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SY-025-BY-3
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
學(xué)生姓名
李富鵬
系部
汽車與交通工程學(xué)院
專業(yè)、班級
車輛工程07- 1班
指導(dǎo)教師姓名
石美玉
職稱
教授
從事
專業(yè)
車輛工程
是否外聘
□是√否
題目名稱
輕型載貨汽車車架有限元靜力學(xué)分析
一、課題研究現(xiàn)狀、選題目的和意義
1.研究現(xiàn)狀：
（1）從車架的設(shè)計(jì)方法來講，早期車架設(shè)計(jì)采用設(shè)計(jì)和試驗(yàn)交叉進(jìn)行。在車架結(jié)構(gòu)定型之前往往經(jīng)過多輪設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)面對的對象是實(shí)物，需要經(jīng)過樣品制造一試驗(yàn)一修改一再設(shè)計(jì)的往復(fù)，這種方式不可避免地導(dǎo)致整個設(shè)計(jì)過程周期長，以及人力、物力和財(cái)力資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。隨著設(shè)計(jì)驗(yàn)的積累，人們將計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于汽車車架結(jié)構(gòu)性能的分析及設(shè)計(jì)中。初期的車架結(jié)構(gòu)性能計(jì)算是通過將車架簡化成單根縱梁，進(jìn)行彎曲強(qiáng)度校核。這種計(jì)算方法至今還在沿用，但它顯然滿足不了汽車車架結(jié)構(gòu)性能的設(shè)計(jì)要求。后來提出的車架結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算方法，只能計(jì)算純扭轉(zhuǎn)工況，不能考慮車架的實(shí)際工況，并且，計(jì)算比較復(fù)雜，工作量大，在實(shí)際運(yùn)用中存在著很大的困難。再后來，人們將比較設(shè)計(jì)的思想應(yīng)用于車架設(shè)計(jì)中。這種設(shè)計(jì)方法是以同一類型的成熟樣車為參考來進(jìn)行車架的設(shè)計(jì)，目前依然是車架結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)的主要方法。但是，這種方法可能造成車架各處強(qiáng)度不均勻，某些局部強(qiáng)度富裕較大，產(chǎn)生材料浪費(fèi)等現(xiàn)象。
20世紀(jì)60年代以來，由于電子計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，有限元法在工程上獲得了廣泛應(yīng)用。有限元法不需要對所分析的結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)格的簡化，既可以考慮各種計(jì)算要求和條件，也可以計(jì)算各種工況，而且計(jì)算精度高。有限元法將具有無限個自由度的連續(xù)體離散為有限個自由度的單元集合體，使問題簡化為適合于數(shù)值解法的問題。只要確定了單元的力學(xué)特性，就可以按照結(jié)構(gòu)分析的方法求解，使分析過程大為簡化，配以計(jì)算機(jī)就可以解決許多解析法無法解決的復(fù)雜工程問題。目前，有限元法已經(jīng)成為求解數(shù)學(xué)、物理、力學(xué)以及工程問題的一種有效的數(shù)值方法。
（2）在國外，從60年代起就開始運(yùn)用有限元法進(jìn)行汽車車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的計(jì)算。1970年美國宇航員將NASTRAN有限元分析程序引入汽車結(jié)構(gòu)分析中，對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜強(qiáng)度有限元分析，減輕了車架的自重，是最早進(jìn)行車架輕量化的分析。當(dāng)前，國外各大汽車公司利用有限元軟件進(jìn)行車架結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析、模態(tài)分析的技術(shù)已非常成熟，其工作重心已轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)分析、噪聲分析、碰撞分析等領(lǐng)域。特別是隨機(jī)激勵響應(yīng)分析備受親睞，主要是因?yàn)樗捎脕磉M(jìn)行車輛的強(qiáng)度、剛度、振動舒適性和噪聲等方面的分析。
國外將有限元法引入到車架強(qiáng)度計(jì)算比較早，而我國大約是在七十年代末才把有限元法應(yīng)用于車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析中。在有限元法對汽車車架結(jié)構(gòu)的分析中，早期多采用梁單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散化。分析的初步結(jié)果是令人滿意的，但由于梁單元本身的缺陷，例如梁單元不能很好的描述結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的車架結(jié)構(gòu)，不能很好的反映車架衡量與縱梁接頭區(qū)域的應(yīng)力分布，而且它還忽略了扭轉(zhuǎn)時截面的翹曲變形，因此梁單元分析的結(jié)果是比較粗糙的。而板殼單元克服了梁單元在車架建模和應(yīng)力分析時的局限，基本上可以作為一種完全的強(qiáng)度預(yù)測手段。近十年來，由于計(jì)算機(jī)軟件和硬件的飛速發(fā)展，板殼單元逐漸被應(yīng)用到汽車車架結(jié)構(gòu)分析中，使分析精度大為提高，有過去的定性或半定量的分析過度到定量階段。隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，特別是微機(jī)性能的大幅度提高及普及，在微機(jī)上進(jìn)行有限元分析已不再是很苦難的事情，同時有限元分析的應(yīng)用得以向廣度和深度發(fā)展。
（3）目前，國內(nèi)在進(jìn)行汽車車架設(shè)計(jì)時，設(shè)計(jì)人員主要采用的還是傳統(tǒng)的辦法對車架進(jìn)行簡化的計(jì)算，或者由其它部門進(jìn)行有限元分析計(jì)算。車架的這種設(shè)計(jì)模式導(dǎo)致的問題包括兩個方面：一是車架簡化計(jì)算精度不夠，為保證強(qiáng)度及剛度要求而使車架的設(shè)計(jì)過于安全，造成設(shè)計(jì)出的車架結(jié)構(gòu)過重，增加了設(shè)計(jì)成本；二是造成車架的設(shè)計(jì)與計(jì)算分離，不利于提高車架設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)水平。為了促進(jìn)車架設(shè)計(jì)水平的提高，保證整車在市場上的競爭能力，必須將車架有限元分析技術(shù)提高到戰(zhàn)略的高度上來。
綜合分析這些文獻(xiàn)可知，當(dāng)前國內(nèi)對于有限元法應(yīng)用于車架結(jié)構(gòu)分析的研究只是限于對車架和車架結(jié)構(gòu)在靜態(tài)扭轉(zhuǎn)、彎曲載荷以及幾種極限工況載荷作用下的分析，得出車架結(jié)構(gòu)的靜態(tài)應(yīng)力分布，并對其進(jìn)行了局部的修改，由于軟硬件對計(jì)算模型規(guī)模的限制，模型的細(xì)化程度不夠，因而結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度分析的結(jié)構(gòu)還比較粗略，計(jì)算結(jié)構(gòu)多用來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的方案比較，離虛擬實(shí)驗(yàn)的要求還有相當(dāng)大的差距。
2.選題目的：
①建立車架結(jié)構(gòu)有限元分析的規(guī)范化步驟，為將有限元技術(shù)應(yīng)用于車架設(shè)計(jì)做好基礎(chǔ)性工作。
②通過運(yùn)用有限元軟件對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可供車架設(shè)計(jì)有關(guān)人員提供參考。。
③對所研究的車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性分析，為車架的設(shè)計(jì)提供理論支持。
④對車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化進(jìn)行初步探討，為優(yōu)化設(shè)計(jì)運(yùn)用于車架設(shè)計(jì)進(jìn)行初步的嘗試，以便于以后更好地為車架設(shè)計(jì)服務(wù)。
3.選題意義：
隨著現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)要求的日益提高，將有限元法運(yùn)用于車架設(shè)計(jì)已經(jīng)成為必然的趨勢，主要體現(xiàn)在：
①運(yùn)用有限元法對初步設(shè)計(jì)的車架進(jìn)行輔助分析將大大提高車架丌發(fā)、設(shè)計(jì)、分析和制造的效能和車架的性能。
②車架在各種載荷作用下，將發(fā)生彎曲、偏心扭轉(zhuǎn)和整體扭轉(zhuǎn)等變形。傳統(tǒng)的車架設(shè)計(jì)方法很難綜合考慮汽車的復(fù)雜受力及變形情況，有限元法正好能夠解決這一問題。
③利用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，可以得到車架結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。從設(shè)計(jì)上避免車架出現(xiàn)共振的現(xiàn)象。
④通過對車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步降低車架的重量，在保證車架性能的前提下充分的節(jié)省材料，對降低車架的成本具有重要的意義。
綜上所述，有限元法已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)的重要工具之一，在汽車產(chǎn)品更新速度快，設(shè)計(jì)成本低、輕量化和舒適性要求越來越高的今天，對于提高汽車產(chǎn)品的質(zhì)量、降低產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)制造成本，提高汽車產(chǎn)品在市場上的競爭能力具有重要意義。
二、設(shè)計(jì)（論文）的基本內(nèi)容、擬解決的主要問題
1.基本內(nèi)容：
結(jié)合某汽車公司生產(chǎn)實(shí)際要求，在參考以往的研究成果以及國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀，確定主要研究內(nèi)容。
(1)研究應(yīng)用彈性力學(xué)、有限元、靜態(tài)分析、模態(tài)分析理論以及所有軟件基礎(chǔ)。
(2)車架設(shè)計(jì)方法以及設(shè)計(jì)步驟的研究。
(3)以某輕型貨車車架為參考設(shè)計(jì)車架并對其進(jìn)行PROE建模，將建成的PROE車架模型導(dǎo)入到ANSYS中準(zhǔn)備進(jìn)行有限元分析。
(4)分析研究建立有限元模型要考慮的問題，比如結(jié)構(gòu)的簡化，單元的選取，單元數(shù)量的控制，單元質(zhì)量的檢查，網(wǎng)格的布局以及連接方式的模擬。
(5)研究影響有限元分析結(jié)果的因素，比如單元厚度，單元大小，加強(qiáng)筋以及部件連接的模擬方法。
(6)對車架有限元模型進(jìn)行剛度強(qiáng)度分析、模態(tài)分析；找出車架結(jié)構(gòu)中需要改進(jìn)的部位，并依據(jù)分析結(jié)果提車改進(jìn)方案。
(7)對研究的車架進(jìn)行驚呆性能評價。建立優(yōu)化分析模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)提出科學(xué)的改進(jìn)方案。
2.擬解決的主要問題
(1)如何設(shè)計(jì)車架基本結(jié)構(gòu)
(2)車架載荷及其約束的處理
(3)靜態(tài)工況下彎曲工況的分析處理
(4)計(jì)算結(jié)果的處理
(5)有限元模型的創(chuàng)建方法
(6)對模型進(jìn)行加載及求解的方法
(7)對分析出的圖形、數(shù)據(jù)的處理以及如何對車架進(jìn)行優(yōu)化
3、 技術(shù)路線（研究方法）
車型的選擇
車架結(jié)構(gòu)形式的選擇
車架的制造工藝及材料選擇
車架的設(shè)計(jì)
車架的簡化計(jì)算
車架的應(yīng)力情況的測定，包括車架的剛度、強(qiáng)度、可靠性和耐久性
PROE模型的建立
車架單元類型的選擇和定義
車架模型的簡化
導(dǎo)入ANSYS軟件并進(jìn)行有限元方面分析
有限元網(wǎng)格劃分
施加載荷及載荷選項(xiàng)、設(shè)定約束條件，然后求解
根據(jù)ANSYS分析出的結(jié)果對已設(shè)計(jì)出的車架進(jìn)行優(yōu)化
四、進(jìn)度安排
(1）知識準(zhǔn)備、調(diào)研、收集資料、完成開題報(bào)告 第1～2周（2.28～3.11）
（2） 整理資料、提出問題、撰寫設(shè)計(jì)說明書草稿、熟悉Pro/E、ANSYS軟件的使用 第3～5周（3.14～4.1）
（3）理論聯(lián)系實(shí)際分析問題、解決問題，使用Pro/E、ANSYS軟件完成中型載貨汽車車架的三維設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析等部分設(shè)計(jì)內(nèi)容，中期檢查 第6～8周（4.4～4.22）
（4）改進(jìn)完成設(shè)計(jì)，改進(jìn)完成設(shè)計(jì)說明書，指導(dǎo)教師審核，學(xué)生修改 第9～12周(4.25～5.20)
（5）評閱教師評閱、學(xué)生修改 第13周（5.23～5.27）
（6）畢業(yè)設(shè)計(jì)預(yù)答辯 第14周（5.30～6.3）
（7）畢業(yè)設(shè)計(jì)修改 第15～16周（6.6～6.17）
（8）畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯 第17周（6.20～6.24）
五、參考文獻(xiàn)
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指導(dǎo)教師意見：
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