某貨車車架輕量化設(shè)計(jì)【三維CATIA】【含9張CAD圖紙、說明書】【QX系列】
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本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))開 題 報(bào) 告論文題目 某貨車車架輕量化設(shè)計(jì) - 1 -1課題研究的目的和意義汽車問世百余年來,特別是從汽車產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)及汽車工業(yè)的大發(fā)展以來,汽車為世界經(jīng)濟(jì)的大發(fā)展、為人類進(jìn)入現(xiàn)代生活產(chǎn)生了無法估量的巨大影響。今天,在發(fā)達(dá)國家,汽車的普及已經(jīng)達(dá)到很高的程度,在美國平均每個(gè)家庭擁有各種汽車2、3輛;雖然中國的汽車人均擁有量遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家水平,但是由于中國巨大的市場(chǎng)和國際汽車工業(yè)對(duì)中國汽車工業(yè)的影響,中國汽車工業(yè)經(jīng)過50年的風(fēng)雨歷程,已形成一個(gè)比較完整的工業(yè)體系。任何問題都有兩面性,汽車工業(yè)的發(fā)展為人們帶入現(xiàn)代生活的同時(shí)也帶來了許多問題12,例如,一、能源問題,每年汽車的石油消耗量保持在近100億桶,并每年以一定的速度增加,而世界石油資源只能開采幾十年,煤炭資源也只夠開采一百來年,人類面臨著嚴(yán)重的能源危機(jī),節(jié)能環(huán)保成為工業(yè)領(lǐng)域不可避免的課題,汽車工業(yè)同樣不可避免。二、環(huán)境問題,汽車每年向大氣排放大約幾億噸的有害氣體,占大氣污染物的60以上,被認(rèn)為大氣污染的“頭號(hào)殺手”。汽車尾氣中C02、CO、HC是大氣污染的主要有害氣體,特別是C02溫室效應(yīng)近年來傾向日趨明顯。汽車作為現(xiàn)代化社會(huì)大工業(yè)的產(chǎn)物,在推動(dòng)人類文明向前躍進(jìn)并給人類生活帶來了便捷舒適的同時(shí),對(duì)大自然生態(tài)環(huán)境的惡化也有著難以推卸的責(zé)任。目前世界汽車的保有量超過6億輛,每年新生產(chǎn)的各種汽車約3500萬輛,汽車每年的石油消耗量約占世界每年石油產(chǎn)量的一半以上。隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視,以緩解石油資源緊缺所帶來的能源危機(jī),節(jié)能環(huán)保技術(shù)越來越多為廣大汽車公司所采用,車輛輕量化是降低能量消耗的有效措施之一,資料表明,車重減輕10%,燃油消耗可降低6%-8%3。普遍認(rèn)為客車、貨車的車架骨架質(zhì)量占整車質(zhì)量的60%,對(duì)于專用車,車架所占的質(zhì)量比例則更大,因此減小車架質(zhì)量可為車輛輕量化提供最大的潛力。輕量化還可以減少原材料的消耗,降低車輛的生產(chǎn)成本。本課題就是在上述背景下提出的,目的在于研究載貨車車架結(jié)構(gòu)使之受力合理,等強(qiáng)度及等壽命設(shè)計(jì)。對(duì)重型車的車架進(jìn)行以減輕自重為目標(biāo)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,提出車架的輕量化方案,在保證承載能力的前提下有效降低質(zhì)量,一定程度上起到節(jié)能的作用。最終達(dá)到保證載貨車在性能和功能不受影響或有所提高的情況下,減輕載貨車車架質(zhì)量。2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀受到能源和環(huán)境保護(hù)的壓力,世界汽車工業(yè)很早就開始了輕量化的研究。雖然應(yīng)用輕金屬、現(xiàn)代復(fù)合材料是現(xiàn)代車輛輕量化研究的熱點(diǎn)之一,但是這些新材料應(yīng)用在主要承載部件上的成本較高,因此在短時(shí)間內(nèi)很難普及4。另一方面,車輛的傳統(tǒng)材料鋼材,由于其強(qiáng)度高、成本低、工藝成熟,并且是最適于回收循環(huán)利用的材料,因此利用鋼材實(shí)現(xiàn)輕量化的可能性備受關(guān)注。1994年,國際鋼鐵協(xié)會(huì)成立了由來自全世界18個(gè)國家的35個(gè)鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)組成的ULSAB(Ultra-Light Steel Auto Body)項(xiàng)目組,其目的是在保持性能和不提高成本的同時(shí),有效降低鋼制車身的質(zhì)量。ULSAB項(xiàng)目于1998年5月完成,其成果是顯著的。ULSAB試制的車身總質(zhì)量比對(duì)比車的平均值降低25%,同時(shí)扭轉(zhuǎn)剛度提高80%,彎曲剛度提高52%,一階模態(tài)頻率提高58%,滿足碰撞安全性要求,同時(shí)成本比對(duì)比車身造價(jià)降低15%5。從1997年5月啟動(dòng)的ULSAC (Ultra-Light Steel Auto Closures)、ULSAS(Ultra-Light Steel Auto Suspension)和1999年1月啟動(dòng)的ULSAB_AVC(AdvancedVehicle Concepts)為ULSAB的后續(xù)項(xiàng)目,也在輕量化研究上取得很大成68。除了以上提到的國際上著名的四個(gè)輕量化項(xiàng)目外,全世界范圍內(nèi)對(duì)基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的輕量化技術(shù)也進(jìn)行了大量的研究。韓國漢陽大學(xué)J.K.Shin、K.H.Lee、S.I.Song和G.J.Park應(yīng)用ULSAB的設(shè)計(jì)理念和組合鋼板的工藝,對(duì)轎車前車門內(nèi)板進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,成功地使前車門內(nèi)板的質(zhì)量減重8.72%,此技術(shù)己在韓國一家汽車企業(yè)中得到應(yīng)用9。通用汽車公司的R.R.MAYER、密西根大學(xué)的N.KIKUCHI和R.A.SCOTT應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)以碰撞過程中最大吸收能量為目標(biāo)對(duì)零件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。此技術(shù)已應(yīng)用到一款轎車的后圍結(jié)構(gòu)上10。瑞典Linkoping University的P.O.Marklund和L.Nilsson從碰撞安全性角度對(duì)轎車B柱進(jìn)行了減重研究。研究以B柱變形過程中的最大速度為約束變量,以B柱各段的厚度為優(yōu)化變量,以質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo),實(shí)現(xiàn)在不降低安全性能的條件下減重25%11。美國航天航空局蘭利研究中心的J.Sobieszczanski Sobieski和SGI公司的S.Kodiyalam以及福特汽車公司車輛安全部門的R.Y.Yang共同進(jìn)行了轎車的BIP(Body In Prime)基于NVH(噪聲、振動(dòng)、穩(wěn)定性)和碰撞安全性要求下的輕量化研究,實(shí)現(xiàn)了在不降低性能的條件下減重15Kg12。從上面的文獻(xiàn)中,可知國外的汽車結(jié)構(gòu)輕量化研究主要可分為四類:(1) 提出先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念,發(fā)展先進(jìn)的制造工藝并通過尺寸參數(shù)優(yōu)化而得到新的輕量結(jié)構(gòu);(2) 將拓?fù)鋬?yōu)化和形狀優(yōu)化引入到結(jié)構(gòu)輕量化過程中;(3) 利用硬件優(yōu)勢(shì),大量考慮動(dòng)態(tài)過程(如碰撞、振動(dòng)過程)中的各種約束,對(duì)尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化而得到輕量結(jié)構(gòu),主要強(qiáng)調(diào)安全性;(4) 提出和應(yīng)用新的現(xiàn)代優(yōu)化算法,并引入到結(jié)構(gòu)輕量化過程中、國內(nèi)對(duì)基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的車輛輕量化研究開展也很多,在車架的輕量化方面,吉林工業(yè)大學(xué)的黃金陵曾經(jīng)在對(duì)影響車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的因素進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上,運(yùn)用懲罰函數(shù)法得到了汽車車架各梁截面參數(shù)的最佳值13。河北工學(xué)院的馮國勝曾經(jīng)在有限元分析的基礎(chǔ)上,采用復(fù)合形法和罰函數(shù)法對(duì)汽車車架結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了實(shí)例優(yōu)化計(jì)算14。此外,國內(nèi)對(duì)轎車和客車的結(jié)構(gòu)輕量化做了大量的研究1518。由國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀可以看出,目前國內(nèi)外對(duì)車輛的輕量化都主要集中在車身上,對(duì)車架的輕量化研究也集中在對(duì)轎車和客車的研究,真正將輕量化應(yīng)用到重型車和專用車結(jié)構(gòu)方面的還相當(dāng)少。對(duì)于車架占據(jù)絕大部分質(zhì)量的專用車輛來說,減小其車架質(zhì)量可為車輛輕量化提供最大的潛力挖掘空間。依據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,目前對(duì)轎車和客車骨架應(yīng)用有限元法進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析,并在此基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和改進(jìn)己是常用的技術(shù)手段,但對(duì)于一些需求量相對(duì)較少,產(chǎn)量不高的重型車和專用車,有限元技術(shù)還沒有得到廣泛使用。本文將有限元法引入重型專用車的設(shè)計(jì)、分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作中,既解決企業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中的實(shí)際問題,也有較高的應(yīng)用價(jià)值。3. 本課題的研究內(nèi)容及技術(shù)方案本文的研究對(duì)象為EQ1290W載重汽車車架,論文的任務(wù)側(cè)重于對(duì)車架的結(jié)構(gòu)有限元分析,完成其輕量化設(shè)計(jì)研究。主要內(nèi)容包括:1. 車架設(shè)計(jì) 參照EQ1290W載重汽車相關(guān)參數(shù)進(jìn)行車架設(shè)計(jì);2. 車架有限元建模先在CATIA中建立其三維幾何模型,在此基礎(chǔ)上利用ANSYS建立其有限元模型及邊界條件;3. 典型工況下車架靜態(tài)分析根據(jù)實(shí)際車架受力情況對(duì)車架進(jìn)行加載,分析各種工況下車架的靜態(tài)強(qiáng)度和剛度,對(duì)靜態(tài)性能進(jìn)行評(píng)估;4. 車架質(zhì)量的優(yōu)化設(shè)計(jì)在滿足強(qiáng)度和剛度的前提下,使其質(zhì)量盡可能小,并做優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)分析,檢驗(yàn)方案的可行性;4. 本設(shè)計(jì)的特色ANSYS是大型的通用有限元軟件,其功能強(qiáng)大,可靠性好,具有強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)分析能力和優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊,因而被國外大多數(shù)汽車公司所采用。本文將基于ANSYS建立車架結(jié)構(gòu)的實(shí)體單元模型,對(duì)汽車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力的研究。首先,對(duì)ANSYS進(jìn)行了簡要的介紹,為車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析做好準(zhǔn)備工作;其次,以某重型載貨汽車車架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,利用ANSYS建立了車架結(jié)構(gòu)有限元的實(shí)體單元模型,對(duì)車架建模過程進(jìn)行了研究;再次,對(duì)車架結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性進(jìn)行深入研究,對(duì)車架進(jìn)行性能分析評(píng)價(jià);最后,建立車架結(jié)構(gòu)簡單的梁單元優(yōu)化模型,以車架縱梁截面尺寸作為設(shè)計(jì)變量,以車架總體積為設(shè)計(jì)目標(biāo),運(yùn)用ANSYS優(yōu)化模塊對(duì)車架結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)進(jìn)行有益的嘗試。5. 進(jìn)度安排第1周至第3周:搜集資料,寫開題報(bào)告;第4周至第7周:確定車架的基本結(jié)構(gòu);第8周至第10周:建立車架的三維實(shí)體模型;第11周至第16周:輕量化設(shè)計(jì);第17周:撰寫說明書;第18周:準(zhǔn)備答辯。6. 參考文獻(xiàn)1靳福來,汽車輕量化技術(shù)現(xiàn)狀,汽車技術(shù),1995,7:56582華潤蘭,論汽車輕量化,汽車工程,1994,209(6):3753833 B.Honf., G.Bremana, Light-weight Body-current Status and Future Challengers, Chenises-German Ultra-Light Symposium, Beijing, 2001, (9):2012074 馮美斌,汽車輕量化技術(shù)中新材料的發(fā)展及應(yīng)用,汽車工程,2006,28(3):213220 5 Ultra-Light Steel Auto Body Final Report, Porsche Engineering Services, Inc. March 19986 Ultra-Light Steel Auto Closures Final Report, Porsche Engineering Services, Inc. May 20017 Ultra-Light Steel Auto Suspension Final Report, Lotus Engineering Services, Inc. January 20018 ULSAB-Advanced Vehicle Concepts Final Report, Porsche Engineering Services, Inc. June 20019 J.-K. Shin, K.-H. Lee, S.-I. Song, et al., Automotive Door Design with the ULSAB Concept using Structural Optimization, Struct Multidisc Optim 23:32032710 R.R.Mayer, N.Kikuchi, R.A.Scott, Application of Topological Optimization Techniques to Structural Crashworthiness, International Journal for NumericalMethods inEngineering, Volume 39, Issue 8:1383140311 P.O.Marklund and L.Nilssom, Oprimization of a car body component subjected to side impact, Struct Multidisc Optim 21:38339212 J.Sobieszczansiki-Sobieski, S.Kodiyalam, R.Y.Yang, Optimization of car body under constraints of noise, vibration, and harshness (NVH)and crash, Struct Multidisc Optim 22:29530613 黃金陵,汽車車架結(jié)構(gòu)元件參數(shù)的優(yōu)選,汽車技術(shù),1984,(1):202114 馮國勝,汽車車架結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì),汽車技術(shù),1994,(3):61115 桂良進(jìn),周長路,范子杰,某型載貨車車架結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì),汽車工程, 2003,(4):40340616 劉竹清,丁能根,全承載式客車車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2004, (1):687017 孟床功,徐寶云,低地板城市電動(dòng)客車車架結(jié)構(gòu)有限元分柞及其輕量化設(shè) 計(jì),機(jī)械研究與應(yīng)用,2004,(3):515218 石琴,基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究,博士研究生學(xué)位論文 合肥,合肥工業(yè)大學(xué),2006開題報(bào)告檢查組意見: 組長(簽字): 年 月 日- 7 -
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