基于有限元分析的汽車車架優(yōu)化設計,基于,有限元分析,汽車,車架,優(yōu)化,設計 畢業(yè)設計（論文）開題報告 設計（論文）題目:基于有限元分析的汽車車架優(yōu)化設計 院 系 名 稱: 汽車與交通工程學院 專 業(yè) 班 級: 車輛工程07-1班 學 生 姓 名: 初瀚雷 導 師 姓 名: 趙雨旸 開 題 時 間: 2011-03-16 指導委員會審查意見： 簽字： 年 月 日 開題報告撰寫要求 一、“開題報告”參考提綱 1. 課題研究目的和意義； 2. 文獻綜述（課題研究現狀及分析）； 3. 基本內容、擬解決的主要問題； 4. 技術路線或研究方法； 5. 進度安排； 6. 主要參考文獻。 二、“開題報告”撰寫規(guī)范 請參照《黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計說明書及畢業(yè)論文撰寫規(guī)范》要求。字數應在4000字以上，文字要精練通順，條理分明，文字圖表要工整清楚。 SY-025-BY-3 畢業(yè)設計（論文）開題報告 學生姓名 初瀚雷 系部 汽車與交通工程學院 專業(yè)、班級 車輛工程07-1班 指導教師姓名 趙雨旸 職稱 副教授 從事 專業(yè) 車輛工程、 交通工程 是否外聘 □是√否 題目名稱 基于有限元分析的汽車車架優(yōu)化設計 一、課題研究現狀、選題目的和意義 1）課題研究現狀： 在國外，從60年代起就開始運用有限元法進行汽車車架結構強度和剛度的計算。1970年美國宇航局將NASTRAN有限元分析程序引入汽車結構分析中，對車架結構進行了靜強度有限元分析，減輕了車架的自重，是最早進行車架輕量化的分析。當前，國外各大汽車公司利用有限元軟件進行車架結構靜態(tài)分析、模態(tài)分析的技術已非常成熟，其工作重心已轉向瞬態(tài)響應分析、噪聲分析、碰撞分析等領域。特別是隨機激勵響應分析備受青睞，主要是因為它可用來進行車輛的強度、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度計算比較早，而我國大約是在七十年代末才把有限元法應用于車架的結構強度設計分析中。在有限元法對汽車車架結構的分析中，早期多采用梁單元進行結構離散化。分析的初步結果是令人滿意的，但由于梁單元本身的缺陷，例如梁單元不能很好的描述結構較為復雜的車架結構，不能很好的反映車架橫梁與縱梁接頭區(qū)域的應力分布，而且它還忽略了扭轉時截面的翹曲變形，因此梁單元分析的結果是比較粗糙的。而板殼單元克服了梁單元在車架建模和應力分析時的局限，基本上可以作為一種完全的強度預測手段。近十 年來，由于計算機軟件與硬件的飛速發(fā)展，板殼單元逐漸被應用到汽車車架結構分析中，使分析精度大為提高，由過去的定性或半定量的分析過度到定量階段。隨著計算機軟、硬件技術的發(fā)展，特別是微機性能的大幅提高及普及，在微機上進行有限元分析已不再是很困難的事，同時有限元分析的應用得以向廣度和深度發(fā)展。國外大型汽車公司經過近百年的汽車設計制造，在車架設計方面積累了豐富的試驗數據和理論分析經驗，形成了實用的結構設計數據庫、設計改正記錄和設計規(guī)范。目前應用于車架開發(fā)上比較成熟的方面主要有：剛度、強度分析(應用于整車、大小總成與零部件分析以實現輕量化設計)，NVH分析(各種振動、噪聲，包括摩擦噪聲、風噪聲等)、機構運動分析等；建立在分析和實驗基礎上的種優(yōu)化方法為車架設計提供了多種實用的選擇方案，使車架設計從經驗設計到優(yōu)化設計跨出了一大步。在關于優(yōu)化算法方面的研究，國外將遺傳算法引入到結構形狀優(yōu)化算法中并獲得良好的效果?？偟目磥?，國外輕量化研究主要有以下幾個方面：(1)提出先進的設計理念，發(fā)展先進的制造工藝并通過尺寸參數優(yōu)化而得到新的輕量化結構；(2)將拓撲優(yōu)化和形狀優(yōu)化引入到結構輕量化過程中；(3)提出新的現代優(yōu)化方法，并進入到結構輕量化中；(4)利用硬件優(yōu)勢，大量考慮動態(tài)過程中的各種約束，對尺寸參數進行優(yōu)化而得到輕量化結構。 我國早在1956年就由我國著名的數學家馮康教授在有限單元法的研究方面發(fā)表了研究論文，在研究變分問題的差分格式中，獨立的提出了分片插值的思想，并把它用于工程結構的分析，為有限元法的形成做出了貢獻。目前，我國利用有限元法進行汽車分析已發(fā)展到普遍應用有限元法靜強度和有限元動態(tài)響應分析及優(yōu)化分析階段。2002年馬迅、盛勇牛以車架的部分結構的截面尺寸為優(yōu)化變量，采用板殼和梁單元組合建立有限元模型，以車架變形和一階頻率為約束，在彎曲和扭轉工況取得了減重13.31％的效果。2003年10月李娜采用板殼單元對機車車頂結構建立有限元模型，應用自己編制的遺傳算法程序，對形狀、加強筋的布置數量和位置以及截面尺寸進行了優(yōu)化，減輕重量176.4Kg。2004年5月杜海珍針對汽車典型結構拓撲優(yōu)化方法及應用進行了研究。為了解決在刪除無效材料時可能導致的應力集中問題，基于圍繞結構邊界和孔洞周圍附加人工材料單元的思想，提出了一種新的基于應力及其靈敏度的優(yōu)化準則。2005年4月吉林大學的余傳文采用板殼單元對某重型載貨汽車車架結構建立有限元模型，并對車架結構的靜、動態(tài)特性分析的進行了研究，在建立簡單的車架梁單元優(yōu)化模型的基礎上，以車架縱梁截面尺寸為設計變量對車架進行優(yōu)化分析，從車架體積和最大變形隨著迭代過程的變化曲線可以看到車架的自重明顯降低Iz01。2006年6月北京航空航天大學的張洪偉，張以都等人探討了基于動力特性靈敏度分析的動力修改技術。建立了某農用車車架的參數化有限元模型，并對車架進行靈敏度分析，在分析結果的指導下，進行了車架的動力修改，取得了良好的效果，為農用車改型設計及推出新產品提供了思路和設計依據，為在工程實踐中應用結構動力修改和結構優(yōu)化設計理論作了有益的嘗試。雖然前人在車架的有限元分析方面已做了大量的工作，但之前的研究對靈敏度分析和優(yōu)化設計大都是分開進行的，對其進行動力修改，提高其動力性能，單憑設計人員的經驗進行修改，自然避免不了盲目性，也不能做到以最小的改動達到最佳的效果，因此有必要在靈敏度分析的基礎上進行優(yōu)化設計。在國內，高等院校對基于結構優(yōu)化的車輛輕量化研究發(fā)展也很多，但由于沒有完備的結構設計數據庫和設計規(guī)范，有時只能按解剖進口車結構來進行參照性設計。具體在車架結構分析方面，車架的剛度分析對結構分析的重要性近些年已受到廣泛的重視。從分析類型上看，仍以車架結構靜態(tài)分析為主。虛擬試驗場整車分析正在著手研究，此外還有焊裝模擬分析、噴涂模擬分析等。其中，車架剛度、強度分析，碰撞模擬分析，空氣動力特性分析。金屬板件拉延成形特性分析等已步入實用化階段，為車架的全面優(yōu)化設計奠定了基礎。國內目前的輕量化研究主要集中在汽車一般零部件、底盤車架結構等的改形設計方面，在產品設計階段引入有限元法對車架輕量化設計的研究很少。與國外相比，國內關于在輕量化設計過程中引入新的現代優(yōu)化算法的研究比較匱乏，輕量化設計過程中的分析規(guī)模較小，CAD／CAE一體化在產品設計開發(fā)階段的應用還不成熟以至于汽車生產廠家很少采用。 同時，國內外不少公司、科研機構及高等院校陸續(xù)開發(fā)了一些通用性很強的大型有限元結構分析軟件程序，這些程序可用來分析任意規(guī)模的結構，如整架飛機或整個汽車的結構。這些有限元軟件已發(fā)展到成熟的階段，比較成熟并且普及較廣的有美國加利福尼亞大學伯克利分校研制的SAP、美國麻省理工學院研制的ADINA、美國國家航空與航天局研制的NASTRAN、德國斯圖加特大學宇航結構靜力學研究所研制的ASKA、世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)的ANSYS軟件等等。這些通用程序的研制成功，大大簡化了結構分析工作，只要求使用任意掌握有限元法的基本理論，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。這些大型商業(yè)通用有限元分析軟件也像CAD設計軟件一樣在汽車研發(fā)過程中得到普及，有實力的汽車廠商甚至為自己的產品開發(fā)獨立地從事這些有限元分析軟件的二次開發(fā)。 綜合分析這些文獻可知，當前國內對于有限元法應用于車架結構分析的研究只是限于對車架或車架結構在靜態(tài)扭轉、彎曲載荷以及幾種極限工況載荷作用下的分析，得出車架結構的靜態(tài)應力分布，并對其進行了局部的修改，由于軟硬件對計算模型規(guī)模的限制，模型的細化程度不夠，因而結構的剛度、強度分析的結構還比較粗略，計算結果多用來進行結構的方案比較，離虛擬試驗的要求還有相當大的差距。 2）課題研究目的和意義： 汽車的設計過程比較復雜，涉及到工程材料、生產工藝、結構力學等眾多學科。汽車車架是汽車底盤的主要工作裝置，車架的強度、剛度及動態(tài)特性直接影響整車的使用壽命、舒適性、車內噪聲、操縱穩(wěn)定性等基本性能。傳統(tǒng)的設計方法周期長、成本高，CAD/CAE技術的在車架設計中的應用，可以大大縮短車架開發(fā)周期、降低開發(fā)費用，提高設計質量。在車架的結構分析中，有限元法由于其能夠解決結構形狀和邊界條件都非常任意的力學問題的優(yōu)點而被廣泛使用，各種汽車結構件都可以用有限元法進行靜態(tài)分析、固有特性分析和動態(tài)分析。在進行靜力學分析時，通過有限元分析，可看到構件在各個載荷狀況下的變形情況，可以得到剛度、強度等各種力學性能。之后可將這些結果返回到設計過程中，修改其中不合理的參數，經過反復的優(yōu)化，使得產品在設計階段就可保證滿足使用要求從而縮短設計試驗周期，節(jié)省大量的試驗和生產費用，它是提高汽車設計的可靠性、經濟性、適用性的方法之一。因此，為了保證其設計的精確性和縮短設計周期，基于有限元分析，研究它的靜、動態(tài)力學特性，對其結構進行優(yōu)化設計，是非常重要和必須的。 二、設計（論文）的基本內容、擬解決的主要問題 設計的主要內容： （1）研究汽車車架的組成、結構與設計； （2）建立有限元計算模型； （3）研究汽車車架的載荷； （4）加載進行靜、動態(tài)分析； （5）對汽車車架的結構參數進行優(yōu)化設計。 擬解決的主要問題： ANSYS分析主要步驟： （1）運用ANSYS進行有限元靜、動態(tài)分析，重點進行強度分析。 （2）應用ANSYS的 參數化語言實現汽車車架參數的優(yōu)化設計。 三、技術路線（研究方法） 四、進度安排 （1）調研、資料收集，完成開題報告 第1、2周 （2）研究汽車車架的設計步驟與設計方法，分析汽車車架受力情況 第3周 （3）建立有限元模型 第4、5周 （4）施加載荷和邊界條件，求解，進行靜、動態(tài)分析 第6~9周 （5）對汽車車架的結構參數進行優(yōu)化設計 第10~12周 （7）完成設計說明書的撰寫，指導教師審核 第13周 （8）畢業(yè)設計（論文）修改、完善 第14周 （9）畢業(yè)設計（論文）審核、預審 第15周 （10）畢業(yè)設計（論文）修改、完善 第15、16周 （11）畢業(yè)設計（論文）答辯準備及答辯 第17周 五、參考文獻 [1]王海霞，湯文成等．客車車骨架有限元建模技術及結果分析[D]．機械強度，2002，24. 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