国内外相关研究的现状分析-吉林大学.doc

硕士学位论文开题报告论文名称： 全地形车整车结构静动态分析及轻量化设计姓 名： 魏小强学 号： 2008412120专 业： 机械设计及理论所属院系： 机械科学与工程学院指导老师： 成凯 教授论文起止时间：2009年9月2011年6月目 录目 录1.研究背景及意义11.1.课题来源11.2.课题意义12.国内外相关研究的现状分析12.1.国外研究现状12.2.国内研究现状33.研究目标和内容33.1.研究目标33.2.研究内容44.关键技术和解决方案54.1.系统总体解决方案54.2.关键技术及解决途径75.预期的研究成果形式及创新点75.1.研究成果75.2.技术指标86.论文工作计划87.主要参考文献8开题报告1. 研究背景及意义1.1. 课题来源本课题基于吉林大学和哈尔滨北方特种车辆制造有限公司合作开发的全地形车。1.2. 课题意义世界上生产全地形车的主要国家有瑞典、俄罗斯、芬兰、美国、新加坡和斯洛伐克等，主要的全地形车产品有：瑞典Bv206履带式全地形输送车，改进型Bv206S全地形装甲车，俄罗斯双节履带运输车-10、-20、-30，芬兰西苏(SISU)NA-140全地形车，新加坡的“骏马Bronco”全地形车，国产的“西贝虎”两栖全地形车及CTW12橡胶履带全地形车。瑞典和新加坡都只生产小型车，一般称为履带式全地形车，如瑞典赫格隆公司的BV206，整车质量4490kg，载重2250kg，发动机功率93kW/4600rpm，最高车速50km/h，增加装甲后为BV206S，用于战场输送兵员。新加坡新科动力公司生产的“骏马Bronco”，与BV206类似，均属于小型车。俄罗斯Vizyaz生产系列全，有2t、5t、10t、20t、30t。国内早在1990年由辽宁省朝阳重型机器厂开始仿研BV206，1992出样机，但没有形成批量生产。目前新加坡新科动力公司收购的贵州詹阳公司已经开始在国内生产“骏马”轻型全地形车。大型的全地形车在国内是空白。由于大型的全地形车在我们国内尚未形成优势，此次设计的全地形车载重量可达30t，是世界上最大的产品。研制成功后将有效弥补国内大型全地形车的空白，在运输重量上取得突破。此次研制的全地形车，可适应在各种恶劣环境和复杂路面条件下对货物和人员的运输，工作的环境温度在-4050，可在沙漠、雪地、山地、沼泽地行驶，并可以浮渡。全地形车的设计参考俄罗斯样车，载重30t，前后两节，中间铰接，前后车同时驱动。2. 国内外相关研究的现状分析2.1. 国外研究现状早在第二次世界大战期间，轻型全地形车的雏形就已经出现。德国运载步兵作战的Sd.kfz系列半履带运输车使轻装步兵能够伴随坦克快速行军和冲击，其中最轻最小的就是Sd.kfzZ半履带摩托，从重量、机动性还是实际作战用途考虑，都称得上是轻型全地形车(ATV)的始祖。1960年开始，许多西方国家也不约而同的出现了轻型全地形车的雏形。空降兵中装备越野平板车，后来称之为“机械骡”。可以用“机械骡”运载陶式反坦克导弹、迫击炮、12.7mm机枪等重武器。随后，世界各国轻型全地形车获得长足的发展。其中，以英美两国的全地形车发展速度最快。美军目前大部分使用的轻型全地形车辆，如“运动家”(sportsman)和M-gator都是民用产品改型而来的。北极星公司生产的“运动家”(Sportsman)44、66系列都是美军为满足紧急作战使用需求的民用系列全地形车。该系列车型在民用系列全地形车的基础上做了适合军方使用的相应改型。在前线作战部队中，“运动家”主要配发给巡逻队与侦查分队使用，而在后方作为单人的代步车辆使用。“运动家”是在重型摩托的基础上修改设计而来的，可以说，这是一种“四轮摩托”，而不是一种“小型汽车”。“运动家”标准型采用一台水冷四冲程单缸汽油机，排量为498ml，最大公路速度可达88km/h，越野平均速度40km/h。底盘采用链传动，这也是摩托车的一大传统。“运动家”奇特的地方在于，它虽然采用链条传动，却是44驱动。前后轮采用不同的悬挂方式。前轮的悬挂方式是四连杆独立悬挂，后轮采用非独立螺旋弹簧悬挂。悬挂系统的行程很大，前轮为17cm，后轮可达24cm。在保证全车总量不超标的前提下，大大提高越野性能。M-gator66是JohnDeere公司为美军生产的全地形车辆。该车选用13.42kw发动机，承载量比一般全地形车大，无顶棚结构，但具有高机动性能，可在各种越野路面上行驶，而且该车的高度只有914.4mm，具有更好的机动灵活性。该车有2个座椅，其最大装载质量为635kg，最高车速为27.4km/h。该车使用了CVT(金属带式无级变速器)，消除了换档冲击。除此以外，该车还装备有无钥匙点火器、防盗安全钢缆、折叠可挂式侧货物箱、后货箱尾门和动力起重机，以及时间表、M16步枪枪架、前防护栏、前保险杠和牵引销钩等装置。该车获得了陆军安全许可证和陆军弹药运输安全许可证，可进行弹药、油料等军需物品的运输，还可以进行伤员的运送。M-Gator具有空投性能，需要时可使用直升机进行空投，而且也可使用直升机进行空吊运输，如使用UH-60直升机吊运。该车作为防化部队的化学和生物侦察车使用时，可在车上安装全套的侦测装备。安装侦测装备后该车仍可方便地使用直升机进行吊运。英军的轻型全地形车种类较为单一，但是同一车型所承担的战术使命却相当广泛。如“超级猫”Supercat(66)轻型全地形车辆可以通过各种崎岖路面，具有良好的通过性能。该车既应用于军方又有民用产品。从1984年以来已经在英国陆军和RAF服役多年，主要用于空降兵、航空旅等其中无论Markl或者是MarkZ型都有广泛的用途：可以牵引各类轻型火炮；作为运输车，完成兵员、物资的输送；作为平台与其它武器装备共同组成武器系统，并常用于防空领域、反坦克领域；作为平台搭载抢修、救援装备完成营救任务。该车采用无悬架结构，整车减震由车身与底盘的弹性元件和轮胎共同完成，轮胎为宽断面、低气压越野轮胎。应用自动变速器技术，带差速锁。车轮的传动方式采用链传动技术。该车的助力转向是通过操纵把完成的，操纵把可操纵前四轮转向，需要的时候可以通过制动完成原地转向，该车同时配备有传统的脚制动功能。2.2. 国内研究现状CTW12橡胶履带全地形车是机电部天津工程机械研究所、辽宁省朝阳重型机器厂和中国石油天然气总公司地球物理勘探联营公司三家联合开发的一种低比压、水陆两用型特种车辆。设计工作于1990年4月开始，经过两年零五个月的共同努力，得到国内有关专家及配套厂家的大力支持与协作，经过试制、试验、修改、再试验的升华过程，终于研制成功。通过整机性能测试及工业性试验表明，使用性能良好。2007年4月，经过改进的5辆“西贝虎”水陆两栖全地形车正式推出，并于5月在北京举行的第二届国际警用装备展中亮相。贾氏集团成为国内完全国产化的水陆两栖全地形车生产厂家。经过为期三个月的24小时不间断试验，“西贝虎”水陆两栖全地形车的各项性能已经达到设计要求，并有多项性能超过国外水平。2007年10月25日，首批两辆“西贝虎”水陆两栖全地形车装备中国南极科考队，这是中国的全地形车第一次踏上南极的土地。“西贝虎”完全能满足空投作战、边疆巡逻、科考探险、森林防护、治安防爆、抢险救灾、水上营救等特殊作业的需要。3. 研究目标和内容3.1. 研究目标对全地形车的车架进行静态分析，论证其强度和刚度是否满足设计要求，分析车架危险承载工作状况下的最大应力是否超过许用应力，变形是否满足允许的挠度，由此判断车架抵抗破坏和变形的能力。再进行动态分析，提高乘坐舒适性，以及防止车体运动过程中共振的发生，保证车辆的安全性。接着对车架易发生疲劳断裂的平衡轴和扭杆进行疲劳分析，提高其在交变应力下的使用寿命。最后对车架结构进行了优化设计，节省材料，降低成本，保证车架设计的合理性。3.2. 研究内容1） 本课题以实际的工程项目为依托，总体上需要完成的任务有：a) 前期几何处理形成有限元模型：按照研制任务书的相关要求，参照现有产品的设计方案，在其他产品设计经验的基础上初步设计出全地形车。采用Pro/ENGINEER软件建立设计后的三维几何模型，根据结构的承载受力情况将非承载结构去掉，其重量使用力学等效原则加到承载结构上，使用强大的专业网格处理软件处理几何模型，用实体、板、梁、杆等单元对模型进行几何处理并划分网格形成有限元模型，再将其转化成ans或txt文件导入ANSYS软件中，约束加载。求解后对结果进行分析，提出改进措施和修改方案。b) 各目标分析计算：先对车架进行静态分析：根据运输车行走的环境要求，分析几种典型的工作工况：弯曲工况，扭转工况，单桥承载工况，由此判断设计后的模型的强度，弯曲刚度，扭转刚度等是否满足设计要求。再对车架的动态性能进行分析：包括自由振动模态分析、谐响应分析，评价整车运输过程中的振动频率和固有振型，进一步分析在外部激励作用下车架的响应情况。从而防止事故的发生，提高整车的寿命。接着对车架主要部件进行疲劳断裂分析：由于该车经常在各种恶劣环境下行驶，受到运输地形的影响长期使用会造成车架的疲劳断裂，故对此车架的平衡轴和扭杆进行疲劳计算。最后对车架结构进行轻量化设计，减轻重量，节省材料，降低成本，提高车架设计的合理性和经济性。c) 本课题得到的结论d) 结果分析及评价e) 总结及不足2） 研究的基础和创新点借鉴现有成熟全地形车研究的基础，对该产品进行分析计算。以前做过徐州重型机械有限公司履带式起重机QUY55T的整车结构计算，QUY350T臂架结构计算及起重性能分析。起重机下车（包括转台、车架、履带梁和四轮一带）计算和全地形车车架计算类似，在以前做过项目的基础上，加上实验室现有的资源，对全地形车进行分析计算。国内外对于整车的计算没有考虑平衡轴和扭杆这套悬挂装置的疲劳断裂，本课题根据全地形车经常工作时的载荷确定载荷谱曲线及悬挂装置受到的交变应力，分析车架动态响应和悬挂装置的疲劳状况。本课题还将讨论车架结构的拓扑优化和形状优化，将设计和计算结合起来，计算有效的弥补了设计的不足，由于复杂形状的结构用理论公式计算不能准确计算出局部区域的应力和变形分布，为此进行了有限元计算，可确定复杂形状的应力应变，使设计更为合理和经济。4. 关键技术和解决方案4.1. 系统总体解决方案整车分析时将车上非承载构件进行简化，非承载构件最后以等效力的方式或等效的质量块加到承载构件上，保证简化后整车的重量和重心与原模型一致。承载构件的质量若与原模型相差时需要调节密度。整车分成三部分计算，前车架、中间连接的铰接支架和后车架。前后车架的处理一致，主要的结构用板shell181处理，不能简化成板的结构采用solid185实体单元。对平衡轴和扭杆采用简化的beam188处理，梁和板的连接用仅受压的link10模拟，扭杆与轮胎连接部分用link180模拟。并将其下端的三个平动约束，上端约束侧向的平动。将后车厢上货物对车架的力以等效的方式加载到车架上的纵横梁上。前车计算时还需要加后车对前车的作用，以集中力代替，后车计算时类似。先分析车架的受力情况，包括三种主要工况：弯曲工况，扭转工况和单桥承载工况。1要计算的弯曲工况图 1水平路面满载静止图 2 下30度坡，前车与后车相差30度2要计算的扭转工况约束车架的最后两个轮子，最前面的两个轮子时间相反的位移载荷。约束车架最前最后两个轮子，另外的最前最后两个轮子加相反的位移载荷3要计算的单桥承载工况图 3 过1.5米墙图 4 过4米沟图 5 过凸坡图 6过凹坡由上述几种工况确定车架变形应力较大的地方，对车架变形较大的部位修改材料，更改模型，使变形合理。对应力较大的地方，加大板厚，修改模型。保证整车的弯曲刚度和扭转刚度。在静力分析的基础上紧接着分析前后车架的振动情况，查看整车自由振动时的振动频率和固有振型，谐响应分析车架在谐波激励作用下的响应情况，由频率幅值来判断，防止共振的发生。疲劳分析时需要定义疲劳极限图，由全地形车的工作环境确定载荷时间曲线，由此确定出交变应力，ANSYS中加到扭杆和平衡轴上计算，确定疲劳寿命也可由此评价整车的使用寿命。本课题的全部内容由二维AutoCAD设计、三维Pro/E制图和力学分析计算组成。设计和计算是相辅相成的，通过设计确定模型的初始结构和尺寸，而力学计算进一步验证设计的合理性和正确性。而力学计算可以有效弥补设计的不足，并进行车架的拓扑优化和几何尺寸优化。基于参数化的有限元分析需要定义设计变量，状态变量，目标函数和优化计算方法（ANSYS中有零阶方法和一阶方法）。分析过程有，建立参数化模型，求解，在后处理中提取并指定状态变量和目标函数，进入优化设计器OPT指定分析文件，声明优化变量，包括设计变量、状态变量和目标函数，再选择优化工具或优化方法，及指定优化循环控制方式，进行优化分析，查看设计序列结果，确定最佳的设计参数。4.2. 关键技术及解决途径1 平衡轴和扭杆疲劳载荷的确定及疲劳断裂分析主要涉及疲劳载荷谱形式，载荷时间曲线，交变应力的确定，疲劳断裂理论（累积损伤原理和频域疲劳的预测方法），查阅文献，收集资料。以坦克和装甲车的计算做参照。除此外还可进行试验。2 车架拓扑优化及横梁的断面尺寸、形状优化主要涉及的技术有设计变量的选定，优化时使用的优化设计方法，ANSYS中优化理论，软件的基本操作，学习软件，多做例子，整理资料，向老师同学请教。5. 预期的研究成果形式及创新点5.1. 研究成果1 计划预发表论文：基于ANSYS的全地形车前后车架静力学分析全地形车铰接转向设备有限元静力分析全地形车车架动态性能分析及减震方法研究全地形车平衡轴和扭杆悬挂系统疲劳分析全地形车车架结构优化设计2 分析报告：QSL3OF全地形车整车结构有限元计算报告5.2. 技术指标6. 论文工作计划2009，092009，11对三维几何模型进行几何处理并划分网格2009，122010，03用ANSYS软件对前后车架的有限元模型进行各种工况下静力学分析2010，042010，06用ANSYS软件对前后车架的有限元模型进行动态特性分析2010，072010，08用ANSYS软件对前后车架的平衡轴和扭杆进行疲劳断裂分析2010，092010，11用ANSYS软件对车架主体的板梁结构进行优化设计2010，122011，02整理计算数据综合分析结果2011，032010，06撰写论文并准备答辩7. 主要参考文献1 金晓辉，高树新，何建清等军用轻型全地形车的发展现状及趋势分析专用汽车2005，042 张颖，瑞典Bv206履带式全地形输送车，现代兵器，2002，033 周丽萍瑞典改进型Bv206S全地形装甲车，国外坦克，2004，12 4 王勘成，邵敏有限单元法基本原理和数值方法M，北京：清华大学出版社，19975 Akin，JEApplication and implementation of Finite Element MethodsLondon: Academic，19826 Carroll，GFA Primer for Finite Element in Elastic StructuresWiley，19997 高秀华，张小江，王欢等编著有限元法原理及应用简明教程北京：化学工业出版社，2008，088 Shu-Wei wu，Chieh-Hao Chen，Shu-wen wu，Elastic analysis using finite elements with constraints formulated by boundary integral equations，Finite Elements in Analysis and Design，2000，(36):135-1459 博弈创作室APDL参数化有限元分析技术及其应用实例北京：中国水利水电出版社，2004，0310 博弈创作室ANSYS90经典产品高级分析技术与实例详解北京：中国水利水电出版社，2005，1011 周长城、胡仁喜、熊文波ANSYS110基础与典型范例北京:电子工业出版社，2007，1012 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