线等结构需要从车内穿过，以免与地面接触造成摩擦。在安全性上，为提高安全性，车身结构必须保证行驶时车手的头盔前轮车轴的后方，另外，发生冲撞时车身结构需避免头部直接受到撞击。在驾驶姿势的状态下，车身结构要确保车手的脚不会伸出车架的前方，车辆底板不能与地面接触，保证车手的全身完全完全与地面脱离。车手的臀部与地面保持60厘米以上的距离且脚步有安放的位置除外。另外发生撞击时车身结构需避免身体直接受到撞击。所有的参赛车辆必须将主办方分发的号码牌。参赛号码粘贴在车身两侧及车辆前端清楚可见的位置，共三处。号码牌周围25厘米范围内不得粘贴于比赛无关的内容，号码牌丢失将无法评定成绩。发动机以HONDA提供的四冲程125cc发动机为基础，可自由改造，但要保证汽缸盖、曲轴箱、曲轴使用下发的发动机的零部件，且排气量在125cc以下，为自然吸气式。赛车至少要配备两套的独立的制动系统。并且每套系统都要有操作杆，需保证车手能够独自完成安全有效的刹车。此外，制动钳、制动垫等的固定安装也要充分考虑其安全性。制动操作杆必须固定在车身上。所有车辆必须配备车手能以正常驾驶姿势启动发动机的位置。但禁止靠起动机装置的动力前进。启动装置只有在断开离合器时才能启动。另外，在没有制动的情况下，启动发动机的的车子不允许前行。车辆搭载的蓄电池必须是普通市售的产品。前方所有的 车辆需保证车手以正常驾驶姿势行驶时正前方的事业左右宽度至少90度，而且保证不使用反射镜、棱镜、潜望镜等直接可视高为80厘米的物体。所有参赛车辆为确保后方视野，必须在左右各装备一个带框的后视镜。单个后视镜的镜面面积必须在40平方厘米以上。参赛者在比赛时必须使用主办方供给的专用燃油和带编号的燃油瓶，在比赛期间领取的燃油瓶若发生损坏，应该予以赔偿。1.3 节油赛车的节能技术简介为能提高节油车的节能特性，可考虑一下几个方面：1、传动系统 输出功率固定为2速挡，可省略变速器，减轻发动机本身的质量。不过，上述情况下若要车辆能够行驶并发挥最高车速，则需通过安装在车轮上的链轮齿轮比来决定。使用自行车用自由轮毂（棘轮齿轮），可以减少车轮旋转阻力，并且可防止发动机停止时发动机制动造成的减速和燃油消耗。因为要反复切换发动机驱动、惯性行驶，就必须对链条防松装置中的弹簧等加以调整，防止在使用驱动力时链条脱落。2、点火系统 火花塞通过采用双火花塞的形式，可以使稀薄燃烧时燃烧室内的燃烧稳定且充分，并且能缩短燃烧时间，减少爆震。采用双火花塞时，要把握燃烧室的形状，防止添加的火花塞互相干扰。另外，进行加工时，最好事先准备好半旧的汽缸盖等供加工联系用。点火系的电气部分可借用能使2根火花塞同时点火的摩托车用部件。去掉交流发电机、飞轮部分以提高机械效率，使用蓄电池向火花塞提供电力，火花塞使用高压白金V火花塞。3、汽缸对汽缸盖上汽缸接触面进行磨削及研磨，同时，通过使用薄汽缸垫能提高压缩比；通过优化化油器到吸气口之间的进气支管的长度，可提高惯性吸气的填充效果；通过将排气管直管化并调节其长度，可提高惯性排气量；切削气门挺杆减轻重量，并对气门和连杆的表面进行研磨以降低转动惯性，同时防止附着过多的润滑油；发动机油为比赛期间的消耗品，可采用自然落下式，卸下既有的润滑系统以减轻重量；通过研磨吸气、排气口内部，减低供气排气摩擦阻力；由于发动机的驱动时间较少，为保温可去掉冷却风扇，这样也可减轻重量；吸气部的各个接合部位提高气密性可以使用填隙料等密封。4、化油器要延长全开驾驶时间，可变更化油器的主喷嘴、怠速喷嘴的直径，同时根据行驶基准线测定最佳调整值（以supercub 的整备信息为基础调整）。另外，天气会使最佳值发生变化，所以在比赛之前将各种天气情况下的设定值整理成数据库，会比较方便。5、车架为减轻底盘的重量，可以吧发动机当做车架的一部分。一般来说车架也可使用方钢材加固定螺栓的结构，但为了减轻重量减少体积，建议使用空心圆钢焊接而成的结构。另外，在需要强度的地方，可以加入支撑件。加强筋等增加强度；座位部为了支撑车手的体重需要进行必要加固，还要安装靠背使车手能经住长时间驾驶，靠背还可兼做发动机的隔板；板材可以通过开适度的孔等方法以减轻重量。6、转向系统为确保视野，车手的驾驶姿势以及视野要求会使车轮的设置位置受到很大限制，所以应先确定车手的驾驶姿态；根据连杆臂的长度和转向横拉杆的长度，决定方向盘舵角和实际舵角之比、内轮差。另外，有整流罩时，还需考虑转向时车轮和整流罩的互相干扰问题；关于前轮系统的定位，请在搭载了发动机、车手就坐时车身弯曲的情况下，调整到最佳角度，并注意阻力的减轻。特别是前轮前束和外倾角最好趋于0；转向臂的上部由于承受车辆荷重，在保持高强度的同时，可以在里面加入推力轴承，增加转向的顺滑性；轮胎对方向盘造成反冲，可以通过固定转向臂安装部位上下来调整，也可防止行驶时过度转向。7、车轮和轮胎建议使用速度竞技的自行车的车轮和轮胎；在正式比赛时要将车轮轴承内的润滑脂用清洁器清除，减少滚动阻力；为减少轮辐造成的空气阻力，最好使用板轮，使用辐条轮时，表面用聚乙烯板盖住比较有效；在一小曲率半径过弯时轮胎要承受与普通自行车不同的横向力，为了此时保证车轮不爆胎，所以车轮和轮胎的接合，要是用更强的粘着剂；为减少接地面积降低滚动阻力，轮胎内压要比普通竞技自行车胎压高；轮胎为单支撑时，可以借用速度竞技用轮椅的轮毂。1.4 节油赛车车架简介若车身的骨架车架制作完成，再加上发动机、车轮、转向装置、座席、整流罩，赛车即制作完成。制作车架时，需要便考虑发动机的安装、驱动装置的调整、车轴的支撑方式，转向装置的行驶等。下图显示了汽车用车架的类型，但最近的轿车厂使用这些车架的复合型甚至无骨架结构。竞技节能大赛车辆必须更轻便、同时能支撑发动机和车手的重量。在其中焊接管道或型钢，组成车架最有利。但这需要焊接设备和技术做支撑。在车架的类型中，最常用的是平板式和脊骨式，自己动手制作时需要注意转向装置的型式，确定车手的驾驶姿势。另外，安装整流罩时，要考虑车手的上下车方式和装卸方式，车架要支撑车手、发动机的重量，请事先考虑驾车时的变形量后，决定各个部位的安装角度。车架使用木材构建时工作等会非常容易，但强度和刚度都不足，此时，使用带板钢作为补强材料会更有效。图1.1 现代汽车车架类型图在节油车车架的结构上，曾经有人将车架抽象成两种模型，他们分别是上浮式和下沉式。本设计的方案三就参考了所谓下称式车架的结构。下图为前人的总结的两种车架形式（上浮式和下沉式）。 图1.2 上浮式车架4 图1.3 下沉式车架41.5 节油赛车车架研究的目的和意义1、车架优化设计的目的对节油车的车架进行优化设计的目的从狭义上讲：当代大学生可以理论联系实际，将所学用于所用，激发创新意识，深化专业技能，了解汽车某领域的发展步伐，使得工科类的大学生有一种责任感和使命感，为将来的节油车产品创造出大批设计人才；同时对节油车的车架进行优化设计更会是对我个人的一次历练，对个人的发展同时也起到一定的奠定作用。通过设计节油车不仅可以把课堂所学的理论知识和实际操作挂钩，还可以更多地体会设计创作带来的乐趣，充分发挥个人创作才能。对节油车的车架进行优化设计的目的从广义上讲：目前国际国家能源紧缩，节油车的问世具有一定的可行性和现实意义。目前这种国际国内的以这种竞赛为导向的节油车优化设计必然会对将来经济型汽车的问世起到一定的奠定作用。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。2、车架优化设计的意义经济意义体现在：随着我国经济全球化的不断加快，我国对国际能源及原材料市场的依赖程度不断加大，从目前来看，国际油价和工业原材料的价格也是在不断攀升，我国经济在能源领域比较棘手。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。社会意义体现在：自从工业革命以来，世界工业发展飞速，能源开采量逐年增高，汽车工业发展尤为迅速，汽车保有量也呈递增趋势。有限的能源如何能用的更长久是值得人类和社会反思的意见事情，节油车型的普及功在当代，利在千秋。而通过这种节油车竞赛恰恰就能为节油车产品的问世提供有效的依据，使得能源的利用率提高，为人类社会的顺延提供了有效保证。车架的优化设计是使得汽车能够节能减排的主要手段之一，因此车架的优化设计的社会意义重大。1.6 HQJ-500型节油车车架研究的基本内容及技术路线1、设计主要内容及分析、校核：（1）进行设计赛车总体布局设计；（2）进行车架结构设计；（3）进行车架结构有限元优化设计与分析；（4）进行车架结构模态分析。绘制设计总图和上述部分的结构装配图、零件图。2、技术路线分析题目，收集资料借鉴以往经验，确定设计方案HQJ-500节油车总体布局设计节油车车架结构设计用ANSYSY软件对其进行优化对车架进行结构模态分析完成装配图、零件图完成设计说明书NOYES第2章 HQJ-500型车结构设计与总体布局2.1 节油车车架选用材料HQJ-500型节油车车架所选用的材料是6061铝合金。6061铝合金的主要合金元素是镁和硅，并形成Mg2Si相。有时还添加少量的铜和锌，以提高合金的强度，而又不使其抗腐蚀性明显下降；导电材料中还有少量的铜，以抵消钛及铁对导电性的不良影响；锆或钛能细化晶粒与控制再结晶组织；为了能改善可切削性能，可加入铅与铋。在Mg2Si固溶于铝中，使合金有人工时效硬化功能。6061铝合金中的主要合金元素为镁和硅，具有中等强度、；良好的抗腐蚀性、可焊接性，氧化效果较好。美铝6061-T651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。主要用途：广泛应用于要求有一定强度和抗腐蚀性高的各种工业结构件，如制造卡车。塔式建筑、船舶、电车、铁道车辆。2.2 节油车车架的结构设计根据人机工程学，确定了人的腿的长度的精确范围，从而确定了置脚横梁到前桥横梁的纵向距离；根据驾驶员的前脚掌的活动范围确定了置脚横梁到钱保险杠的纵向长度；根据驾驶员与臀部座椅的接触范围，确定了车架前桥横梁到座椅横梁前端的纵向距离；根据驾驶员的上身的长度(以及根据驾驶员驾驶姿势的修正)可以确定座椅各梁在纵向的相对长度；根据驾驶员横向的宽度可以确定座椅的梁的横向宽度；根据发动机的极限高度确定座椅立梁的极限高度；根据发动机长宽高的尺寸确定了车架座椅后纵梁距离发动机固定横梁的距离；根据发动机打孔位置来确定支撑发动机的两个固定横梁的相对位置；根据发动机的高度来确定高架辅助纵梁的最低极限位置；根据选用车轮的直径的大小和节能车大赛规定的最小离地间隙来确定后桥纵梁距离车架最下端的相对高度；根据车轮半径确定车架后桥纵梁的长度；根据驾驶员的极限视野（水平方向或竖直方向）来确定前桥上横梁相对车架最下端的高度。2.3 节油车的总体布局现在市面上的汽车的车轮数一般都大于3，但是为了简化结构，提高传动效率，进一步减少车重，减少车速器等装置5。发动机的驱动齿轮直接通过链条和驱动车轮(后轮)上的从动齿轮相连并进行动力传递，所以本设计所设计的三个车架都是仅适用于前两轮后一轮的节油车型。根据人机工程学的要求，对车手的体型和坐姿定下整车的初步初步控制尺寸进行各项数据的测量，并在PRO/E中建模，确立了车架的宽度长度、车身高度等。车架的宽度一般能满足车手乘坐要求，并能安装排线（刹车线、油门线、电线），车身安装即可，尽量取小。这样，在保证车架用料少的同时，也利于车身设计的流线型。车身高度尽量低矮，一般可以取发动机竖直放置时的最高点，这个高度车手躺下时的视野一般是可以保证的。底盘高度要保证有尽量大的离地间隙，同时又不能使重心过高，以免高速转弯时翻车。轮距轴距不及考虑太多，但要满足大赛要求，轴距轮距的计算、前后载荷分配等是为了保证有足够的地面附着力。我们节能车驱动力还没有能大到可以超过地面附着力的程度。所以只要保证不干涉即可（驱动力的大小取决于发动机的改造，当发动机输出的转矩过大时才要考虑此因素）。三个车架的总布置尺寸：1、方案一 总长2997mm,总高1057 mm，车架最宽907mm，轴距1861mm，轮距800mm ，采用后置发动机后轮驱动。转向操作方法为握把手动式，最大转向角20度，驾驶员采用半躺坐姿驾驶，视线角度上下为90度，左右为120度，接近角为8度。驾驶员选用体型较小的40kg重、身高在1550mm左右的女驾驶员。（图2.1）图2.1 方案一主、侧视图2、方案二 总长2997mm,总高1057mm ，车架最宽907mm， 轴距1861mm ，轮距800mm ，采用后置发动机后轮驱动。转向操作方法为握把手动式，最大转向角20度，驾驶员采用半躺坐姿驾驶，视线角度上下为90度，左右为120度，接近角为8度。驾驶员选用体型较小的40kg重、身高在1550mm左右的女驾驶员。（图2.2）图2.2 方案二主、侧视图3、方案三 总长2710mm,总高1057 mm，车架最宽907mm，轴距1880mm ，轮距800mm ，采用后置发动机后轮驱动。转向操作方法为握把手动式，最大转向角20度，驾驶员采用半躺坐姿驾驶，视线角度上下为90度，左右为120度，接近角为8度。驾驶员选用体型较小的40kg重、身高在1550mm左右的女驾驶员。（图2.3）图2.3 方案三主、侧视图2.4 节油车车架整体质心位置的确定本设计需要对节油车的静态稳定性进行计算。节油车的静态稳定性分析，首先应该计算出整车的质心位置6。当总体布置完毕后既可以对该车的质心位置进行计算。计算时刻用计算方法来确定专用车各总成的质量及其质心位置坐标，然后按照力矩平衡方程式，求出整车的质心位置。计算公式如下： (2.1) (2.2) (2.3) (2.4) 式中：第i个总成的质量，kg；第i个总成的质心到前轴中心的水平距离，m；第i个总成的质心距地面的距离，m；第i 总成的质心距该车纵向对称面的距离，m；整车质心距离地面的高度，m；a 整车质心距前轴中心的水平距离，m；b 整车质心距后轴中心的水平距离，m；c 整车质心距该个纵向对称面的距离，m；L 轴距，m。1、方案一的质心求解过程 533.6 mm 36.1mm291.8mm1327.4mm图2.4 方案一主视图图2.5 方案一左视图2、方案二的质心求解过程图2.6 方案二主视图图2.7 方案二左视图 518.2mm 35.8mm 268.2mm 1342.8mm3、方案三的质心求解过程图2.8 方案三主视图图2.9 方案三左视图 556.3mm49.3mm 311.3mm 1323.7mm2.5 本章小结本章先对三种不同结构的车架分别做了总体布置，确定了车的总长、总宽、轴距、轮距、接近角，以及对驾驶员的要求和前方视角等，然后又对三种不同布置的节油车进一步确定质心的位置。通过分析比较可以初步看出方案二车架质量最轻，重心高度最低，c值最小。进而可知方案二行驶的稳定性相对较好，车架成本相对较低。 第3章 基于PRO/E的模型的构建3.1 Pro/E软件简介1985年，PTC公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER诞生了。经过10余年的发展，Pro/ENGINEER已经成为三维建模软件的领头羊。目前已经发布了Pro/ENGINEER2000i2。PTC的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。Pro/ENGINEER还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。下面就Pro/ENGINEER的特点及主要模块进行简单的介绍。主要特性 全相关性：Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。基于特征的参数化造型：Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。 装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。数据管理：加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了Pro/ENGINEER独特的全相关性功能，因而使之成为可能。装配管理：Pro/ENGINEER的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如“啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。易于使用：菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易使用7。3.2 三维模型的构建利用PRO/E软件构建三个车架的模型，主要应用了拉伸操作、构建基准面等基本操作。3.2.1 节油车车架方案一模型1、建模流程如下：（1）方案一手绘三维图。图3.1 方案一手绘草图（2）用PRO/E建模，用多步拉伸命令，创建车架底板模型。图3.2 车架一模型创建过程截图（3）用PRO/E建模，用多步拉伸命令，进一步创建车架前桥和前板斜拉梁。图3.3 车架一模型创建过程截图（4）用PRO/E建模，用多步拉伸命令，进一步创建车架靠椅梁及后桥立梁。图3.4 车架一模型创建过程截图（5）车架方案一建模完成。图3.5 车架一模型创建过程截图2、车架模型特点为了有效加强驾驶员后部、后桥前部这一部分纵梁的刚度，在上部增加了辅助纵梁，但为了使发动机便于布置，需要使得该辅助纵梁和主纵梁的高度大于450mm。（为了便于施加约束和载荷，前桥和发动机固定座的相应位置出制作出了薄凸台。）以下是反映该模型特点的截图：（1）车架前底版拉伸出薄凸台。图3.6 方便加载建模过程截图（2）斜拉下的前底板面创建凸台。图3.7 方便加载建模过程截图（3）座椅下底板面创建凸台。图3.8 方便加载建模过程截图（4）前桥制造为方便施加约束的凸台。图3.9 方便加约束建模过程截图（5）固定发动机的位置制造凸台。图3.10方便加载建模过程截图3.2.2 节油车车架方案二模型1、建模流程如下：（1）方案二手绘三维图。图3.11 方案二手绘草图（2）用PRO/E建模，用多步拉伸命令，构建模型过程截图。图3.12车架二模型创建过程截图（3）车架方案一建模完成。图3.13 车架二模型创建过程截图2、车架模型特点中间部分采用双纵梁结构,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。（为了便于施加约束和载荷，前桥和发动机固定座的相应位置出制作出了凸台。）以下为与该特点相对应的截图：（1）模型中增设辅助纵梁，从而减少危险截面应力。图3.14 辅助纵梁截图（2）模型中增设后桥辅助斜梁，从而减少危险截面应力。图3.15 后桥辅助斜梁截图（3）座椅更加符合人体的尺寸。图3.16 座椅梁截图3.2.3 节油车车架方案三模型1、建模流程如下：（1）手绘二维草图。图3.17 二维手绘草图（2）车架三维模型图。图3.18 方案三车架建模过程截图2、车架模型特点座椅和前桥的局部下沉至车架纵梁下端。一片期刊论文中将这种类型的车架命名为下沉式车架，由于本车架的独特之处（只有一部分下沉），所以将之命名为“半下沉式车架”。 （为了便于施加约束和载荷，前桥和发动机固定座的相应位置出制作出了凸台。）以下是方案三车架的几个具有特色的截图：（1）为配合下沉的座椅，前桥前部截图。图3.19 前桥前部截图（2）下沉式车架的座椅部分截图。图3.20 座椅部分截图（3）发动机固定部分及后桥部分结构截图。图3.21 后桥部分截图 （4）为方便在踏板梁处加载，构建两处薄凸台。图3.22 踏板处为方便加载的凸台截图3.3 本章小结本章对PRO/E软件做出了简单的介绍，对与三种不同的方案相对应的车架构建了模型，为接下来应用ANSYS软件进行有限元分析做了很好的铺垫。并且以截图的形式对三种车架进行了结构方面和后续加载的位置方面的对比。第4章 基于有限元法的分析及优化设计ANSYS软件具有强大而广泛的分析功能，主要包扩几何模型的建立或导入、自动网格划分、求解、后处理、优化设计等许多功能及实用工具。本章主要是利用它对HQJ-500型节油车车架进行分析。4.1 有限元分析的简介4.1.1 有限元法及优化过程简介1、有限元法简介有限元法是最近二三十年发展起来的一种有效的通用计算方法，是借助于高速数字电子计算机解决问题的近似计算方法。它既包括有数学理论，又包括有程序设计技巧。它运用离散的概念使整个问题由整体连续到分段连续；整体解析转化为分段解析，从而使数值法与解析法互相结合，互相渗透，形成一种新的数值计算方法。也就是论把整个求算域离散成为有限个分段(子域)，而每一分段内运用变分法，即利用与原问题中微分方程相等价的变分原理来进行推导，从而恢原问题的微分方程组退化到代数联立方程纸使问题归结为解线性方程组，出此得到数值解答。这种方法首先在固体力学范畴，而后在工程技术各个领域令得到了广泛的应用。众所周知，从数学角度来看，一个工程问题往往可以用一个偏微分方程来描述，但是常常很难求得精确的解析解16。20世纪50年代开始，随着电子计算机的应用，有限元法作为一种数值分析工具，借助于高速电子计算机的配合，使得以前这类难以处理的工程技术问题都可能获得一个近似的计算机解。因此，有限无法引起了工程师和科学家的极大兴趣。现在，它已经被公认是一种有效的数值计算方法，被广泛应用于固体力学、流体力学、热传导以及电磁学等连续介质或场问题这类工程技术领域。在机械设计中，从齿轮、轴、轴承等通用零、部件到机床、汽车、飞机等复杂结构件的应力和变形分析(包括热应力和热变形分析)，采用有限无法计算，都可以获得一个足够精确的近似解来满足工程上的要求。有限元法分析的思想可以追溯到更早一些时候，1943年RCourant首先提出离散化概念将一个原来是连续的整体剖分(离散)成为有限个分段连续单元的组合，并第一次尝试应用三角形单元的分片连续函数来求解扭转问题。50年代，有限元法首先用于飞机设计中，1956年MJTurner和RWClough等人用矩阵法对飞机结构进行了受力和变形分析，应用当时出现的数字计算机，第一次给出了用三角形单元求得复杂平面应力问题的解1960年RWClough首次提出“有限元”这个名词，有限元法作为种数值分析方法正式出现于工程技术领域。有限元法的第一个黄金时期开始于6年代初，当时，将一个连续体离散化为有限个单元组合体的这种有限元的概念开始在工程界流行，GNWhite比和KOFriedrichs采用了规则的三角形单元，从变分原理出发来求解微分方程式。1963年JFBesseling等人认识到有限元法是里兹法的另一种形式，并且证实了它是处理弹性连续介质问题的一种通用方法，此后有限元法才开始巩固其地位。1965年OCZienkiewicz等发表了有限元法可以应用于所有能按变分形式计算的场问题、这就使有限元法得到了更广泛的应用。随着有限元法在工程界和物理界日益流行，较多的应用数学家有兴趣对这个方法给予严格的数学论证，使有限元的第二个黄金时期大约于1968年开始。当时，他们发表了很多关于有限无法的数学文献，论证有限元法的基本原理是逼近沦，是偏微分方程及其变分形式和泛函分析相结合，并致力于估计各种单元类型离散化的误差、收敛速度和稳定性。1969年以后，有限元法在工程上获得了广泛的应用。它作为分析飞机复杂结构的一个有效方法首先应用于航空工业部门；随后，迅速推广到造船、建筑、机械等各个工业部门中国科学院冯庚教授早在六七十年代在设计水坝中就应用了有限元法，独立地发展了有特色的数学理论基础。近年来，随着引进SAP、NASTRAN等些大型通用的有限元程序，国内有限元法的研究和应用获得了迅速的发展。从数学角度来看，有限元法是将一个偏微分方程化成一个代数方程组，利用计算机求解。我们知道，电算和手算不同，它不适合用于零鼓碎打的算法，而要求系统化的计算程序，由于电子计算机的运算速度极快，它特别适合多次重复迭代的算法。为了应用电算的这个特点来求解线性方程组，有限元法广泛采用矩阵算法，它在大量运算中显示出巨大优点。因此可以说，有限元法的发展借助于两个重要的工具：在理论推导中采用了矩阵方法，在实际计算中使用了电子计算机。有限单元法分析问题的思路是从结构矩阵分析推广而来的。起源于50年代的杆系结构矩阵分析，是把每一杆件作为一个单元，整个结构就看作是由有限单元(杆件)连接而成的集合体。分析每单元的力学特性后，再组集起来就能建立整体结构的力学方程式，然后利用计算机求解。在工程技术领域研究弹性连续体在载荷和其他因素作用下产生的应力、应变和位移时，由于应力、应变和位移都是位置的函数，也就是说物体中各个点的应力、应变和位移一般是不相同的。因此，可以把弹性连续体看作由无限多个微元体所组成。这是一个具有无限多自由度的问题。为了能够进行数值分析，有限单元法在处理这类问题时，首先应用离散的思想，把问题简化为具有有限个自由度的问题，然后借用结构矩阵分析的方法处理。有限元离散化是假想把弹性连续体分割成数目有限的单元，并认为相邻单元之间仅在节点处相连。根据物体的几何形状特征、载荷特征、边界约束特征等，单元有各种类型。节点一般都在单元边界上。节点的位移分别是作为结构的基本未知量。这样组成的有限单元集合体，并引进等效节点力及节点约束条件，由于节点数目有限，就成为具有有限自由度的有限元计算模型，它替代了原来具有无限多自由度的连续体。在此基础上，对每一单元根据分块近似的思想，假设一个简单的函数来近似模拟其位移分量的分布规律，即选择位移模式，再通过虚功原理(或变分原理或基他方法)求得每个单元的平衡方程，就是建立单元节点力与节点位移之间的关系。最后，把所有单元的这种特性关系，按照保持节点位移连续和节点力平衡的方式集合起来，就可以得到整个物体的平衡方程组。引入边界约束条件后解此方程就求得节点位移，并计算出各单元应力。从以上论述可以看到，有限单元法的实质是把具有无限多个自由度的弹性连续体，理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题简化为适合于数值解法的结构型问题。因此，只要研究并确定有限大小的单元力学特性，就可根据结构分析的方法求解，使问题得到简化8。2、有限元法的分析过程应用有限单元法求解各种问题总是遵循一定的步骤。有限单元法分析过程可大概归纳为以下几点：（1）弹性连续体的离散化这是有限单元法的基础。所谓离散化，就是假想把被分析的弹性连续体分割成由有限个单元组成的集合体。这些单元仅仅在节点处连接，单元之间荷也仅由节点传递。连续体的离散化又称为网格划分。离散而成的有限单元集合体将替代原来的弹性连续体，所有的计算分析都搭在这个计算模型上进行。因此，网格划分将关系到有限元分析的速度和精度，以至计算的成败。有限元离散过程中有一重要环节是单元类型的选择。这应根据被分析结构的几何形状特点，综合载荷、约束等全面考虑。（2）选择单元位移模式这是单元特性分折助第一步。假设一个简单的函数来模拟单元内位移的分布规律，这个简单的函数，通常是选择多项式，称为位移模式或位移函数。多项式的项数及阶数将取决于单元的自由度数和有关解的收敛性要求。单元位移模式又要转换成用节点位移来表示，所以它也决定了相应的位移插值函数。从这里也可看到，选择合适助位移函数是有限元分析的关键，它将决定有限元解答的性质与近似程度，所以它的选样应遵循一定的准则。（3）分析单元的力学性质 在选择了单元类型和相应的位移模式后，即可按几何方程、物理方程导出单元应变与应力的表达式。然后应用虚功原理或变分法或其他方法建立各单元助刚度短阵，即单元节点力与节点位移之间的关系。单元分析的另一内容是将作用在单元上的非节点载荷移置到节点上，形成等效节点载荷矩阵。因为有限单元法假设载荷是作用在节点上，并由节点传递的。（4）整体分析，组集结构总刚度方程整体分折的基础是依据所有相邻单元在公共节点上的位移相同和每个节点上的节点力与节点载荷保持平衡这两个原则。它包括两方面内容：一是由各单元助刚度短阵集合成整体结构的总刚度矩阵K；二是将作用于各单元的等效节点力集合成结构总的载阵矩阵R.这两项就组成了整体结构的总刚度方程： = （4.1）（5）约束处理并求解总刚度方程引进边界约束条件，修正总刚度方程后，就可求得节点位移。求解大型联立代数方程组的方法有很多，求解的时间占据了整个有限元计算时间的大部分。（6）计算单元应力根据求得的位移可以求出结构上所有感兴趣部件上的应力。并能够绘出结构变形图及各种应力分量、应力组合的等值图。4.1.2 ANSYS有限元分析软件的简介ANSYS是一种应用广泛的通用有限元工程的分析软件。功能完备的预处理器和后处理器（又称预处理模块和后处理模块）使ANSYS易学易用，强大的图形处理能力以及得心应手实用工具使得使用者轻松愉快，奇特的多平台解决方案使用户物尽其用，且有多种平台支持（ Windows NT、LINUX、UNIX）和异种异构网络浮动能力，各种硬件平台数据库兼容，使其功能一致，界面统一。目前，ANSYS已经广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防、军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等工业及科学研究。ANSYS软件含有多种分析能力，包括简单的静态分析和复杂的非线性的模态分析，可用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答。它包含了预处理、解决程序以及后处理和优化等模块，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为解决现代工程学问题必不可少的有力工具。ANSYS公司是有美国匹兹堡大学力学系教授、有限元法的权威、著名力学专家John Swanson 博士于1970年创建而发展起来的，其总部位于宾夕法尼亚洲的匹兹堡市，目前是世界CAE行业最大的公司之一。ANSYS软件的最初版本与今天的版本相比有很大不同，最初版本仅仅提供了热分析及线性结构分析功能；20世纪70年代末，图形技术和交互操作方式应用到了ANSYS中，使得ANSYS的使用进入了一个全新的阶段。经过30多年的发展，如今的ANSYS软件更加趋于完善，功能更强大，使用也更加方便。ANSYS是一个通用的有限元分析软件，它具有多种多样的分析能力，从简单的线性静态分析到复杂的非线性动态分析。而且，ANSYS还具有产品的优化设计。估计分析到附加功能。ANSYS软件能够提供分析类型如下：1、结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构影响不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触问题的分析。2、结构动力分析结构动力分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行结构动态分析的类型包括瞬时动力分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。3、结构非线性分析结构非线性问题包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。ANSYS程序可以求解静态和瞬态非非线性问题。4、结构屈服分析屈服分析是用来确定结构失稳的载荷大小与在特定的载荷下结构是否失稳的问题。ANSYS中的稳定性分析主要分为线性分析和非线性分析两种。5、热力学分析ANSYS可处理热传递的三种基本类型：传到、对流和辐射。热传递的三种基本类型均可以进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还可以进行模拟材料固化和熔解过程分析，以及模拟热与结构应力之间的耦合问题的分析。6、电磁场分析主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、此能量密度、涡流、电场分布、磁力分分布、力、运动效应、电路和能量损失等。7、声场分析声场分析主要用来研究主流体(气体、液体等)介质中的传播问题以及在流体介质中的固态结构的动态响应特性。8、压电分析压电分析主要可以进行静态分析、模态分析、瞬态分析和谐波响应分析等，可用来研究压电材料结构在随时间变化的电流和机械载荷响应特性。主要适用于谐振器、振荡器以及其他电子材料的结构动态分析。9、流体动态分析ANSYS中的流体单元能进行流体动态分析，分析类型可以为瞬态和稳态。分析结果可以是每个节点的压力和流过每个节点的流率。并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分析的图形显示8。4.2 基于对该节油车车架分析的软件预设置4.2.1 PRO/E和ANSYS接口的创建利用ANSYS对结构进行有限元分析时，由于用ANSYS建模相对比较麻烦，所以通常用Pro/E建立的三维模型，然后导入ANSYS中进行分析。所以需要将Pro/E三维实体模型通过专用的模型数据转换接口导入到ANSYS中，Pro/E与ANSYS之间的接口技术常用的有以下两种：1、Pro/E与ANSYS集成接口ANSYS在默认的情况下是不能直接对Pro /E中的prt(或asm)文件进行直接转换的,必须通过以下对ANSYS设置连接过程进行激活模块:鼠标点击“开始程序ANSYS8.0UtilitiesANS_ADM IN”,出现如下图4.1的对话框,选择configuration optionsOK,接下来的对话框顺序选取。Configuration Connection for Pro/EOK，ANSYSMultiphysics & WIN 32OK。图4.1 设置ANSYS连接过程完成后ANSYS提示已在自己的安装目录中成功生成config.anscon文件,然后将Pro/E的安装目录填入如下对话框里如图4.2，单击OK完成接口的创建。图4.2 Pro/E的起始安装路径运行Pro/E，工具菜单后面出现了ANSYS8.0打开某零件三维模型图，点击ANSYSGeom按钮(如下图4.3所示)，则模型自动导入到ANSYS中，此时ANSYS8.0软件自动打开，点击Plot下的Volume，则模型导入成功。图4.3 导入界面2、通过IGES(*.igs)格式文件导入首先，在Pro/E环境下建立好零件模型或者完成零部件的装配，然后,选择主菜单【文件】下的【保存副本】子菜单，弹出保存副本对话框后，文件类型选择IGES(*.igs),在【新名称】框内为模型输入新名称,点击【确定】按钮会弹出输出IGES对话框,在输出IGES对话框中可以设置输出图元的类型、参考坐标系以及IGES文件结构。输出的图元类型有:线框边、曲面、实体、壳、基准曲线和点,缺省输出图元是曲面, 缺省是输出所有面组,点击【面组.】选择特定面组输出。可以选择多种图元类型进行输出, 但是不能同时输出曲面和实体或者曲面和壳。单击【定制层.】按钮设置各层的输出特性。文件结构类型有:平整、一级、所有级别、所有零件，默认输出为平整。平整:将组件的所有几何输出到一个IGES文件。导入到另一个系统时,该组件就担当一个零件的角色。应将每一个零件分别放到一个层上,以便在接受系统中能加以区别。一级:输出一个组件的IGES文件,该文件只包含顶级几何(如组件特征)。所有级别：输出一个组件的IGES文件。用它可创建带有各自的几何和外部参照的元件零件和子组件。该选项支持所有层次。所有零件：将一个组件作为多个文件输出到IGES，这些文件中包含所有元件和组件特征的几何信息。零件使用相同的参照坐标系，使接受系统中的重新装配更加容易。本次技能训练选择实体特征，然后点击【确定】完成。ANSYS导入IGES(*.igs)文件的方法有两种：一种是通过ANSYS软件的用户界面操作导入；一种是通过输入命令导入。本次技能训练可采用第一种方法。通过用户界面操作导入IGES的步骤是：选择主菜单【File】下的子菜单【Import】的次级子菜单【IGES.】,弹出导入IGES属性设置对话框,在导入IGES属性设置对话框中可以设置：是否导入所有数据，是否合并图元，是否创建实体，是否删除小面。点击【OK】按钮弹出文件路径选择对话框,在文件路径选择对话框中选择好所需精度，输入IGES文件路径后,点击【OK】按钮完成IGES文件导入。4.2.2 设置内存与选求解器1、正确设置内存分配。操作如下：（1）点击任务栏开始菜单。图4.4 左下角开始菜单（2）点击configure ANSYS products.图4.5 设置过程截图（3）进入设置界面。图4.6 设置界面2、正确选择求解器跟SPARSE 和 FRONT求解器相比，他要求较小的硬盘空间，对于求解较大模型计算速度更快。对于板壳、3-D模型，较大2-D模型，P-方法分析十分有效，对于其他问题如带有对称矩阵，稀松矩阵、正定、不定的非线性求解中，PCG求解方法也是十分值得推荐的。PCG求解法要求的内存至少是JCG的两倍。仅对静力分析、完全法瞬态分析，LANCZOS扩展的模态分析有效，PCG求解器可以有效的带有约束方程的矩阵求解。PCG求解器可以处理有高级单元带来的病态问题。病态可以有单元的大长宽比造成，也可以由单元的接触属性，弹塑性属性等造成。 在本例的结构静力分析中采用的是PCG求解器。操作步骤如下：（1）点击ANSYS操作页面左侧菜单栏中的solution。图4.7 操作过程截图（2）点击拓展菜单选项。图4.8 操作过程截图（3）点击图示选项。图4.9 操作过程截图（4）打开求解器菜单选项。图4.10 操作过程截图（5）打开求解器菜单选项，选择PCG格式求解器。图4.11 操作过程截图（6）点击图示选项。图4.12 操作过程截图（7）点击求解选择项，并将划条移到靠近速度一侧，以提高求解速度。图4.13 操作过程截图图4.14 操作过程截图4.3 节油车车架的结构静力分析4.3.1 ANSYS参数的定义三个车架的材料均选用6061-T6铝合金。偏好选项中选中Structual ，前处理器中设置弹性模量的值为，泊松比为0.33。4.3.2 ANSYS 网格的划分方案一、二、三对应的车架模型由于车架壁厚较薄，所以均采用2级精度划分。1、方案一网格划分前后截图。图4.15 导入模型截图 图4.16 网格划分截图2、方案二网格划分前后截图。图4.17 导入模型截图 图4.18 网格划分截图3、方案三网格划分前后截图。图4.19 导入模型截图 图4.20 网格划分截图4.3.3 ANSYS施加约束和载荷1、 受力分析以节油车整体为研究对象，除了受到来自驾驶员、发动机、车架等的主动力（重力）外，还受到来自地面的支反力作用。地面作用给节油车的支反力包括前桥支反力和后桥支反力，前桥支反力又包括左前桥支反力和右前桥支反力。 各力的大小及确定力作用位置的根据是：第一步，将前桥两端投影为车架纵向对称平面的一点，同理后桥两端也投影为车架纵向对称平面的一点，节油车整体的质心位置设定为节油车重心位置，根据力学平衡方程式和对重心取矩的力矩式，求出前桥的总支反力和后桥的支反力；第二步，求得车架前桥支反力求得等值的反作用力后，根据该反作用力与左前桥支反力、右前桥支反力的力学平衡方程式和力矩式，求得左前桥支反力和右前桥支反力，受力分析截图如下：图4.21 方案一受力截图图4.22 方案二受力截图图4.23 方案三受力截图2、施加约束载荷分别对三个车架模型的前桥凸台和后桥矩形管端面进行约束。在本设计中主要以纯弯曲工况和弯扭工况来对节油车车架进行分析、比较。 纯弯曲工况下是在前桥两端施加全约束，后桥也施加全约束；弯扭工况下施加约束是在前桥左端施加全约束，前桥右端不施加约束，后桥施加全约束。（1）纯弯曲工况下施加约束、载荷。图4.24 方案一施加约束、载荷截图图4.25 方案二施加约束、载荷截图图4.26 方案三施加约束、载荷截图（2）弯扭工况下施加约束和载荷。图4.27 方案一施加约束、载荷截图图4.28 方案二施加约束、载荷截图图4.29 方案三施加约束、载荷截图4.3.4 ANSYS车架的静力分析1、纯弯曲工况下静力分析截图图4.30 方案一的车架位移云图图4.31 方案一的车架应力云图图4.32 方案二的车架位移云图图4.33 方案二的车架应力云图图4.34 方案三的车架位移云图图4.35 方案三的车架应力云图2、弯扭工况下静力分析截图（1）方案一结构静力分析截图（图4.36和图4.37）图4.36 方案一的车架位移云图图4.37 方案一的车架应力云图（2）方案二结构静力分析截图（图4.38和图4.39）。图4.38 方案二的车架位移云图图4.39 方案二的车架应力云图（3）方案三结构静力分析截图（图4.40和图4.41）。图4.40 方案三的车架位移云图图4.41 方案三的车架应力云图4.3.5 车架静力分析的对比及阶段性结论通过ANSYS软件对三个车架进行两种工况下的有限元结构静力分析，发现纯弯曲工况下车架车架变形不显著，应力均不大，而发现在弯扭工况下车架局部变形明显，而且车架的应力值也较大。经过综合考虑，对弯扭工况的静力分析应该作为对三个车架进行比较和筛选的依据。故得出以下结论：表4.1 三种方案弯扭工况下的计算结果方案一方案二方案三最大位移值 /mm3.0532.9254.510最大应力值 /MPa147125269由表1可知，方案三所对应的车架的应力最大值为269MPa，大于所选材料6061-T6铝合金的屈服极限241MPa，而且相对比较而言，方案三的最大位移量也是最大的，所以方案三不可取。方案一和方案二通过比较可以看出，方案二所受的最大应力和最大位移都比方案一的要小。再结合在第二章所讨论的内容可以得出一个暂时的结论：方案二是三个方案中最好的一个方案。接下来将会对比较好的车架结构方案二进行基于实际的优化设计。4.4 基于实际的节油车车架优化设计4.4.1 优化设计的基本概念ANSYS除了可以进行结构静动力分析，还有一个非常有用的高级功能优化设计。它可以帮助用户快速的找到设计的最优方案，选择Main Menu Design Opt命令，可进行ANSYS的优化设计模块。优化设计是一种寻找或确定最优设计方案的技术。所谓“最优设计”，指的是一种方案可以满足所有的设计要求，而且所需的支出（如重量、面积、体积、应力、费用等）最小。也就是说，最优设计方案就是一个最有效率的方案。对于一个设计方案来说，许多方面都是可以优化的，如尺寸、形状（如过度圆角的大小）、支撑位置、制造费用、自然费用和材料特性等。实际上，所有可以参数化的ANSYS选项都可以进行优化设计。ANSYS程序提供了两种优化方法：零阶方法和一阶方法。这两种方法可以处理绝大多数的优化问题。零阶方法是一个很完善的处理方法，可以很有效地处理大多数工程问题。一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感程度，因此更加适合于精确的优化分析。对于这两种优化方法，ANSYS程序还提供了一系列的分析评估修正的循环过程。九是对于初始设计进行分析，对分析结果就设计要求进行评估，然后修正设计。这一循环过程重复进行直到所有的设计要求都满足为止。除了这两种优化方法，ANSYS程序还提供了了一系列的优化工具以提高优化过程的效率。例如，随机优化分析的迭代次数是可以指定的。随机计算结果的初始值可以作为优化过程的起点数值。优化变量是优化设计过程中的基本变量，包括设计变量（DV）、状态变量（SV）和目标函数。优化变量由用户定义的参数来指定。在ANSYS优化中，用户必须指出在参数集中哪些是设计变量，哪些是状态变量，哪些是目标函数。设计程序是指确定一个特定模型的参数的集合。一般来说，设计序列是由优化变量的数值来确定的，但所有的模型参数（包括不是优化变量的参数）组成了一个设计序列。分析文件是一个ANSYS的命令流输入文件，包括一个完整的分析过程（预处理、求解、后处理）。它必须包含一个参数化模型，用参数定义模型并指出设计变量、状态变量和目标函数。由这个文件可以自动生成优化循环文件，并在优化设计中循环处理。一个合理的设计是指满足所有给定的约束条件的设计、如果其中任一约束条件不满足，设计就会认为是不合理的。而最优化设计是既满足所有的约束条件又能得到最小目标函数值的设计。考虑到该节油车车架结构的复杂性，故在本设计中采用最原始的优化方法即通过多次变换不同梁段截面的方法，从而得到相对较好的结果。从前面的章节中已经选出了一个相对最为合理的结构方案二。下面将对方案二进行结构优化设计8。4.4.2 基于实际的车架结构优化设计通过用PRO/E软件再次进行两次建模，得到了结构大体相同，但在不同位置具有不同梁截面的车架，使得车架的最大应力逐渐趋于选用材料的屈服极限应力。从而达到了优化车架质量的目的。下面四幅截图是一次变换截面和二次变换截面的位移云图和应力云图。一次变换截面的是和，二次变换截面是和。图4.42 一次变换的位移云图图4.43 一次变换的等效应力图图4.44 二次变换的位移云图图4.45 二次变换的等效应力图4.4.3 车架优化设计的阶段性结论通过对车架的两次截面变换可以得到车架优化的阶段性结论：表4.2两次变换的计算结果变换一变换二最大位移值 /mm4.0865.354最大应力值 /MPa165208通过上述位移云图和应力云图可以看出，经过变换截面，车架的最大位移量和最大应力值都逐渐增大，但基于车架的工作特性和车架的材料的特性可以看出车架经过两次变换后，最终的刚度和强度都是非常令人满意的。通过PRO/E质量属性可以查得变换一次和变换二次车架的质量的分别为4.925kg和4.2kg。所以第二次变换截面的车架是本设计的最终优化结果，下面将对该车架进行模态分析。4.5 节油车车架模态分析4.5.1 有限元模态分析简介动态分析用来确定惯性（质量效应）和阻尼起重要作用时结构或构件的动力学特性。动态分析通常指分析旋转机械引起的震动、汽车碰撞等引起的撞击、曲轴等的交变作用力、地震冲击波的载荷、火箭发射的随机震动。按照运动方程的求解形式的不同，动态分析可分为模态分析、瞬时动态分析、谐波响应分析。模态分析是动态分析的一种。模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术，这些震动特性包括：固有频率、振型、振型参与系数（即在特定方向上某个振型在多大程度上参与了震动）等。模态分析是所有动态分析类型的最基础内容。如果要进行谐波响应分析或瞬态动态分析，固有频率和振型也是有必要的。模态分析假定结构是线性的。任何非线性特性（如塑性单元）即使定义了也将被忽略。模态提取是用来描述特征值和特征向量计算的术语，在ANSYS中模态提取的方法有6种：Subspace（子空间）法、Block Lanczos法、PowetDynamics法、Rdduced(缩减)法、Unsymmetric（不对称）法、 Damped(阻尼)法。使用何种模态提取方法主要取决于模型的大小（相对于计算机的计算能力而言）和具体的应用场合。和其他分析一样，ANSYS模态分析也有GUI和命令流两种操作方式8。4.5.2 优化后车架的模态分析最后对车架进行模态分析，提取其空载状态下的前几阶固有频率及相应振型，作为评价其动态性能好坏的参数。将模态提取方法定为Block Lanczos，并设定提取的模态阶数位6，起止频率分别为0和100HZ，提交计算，获得各阶频率。下面是车架的前六阶振型图。图4.46 车架第一阶振型图图4.47 车架第二阶振型图图4.48 车架第三阶振型图图4.49 车架第四阶振型图图4.50 车架第五阶振型图图4.51 车架第六阶振型图4.5.3 优化后车架模态分析结论由于HQJ-500型节油车在良好的参赛路面上行驶，所以由不平路面所引起的震动可以忽略；又因为该车没有装有减震器，所以也不用考虑其对震动的影响。故只需要考虑发动机的震动频率是否与车架的固有频率重合或接近即可。本田125cc单缸四冲程发动机的曲轴每转两圈，发动机点火一次，根据发动机的每分钟转速换算出发动机每秒钟的转速，再根据发动机每秒的转速求出发动机在一秒内的点火次数，进一步求得发动机的震动频率。表4.2以表格的形式给出了发动机的不同情况下的转速和震动频率。表4.2 三种情况的分析结果怠速情况经济转速情况高速情况大约转速（r/min）140050008000发动机震动频率（HZ）11.741.766.7对本车而言，需要考虑低阶频率应该避开发动机的怠速运转频率、经济转速运转频率、和高速运转频率，以避免发生共振。发动机的运转频率范围约为11.766.7HZ，未与车架固有频率重合（或者可以说成是：发动机的运转频率与车架固有频率之差的绝对值相差很大）。HQJ-500型节油车车架不会与发动机产生共振，故第二次变换的车架的模态分析表明该车架符合工作条件。 4.6 本章小结本章简要介绍了有限元分析法、ANSYS有限元分析软件。详细介绍了针对于该车架的有限元分析流程，其中包括了ANSYS软件的预设置，详细的结构静力分析过程，基于实际的有限元优化设计以及车架模态分析。利用车架有限元模型，研究相应载荷及边界约束条件的施加方法，讨论了三种方案下节油车车架在弯扭工况下的应力和变形情况，并得到阶段性结论。通过优化设计得到最终可能结果，通过车架模态分析得到最终结果。综合有限元分析的结果可以看出，二次变换使该车架的强度和刚度及动态性能都满足使用要求。结论本文运用有所学知识，根据相关资料对车架的结构进行设计，同时运用有ANSYS对车架进行静态结构分析、优化设计和动态分析。在现代有限元分析软件的支持下，在分析了车架结构力学特性的基础上建立了三种不同结构的HQJ-500型节油车车架有限元模型，进行了车架静力分析，全面掌握了车架的应力分布情况，为车架的结构优化提供了良好的理论基础。通过优化设计和模态分析最终得到了符合要求的车架。通过本课题的研究，最终得出以下结论：1、对壁厚较薄的节油车车架这类大型的结构进行了建模，采取适当的单元类型进行网格划分，选择适当的求解方法，这样不仅可以节约建模时间，同时也可以减少分析时间。另外适当选用有限元单元也能有效提高分析精度。2、完成了车架结构设计，谨慎选择了车架形式。方案三（半下沉式）的强度超过选用材料的屈服极限（241MPa），而且车架的最大变形量也比其它两种方案的要大，故第三种结构不可取；方案一的车架采用的是悬空式辅助纵梁，经过对比，在重量与方案一相同的情况下的刚度和强度都不如方案二。方案二的紧贴式辅助纵梁能够有效避免集中力的产生。为了同时在满足车架本身的刚度，强度等前提下，尽可能的减轻车身重量，实现结构的轻量化，通过两次变换截面（一次变换截面的是和，二次变换截面是和），对车架进行了基于实际的优化设计。车架的质量由原来的6.5kg减小到4.925kg和4.2kg。3、通过对第二次优化的车架模型进行模态分析。对本车而言，考虑到了低阶频率应该避开发动机的怠速运转频率、经济转速运转频率、和高速运转频率，以避免发生共振。发动机的运转频率范围约为11.766.7HZ，未与车架固有频率重合（或者可以说成是：发动机的运转频率与车架固有频率之差的绝对值相差很大）。模态分析表明，车架的动态特性较好，不会与发动机产生共振。参考文献1刘惟信.汽车设计M.北京.清华大学出版社，2001.2王望予.汽车设计M.北京.机械工业出版社，2004.3余志生.汽车理论M.北京.机械工业出版社，2009.4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，2008.9.5赵晓昱，秦晓磊，周诚.SUES-1节能车改进设计J.上海工程技术大学学报，2008.9.6卞学良.专用汽车结构与设计M.北京.机械工业出版社，2007.7詹友刚.Pro/ENGINEER野火版3.0机械设计教程M.北京.机械工业出版社，2007.8李黎明.ANSYS有限元分析实用教程M.北京.清华大学出版社，2005.9刘鸿文.材料力学M.北京.高等教育出版社，2004.10李正网.基于ANSYS重型货车车架结构分析和优化研究D.重庆交通大学硕士学位论文，2009.5.11朱荣庆.重型载重汽车车架轻量化设计研究D.武汉理工大学硕士学位论文，2006.5.12宝生，李杰，林明芳汽车优化设计理论与方法M北京：机械工业出版社，2000.13王海霞，汤文成等客车车骨架有限元建模技术及结果分析D机械强度，2002.14靳福来汽车轻量化技术现状J汽车技术，1995.7.15宋允祁，王中亭.解放CA1040系列轻型货车构造与维修M.吉林科学技术出版社，1995.16宋允祁.中国第一汽车集团公司汽车产品构造图册M.人民交通出版社，2000.17唐金松.简明机械设计手册M.上海科学技术出版社，2000.18成大先.机械设计手册M.化工工业出版社，2001.1.19西南交通大学应用力学与工程系.工程力学教程M.高等教育出版社，2004.720于志伟，李明.Pro/ENGINEER完全手册M.人民邮电出版社，2007.21龚曙光.ANSYS基础应用及范例解析M.机械工业出版社，2002.22黄贵东，沈光烈.汽车车架有限元分析模型的改进与应用J.装备制造技术，2007.2.23曲昌荣，郝玉莲，戚洪涛.汽车车架的有限元分析J.轻型汽车技术，2008.9.24刘新田，黄虎，刘长虹，郭辉，范平清.基于有限元的汽车车架静态分析J.上海工程技术大学学报，2007.6.25冯宝林，赵韩，董晓慧.基于参数化有限元分析的某客货两用汽车车架的改型研究J.农业工程学报，2008.1.26董振国，刘大维，严天一，陈秉聪.半挂牵引车车架强度的有限元分析J.拖拉机与农用运输车，2005.8.27钟佩思,孙雪颜,赵丹,魏群,苏超.基于ANSYS的货车车架的有限元静态分析J.拖拉机与农用运输车，2008.4.28Burnett,David S.Finite element analysis.Addison-Wesley Pub.1987.29Eilabu,Zahavi.The Finite Element Method in machine design.Newjersey PrenticeHall,1992.30Cheng z Q et a1Experience in Reverse-engineering of a Finite Element Automobile Crash ModelFiniteElements inAnalysis and Design，2001(37).致谢时间过的真快，为期将近四个月的毕业设计马上结束了。心情就像一个五味瓶，难以表达。通过这次毕业设计，我深表惭愧，自己的专业基础课程亟待提高。在本次设计中，机械设计、工程制图、Pro/E建模、ANSYS 8.0软件及汽车设计等基础课程的知识得到了温习和拓展，有所收获。我的毕业设计是从选题，开题答辩，四周审核，中期答辩，最终答辩的一段难忘的旅程。在这将近四个月的设计过程当中，得到了齐晓杰教授的全力和热心指导。从开题到毕业设计结束，每周二，周四，作为汽车与交通工程学院院长的齐老师都会抽出全天或一下午的时间为大家答疑和与大家讨论设计方面事情。我深深的为齐老师的敬业、严谨、务实的工作态度及超强的亲和力所打动。在此特向指导老师致以由衷的感谢!在毕业设计期间还得到了汽车与交通工程学院其他老师们和本班同学们的热心帮助，在此对他们同样表示衷心的感谢!在本次设计当中，我认为自己不光是温习和强化了专业课程，更重要的是，我从指导老师身上学到了有关设计的创新意识和严谨的工作态度。我想，这对即将步入社会的我们影响深远，意义重大。在指导老师的指导下，我顺利地完成了毕业设计。由于本人的能力有限，搜集的资料不够齐面，专业基础欠佳，在本设计中可能存在着诸多不够完善的地方。希望各位老师多多批评，多多指正。再次向帮助我的所有老师和同学们表示感谢!谢谢你们！附录附录AAn Analysis of Idling Vibration for a Frame Structured VehicleABSTRACTA finite element model for an entire frame-structured sports utility vehicle was made to evaluate the characteristics of the idling vibrations for the vehicle. The engine exciting forces were determined by Soumas method to simulate the idling vibrations. The modeling of the power plant and the entire vehicle was verified by the reasonable agreement of the experiment and calculation results. Attention was focused on the frequency of the first-order vertical bending mode for the frame. It has become clear that the idling vibration level of the vehicle is lowered by decreasing the frequency of the first-order frame bending mode.INTRODUCTION One of the defects of a diesel vehicle, which has fuel and economical efficiency, is idling vibration for a vehicle body. In a diesel engine, sharp pressure rise caused by the generation of the thermal energy affects the pistons. In the crank system, which converts the linear motion into the rotary motion, two types of reaction forces excite the engine block: the reaction caused by the alternation of the velocity vector in each moving parts, and by the non-uniform rotary motion generated by the finite number of cylinders. The forces transmit to an engine block, an engine foot, a rubber engine mount, a frame, a rubber cab-mount, and then a vehicle body, which make occupants uncomfortable. The idling vibration for large-sized commercial vehicles was estimated at the early development stage, and the measures against the vibration were taken by simulating the engine exciting forces with Soumas method,and entering them to a vehicle model. In this paper, the idling vibration was determined by entering the engine exciting forces to the vehicle model, which was made of the finite element of the frame and the body for a small-sized recreational vehicle (RV). Also in this paper, how the natural modes for the frame changes in the vehicle condition is analyzed, and it was indicated that the natural frequency of the first-order vertical bending for the frame had a significant effect.ANALYSIS OF THE VEHICLE BODY VIBRATIONFigure 1 shows the results of analyzing the frequencies of the acceleration in vertical vibration generated on the seat rail while idling in small-sized RV powered by 4-cylinder diesel engine. The main part of the idling vibration is the second-order engine rotation. The 0.5th, 1st, and 1.5th -orders are also critical. However, these orders are caused by the varied combustion between cylinders. A measure against the varied combustion can be expected by improving the injection system. In this research, only 24Hz of the second-order at the idling rotation speed of 720rpm is focused on as a measure in the vehicle structure. Besides, a measure for lowering the vibration is studied because the vertical vibration on seats has a great damaging effect on human sense.IDENTIFICATION OF THE ENGINE EXCITING FORCEThere are three paths for the engine to excite vibration to a vehicle body: through an engine mount, a driving system, and a tail pipe. In this paper, the path through an engine mount, which has a greatest effect, is studied. The various types of methods to identify the exciting force through an engine mount are known. In this paper, Soumas method is used.OUTLINE OF SOUMAS METHODThe cause of the exciting force to an engine block in the controversial frequency domain of the idling vibration is considered. First, the combustion pressure that acts on the pistons is considered to cause the vibration. However, assuming that a piston crankshaft does not move with a flywheel and an engine block fixed in some way, the engine components are supposed to be completely rigid in this frequency domain. In this situation, the engine block will not vibrate if the piston crankshaft does not move in spite of the rapid pressure rise in a combustion chamber due to the diesel combustion.Accordingly, the direct cause of the engine block vibration is not the combustion pressure but the reaction against the piston crankshaft movement. To determine the exciting force to the engine block, the reaction forces against the movement of the mass (mainly in crank system and piston system), which works inside and outside of the engine block, may be calculated.In Soumas method, the non-uniform rotary motion in the crank system is found by measuring the pulse generated in a ring gear of the flywheel. Then, the vertical motion in the connected piston system is calculated to determine the exciting force to the engine block using each mass specification value.VERIFICATION OF THE ACCURACY IN THE EXCITING FORCEThe exciting forces are added at the point corresponding to the crankshaft on the entire vehicle model (described later). The vibration on the head cover and the right engine foot, which the exciting forces mostly affect, is estimated. The results of comparing the calculation with the experiment are shown in Figure 2 and 3. In Figure 2 and 3, 5 types of calculated results are shown considering the idling rotation speed changes.In Figure 2 and 3, the calculation and the experiment are identified around 24 Hz, 48 Hz, and 72 Hz of 2nd, 4th, and 6th-orders at the speed of 720 rpm. The data of the left engine foot, which is not shown in this paper, is also almost identified. In this frequency domain, as for the vibration, the engine and the vehicle body are insulated by the engine mount. The body hardly affects the engine vibration. As the data of the experiment and the calculation is identified in this domain, the power plant modeling and the exciting force can be considered reasonable.However, around 12 Hz of 1st-orders, data is not much identified. In this frequency domain, the vibration of the engine and the vehicle body are mutually coupled through the engine mount. Therefore, the accuracy of the vehicle body model has a damaging effect.IMPROVEMENT OF THE MEASURING ACCURACY IN LOW-FREQUENCY VIBRATIONThe engine exciting force was determined using Soumas method, and the vibration in each part of the engine was calculated by adding the exciting force. So far, however, the calculated data has not been much identified with the actual measurement. Therefore, the accuracy of the actual measurement is improved. In the surface vibration of the engine, the low-frequency vibration, which causes the idling vibration, and the high-frequency vibration, which causes noise, are mixed. When the mixed vibration is measured with a piezo element acceleration pickup, the high-frequency order is emphasized and the target low-frequency order becomes relatively small. For example, the measured acceleration to time waveform for the vertical vibration in the right engine foot is shown in Figure 4. In this paper, a strain gage acceleration pickup, which measures force acting on the inner weight by strain, is used. This device, which is larger than a piezo element acceleration pickup, is more sensitive to the acceleration. Besides, silicon oil is filled inside to protect the detecting parts in this device, which mechanically blocks off the high-frequency order. The measured acceleration to time waveform for the vertical vibration with the device is shown in Figure 5. Compared with Figure 4, Figure 5 shows only the low-frequency order although the same area was measured. In this way, the high-frequency order is blocked off, which results in the higher sensitivity with the device. This time, the device, which measures the acceleration ranging from 0 to 20m/s2,was used. This device is easily calibrated using G-forces because it has the higher sensitivity. When a piezo element acceleration pickup was used, the differences between the calculation and the experiment were 20-40% in the main order of the vibration, and a few times in other orders. Therefore, the principle of Soumas method using a piezo element acceleration pickup has been in doubt. However, the data of the experiment and the calculation has been identified as shown in Figure 2 and 3 since a strain gage acceleration pickup, which has been used in the experiment of movement performance, was used for an engine.Fig. 1 Seat rail vertical vibration Fig. 2 Head cover lateral vibrationFig. 3 Right engine foot vertical vibration Fig.4 Measurement with piezo element acceleration pickupENTIRE VEHICLE MODELFigure 6 shows the body model. Interior and exterior equipments such as doors and seat are added in the form of 85 mass points to the main structure modeling detailed with sheet metal finite elements. The grid points are 61,912. Figure 7 shows the model where a frame, a suspension, and an engine are combined, and a fuel tank and a bumper is added in the form of concentrated mass. The grid points are 39,262.Combining the models shown in Figure 6 and 7 using cabmount makes the entire vehicle model. Total grid points mounts to 101,174. The calculation time is 3,293 seconds using IBMSP2, MSC/NASTRAN Version 70.5.2. The calculating method is package calculation. If the model becomes on larger scale, the model must be calculated by the block structure.Figure 8 shows the frequency response function, indicating the responses of the frame with the right back engine mount after exciting the drivers seat rail. In the frequency ranging from 20 to 30 Hz, which is required for the analysis, the data of the experiment is qualitatively identified with that of the calculation.Fig. 5 Measurement with strain gage acceleration pickup Fig. 6 Body modeFig.7 Frame,power plant and suspension model Fig.8 Frequency response functionCORRELATION ANALYSIS OF THE MODESFrom the viewpoint of vibration characteristics, it can be considered that an entire vehicle is insulated by the engine mount and the cabmount, which have relatively small spring constants, although the insulation is not complete. When the entire vehicle is divided into block structures by each insulating mount and suspension, the body has 4 block structures:(1) Block where in
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