中小企业科技创新基金申请项目设计书(范文)

1、项目设计书一、立项依据1.1研制目的和意义新的竞争环境促进了企业竞争优势要素的改变，安全、环保、节能、省力、高效、人性化、智能化、轻量化、技术先进、功能完善是专用汽车技术发展趋势。我公司自2003年成立以来，致力于专用汽车冷弯型钢的研发和制造。通过变化型钢断面形状达到提高承载力和节约钢材的目的，通过改进加工工艺，设备自动化水平，提高产品性能和生产效率，提升产品安全性能，降低能源消耗，减少污染排放。本次研发是与中集车辆有限公司强强联合，研究开发高强度和超高强度低合金钢材质，超薄，超厚和复杂断面冷弯型材，优化专用汽车车架部分结构尺寸参数，填补国内冷弯加工技术的空白。冷弯加工中的许多品种属于跨学科、

2、跨领域、跨部门的多种应用技术的技术集成，为提高其性能、质量与效能，已广泛应用大量现代化技术，如机电气液一体化、微机、微电子、自动化、信息科学、数字控制等。新技术、新材料、新工艺的大量开发应用， 跨学科、跨行业关联技术的发展，带动了高技术含量、高附加值产品品种的快速增长。1.2国内外现状、水平和发展趋势据中国汽车工业协会副会长介绍，近几年，中国汽车工业发展迅速，已经成为国际汽车市场不可分割的重要组成部分。但中国在世界专用车领域处于落后地位。在专用车各项技术上需要突破和原始创新，如车架型材。原始技术创新和产品创新是创新的两种重要形式，创新既推动技术进步也提升产品的技术含量和附加值，创新是产品价值实

3、现的灵魂。专用汽车从汽车产业链的角度看，它扩展和延伸了普通汽车的使用功能，中国专用车创新处于中下游位置，其创新形式主要体现为产品创新。而专用汽车产业的延伸，又可带动专用装置和零部件等其它相关领域。轻量化、安全、环保、节能是专用汽车创新的形式和发展趋势，而冷弯加工为专用车提供超薄、超高强度、断面复杂的冷弯型材，是专用汽车工业发展趋势中所必须具备的原始创新产品。目前中国冷弯加工生产的不锈钢、镀锌板、高强度和超高度低合金钢材质的冷弯型钢数量很少，需要进口。具有前沿性发展方向的冷弯型钢产品和复杂断面、超厚、超薄系列的冷弯型钢，潜在的市场都相当大，发展前景广阔。现在这类冷弯型钢国内还很少，不少产品至今仍

4、是空白，有的只能依靠进口来弥补。如用于豪华型客车的镀锌冷弯型钢年消费量至少在13000吨以上，目前主要采用进口产品，且需求还在继续上升。 产品创新的更高层次实际上是延伸产品的创新。在中国，许多企业通过学习、模仿建立了基础产品创新的方法和数据库，但延伸产品创新的国家机制、行业机制和企业机制严重缺乏，企业经常性的把节能、安全等放着国家政策刺激的首要位置，但产品创新的刺激政策几乎没有，而单靠市场拉动的产品创新又是大多数企业没能力或没有这种远见去投入和开发的。 原始技术创新需要基础技术研究来支撑。发达国家非常注重基础技术研究，有许多专业的研究机构和公司从事基础技术应用研究，研究成果大量应用于各种钢结构

5、产品，推动了与钢结构技术有关行业的发展。相对而言，我国冷弯型钢研发体系还不健全，目前几乎没有专业研究机构进行类似研究，冷弯型钢产品的研发也完全依靠企业来完成。1.3预期经济及社会效益 目前中国现有冷弯型钢主要品种有：结构用冷弯方矩形管，客车用冷弯钢，卷帘门及钢窗用型钢，低压流体输送用焊管，通用开口冷弯型钢，建筑用钢结构冷弯型钢，以及各种断面的冷弯异型材，已在建筑、机械、核电、汽车、铁路、农机、化工、石油、制冷、食品、纺织、医疗、超市、集装箱等工业和民用工业中广泛应用，尤其是新兴产业对冷弯型钢的需求呈现“量广面大”的态势。 研发高强度、超高强度低合金钢材质的冷弯型钢和复杂断面、超厚。超薄系列的冷

6、弯型钢，将填补大量国内市场的空缺，此类研究在目前的市场和潜在的市场的空间都相当大，发展前景广阔，经济效益可观。研发带来的新技术、新装备的开发、研制、引进和消化工作也给中国冷弯加工行业带来更多的社会价值，包括具有国际前沿技术水平的柔性冷弯机组等。二、主要研制内容、技术关键及目标2.1项目主要研制内容和目标2.1.1项目主要内容（1）车架技术参数的分析根据车架载重需求以及安全系数要求，对车架重量、强度、尺寸参数进行分析研究，此项分析将决定冷弯加工的技术参数和设计难度。安全有效地实现车架轻量化，在节省大量原材料的同时降低动力燃油的消耗，减少了尾气排放量，这是本次研发的重要意义所在。（2）结构型材尺寸

7、设计及加工中应力应变仿真分析为保证满足车架对安全、轻量化的要求，设计具有高强度、超薄、复杂断面的冷弯型材。应用计算机仿真技术，在保证安全系数的前提下降低型材的断面面积。初步拟定加工工艺，分析形变过程中的应力应变。（3）模拟加工缺陷，分析优化。冷弯成型过程是一个比较复杂的成功过程，涉及到几何学、运动学、动力学等很多方面，其变形不只是单一的某一方向的变形，还伴有各种附加变形，如纵向的弯曲变形，纵向横向的伸缩变形等。在采用数值方法研究遇到困难时，利用有限元技术进行仿真，分析优化可能出现的各种加工缺陷，如内弯曲半径小于1/2板厚时可能出现的材料流动，平面应变的缺陷，宽幅板带出现袋形波的缺陷。（4）加工

8、工艺的确定根据优化后的尺寸参数，以及模拟分析的结论，确定最优化加工工艺，使加工技术与设计能力同时有效提升。（5） 装备改进与改造2.1.2本项目达成的目标通过本项目的研究，研制出能够满足专用汽车车架安全、轻量化需求的超薄、超高强度合金钢材质冷弯型钢。预期加工技术及装备水平接近国际先进水平，满足国内外市场需求，为中国冷弯加工技术向国际水平迈进一步。2.2关键技术本项目的关键技术在于：（1） 计算机仿真技术 在车架结构参数设计，型材受力应力应变分析，冷弯成型缺陷优化等技术研发时，应用有限元仿真（FEA）技术，模仿设计非常接近实际生产，以及道路运输时的计算机模型，优化各项参数，安全高效的提供加工及装

9、配所需的各项数据要求。在轧辊开发时，用仿真分析模型预优化轧辊组，可以节省如下费用：a.无用轧辊的生产费用；b.有缺陷轧辊的返工费用；c.安装调试时间；d.停产修复时间；e.为今后的项目开发增加技术诀窍和经验。（2） 冷弯成型CAD/CAM一体化技术 CAD/CAM一体化技术应用于冷弯成型，可以显著地改善设计和制造过程，极大地促进冷弯技术的发展和完善。把CAD、CAE、CAPP、CAM通过软件有机地结合起来，用统一的执行控制程序来组织各种信息的提取、交换、共享和处理，以保证系统内部信息流的畅通并协调各子系统的有效运行。（3） 柔性辊弯成型技术与传统辊式冷弯成型工艺相比，柔性辊弯成型具有以下特点：

10、a.通过合理设计型材的几何断面，提高承载力，减轻结构重量；b.采用高强度材料，进一步减轻结构重量；c.与冲压和折弯成型技术结合，可以生产更复杂的产品。三、研制实验方法和技术路线3.1车架结构尺寸有限元分析 以冶金专用车为例，阐述车架尺寸结构的有限元分析。3.1.1车架参数化建模 冶金专用车特点是承载量大，总载重量为250吨，自重超过20多吨，速度低，以30米每分钟的速度行走在平直的轨道上。承载结构由车架和行走装置组成。车架结构由阶梯形纵梁、横梁和加强筋及连接支座组成，其主要承受钢包、钢水、减速器、电动机、传动轴等载荷。行走装置的主、从动轮通过轴承与车架的纵梁直接刚性连接，因此在有限元分析时可不

11、考虑行走装置的影响。 该车架主要由厚度不同的板焊接而成，建模中对一些附属结构和工艺结构根据具体情况进行了简化，其有限元模型如图1所示。模型中共有节点19083个，四边形单元6849个。在平直的轨道上，这次计算只选用了弯曲工况，由于车架和行走机构的连接是通过均衡架进行的即无弹性元件也无阻尼器件的刚性连接，所以对车架的边界约束，可直接采用作用于悬架与车架连接处的前、后共4个面约束，前约束允许沿X轴方向的位移，后约束限制全部自由度。约束面积的大小为均衡架连接轴的直径乘以其与车架实际接触的长度。 在分析车架的强度问题时，应考虑作用在其上的所有载荷，包括车架自重、总载重量(250吨),2个减速器重量(单

12、个重1872公斤)、2个电动机重量(单个重563公斤)、4个传动轴重量(单个重365公斤)。250吨的总载重量以面载荷的形式作用于车架钢包座的上表面，减速器、电动机和传动轴的重量也分别以面载荷的形式作用在减速器座和电动机座的垫板上，车架的自重通过程序自动加到模型节点的相应位置。3.1.2车架有限元分析及电侧试验 通过计算，车架沿垂直方向的变形呈“U”形，中间加载处的位移最大为一2.3mm，纵梁的两端最大位移为1.3mma此外，车架的纵梁有沿垂直方向的翘曲现象，而这些变形较小，不会对电动机的输出轴、减速器与车轮之间的传动配合产生不利影响。为了考察所建立的车架模型、施加的边界条件及载荷的处理方式是

13、否准确、客观地反映实际情况，以及计算结果的合理性，进行了电测试验给予验证。根据车架的实际受力情况，在车架的纵横梁、钢包座、电动机座、减速器座及车架支撑等处贴上应变片，并按实际工况加载，测出了30个测点的应力值。 试验结果中，该工况下的最大应力在车架与行走机构的连接处，与计算结果接近为151Mpa，小于计算最大值164Mpa;纵梁上的最大应力位置与计算图形相符，其应力值为80Mpa:钢包座上的最大应力值为100Mpa，比计算值大;横梁上的试验值较小，与计算值的误差均在试验误差的许可范围之内。 通过计算值与试验值的比较见表1，所建立的有限元模型是正确的。同时也可以看出，车架的纵横梁应力值较小，特别

14、是横梁的富余较大。表1 弯曲工况下车架测点实验结果与理论计算值的比较测点编号计算应力/Mpa实验应力/Mpa相对误差/%2158.4146.87.3359.857.34.1586.582.74.4688.683.95.37164.1151.67.69139.4140.10.52039.838.24.02154.048.610.0223.954.38.83.1.3有限元参数化优化 该专用车的车架作为整车的装配基体，承载了整车的全部载荷，属于重要安全部件。所以在过去的设计中因为一味加强车架，而选取较大的安全系数，造成了材料浪费。这里运用APDL (ANSYS Parametdc Design La

15、nguage)语言对车架重新进行参数化建模，以车架为优化设计对象，选取满载纯弯曲工况进行结构优化，以寻求更为合理的车架结构参数。 (1)设计变量横梁截面用参数x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,描述，如图2所示。纵横梁截面设计变量为x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,用矢量表示:x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7 (1)(2)目标函数 对车架优化的目的是在满足强度、刚度及稳定性的条件下寻求质量最小的车架形式，故选取车架的质量作为评价车架好坏的标准，即车架的质量为目标函数。 M(x)=V (x)·D (2) 其中V(x)车架的体积，D为钢材的密度。(3)约束函数 弯曲

16、工况模拟冶金专用车满载时在平直轨道上行驶的情况，此时车架的变形主要发生在垂直方向，根据汽车设计理论车架的最大弯曲挠度通常应小于10mm，故车架的最大竖向位移应小于l0mm. Vmax(x)v (3)其中Vmax(x)为弯曲工况下车架产生的最大位移，v为弯曲工况下车架的许可挠度，取值l0mm。 在弯曲工况下，对车架的强度约束采用弯曲正应力约束，即 max(x) (4)其中max(x)为弯曲工况下车架产生的最大正应力，为许可应力。(4)几何约束 几何约束即是对设计变量的值直接加以上限和下限的约束。几何约束的上、下限一般由设计者的经验和加工工艺条件直接给出。设计变量的几何约束可用不等式约束，表示为:

17、 XXmax (5) -X-Xmin (6) 其中Xmax,Xmin为设计变量的上下限;在优化计算中: Xmax=750 950 45 25 75 20 1150mm; Xmin=700 800 40 10 60 10 750mm。(5)优化数学模型 由式(1)到式(6)构成优化数学模型如下: 求x=x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7 Min M(x)=V(x)·D S.T.vmax(X)v; max; xXmax; -x-xmin。其中Vmax(x), max为设计变量的隐函数，通过有限元分析获得。3.1.4 优化结果及分析 优化迭代在第23次循环时达到最优解。从图3可以看出

18、车架各子结构经过优化设计后，整体质量在最大应力值不超过180Mpa的约束下，有较大幅度的下降。其中x2的尺寸从0.025m降为0.013m，下降了48.14%; x7的尺寸从1.15m降为0.93m，下降了19.03%;前两个尺寸下降百分比在所有优化尺寸下降百分比中分别居第一和第二位。其原因，可从车架模型中分析得出:(1) x4主要代表车架纵梁的板厚，由于载荷主要施加到了纵梁上，所以在车架原始设计时，其安全系数取的过大，造成纵梁的材料富裕较多，所以其优化空间也是最大的。 (2) x7代表横梁的高度，而横梁主要承担减速器、传动轴和电动机的重量，它们的总重量在2吨左右，与250吨的主载荷相比差别巨

19、大，所以1.15m高的横梁也存在较大的优化空间。 从车架结构尺寸参数优化结果表2可以看出:表2 车架结构尺寸参数优化结果循环最大应力/Mpa质量/kg10.750.950.0450.025115.321386230.730.820.0420.013179.512586(1) 第一次循环代表车架的初试结构尺寸，在第23次循环结束后，得到了在当前约束、载荷下的最优结构参数，优化的成效直接体现在车架的质量从21386kg下降到12586kg，下降了41.14%，优化效果显著。 (2)车架优化前的最大应力为115.3Mpa，优化后结构应力提高到179.5Mpa，这是由于各部件尺寸在优化中下降，而使应力

20、升高。车架的材料是Q235钢，取弹性极限应力s= 226Mpa;由于该车以30m/min的速度运行在平直的轨道上，其行驶工况也只考虑纯弯曲，所以安全系ns= 1.2因此许用应力: = 226Mpa / 1.2 =188.3Mpa.可见优化后的车架最大应力仍然小于Q235的许用应力。 通过优化，得到车架各参数的最优解。考虑到工程实际，必须按板材规格取整，同时将纵横梁的高度圆整，将整理后的参数进行有限元分析，在满载弯曲工况下车架的最大应力值为175Mpa;最大变形量为4.23mm;其它的值也在许可范围之内。 在对自卸车、半挂车、轿运车等其他专用车车架结构尺寸分析时，基本方法和上述类似。在遇到弹性元

21、件或阻尼器件联接时，分析参数会更加复杂些。3.2结构型材尺寸设计及加工中应力应变仿真分析模拟在冷弯加工的过程中应力应变的计算和仿真。使用基于FEA辊式弯曲成型仿真的简化方法DTM，此方法比线框模型好而且接近FEA的计算。根据所选的分辨率，计算一个结果需要的时间在几秒和几分钟之间。使用DTM获得如下性能：a. 所设计辊花的分析；b. 确定出弯曲的曲率引起的材料应变；c. 检查在轧机中的材料应变过程；d. 获得非对称断面应变的不同之处；e. 确定任何道次之间的弯曲过程；在辊式成型过程中材料由旋转轧辊顺序弯曲成型。成型过程会受到由材料刚度导致的阻力，这个阻力是由材料的属性决定的。因此材料的弯曲不会发

22、生在相邻机架水平中心距之间的全部区域。在板带弯曲之前由刚度导致的阻力越过了轧辊型面区域。这会在一对轧辊之前的一段距离中发生。这个长度为成型长度，这主要依赖于如下的参数：a.材料性能b.材料厚度c.轧辊的基本直径d.材料的变形e.成型的速度非常薄的材料的成型长度与机架间水平中心非常接近。较厚的材料直到要与下一对轧辊接触时才会变形。这里有一些在辊花设计中应考虑的基本条件。纵向延伸量是边腿在成型过程中较长的路径导致的（成型中边腿上的点比未变形材料部门的轨迹长）。这些应变称为均匀的延伸量。材料变形区曲率导致了非均匀的延伸量，非均匀的延伸量会数倍于均匀的延伸量。延伸量的计算是相对于曲线切线点的。如下图为

23、纵向延伸的成因。下图显示当前辊式弯曲的成型用到的集中分析计算方法。下面是各种方法的简要介绍。(1) Schulze的线性模拟，两道次之间的断面的点由直线段简单的链接起来。延伸量就是由两个线段之间的长度差异产生的。(2) Tokar的线性模拟，两线的长度保持为常量。长度的差异由与基线平行的短线表示出来。(3) 绞线长度的线性模拟，上述线性模型的错误是将水平中心距假设为实际成型长度。交线长度线性模拟通过使用较短成型长度来考虑成型过程。根据经验可以使用下辊的基本直径替代水平中心距。(4) Pawalkat的模拟，假定实际成型在下一对轧辊开始。与交线长度的线性模拟类似。(5) 轨迹的固定长度，一个成型

24、的断面在两个道次中间断后取出来，测量轨迹的长度。与断面未变形部分的差距是延伸量。此方法的问题是，只对所用材料的轧机是有效地，不是好的应用于实际的方法。(6) 基于Kiuchi理论的应变过程，这个过程的计算考虑了均匀的应变。变形曲线是一个带有可修改指数的数学曲线，指数越大，成型长度越短，曲线越陡峭。非均匀延伸量没有考虑在内。(7) 根据Dr.Hauschild的应变过程，根据Dr.Hauschild的延伸量的计算结果考虑了更多的计算参数，例如轧辊的基本直径。(8) 根据Dr.Hauschild的全部应变过程，除上述特性之外，考虑了均匀和非均匀的应变。而非均匀应变依赖于使用材料厚度。3.3模拟加工

25、缺陷，分析优化定性地给出袋形波的成因和消除方法，在针对一个具体的产品生产需要根据生产条件，预先判断该产品是否会产生袋形波，采用有限元分析的计算机仿真最有效准备的解决这一问题。在有限元仿真中需要依据设计出成型的轧辊参数作为仿真的几何条件，输出板带的参数作为材料模型，依据实际工况设定边界条件。例如下面实验数据进行的FEA仿真，袋形波的仿真误差一般在15%以内。 图是截面在某种配置情况下的仿真结果。袋形波的FEA仿真3.4制定技术流程3.5装备改造和模具制造开发研制新技术装备，引进消化国外先进设备，为冷弯成型提供良好硬件条件。3.6实验室性能测试实验室研究样品，检验产品抗压，抗拉强度，屈服强度，耐冲

26、击，耐高温，耐腐蚀性能，出具样品检验报告单。3.7送客户安装实验交付第一批产品给协作单位安装调试，检测整车性能，调整结构或工艺，进一步优化。3.8产品推广和性能提高四、现有开发条件和工作基础4.1承担单位开展本项目的优势（人才、设施条件）南京金邦冷弯型钢实业有限公司是国内第一批具研发、生产、销售为一体的冷弯型钢生产企业。公司自2003年成立以来，不断开拓进取，引进专业技术人才，专门从事冷弯型钢产品的开发研究，已具备一定的科技技术实力，拥有成套冷弯型材生产线及成熟技术与创新工艺。4.2协作单位协助本项目的优势（技术、资金支持）中集车辆有限公司是国内专用汽车的领军企业，在安全、环保、节能、轻量化、

27、技术先进等技术领域领跑国内专用车技术行业。在研发过程中提供一定资金支持与大量技术支持。4.3已有工作基础多年的行业技术经验，以及多方客户的要求，从2007年我公司技术研发部开始参考大量计算机模拟仿真设计技术资料及柔性制造系统开发资料，为后期技术创新打下基础。五、计划进度项目周期：2009年12月-2011年6月，共计18个月。2009年12月-2010年1月，进行市场调研，了解市场需求方向；2010年 1月-2010年3月，收集产品信息，原材料信息，初步建立信息数据库；2010年3月-2010年4月，与协作单位共同研究确定产品信息参数及预期目标；2010年4月-2010年6月，进行计算机模拟实验，新产品开发；2010年6月-2010年8月，进行工艺分析优化及模具设计开发；2010年8月-2010年10月，研发、改造、引进设备部件；2010年10月-2011年1月，安装调试设备，出样；2011年1月-2011年2月，对样品进行实验室性能分析，进一步提高产品性能；2011年2月-2011年3月，给协作单位送样装配，测试；2011年3月-2011年5月,产品改进，批量生产；2011年5