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毕业设计（论文）开题报告 学生姓名 院系 汽车与交通工程院 专业、班级 车辆工程 07 1 指导教师姓名 职称 实验师 从事 专业 车辆工程 是否外聘 是 否 题目名称 基于 及 轻型载货汽车车架结构设计与静力学分析 一、 课题研究 现状、 选题 目的 和意义 1、车架有限元法国内外研究现状 现代汽车绝大多数都具有作为整车骨架的车架，车架是整个汽车的基体。汽车绝大多数部件和总成都是通过车架固定其位置的，如：发动机、传动系统、悬架、转向系统、驾驶室、货 厢和有关操纵机构。车架的功用是支撑连接汽车的各零部件，并承受来自车内外的各种载荷。 在有限元法对汽车车架结构的分析中，早期多采用梁单元进行结构离散化。分析的初步结果是令人满意的，但由于梁单元本身的缺陷，例如梁单元不能很好地描述结构较为复杂的车架结构，不能很好地反映车架横梁与纵梁头区域的应力分布，而且它还忽略了扭转时截面的翘曲变形，因此梁单元分析的结果是比较粗糙的。而板壳单元克服了梁单元在车架建模和应力分析时的局限，基本上可以作为一种完全的强度预测手段。近十年来，由于计算机软件与硬件的飞速发展，板壳单元逐渐被 应用到汽车车架结构分析中，使分析精度大为提高，由过去的定性分析或半定量的分析过渡到定量阶段。随着计算机软件、硬件技术的发展，特别是微机性能的大幅提高和普及，在微机上进行有限元分析已不再是很难的事，同时有限元分析的应用得以向广度和深度发展。 在国外，从 60 年代起就开始运用有限元法进行汽车车架结构强度和刚度的计算。而我国大约是在 70 年代末才把有限元法应用于车架结构强度设计分析中。 国外大型汽车公司经过近百年的汽车设计制造，在车架设计方面积累了丰富的试验数据和理论分析经验，形成了实用的结构设计数据库、设计改正记 录和设计规范。目前应用于车架开发上比较成熟的方面主要有：刚度、强度分析 (应用于整车、大小总成与零部件分析以实现轻量化设计 )， 各种振动、噪声，包括摩擦噪声、风噪声等 )、机构运动分析等；建立在分析和实验基础上的各种优化方法为车架设计提供了多种实用的选择方案，使车架设计从经验设计到优化设计跨出了一大步。在关于优化算法方面的研究，国外将遗传算法引入到结构形状优化算法中并获得良好的效果。总的看来，国外轻量化研究主要有以下几个方面：（）提出先进的设计理念，发展先进的制造工艺并通过尺寸参数优化而得到新的轻量 化结构；（）将拓扑优化和形状优化引入到结构轻量化过程中；（）提出新的现代优化方法，并进入到结构轻量化中；（）利用硬件优势，大量考虑动态过程中的各种约束，对尺寸参数进行优化而得到轻量化结构。 在国内，高等院校对基于结构优化的车辆轻量化研究发展也很多，但由于没有完备的结构设计数据库和设计规范，有时只能按解剖进口车结构来进行参照性设计。具体在车架结构分析方面，车架的刚度分析对结构分析的重要性近些年已受到广泛的重视。从分析类型上看，仍以车架结构静态分析为主。虚拟试验场整车分析正在着手研究，此外还有焊装模拟分析 、喷涂模拟分析等。其中，车架刚度、强度分析，碰撞模拟分析，空气动力特性分析。金属板件拉延成形特性分析等已步入实用化阶段，为车架的全面优化设计奠定了基础。 国内目前的轻量化研究主要集中在汽车一般零部件、底盘车架结构等的改形设计方面，在产品设计阶段引入有限元法对车架轻量化设计的研究很少。与国外相比，国内关于在轻量化设计过程中引入新的现代优化算法的研究比较匮乏，轻量化设计过程中的分析规模较小， 括起来与国外轻量化研究的主要差距有： （ ）汽车结构开发工作主要还是依赖经验和解剖进口结构进行参照性设计的，多用来解决样车试验以后出现的设计问题，设计与分析未能真正做到并行。 （）由于软硬件对计算模型规模的限制，模型的细化程度不够，因而结构的刚度、强度分析的结果还比较粗略。计算结果多用来进行结构的方案比较，离虚拟试验的要求还有相当大的差距。 （）有限元分析主要应用在结构的强度和刚度分析方面，在碰撞、振动、噪声、外流方面的模拟计算才刚刚起步，对车架结构或部件的各项性能指标进行系统分析研究的实例还未广泛进行。 同时，国内外不少公司、科研机构及高等 院校陆续开发了一些通用性很强的大型有限元结构分析软件程序，这些程序可用来分析任意规模的结构，如整架飞机或整个汽车的结构。这些有限元软件已发展到成熟的阶段，比较成熟并且普及较广的有美国加利福尼亚大学伯克利分校研制的 国麻省理工学院研制的 国国家航空与航天局研制的 国斯图加特大学宇航结构静力学研究所研制的 界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 些通用程序的研制成功，大大简化了结构分析工作，只要求使用任意掌握有限元法的基本理论，熟 悉建立有限元分析模型的方法和通用程序的使用方法即可。这些大型商业通用有限元分析软件也像 实力的汽车厂商甚至为自己的产品开发独立地从事这些有限元分析软件的二次开发。 2、课题研究的目的和意义 在汽车制造市场竞争日益激烈的今天，汽车制造技术越来越先进，作为载货汽车主要承载结构的车架，它们的质量和结构形式直接影响车身的寿命和整车性能，如动力性、经济性、操纵稳定性。汽车的轻量化，就是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 少燃料消耗，降低排气污染。实验证明，汽车质量降低一半，燃料消耗也会降低将近一半。当前，由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。轻量化是 21世纪整车发展趋势之一，减轻汽车质量意味着节约了能源和材料。车辆设计中，在满足载货汽车运营中对车架的刚度、强度及工艺改造等因素要求的同时，应当尽可能减轻它们的质量和降低制造成本。 车架结构设计的主要目的在于确保车架强度、刚度和动态性能的前提下，减轻车架的质量，由此不仅可以减少钢材和燃油的消耗，减少污染排放，提高车速，改善汽车起动和制动性能，而且可有效减 少振动和噪声，增加汽车和公路使用寿命。但我国的汽车工业存在自己的特殊性：一是引进国外设计，国产化生产；二是仿制或改装设计，自己独立开发设计的新产品很少。国内许多厂家在载货汽车的设计、制造和改进过程中仍主要依靠和沿用传统的手工设计方法和设计理念，从而造成产品存在缺陷或结构设计的不合理，目前国产载货汽车普遍存在的问题是整车协调性较差；局部材料强度余量较大，无法预先判断，造成材料的浪费；在车辆实际使用过程中出现局部强度不足。所以，产品国产化或改装后，在使用过程中往往会出现强度、寿命、振动、噪声等方面的问题。这些问 题影响了我国载货汽车产品质量，造成了使用中的安全隐患。由于缺乏必要的理论分析，我国载货汽车制造厂家对有问题的区域往往采取局部加强的方法，这不但需要进行多次全面的实车试验才能确定其有效性，而且会导致整车整备质量的不断增加。另外，对一些结构上的改进和优化，由于缺少一定的理论依据，往往得不到很好的实施，因此开展载货汽车车架结构强度的计算工作，在满足结构强度和刚度的前提下，合理地进行结构设计，以达到轻量化的目的、对车架结构设计具有重要意义。此外，为了加速企业的新产品开发，进一步提高产品的性能和科技含量，必须对现有的 车型进行结构强度、刚度分析计算和动态特性分析研究工作，为新车型的研制开发提供借鉴和校核方法 1。随着经济全球化进程的加快，汽车工业的竞争日益加剧，汽车巨头们都在加紧新车型的设计开发，由于发动机、底盘设计制造技术基本成熟，新车型便主要体现在电子设备和车架造型的更新上。同时，为减少新车型的开发成本、缩短新车型的开发周期、提高新产品的市场竞争力，全球各大汽车公司普遍实施了“平台战略”，车架的开发便是该战略的主要组成部分。 载货汽车车架是载货车的基体，一般由两根纵梁和几根横梁组成，经由悬挂装置。前桥、后桥支承在车 轮上，具有足够的强度和刚度以承受汽车的载荷和从车轮传来的冲击。要评价车架设计和结构的好坏，首先应该清楚了解的是车辆在行驶时车架所要承受的各种不同的力。然而对车架进行静、动态性能的研究，用经典力学方法很难得到精确的优化解，为了能够计算出车架的刚度和强度，往往对车架结构进行较多的假设和简化，计算模型只能构造的比较简单，与实际的结构形状相差很大。在计算机和计算机技术飞速发展并广泛应用的今天，采用近似的数值解己成为较为现实又非常有效的选择。实践和实验证明，在众多近似分析方法中，有限单元法是运用最为成功、最为有效的数 值计算方法。在汽车结构设计中采用有限元法进行分析，是近几十年来发展起来的计算方法和技术。有限元法的独特优点是能够解决结构形状和边界条件都非常任意的力学问题。早期由于有限元法所要求解的问题计算规模都比较大，而计算机的速度和容量有限，所以造成有限元法在使用上的局限性。现在这些问题已经解决，只要注意所建有限元模型中各种支承、连接关系尽量与实际结构相符，载荷和动态分析中的激励能反映实际情况，特别是动态载荷的变化曲线的精确获得以及在计算中如何加载，行驶、制动、转弯工况的载荷和约束如何正确选择等问题，就可以得到满足精度 要求的有限元分析结果。汽车车架结构的静、动态分析的主要目的是查明车架内部各点的应力、形变和相对位移，找出其固有频率及振型，从静、动两个方面检验车架结构的合理性。 随着现代汽车设计要求的日益提高，将有限元法运用于车架设计已经成为必然的趋势，主要体现在： （）运用有限元法对初步设计的车架进行辅助分析将大大提高车架开发、设计、分析和制造的效能和车架的性能。 （）车架在各种载荷作用下，将发生弯曲、偏心扭转和整体扭转等变形。传统的车架设计方法很难综合考虑汽车的复杂受力及变形情况，有限元法能够很好的解决这一问题。 （）利用有限元法进行结构模态分析，可以得到车架结构的动态特性。从设计上避免车架出现共振的现象。 （）通过对车架结构的优化设计，可以进一步降低车架的重量，在保证车架性能的前提下充分的节省材料，对降低车架的成本具有重要的意义。 综上所述，有限元法已经成为现代汽车设计的重要工具之一，在汽车产品更新速度快，设计成本低、轻量化和舒适性要求越来越高的今天，对于提高汽车产品的质量、降低产品开发与生产制造成本，提高汽车产品在市场上的竞争能力具有重要意义。 二、设计（论文） 的基本内容 、 拟解决的主要问题 1、设计的基本 内容 （）选择车架结构型式、材料和加工工艺，确定车架参数，对车架结构进行设计，并对车架进行校核。 （）建立 零件模型，并完成正确的装配。 （）将建立好的 模型导入有限元软件 ，完成车架在各种工况下的静力分析。 2、拟解决的主要问题 （）如何最大程度消减车架在各种载荷作用下产生的弯曲、偏心扭转和整体变形； （）如何运用有限元法对车架结构进行优化，从而达到轻量化。 三、技术路线（研究方法） 四、进度安排 1、调研，收 集资料，撰写开题报告 第 1 2 周 (2 月 28 日 13 日 ) 2、根据轻型货车车架的特点，进行方案设计及相关计算 第 3 5 周 (3 月 14 日 3 日 ) 3、绘制 轻型货车车架 总成图并完善 第 6 8 周 (4 月 4 日 24 日 ) 4、绘制 轻型货车车架 模型图并运用 行力学分析 ，撰写设计说明书 第 9 12 周 (4 月 25 日 22 日 ) 5、完善设计，提交指导老师审核并修改 第 13 14 周 (5 月 23 日 5 日 ) 6、提交系里评阅并修改，准备答辩 第 15 16 周 (6 月 6 日 19 日 ) 7、毕业设计答辩 第 17 周 (6 月 20 日 26 日 ) 对轻型货车车架各种结构方案的分析比较 对轻型货车车架结构方案的选择 车架所承载的各总成位置的确定 发动机 传动系统 悬架 驾驶室 货厢 其他 车架结构设计 应用 对车架进行建模 应用 车架进行静力分析 不合理 弯曲 扭转 应变与应力结果 五、 参考文献 1叶勤 . 轻型载货汽车车架有限元分析与优化 D2曲昌荣，郝玉莲，戚洪涛 J3刘新田，黄虎，刘长虹，郭辉 ，范平清 J4刘惟信 M清华大学出版