開題報告-賽車車架模態(tài)分析與輕量化設(shè)計

1、畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告書課 題 名 稱 賽車車架模態(tài)分析與輕量化設(shè)計 學(xué) 生 姓 名 馬 冬 學(xué) 號 1241103014 系、年級專業(yè) 機(jī)械與能源工程系2012級 車輛工程專業(yè) 指 導(dǎo) 教 師 張 彬 2015 年 12 月 20 日一、課題的來源、目的、意義（包括應(yīng)用前景）、國內(nèi)外現(xiàn)狀及水平1.1課題來源:課題來源于生產(chǎn)實際，通過對賽車車架的模態(tài)分析減少整車振動和減輕車架質(zhì)量，使賽車避免發(fā)生共振，解決賽車賽車的能耗和成本實際問題。1.2課題的目的和意義：目的：為了使賽車的動態(tài)特性和重量達(dá)到一定的匹配效果，借助ANSYS Workbench分析平臺對車架進(jìn)行了自由模態(tài)和約束模態(tài)的數(shù)值模擬，

2、得到車架的固有頻率和振型，最后借助車架各管件截面對固有頻率的靈敏度分析，對車架進(jìn)行了尺寸優(yōu)化，使車架質(zhì)量得到降低，并且避免發(fā)生共振。 意義：賽車車架的模態(tài)分析對于減少整車振動和提高動態(tài)性能具有重要意義，而輕量化則減小了賽車的能耗和成本。為了使賽車的動態(tài)特性和重量達(dá)到一定的匹配效果，借助ANSYS Workbench分析平臺對車架進(jìn)行了自由模態(tài)和約束模態(tài)的數(shù)值模擬，得到車架的固有頻率和振型，最后借助車架各管件截面對固有頻率的靈敏度分析，對車架進(jìn)行了尺寸優(yōu)化，使車架質(zhì)量得到降低，并且避免發(fā)生共振。1.3國內(nèi)外現(xiàn)狀及水平：目前，國內(nèi)外對車輛結(jié)構(gòu)的設(shè)計和研究，特別是對車架的設(shè)計已經(jīng)不再像以前一樣是依靠

3、經(jīng)驗來設(shè)計的，現(xiàn)在越來越多的人運(yùn)用諸如如有限元分析等進(jìn)行車輛結(jié)構(gòu)的設(shè)計。在國內(nèi)運(yùn)用有限元方法對賽車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析起步較晚，發(fā)展較慢。20 世紀(jì) 60 年代中后期，國外開始把有限元運(yùn)用到結(jié)構(gòu)分析中。R.J.Helosh等人發(fā)表了一系列關(guān)于汽車有限元模型建立及處理的文章，成為今后研究汽車有限元問題的開端。70年代，美國宇航局把NASTRAN用于車架的結(jié)構(gòu)分析中，在有限元靜態(tài)分析、動態(tài)分析的基礎(chǔ)上對車架進(jìn)行了優(yōu)化，在保證各項性能的前提下降低了賽車車架質(zhì)量，它是最早的車架輕量化研究1。1977 年，Kamal和Wolf在小型客車模型上用有限元法進(jìn)行了分析。90年代以后，國外專家也相繼對車架的設(shè)計做了

4、研究。Niiyama、Ao.Kazuo 等人利用優(yōu)化方法改進(jìn)了車架結(jié)構(gòu)，設(shè)計出的新車架比原車架具有更好的靜態(tài)特性2。有限元進(jìn)入高速發(fā)展時期，成為主要的分析形式。美國通用汽車公司在根據(jù)現(xiàn)有有限元分析軟件的基礎(chǔ)上，自主研發(fā)了一些后處理軟件，并用作研究發(fā)動機(jī)與道路激勵的分析上，與之前的分析過程相比，簡化程度顯而易見3；美國福特公司利用有限元軟件對汽車NVH性能進(jìn)行分析4。近些年以來，國外專家對車架有限元方面進(jìn)行了持續(xù)的關(guān)注及研究。目前，車架有限元技術(shù)在國外應(yīng)用比較廣泛，通過積累得到了大量研究成果。Beermann利用梁、板單元對汽車車架的橫梁與縱梁的連接處進(jìn)行了有限元模型的簡化5；Elliot Br

5、inkworth、Blake Siegler對賽車碳纖維車身進(jìn)行了描述，并講解了關(guān)于車身剛度分析的過程，成為賽車車身研究的起點(diǎn)6；William B.Riley 等人做了 FSAE車架的分析與試驗，分析了路面激勵對車架的影響7；PJ Masao Ishihama、Shingo Iizuka 等人根據(jù)車架仿真結(jié)果，對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了車架輕量化8；Brian Auer、Jared Mc Combs等人描述了車架設(shè)計的總體過程，并對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析及優(yōu)化，優(yōu)化后車架保持較好的性能9。Ryo Masutani、Daisuke Ito.等人對汽車進(jìn)行有限元分析，并根據(jù)結(jié)果對車架實現(xiàn)了

6、輕量化設(shè)計10。我國利用有限元的方法研究汽車起步較晚，相對來說比較落后，但是通過研究人員的不斷努力，骨安濤、常國振等較早地將有限元法引進(jìn)汽車車架的設(shè)計工作中；鄭兆昌等人利用大型結(jié)構(gòu)軟件對貨車車架進(jìn)行了動態(tài)分析，并進(jìn)行了靜強(qiáng)度和剛度的分析11；馬迅將車架模型簡化成梁結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了車架剛度和模態(tài)的分析，借助車架管件橫截面對車架進(jìn)行優(yōu)化，降低車架質(zhì)量11；于國飛等人利用梁單元對賽車車架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為優(yōu)化設(shè)計提供了參考12，這是國內(nèi)首次將有限元法應(yīng)用到賽車車架的分析中；趙文娟利用有限元軟件對賽車車架作了靜態(tài)分析，提出了利用車架的模態(tài)分析結(jié)果直接對車架結(jié)構(gòu)動態(tài)特性進(jìn)行評價的方法13；姜立嫚對賽車車架進(jìn)行

7、靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析和模態(tài)分析，得到相應(yīng)的應(yīng)力及位移分布，并對正面碰撞進(jìn)行模擬，根據(jù)以上結(jié)果對車架進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)了車架的輕量化14。于國飛、黃紅武等人利用有限元軟件對方程式賽車車架的強(qiáng)度及剛度進(jìn)行了計算，分15，并利用分析結(jié)果指導(dǎo)車架設(shè)計，在中國第一次將有限元技術(shù)應(yīng)用到大學(xué)生方程式賽車車架的分析15，盡管我國汽車產(chǎn)業(yè)起步較晚，利用有限元分析的技術(shù)方法相對來說存在差距，但是仍然具有很大的發(fā)展空間。隨著計算機(jī)技術(shù)的普及和發(fā)展，使得這種應(yīng)用十分廣泛的數(shù)值分析方法，有限元方法及其產(chǎn)品（如Hyper Works、ANSYS、ABAQUS、LS-DYNA等）以其便捷、高效的優(yōu)勢以及堅實的理論基礎(chǔ)正在汽車車架的設(shè)計

8、及結(jié)構(gòu)優(yōu)化中發(fā)揮著巨大作用16。與普通汽車不同，賽車車架作為整個系統(tǒng)總成的承載體，承受著各種不同工況下的各種載荷，而且由于賽車在比賽中存在著行駛的速度快，工作強(qiáng)度大等特點(diǎn)，所以，車架結(jié)構(gòu)對賽車性能有很大的影響，將會直接影響著比賽成績的好壞，運(yùn)用建模的方法和利用有限元分析軟件對賽車車架建立三維模型和有限元分析模型，通過模態(tài)分析獲得車架各階固有頻率和振型（主要是前六階），使其滿足震動條件，避免共振現(xiàn)象帶來的破壞，保證賽車行駛的安全性和可靠性。對賽車車架進(jìn)行輕量化設(shè)計具有又十分重大的意義，因為當(dāng)統(tǒng)一的限制發(fā)動機(jī)排量時，特別是對賽車的動力性、加速性要求較高的情況下，在滿足賽車車架強(qiáng)度、剛度要求的同時，

9、適度降低車架的重量，對改善汽車的運(yùn)動性能具有十分重要的積極影響，運(yùn)用有限元模態(tài)分析的設(shè)計方法是確保汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、減輕車架重量的有效方法17。參考文獻(xiàn):1 Ao.Kazuo, Niiyama. Analysis of torsional stiffness share rate of truck frame. SAE Technical Paper Series, 1991: 18-21.2 王松.某商用客車車架有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化D.武漢:武漢科技大學(xué)碩士學(xué)文論文, 2012.3 B.W.Deutshel, LB.Katnik. Improving Vehicle Response to En

10、gine and Road Excitation Using Interactive Graphics and Modal Reanalysis Methods. SAE900817, 1990, 26(17): 1126-1132.4 Jasuja S.C.Ko R.C Application of CAE Analyses for Improved NVH Performance of the New 1992 Eeonoline. SAE Transaetion,1992, 28(22): 1125-1135.5 Beermann.H.T.Static analysis of comme

11、rcial vehicle frames: a hybrid-finiteelement analytical. International Journal of Vehicle Design. 1984(5): 26-52.6 Elliot Brinkworth, Blake Siegler. Torsional Chassis Stiffness and Crashworthiness Analysis of the University of Leeds 2000 Formula SAE/ STUDENT Racing Car. Altair Engineering. 2000.7 Wi

12、lliam B. Riley, Albert R. George. Design, Analysis and Testing of Formula SAE Car Chassis. SAE International, 2002-01.8 Masao Ishihama, Shingo Iizuka, Optimization of super lightweight space. frame vehicle structure, 2003.9 Brian Auer, Iared Mc Combs. Design and Optimization of a Formula SAE Frame.

13、SAE Technical Paper Series, 2006.10 Ryo Masutani, Daisuke Ito. Space Frame Design for Formula SAE. SAETechnical Paper Series, 2009.11 馬迅,盛勇生.車架剛度及模態(tài)的有限元分析與優(yōu)化J.客車技術(shù)與研究,2004,26(4):P 8-P11.12 于國飛,黃紅武,吳俊輝.基于有限元的FSAE賽車車架的強(qiáng)度及剛度計算與分析N.廈門理工學(xué)院學(xué)報,2009,17(4): P29-P32.13 趙文娟.YD02賽車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計及其輕量化研究D.秦皇島:燕山大學(xué)碩士學(xué)位論文,

14、 2009.14 姜立嫚.FSAE賽車車架結(jié)構(gòu)動態(tài)特性分析與優(yōu)化設(shè)計D.北京:北京信息科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2012.15 鄺坤陽.FSAE賽車車架的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化D.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2011, 3.16 張寶玉.基于有限元的FSC賽車車架結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化J.遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院,2014.17 喬邦,陸忠東.基于有限元分析的賽車車架結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計J.浙江科技學(xué)院學(xué)報,2014年6期:P455-P459.二、課題研究的主要內(nèi)容、研究方法或工程技術(shù)方案和準(zhǔn)備采取的措施2.1課題研究的主要內(nèi)容（1）建立賽車車架三維實體模型和有限元模型。（2）借助ANSYS 分析軟件對車架

15、進(jìn)行數(shù)值模擬，得到頻率和振型， 為結(jié)構(gòu)改進(jìn)、避開各種振源的激勵頻率提供依據(jù)。（3）對車架進(jìn)行振動特性的模態(tài)分析，判斷車架是否具有共振破壞的危險，保證振動特性合理，車架的固有頻率應(yīng)避免接近各種激振源所產(chǎn)生的頻率。（4）對車架尺寸進(jìn)行優(yōu)化，使車架質(zhì)量得到降低，實現(xiàn)車架的輕量化目標(biāo)。2.2研究方法或工程技術(shù)方案利用ANSYS Workbench分析平臺對車架進(jìn)行自由模態(tài)和約束模態(tài)的數(shù)值模擬，并將自由模態(tài)計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗證車架有限元模型的正確性；進(jìn)而計算出驗證后的車架有限元模型，各階固有頻率對車架各管件截面尺寸的靈敏度。最后借助車架靈敏度分析，對車架進(jìn)行尺寸優(yōu)化，使車架質(zhì)量得到降低。2.

16、3準(zhǔn)備采取的措施利用ANSYS Workbench軟件對車架模態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到車架的固有頻率和振型，對固有頻率進(jìn)行靈敏度分析，借此對車架進(jìn)行了尺寸優(yōu)化，使車架質(zhì)量得到降低，并且避免發(fā)生共振。（1）不斷加強(qiáng)自身的學(xué)習(xí)，通過上網(wǎng)查找相關(guān)資料，收集主要原始數(shù)據(jù)以及其工作條件，對于賽車車架有感性的認(rèn)識。（2）利用自己所學(xué)的知識，把理論和實踐緊密聯(lián)系起來，去圖書館查找相關(guān)書籍資料，對賽車車架模態(tài)分析深入了解。此過程中學(xué)習(xí)掌握相關(guān)應(yīng)用軟件的操作并綜合分析有關(guān)的文獻(xiàn)資料，提出總體方案。三、現(xiàn)有基礎(chǔ)和具備的條件3.1現(xiàn)有基礎(chǔ)：（1）、通過三年的大學(xué)學(xué)習(xí)，已經(jīng)積累了一定的相關(guān)方面的經(jīng)驗，如材料力學(xué)、機(jī)械制造

17、技術(shù)基礎(chǔ)、機(jī)械原理、互換性與測量、液壓與氣壓傳動、電路學(xué)、液壓傳動與氣壓傳動、有限元分析、機(jī)械設(shè)計、汽車設(shè)計、機(jī)械制圖等課程，對課題所涉及的相關(guān)科學(xué)有了一定的了解，具有了相關(guān)的理論基礎(chǔ)。（2）、參加過使用PROE、ANSYS等建模和仿真軟件的培訓(xùn)課程，能夠較熟練的使用上述軟件。3.2具備條件：（1）學(xué)校車輛工程實驗室為課題研究提供了實踐基礎(chǔ)，特別是已成功設(shè)計、制造出FSAE方程式賽車。（2）學(xué)院圖書館收藏了大量的相關(guān)資料、文獻(xiàn)。包括有關(guān)專業(yè)方面的知識書籍和周刊、往年設(shè)計圖紙、設(shè)計心得等，并且提供了網(wǎng)絡(luò)化的機(jī)房，為查閱資料提供了便利。（3）可以在中國期刊網(wǎng)、維普網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)庫、超星數(shù)字圖書館等網(wǎng)

18、站查找相關(guān)資料。四、總的工作任務(wù)，進(jìn)度安排以及預(yù)期結(jié)果（1）查詢相關(guān)文獻(xiàn)，收集資料。（2）掌握ANSYS Workbench軟件的使用方法。（3）借助ANSYS Workbench分析平臺對車架進(jìn)行模態(tài)分析，得到車架的固有頻率和振型。（4）對車架各管件截面固有頻率的靈敏度分析，,對車架進(jìn)行尺寸優(yōu)化，使車架質(zhì)量得到降低。（5）在綜合設(shè)計的基礎(chǔ)上，校核和改正設(shè)計的不完善之處，（6）認(rèn)真撰寫畢業(yè)論文準(zhǔn)備答辯。4.2進(jìn)度安排2015.12.10查看相關(guān)的資料；2015.12.13下達(dá)任務(wù)書；2015.12.20整理、完成開題報告和文獻(xiàn)翻譯；2016.3.20熟悉相關(guān)軟件應(yīng)用，論文雛形搭建；2016.4.15論文主要設(shè)計計算工作完成，并撰寫中期檢查報告；2016.5.15撰寫并修改論文；2016.5.30準(zhǔn)備論文等答辯事宜。4.3預(yù)期結(jié)果（1）較熟練的掌握ANSYS Workbench軟件，建立賽車車架系