HQJ-500型节油车车架优化设计开题报告

SY-025-BY-3毕业设计（论文）开题报告学生姓名系部汽车与交通工程学院专业、班级指导教师姓名职称教授从事专业车辆工程题目名称HQJ-500型节油车车架优化设计一、课题研究现状,选题的目的、依据和意义1、节油车车架的研究现状1.1节油车简介节能、环保、低碳已逐渐成为当今在能源领域的主题。汽车领域的节能技术对节约能源也至关重要。以节能为主题的节油车竞赛在国内外开展的也越来越多。本田（Honda）科研工业（中国）投资有限公司曾主办过以“挑战一升、环保一生”为口号的Honda中国节能竞技大赛。节能竞技大赛积累的技术和经验，以所具备的专业知识及理论，将符合“节能减排”要求的创意融进节能竞技大赛，通过调研、方案对比、优化，最终设计出合理、有效的“节能”参赛车的设计方案，为制作新型“节能车”提供依据。去年我校（黑龙江工程学院）的汽车与交通工程学院的师生们携自主研制的节能车到上海参加了比赛，并在比赛中获得佳绩，其他高校也展示了各自的成果。由日本本田公司举办的节能竞技大赛从1981年开始，至今已成功举办了27届，曾有人以参加本田节能大赛的参赛车(简称节能车)为基础，在比赛规则范围内，对影响车辆燃油消耗的相关因素进行了研究，并通过发动机台架试验、道路试验及软件模拟，对发动机部件及车辆结构进行改进，对比改进前后的燃油消耗量，得出降低燃油消耗的一些可行性方案。以此为基础，把试验结果运用到节能车的研发中，比赛结果证明取得了显著效果。改进方案中包括了压缩比的改进，供给系统的改进，发动机散热片的改进，发动机其他部件的改进等。除了发动机部件改进对整车油耗有重要影响外，节能车的结构设计及装配质量对油耗也有一定影响。如车架及车身外型设计是否满足强度和空气动力学要求，转向及制动是否操控灵活，轮胎的选型及传动比选择是否合理，发动机装配位置及安装姿态是否恰当等。结合以上因素，先用软件对节能车进行建模，并通过计算机模拟分析得到最优设计方案，按照此方案制造出节能车实车，通过大量道路试验，再对车辆整体结构及细节进行对比改进，再与改进后的发动机进行匹配，达到了降低油耗的目的。目前的很多节能赛车根据人机工程学的要求，对车手的体型和坐姿定下整车的初步控制尺寸进行各项数据的测量，并在CATIA中建模，确立车架的宽度长度、车身高度等。车身设计成流线型，车身高度尽量低矮，一般可以取发动机竖直放置时的最高点，这个高度车当手躺下时的视野一般是可以保证的。底盘高度要保证有尽量大的离地间隙，同时又不能使得重心太高，以免高速转弯时翻车。轮距轴距不必考虑太多。轮距轴距的计算、前后载荷分配等是为了保证有足够的地面附着力。1.2 车架设计要考虑的因素、优化设计的关键和几种优化分析车架的很多尺寸都来源于其他部分的设计。车架的作用主要是连接其他组件，并保证安装的稳定性。所以设计车架要了解转向、车身和后轴，思考怎么将他们可靠地定位。设计节油车车架要先了解钢材和焊接，怎么对各种钢材加工，并把车架搭出来。有些节能车采用第23号钢（含碳量0.23%）料焊接而成，分别采用了车架20201，20202焊接矩形钢管、20202角钢。车架采用边梁形式，中间主要承载部份以金型材搭建，前桥以及后桥等受力较大部分由焊接矩形钢管以及20202角钢搭建，前悬以及发动机支架等非大承载部位由20202角钢搭建。在整车质量中，车架是轻量化设计的主要对象之一，故车架的轻量化程度对于节能车的节能成效来讲固然有重要意义。而车架的轻量化程度还不得不考虑其刚度，强度等性能指标。因此，需在保证足够刚度和强度的前提下，采用较优的结构、材料使车架质量达到最轻。完成车架优化设计的关键是建立合理的力学模型、优化参数模型、有限元模型、优化数学模型，并且熟悉SNSYS参数化设计。1.2.1 车架的结构优化分析车架是汽车主要的承载部件,汽车大部分部件如:动力总成、驾驶室、货厢和车桥等都与车架直接相连。因此车架就必须具有足够的刚度和强度以保证有承受冲击载荷和承受各种工况的能力。目前节油赛车的车架结构主要有两种类型：上浮式和下沉式。最后取两种性能均较好的一种作为车架结构。对于上浮式和下沉式两种车架，主要由于横梁的数量和布置不同，带来了刚度和强度上的差异。（1）建立有限元模型在ANSYS8.0中建立车架模型时,略去对整体强度影响较小的孔及其他工艺特征，上浮式车架由左右分开的两根纵梁和若干根横梁组成，纵梁和横梁是由薄壁型钢冲压而成，再通过焊接和铆接形成整体。有限元单元选用2节点梁单元Beam188，该单元可以有效地模拟细长或中等厚度的梁及其线性弯曲变形和应力水平分析，且计算速度快，单元每个节点均有6个自由度，即x、y、z 向平动自由度和绕x、y、z 轴的转动自由度。梁与梁之间进行节点耦合，车轮和车架是刚性连接，无需用弹簧单元来模拟悬架。对于车架材料的选择，通常是采用16Mn 钢。但是基于本项目是要达到节能的效果，在同样强度下无需大的壁厚，因此选用的是Q360 高强度钢材。（2）载荷及约束的处理汽车在行驶过程中要承受各种载荷的作用，在建立车架的有限元模型时就必须对载荷进行适当的处理，以便施加在相应的节点或单元上。由于是行驶于良好路面，无需急转弯掉头和急刹车。也不可能经受外界的猛烈撞击，故可将车架主要承受的载荷简化为只受驾驶员和发动机的重力,将它们作为集中载荷加载到相应的节点上，其他质量较小的部件可以忽略。由于赛道是环形沥青路面，路况比较良好，没有诸如台阶或凹坑之类的路况。可以将其约束情况按弯曲工况和弯扭工况分别处理。（3） 结构分析计算在此计算过程中，将两种结构的车架材料均取外廓尺寸为40 mm*20 mm，壁厚1 mm 的矩形截面钢，在弯扭工况下进行有限元分析。听过分析可以看出，用同样材料、截面尺寸的上浮式和下沉式车架，下沉式车架结构的刚度和强度比较好。且结构更为简单，质量更轻。1.2.2车架的轻量化分析轻量化设计可从材料上入手,如采用碳纤维或铝合金等轻质材料来替代传统的钢,但成本偏高,且制作上存在难度(铝合金不易焊接),所以从车架梁的截面形状和面积来入手显得更为实际.随着计算机技术发展所逐渐兴起的有限元法可有效地计算车架在各种工况下的响应，为设计提供有力的理论依据。（1） 有限元模型及载荷处理这部分的有限元模型建立方法和载荷处理方法与结构优化中完全相同。（2） 截面分析计算车架各梁之间的几何位置关系由上述结构选型时确定.但在进行有限元分析时,车架结构的薄壁梁截面特性(包括截面形状、截面尺寸大小)是可以很方便地进行调换的，当车架所用梁的截面类型不同时，计算得出的车架强度和刚度也不同，通过比较，就可以选出在刚度与强度水平相一致的情况下，质量最轻的梁渊即截面面积最小。1.2.3 车架的模态分析固有频率和振动向量是进行车架动态结构设计中必不可少的参数。因此有必要对车架进行固有特性的模态分析，因为结构较低阶固有频率及相应振型对动态特性的影响最大，故在研究结构的响应时，往往只需要了解前几阶的固有频率和振动特性，需要考虑的是低阶频率应避开发动机的的怠速运转频率，以免发生共振。2、车架优化设计的目的对节油车的车架进行优化设计的目的从狭义上讲：当代大学生可以理论联系实际，将所学用于所用，激发创新意识，深化专业技能，了解汽车某领域的发展步伐，使得工科类的大学生有一种责任感和使命感，为将来的节油车产品创造出大批设计人才；同时对节油车的车架进行优化设计更会是对我个人的一次历练，对个人的发展同时也起到一定的奠定作用。通过设计节油车不仅可以把课堂所学的理论知识和实际操作挂钩，还可以更多地体会设计创作带来的乐趣，充分发挥个人创作才能。对节油车的车架进行优化设计的目的从广义上讲：目前国际国家能源紧缩，节油车的问世具有一定的可行性和现实意义。目前这种国际国内的以这种竞赛为导向的节油车优化设计必然会对将来经济型汽车的问世起到一定的奠定作用。而通过车架结构优化设计，对车架进行轻量化设计又能有效的减少车重，从而降低油耗。3、车架优化设计的意义经济意义体现在：随着我国经济全球化的不断加快，我国对国际能源及原材料市场的依赖程度不断加大，从目前来看，国际油价和工业原材料的价格也是在不断攀升，我国经济在能源领域比较棘手。我国的汽车保有量逐年增加，需要更多的燃油，所以节能减排是中国汽车产业需要考虑的关键，也值得国家重视。车架的轻量化能够减少整车质量，从而能使汽车达到节能减排的目的，节油了能源和资本，从而具有一定的现实意义和经济意义。社会意义体现在：自从工业革命以来，世界工业发展飞速，能源开采量逐年增高，汽车工业发展尤为迅速，汽车保有量也呈递增趋势。有限的能源如何能用的更长久是值得人类和社会反思的意见事情，节油车型的普及功在当代，利在千秋。而通过这种节油车竞赛恰恰就能为节油车产品的问世提供有效的依据，使得能源的利用率提高，为人类社会的顺延提供了有效保证。车架的优化设计是使得汽车能够节能减排的主要手段之一，因此车架的优化设计的社会意义重大。二、设计（论文）的基本内容、拟解决的主要问题1、研究的基本内容（1）进行设计赛车总体布局设计；（2）进行车架结构设计；（3）进行车架结构有限元优化设计与分析；（4）进行车架结构模态分析。（5）绘制设计总图和上述部分的结构装配图、零件图。2、拟解决的主要问题通过用最少量的某种材料来设计节油车的车架，使得其在各种工况下的强度、刚度满足必备的要求。三、技术路线（研究方法）分析题目，收集资料借鉴以往经验，确定设计方案HQJ-500节油车总体布局设计节油车车架结构设计用ANSYSY软件对其进行优化对车架进行结构模态分析完成装配图、零件图完成设计说明书NOYES四、进度安排1周：领取题目，资料收集，调研；2周：继续调研，整理开题报告，制定完成方案和路线；3周：开题答辩，设计任务总体方案，草图设计；4周：总体设计方案，草图的审核与修订和计算；5-10周：包括底盘，副车架，专用装置的设计、计算与校核；11-12周：总图设计和部件图的修订，整理设计计算说明书；13周：整理、修订、审核；14周：预答辩；15周：修订；16-17周：答辩.五、参考文献1刘惟信. 汽车设计M.北京:清华大学出版社,2001. 2卞学良.汽车设计M.北京:机械工业出版社，2008.3余志生. 汽车理论M.北京:机械工业出版社,2000.4陈家瑞. 汽车构造.下册M.北京:机械工业出版社，2005.5王国权，龚国庆.汽车设计课程设计指导书M.北京:机械工业出版社，2010.3.6王霄峰.汽车底盘设计M. 北京:清华大学出版社，2010.7 王桂姣,周建美. 节能车车架选型和轻量化设计 J. 汽车科技, 2008, (5).8 杜海珍,荣见华. 汽车车架结构的拓扑优化设计 J. 机械设计与研究, 2007, 23 (1).9 王新彦. 基于ANSYS的越野赛车车架模态分析 J. 拖拉机与农用运输车, 2009, 36 (4).10 周建美,王桂姣. 基于有限元分析的节能车车架轻量化设计 J. 天津汽车, 2008, (9).11 夏晓坤,颜伏伍,杜常清等. 降低节能车燃油消耗量的研究(1) J. 摩托车技术, 2008, (10) .12 夏晓坤,颜伏伍,杜常清等. 降低节能车燃油消耗量的研究(2) J. 摩托车技术, 2008, (11) .13黄天泽，黄金陵汽车车身结构与设计，北京：机械工业出版社，199210.14冯国胜，客车车身结构的有限元分析，机械工程学报，1999.15安立新，有限元计算在车架设计中的应用，1996年优秀论文选.16马迅，盛勇生，车架的有限元分析及优化，2004ANsYs中国用户论文集，2004.17张宝生，李杰，林明芳，汽车优化设计理论与方法第l版，北京：机械工业出版社，2000.18张丽华，DD6120H1大客车车架的设计与分析，辽宁汽车，1996.19张铁山，胡建立，唐云，CAD/CAE技术在汽车车架设计中的应用，200l，(3).20宋云，陈全世，王霄峰，轻型电动客车车身车架的有限元结构分析及试验研究J，汽车技术，1997，(10).21冯国胜，汽车车架动特性分析及应用汽车技术，1994年第8期.22张朝晖，ANsYs8.o结构分析及实例解析，第一版，北京：机械T业出版社，2005.23刘涛，杨风鹏，精通ANSYS，第一版，北京：清华大学出版社，2002.24冯国胜，贾素梅，轻型车有限元分析及应朋J，机械强度，1996，(6).25管迪华模态分析技术，第1版北京：清华大学出版社，2000.26郭一，顾卿，sH6606车架有限元模态分析，上海汽车，1997 .3.27辛中东，毕坤，王常清，农用运输车车架的模态仿真分析，拖拉机与农用运输车，1999，(1)， 1720.28郭立新，车架结构优化设计，1990年优秀论文选.29张宝生，李杰，林明芳，汽车优化设计理论与方法，第1版，北京：机械工业出版社，2000.30李杰，赵旗，洪哲浩，车架纵梁、横梁截面几何特性的计算，专用汽车，19962.31Frank Bokulich Sjmulation redefining the development processaei april 200l.32Srivinas kodiyalam，Jaroslaw sobieszczanski_sobieskit MultidiscipIinary design optimizationsome formal mathods，framework requirements，and application to vehicle designInt,JVehicle design，vol25，Nosl/2，Specil Issue，2001.33Chin-Jung Chen and Mohammad USmanDesign optimization for automotiveapplicationInt.J.Vehicle，Design V0l25，Nosl(Special Issue)，2001. 六、备注