hqj500型節(jié)油車車架優(yōu)化設(shè)計(jì)

PAGEPAGEI摘要面對(duì)國(guó)際國(guó)內(nèi)能源的減縮，節(jié)能減排已經(jīng)成為汽車業(yè)所面臨的主題。節(jié)能環(huán)保具有現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)意義。車架是汽車的重要組成部分，承受車上裝置和來自地面的交變作用力，需要滿足一定的剛度和強(qiáng)度。由HONDA公司發(fā)起的節(jié)能競(jìng)技大賽將會(huì)促進(jìn)更加節(jié)能減排的汽車的問世。汽車節(jié)能可以通過很多渠道做到，本設(shè)計(jì)主要從車輛的輕量化角度出發(fā)，通過減少車架質(zhì)量，從而在滿足車架剛度的強(qiáng)度的條件下來進(jìn)一步減少節(jié)油車整車質(zhì)量。本設(shè)計(jì)對(duì)整車做了整體總布置，確定了重心的位置。而且通過PRO/E軟件設(shè)計(jì)出了三個(gè)不同結(jié)構(gòu)的模型，然后將三個(gè)車架模型轉(zhuǎn)換成工程圖。最后通過ANSYS軟件多車架進(jìn)行進(jìn)一步的有限元分析，其中包括靜力結(jié)構(gòu)分析，模態(tài)分析，和基于實(shí)際情況的有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于車架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，通過有限元軟件不但可以減少繁重的計(jì)算量，而且可以有效提高計(jì)算精度。通過靜力結(jié)構(gòu)可以更為直觀的反映出車架受的最大應(yīng)力和變形，同時(shí)便于三種車架比較。通過模態(tài)分析可以看出車架的動(dòng)態(tài)特性，看其是否在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速狀態(tài)下與發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生共振，應(yīng)該避免共振。車架優(yōu)化設(shè)計(jì)原則上是以梁段橫截面的高、寬和壁厚為設(shè)計(jì)變量（DV）,以總應(yīng)力和位移為狀態(tài)變量（SV），以車架總重量為目標(biāo)函數(shù)的設(shè)計(jì)過程。但基于實(shí)際，本優(yōu)化設(shè)計(jì)是在選出最好的車架模型的基礎(chǔ)之上通過加減不同的梁，變換在不同處的梁截面，從而達(dá)到對(duì)車架優(yōu)化的目的，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)整車的輕量化而使得節(jié)能車更節(jié)能、更環(huán)保。關(guān)鍵詞：節(jié)能車；車架；輕量化；三維建模；靜力分析；模態(tài)分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)ABSTRACTFacingthereduceofresourceinourcountryorinthewholeworld,savingresourceandprotectingtheenvironmentarebecomingmoreandmoreimportantnowadays.Theyhavedirectandhugemeanings.Theframeplaysanimportantpartinthecar.Itbendschangingmachanicsfromthecarandground,andshouldsatisfiedsomestrength.ThecompositionwhichisputoutbytheHONDACorporationwouldmakemoreeconomicalcarbepossible.Wehavemanyways,butmydesignistotrytomaketheframemuchlighter.Bydoingthiswecangettheframewhichmeetourrequiry.Mydesigndotheworkthatmakethecar’scomponentsbeinitsreallydestinationandmakesurethelocationofitsgravity.IhavemadethreemodesbyPRO/Esoftwareandchangedtheyintoengineeringpaintings.AtlastItrytotestbysoftware—ANSYS,includingstaticalanalysisandmotalanalysisandgettingbetterresultsbycompariment.becauseoftheframe’snotsimpty,analysisingbythesortwareismoreconvinentandwecangetmoreaccuteresaunts.Bystaticalanalysiswecangetdirectlypicturesofthewholemachanicandtheleaveofthemovefromisoriginalposition.Bymotalanalysiswecandiagnosethatiftheframewillshockwiththeengineatthesamepace.WeshouldgetthebestresauntsbyregardingthewidthandheightinthecutfaceastheDV,byregardingthewholestrengthandtheleavemovefromitsoriginallocationasitsSV,byregardingthegravityasitsobjectivefunction.Afterthinkingthereality,basedonfindingthebestmodes,Ichangedifferentsizeofdifferentbeamssothatwecangetthebestresaunts.Finallywillgetthemosteconomicalframe.Itwillmaketheeconomicalcarmuchbetterinrealmofeconomyandwillbegoodforourenvironment.Keywords：FuelEfficientVeicle;Frame;Lightweight;StaticalAnalysis;MotalAnalysis;OptimizasionDesign目錄摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1節(jié)油車的研究背景 11.2HONDA節(jié)能競(jìng)技大賽的規(guī)則簡(jiǎn)介 21.3節(jié)能賽車的節(jié)能技術(shù)簡(jiǎn)介 31.4節(jié)能賽車的車架簡(jiǎn)介 41.5節(jié)能賽車車架的研究的目的和意義 61.6HQJ-500型節(jié)油車車架研究的基本內(nèi)容及技術(shù)路線 7第2章HQJ-500型車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與總體布局 82.1節(jié)油車車架選用材料 82.2節(jié)油車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 82.3節(jié)油車總體布局 82.4節(jié)油車整體質(zhì)心位置的確定 102.5本章小結(jié) 14第3章基于PRO/E的模型的構(gòu)建 153.1Pro/E軟件簡(jiǎn)介 153.2車架三維模型的構(gòu)建 153.2.1節(jié)油車車架方案一模型 163.2.2節(jié)油車車架方案二模型 203.2.3節(jié)油車車架方案三模型 233.3本章小結(jié) 26第4章有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì) 274.1有限元分析的簡(jiǎn)介 274.1.1有限元法及分析過程簡(jiǎn)介 274.1.2ANSYS軟件簡(jiǎn)介 304.2基于對(duì)該車車架分析的軟件預(yù)設(shè)置 324.2.1PRO/E和ANSYS接口的創(chuàng)建 324.2.2設(shè)置內(nèi)存與選求解器 344.3節(jié)油車車架的結(jié)構(gòu)靜力分析 384.3.1ANSYS參數(shù)的定義 384.3.2網(wǎng)格的劃分 384.3.3施加約束和載荷 394.3.4車架的結(jié)構(gòu)靜力分析 444.3.5車架靜力分析的對(duì)比及階段性結(jié)論 504.4基于實(shí)際的節(jié)油車車架優(yōu)化設(shè)計(jì) 504.4.1優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本概念 504.4.2基于實(shí)際的車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 514.4.3車架優(yōu)化設(shè)計(jì)的階段性結(jié)論 534.5車架的模態(tài)分析 534.5.1有限元模態(tài)分析簡(jiǎn)介 534.5.2優(yōu)化后車架的模態(tài)分析 534.5.3優(yōu)化后車架模態(tài)分析的結(jié)論 574.6本章小結(jié) 57結(jié)論 58參考文獻(xiàn) 59致謝 61附錄 63附錄A 63附錄B 68PAGE58緒論節(jié)油車的研究背景節(jié)能與環(huán)保是當(dāng)今世界的重要課題。汽車工業(yè)也面臨了創(chuàng)新、優(yōu)化產(chǎn)品類型的新挑戰(zhàn)，以適應(yīng)廣大民眾和社會(huì)的需求。其實(shí)，汽車的從無到有，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由追求的目標(biāo)的單一化發(fā)展到追求速度、舒適性等方面的多元化，一直在升級(jí)換代。百年間，在節(jié)約能源上有很大進(jìn)展。整車輕量化，降低輪胎的滾動(dòng)阻力，降低空氣阻力，變速器多擋及無擋化，代用燃料的使用等思想就恰恰是人們對(duì)汽車在節(jié)能領(lǐng)域的總結(jié)和探索。上個(gè)世紀(jì)八十年代的世界性課題之一就是“節(jié)能”，本田技研鉆研節(jié)能課題的成果之一，就是推出了油耗僅為160km/L的新經(jīng)濟(jì)性車型spuercub,并為紀(jì)念這一車型的推出而舉辦了節(jié)能車競(jìng)技大賽。第一屆大賽在鈴鹿賽道上舉行，比賽分為第一組合第二組兩類。第一組的參賽車輛為搭載了本田50cc沖程引擎的市售二輪車，參賽選手為16歲以上的有駕駛執(zhí)照者，是使用一定量的燃料比賽行駛多長(zhǎng)的距離的競(jìng)技。另外，第二組的參賽的車輛為搭載一臺(tái)50cc4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的原創(chuàng)車型，參賽選手為18歲以上有駕駛執(zhí)照者，是在規(guī)定的路程中以平均25km/h以上的時(shí)速行駛后比較油耗的競(jìng)技。隨著大賽舉辦次數(shù)的增多，油耗競(jìng)技的運(yùn)動(dòng)性和靠自己的智慧、技術(shù)制作車輛并不斷改良的魅力使之越推越廣，憑參賽者自己的雙手?jǐn)U大了影響，使大賽不斷成長(zhǎng)至今。21世紀(jì)節(jié)約能源、節(jié)省資源之外，環(huán)保工作也是刻不容緩。但是另一方面，能夠隨時(shí)去到自己想的地方去這種對(duì)車輛靈便性的要求也越來越高。要解決這一矛盾，除了投入科學(xué)技術(shù)之外，還需要使用者掌握經(jīng)濟(jì)智慧的使用方法。以“挑戰(zhàn)一升，環(huán)保一生”為口號(hào)的Honda節(jié)能競(jìng)技大賽，2007年正式登陸中國(guó)，參賽車輛統(tǒng)一搭載了由Honda公司提供的單缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，車身和底盤等靠自己設(shè)計(jì)。比賽時(shí)用一定量的油在跑道內(nèi)行駛，換算成一升油能在跑道上行駛多少千米，油耗少，則勝出。比賽旨在讓更多的人體會(huì)到“低油耗就是環(huán)?！?。Honda中國(guó)節(jié)能競(jìng)技大賽是以搭載Honda4沖程的發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)裝置，分為兩個(gè)組別，分別是市售車級(jí)別和節(jié)能車級(jí)別。其中節(jié)能車級(jí)別又分為學(xué)生組別、Honda關(guān)聯(lián)企業(yè)組別和普通組別。現(xiàn)在學(xué)生組別一般由高校老師帶領(lǐng)，學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦的積極參與。去年去我?！邶埥こ虒W(xué)院在2010年的Honda中國(guó)節(jié)能競(jìng)技大賽上取得了很好的成績(jī)。HONDA節(jié)能競(jìng)技大賽規(guī)則簡(jiǎn)介凡參賽的車輛必須符合大賽的規(guī)則，車手在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)行駛玩規(guī)定的路程，然后測(cè)量油耗。凡違反大賽規(guī)則的隊(duì)伍將被取消參賽資格。具體比賽的進(jìn)行流程在本說明書就不在贅述。下面就賽車規(guī)則予以簡(jiǎn)單的介紹。要求參賽車輛必須為3輪以上（包括3輪），要求其結(jié)構(gòu)無論是停止還是行駛時(shí)都為三輪以上（包括三輪）結(jié)構(gòu)且能夠站立。全高要求在1.8米以下，軸距要求在1.0米以上，全長(zhǎng)要求在3.5米以下，輪距要求在0.5米以上，全寬要求在2.5米以下，排氣管要求不能超出車身后面以及側(cè)面10厘米以上，剎車配線等結(jié)構(gòu)需要從車內(nèi)穿過，以免與地面接觸造成摩擦。在安全性上，為提高安全性，車身結(jié)構(gòu)必須保證行駛時(shí)車手的頭盔前輪車軸的后方，另外，發(fā)生沖撞時(shí)車身結(jié)構(gòu)需避免頭部直接受到撞擊。在駕駛姿勢(shì)的狀態(tài)下，車身結(jié)構(gòu)要確保車手的腳不會(huì)伸出車架的前方，車輛底板不能與地面接觸，保證車手的全身完全完全與地面脫離。車手的臀部與地面保持60厘米以上的距離且腳步有安放的位置除外。另外發(fā)生撞擊時(shí)車身結(jié)構(gòu)需避免身體直接受到撞擊。所有的參賽車輛必須將主辦方分發(fā)的號(hào)碼牌。參賽號(hào)碼粘貼在車身兩側(cè)及車輛前端清楚可見的位置，共三處。號(hào)碼牌周圍25厘米范圍內(nèi)不得粘貼于比賽無關(guān)的內(nèi)容，號(hào)碼牌丟失將無法評(píng)定成績(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)以HONDA提供的四沖程125cc發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，可自由改造，但要保證汽缸蓋、曲軸箱、曲軸使用下發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件，且排氣量在125cc以下，為自然吸氣式。賽車至少要配備兩套的獨(dú)立的制動(dòng)系統(tǒng)。并且每套系統(tǒng)都要有操作桿，需保證車手能夠獨(dú)自完成安全有效的剎車。此外，制動(dòng)鉗、制動(dòng)墊等的固定安裝也要充分考慮其安全性。制動(dòng)操作桿必須固定在車身上。所有車輛必須配備車手能以正常駕駛姿勢(shì)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的位置。但禁止靠起動(dòng)機(jī)裝置的動(dòng)力前進(jìn)。啟動(dòng)裝置只有在斷開離合器時(shí)才能啟動(dòng)。另外，在沒有制動(dòng)的情況下，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的的車子不允許前行。車輛搭載的蓄電池必須是普通市售的產(chǎn)品。前方所有的車輛需保證車手以正常駕駛姿勢(shì)行駛時(shí)正前方的事業(yè)左右寬度至少90度，而且保證不使用反射鏡、棱鏡、潛望鏡等直接可視高為80厘米的物體。所有參賽車輛為確保后方視野，必須在左右各裝備一個(gè)帶框的后視鏡。單個(gè)后視鏡的鏡面面積必須在40平方厘米以上。參賽者在比賽時(shí)必須使用主辦方供給的專用燃油和帶編號(hào)的燃油瓶，在比賽期間領(lǐng)取的燃油瓶若發(fā)生損壞，應(yīng)該予以賠償。節(jié)油賽車的節(jié)能技術(shù)簡(jiǎn)介為能提高節(jié)油車的節(jié)能特性，可考慮一下幾個(gè)方面：1、傳動(dòng)系統(tǒng)輸出功率固定為2速擋，可省略變速器，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)本身的質(zhì)量。不過，上述情況下若要車輛能夠行駛并發(fā)揮最高車速，則需通過安裝在車輪上的鏈輪齒輪比來決定。使用自行車用自由輪轂（棘輪齒輪），可以減少車輪旋轉(zhuǎn)阻力，并且可防止發(fā)動(dòng)機(jī)停止時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)造成的減速和燃油消耗。因?yàn)橐磸?fù)切換發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、慣性行駛，就必須對(duì)鏈條防松裝置中的彈簧等加以調(diào)整，防止在使用驅(qū)動(dòng)力時(shí)鏈條脫落。2、點(diǎn)火系統(tǒng)火花塞通過采用雙火花塞的形式，可以使稀薄燃燒時(shí)燃燒室內(nèi)的燃燒穩(wěn)定且充分，并且能縮短燃燒時(shí)間，減少爆震。采用雙火花塞時(shí)，要把握燃燒室的形狀，防止添加的火花塞互相干擾。另外，進(jìn)行加工時(shí)，最好事先準(zhǔn)備好半舊的汽缸蓋等供加工聯(lián)系用。點(diǎn)火系的電氣部分可借用能使2根火花塞同時(shí)點(diǎn)火的摩托車用部件。去掉交流發(fā)電機(jī)、飛輪部分以提高機(jī)械效率，使用蓄電池向火花塞提供電力，火花塞使用高壓白金V火花塞。3、汽缸對(duì)汽缸蓋上汽缸接觸面進(jìn)行磨削及研磨，同時(shí)，通過使用薄汽缸墊能提高壓縮比；通過優(yōu)化化油器到吸氣口之間的進(jìn)氣支管的長(zhǎng)度，可提高慣性吸氣的填充效果；通過將排氣管直管化并調(diào)節(jié)其長(zhǎng)度，可提高慣性排氣量；切削氣門挺桿減輕重量，并對(duì)氣門和連桿的表面進(jìn)行研磨以降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，同時(shí)防止附著過多的潤(rùn)滑油；發(fā)動(dòng)機(jī)油為比賽期間的消耗品，可采用自然落下式，卸下既有的潤(rùn)滑系統(tǒng)以減輕重量；通過研磨吸氣、排氣口內(nèi)部，減低供氣排氣摩擦阻力；由于發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)時(shí)間較少，為保溫可去掉冷卻風(fēng)扇，這樣也可減輕重量；吸氣部的各個(gè)接合部位提高氣密性可以使用填隙料等密封。4、化油器要延長(zhǎng)全開駕駛時(shí)間，可變更化油器的主噴嘴、怠速噴嘴的直徑，同時(shí)根據(jù)行駛基準(zhǔn)線測(cè)定最佳調(diào)整值（以supercub的整備信息為基礎(chǔ)調(diào)整）。另外，天氣會(huì)使最佳值發(fā)生變化，所以在比賽之前將各種天氣情況下的設(shè)定值整理成數(shù)據(jù)庫，會(huì)比較方便。5、車架為減輕底盤的重量，可以吧發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)做車架的一部分。一般來說車架也可使用方鋼材加固定螺栓的結(jié)構(gòu)，但為了減輕重量減少體積，建議使用空心圓鋼焊接而成的結(jié)構(gòu)。另外，在需要強(qiáng)度的地方，可以加入支撐件。加強(qiáng)筋等增加強(qiáng)度；座位部為了支撐車手的體重需要進(jìn)行必要加固，還要安裝靠背使車手能經(jīng)住長(zhǎng)時(shí)間駕駛，靠背還可兼做發(fā)動(dòng)機(jī)的隔板；板材可以通過開適度的孔等方法以減輕重量。6、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為確保視野，車手的駕駛姿勢(shì)以及視野要求會(huì)使車輪的設(shè)置位置受到很大限制，所以應(yīng)先確定車手的駕駛姿態(tài)；根據(jù)連桿臂的長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)向橫拉桿的長(zhǎng)度，決定方向盤舵角和實(shí)際舵角之比、內(nèi)輪差。另外，有整流罩時(shí)，還需考慮轉(zhuǎn)向時(shí)車輪和整流罩的互相干擾問題；關(guān)于前輪系統(tǒng)的定位，請(qǐng)?jiān)诖钶d了發(fā)動(dòng)機(jī)、車手就坐時(shí)車身彎曲的情況下，調(diào)整到最佳角度，并注意阻力的減輕。特別是前輪前束和外傾角最好趨于0；轉(zhuǎn)向臂的上部由于承受車輛荷重，在保持高強(qiáng)度的同時(shí)，可以在里面加入推力軸承，增加轉(zhuǎn)向的順滑性；輪胎對(duì)方向盤造成反沖，可以通過固定轉(zhuǎn)向臂安裝部位上下來調(diào)整，也可防止行駛時(shí)過度轉(zhuǎn)向。7、車輪和輪胎建議使用速度競(jìng)技的自行車的車輪和輪胎；在正式比賽時(shí)要將車輪軸承內(nèi)的潤(rùn)滑脂用清潔器清除，減少滾動(dòng)阻力；為減少輪輻造成的空氣阻力，最好使用板輪，使用輻條輪時(shí)，表面用聚乙烯板蓋住比較有效；在一小曲率半徑過彎時(shí)輪胎要承受與普通自行車不同的橫向力，為了此時(shí)保證車輪不爆胎，所以車輪和輪胎的接合，要是用更強(qiáng)的粘著劑；為減少接地面積降低滾動(dòng)阻力，輪胎內(nèi)壓要比普通競(jìng)技自行車胎壓高；輪胎為單支撐時(shí)，可以借用速度競(jìng)技用輪椅的輪轂。節(jié)油賽車車架簡(jiǎn)介若車身的骨架車架制作完成，再加上發(fā)動(dòng)機(jī)、車輪、轉(zhuǎn)向裝置、座席、整流罩，賽車即制作完成。制作車架時(shí)，需要便考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝、驅(qū)動(dòng)裝置的調(diào)整、車軸的支撐方式，轉(zhuǎn)向裝置的行駛等。下圖顯示了汽車用車架的類型，但最近的轎車廠使用這些車架的復(fù)合型甚至無骨架結(jié)構(gòu)。競(jìng)技節(jié)能大賽車輛必須更輕便、同時(shí)能支撐發(fā)動(dòng)機(jī)和車手的重量。在其中焊接管道或型鋼，組成車架最有利。但這需要焊接設(shè)備和技術(shù)做支撐。在車架的類型中，最常用的是平板式和脊骨式，自己動(dòng)手制作時(shí)需要注意轉(zhuǎn)向裝置的型式，確定車手的駕駛姿勢(shì)。另外，安裝整流罩時(shí)，要考慮車手的上下車方式和裝卸方式，車架要支撐車手、發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，請(qǐng)事先考慮駕車時(shí)的變形量后，決定各個(gè)部位的安裝角度。車架使用木材構(gòu)建時(shí)工作等會(huì)非常容易，但強(qiáng)度和剛度都不足，此時(shí)，使用帶板鋼作為補(bǔ)強(qiáng)材料會(huì)更有效。圖1.1現(xiàn)代汽車車架類型圖在節(jié)油車車架的結(jié)構(gòu)上，曾經(jīng)有人將車架抽象成兩種模型，他們分別是上浮式和下沉式。本設(shè)計(jì)的方案三就參考了所謂下稱式車架的結(jié)構(gòu)。下圖為前人的總結(jié)的兩種車架形式（上浮式和下沉式）。圖1.2上浮式車架[4]圖1.3下沉式車架[4]節(jié)油賽車車架研究的目的和意義1、車架優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的對(duì)節(jié)油車的車架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的從狹義上講：當(dāng)代大學(xué)生可以理論聯(lián)系實(shí)際，將所學(xué)用于所用，激發(fā)創(chuàng)新意識(shí)，深化專業(yè)技能，了解汽車某領(lǐng)域的發(fā)展步伐，使得工科類的大學(xué)生有一種責(zé)任感和使命感，為將來的節(jié)油車產(chǎn)品創(chuàng)造出大批設(shè)計(jì)人才；同時(shí)對(duì)節(jié)油車的車架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)更會(huì)是對(duì)我個(gè)人的一次歷練，對(duì)個(gè)人的發(fā)展同時(shí)也起到一定的奠定作用。通過設(shè)計(jì)節(jié)油車不僅可以把課堂所學(xué)的理論知識(shí)和實(shí)際操作掛鉤，還可以更多地體會(huì)設(shè)計(jì)創(chuàng)作帶來的樂趣，充分發(fā)揮個(gè)人創(chuàng)作才能。對(duì)節(jié)油車的車架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的從廣義上講：目前國(guó)際國(guó)家能源緊縮，節(jié)油車的問世具有一定的可行性和現(xiàn)實(shí)意義。目前這種國(guó)際國(guó)內(nèi)的以這種競(jìng)賽為導(dǎo)向的節(jié)油車優(yōu)化設(shè)計(jì)必然會(huì)對(duì)將來經(jīng)濟(jì)型汽車的問世起到一定的奠定作用。而通過車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)車架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)又能有效的減少車重，從而降低油耗。2、車架優(yōu)化設(shè)計(jì)的意義經(jīng)濟(jì)意義體現(xiàn)在：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)全球化的不斷加快，我國(guó)對(duì)國(guó)際能源及原材料市場(chǎng)的依賴程度不斷加大，從目前來看，國(guó)際油價(jià)和工業(yè)原材料的價(jià)格也是在不斷攀升，我國(guó)經(jīng)濟(jì)在能源領(lǐng)域比較棘手。我國(guó)的汽車保有量逐年增加，需要更多的燃油，所以節(jié)能減排是中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)需要考慮的關(guān)鍵，也值得國(guó)家重視。車架的輕量化能夠減少整車質(zhì)量，從而能使汽車達(dá)到節(jié)能減排的目的，節(jié)油了能源和資本，從而具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)意義。社會(huì)意義體現(xiàn)在：自從工業(yè)革命以來，世界工業(yè)發(fā)展飛速，能源開采量逐年增高，汽車工業(yè)發(fā)展尤為迅速，汽車保有量也呈遞增趨勢(shì)。有限的能源如何能用的更長(zhǎng)久是值得人類和社會(huì)反思的意見事情，節(jié)油車型的普及功在當(dāng)代，利在千秋。而通過這種節(jié)油車競(jìng)賽恰恰就能為節(jié)油車產(chǎn)品的問世提供有效的依據(jù)，使得能源的利用率提高，為人類社會(huì)的順延提供了有效保證。車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)是使得汽車能夠節(jié)能減排的主要手段之一，因此車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)的社會(huì)意義重大。HQJ-500型節(jié)油車車架研究的基本內(nèi)容及技術(shù)路線1、設(shè)計(jì)主要內(nèi)容及分析、校核：（1）進(jìn)行設(shè)計(jì)賽車總體布局設(shè)計(jì)；（2）進(jìn)行車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（3）進(jìn)行車架結(jié)構(gòu)有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析；（4）進(jìn)行車架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。繪制設(shè)計(jì)總圖和上述部分的結(jié)構(gòu)裝配圖、零件圖。2、技術(shù)路線分析題目，收集資料分析題目，收集資料借鑒以往經(jīng)驗(yàn)，確定設(shè)計(jì)方案HQJ-500節(jié)油車總體布局設(shè)計(jì)節(jié)油車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用ANSYSY軟件對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化對(duì)車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析完成裝配圖、零件圖完成設(shè)計(jì)說明書NOYESHQJ-500型車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與總體布局節(jié)油車車架選用材料HQJ-500型節(jié)油車車架所選用的材料是6061鋁合金。6061鋁合金的主要合金元素是鎂和硅，并形成Mg2Si相。有時(shí)還添加少量的銅和鋅，以提高合金的強(qiáng)度，而又不使其抗腐蝕性明顯下降；導(dǎo)電材料中還有少量的銅，以抵消鈦及鐵對(duì)導(dǎo)電性的不良影響；鋯或鈦能細(xì)化晶粒與控制再結(jié)晶組織；為了能改善可切削性能，可加入鉛與鉍。在Mg2Si固溶于鋁中，使合金有人工時(shí)效硬化功能。6061鋁合金中的主要合金元素為鎂和硅，具有中等強(qiáng)度、；良好的抗腐蝕性、可焊接性，氧化效果較好。美鋁6061-T651是6系合金的主要合金，是經(jīng)熱處理預(yù)拉伸工藝的高品質(zhì)鋁合金產(chǎn)品；美鋁6061具有加工性能極佳、良好的抗腐蝕性、韌性高及加工后不變形、上色容易、氧化效果極佳等優(yōu)良特點(diǎn)。主要用途：廣泛應(yīng)用于要求有一定強(qiáng)度和抗腐蝕性高的各種工業(yè)結(jié)構(gòu)件，如制造卡車。塔式建筑、船舶、電車、鐵道車輛。節(jié)油車車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)人機(jī)工程學(xué)，確定了人的腿的長(zhǎng)度的精確范圍，從而確定了置腳橫梁到前橋橫梁的縱向距離；根據(jù)駕駛員的前腳掌的活動(dòng)范圍確定了置腳橫梁到錢保險(xiǎn)杠的縱向長(zhǎng)度；根據(jù)駕駛員與臀部座椅的接觸范圍，確定了車架前橋橫梁到座椅橫梁前端的縱向距離；根據(jù)駕駛員的上身的長(zhǎng)度(以及根據(jù)駕駛員駕駛姿勢(shì)的修正)可以確定座椅各梁在縱向的相對(duì)長(zhǎng)度；根據(jù)駕駛員橫向的寬度可以確定座椅的梁的橫向?qū)挾?；根?jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的極限高度確定座椅立梁的極限高度；根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)寬高的尺寸確定了車架座椅后縱梁距離發(fā)動(dòng)機(jī)固定橫梁的距離；根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)打孔位置來確定支撐發(fā)動(dòng)機(jī)的兩個(gè)固定橫梁的相對(duì)位置；根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的高度來確定高架輔助縱梁的最低極限位置；根據(jù)選用車輪的直徑的大小和節(jié)能車大賽規(guī)定的最小離地間隙來確定后橋縱梁距離車架最下端的相對(duì)高度；根據(jù)車輪半徑確定車架后橋縱梁的長(zhǎng)度；根據(jù)駕駛員的極限視野（水平方向或豎直方向）來確定前橋上橫梁相對(duì)車架最下端的高度。節(jié)油車的總體布局現(xiàn)在市面上的汽車的車輪數(shù)一般都大于3，但是為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高傳動(dòng)效率，進(jìn)一步減少車重，減少車速器等裝置[5]。發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)齒輪直接通過鏈條和驅(qū)動(dòng)車輪(后輪)上的從動(dòng)齒輪相連并進(jìn)行動(dòng)力傳遞，所以本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的三個(gè)車架都是僅適用于前兩輪后一輪的節(jié)油車型。根據(jù)人機(jī)工程學(xué)的要求，對(duì)車手的體型和坐姿定下整車的初步初步控制尺寸進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)的測(cè)量，并在PRO/E中建模，確立了車架的寬度長(zhǎng)度、車身高度等。車架的寬度一般能滿足車手乘坐要求，并能安裝排線（剎車線、油門線、電線），車身安裝即可，盡量取小。這樣，在保證車架用料少的同時(shí)，也利于車身設(shè)計(jì)的流線型。車身高度盡量低矮，一般可以取發(fā)動(dòng)機(jī)豎直放置時(shí)的最高點(diǎn)，這個(gè)高度車手躺下時(shí)的視野一般是可以保證的。底盤高度要保證有盡量大的離地間隙，同時(shí)又不能使重心過高，以免高速轉(zhuǎn)彎時(shí)翻車。輪距軸距不及考慮太多，但要滿足大賽要求，軸距輪距的計(jì)算、前后載荷分配等是為了保證有足夠的地面附著力。我們節(jié)能車驅(qū)動(dòng)力還沒有能大到可以超過地面附著力的程度。所以只要保證不干涉即可（驅(qū)動(dòng)力的大小取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的改造，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩過大時(shí)才要考慮此因素）。三個(gè)車架的總布置尺寸：1、方案一總長(zhǎng)2997mm,總高1057mm，車架最寬907mm，軸距1861mm，輪距800mm，采用后置發(fā)動(dòng)機(jī)后輪驅(qū)動(dòng)。轉(zhuǎn)向操作方法為握把手動(dòng)式，最大轉(zhuǎn)向角20度，駕駛員采用半躺－坐姿駕駛，視線角度上下為90度，左右為120度，接近角為8度。駕駛員選用體型較小的40kg重、身高在圖2.1方案一主、側(cè)視圖2、方案二總長(zhǎng)2997mm,總高1057mm，車架最寬907mm，軸距1861mm，輪距800mm，采用后置發(fā)動(dòng)機(jī)后輪驅(qū)動(dòng)。轉(zhuǎn)向操作方法為握把手動(dòng)式，最大轉(zhuǎn)向角20度，駕駛員采用半躺－坐姿駕駛，視線角度上下為90度，左右為120度，接近角為8度。駕駛員選用體型較小的40kg重、身高在1550mm左右的女駕駛員。圖2.2方案二主、側(cè)視圖3、方案三總長(zhǎng)2710mm,總高1057mm，車架最寬907mm，軸距1880mm，輪距800mm，采用后置發(fā)動(dòng)機(jī)后輪驅(qū)動(dòng)。轉(zhuǎn)向操作方法為握把手動(dòng)式，最大轉(zhuǎn)向角20度，駕駛員采用半躺－坐姿駕駛，視線角度上下為90度，左右為120度，接近角為8度。駕駛員選用體型較小的40kg圖2.3方案三主、側(cè)視圖節(jié)油車車架整體質(zhì)心位置的確定本設(shè)計(jì)需要對(duì)節(jié)油車的靜態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。節(jié)油車的靜態(tài)穩(wěn)定性分析，首先應(yīng)該計(jì)算出整車的質(zhì)心位置[6]。當(dāng)總體布置完畢后既可以對(duì)該車的質(zhì)心位置進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)刻用計(jì)算方法來確定專用車各總成的質(zhì)量及其質(zhì)心位置坐標(biāo)，然后按照力矩平衡方程式，求出整車的質(zhì)心位置。計(jì)算公式如下：(2.1)(2.2)(2.3)(2.4)式中：——第i個(gè)總成的質(zhì)量，kg；——第i個(gè)總成的質(zhì)心到前軸中心的水平距離，m；——第i個(gè)總成的質(zhì)心距地面的距離，m；——第i總成的質(zhì)心距該車縱向?qū)ΨQ面的距離，m；——整車質(zhì)心距離地面的高度，m；a——整車質(zhì)心距前軸中心的水平距離，m；b——整車質(zhì)心距后軸中心的水平距離，m；c——整車質(zhì)心距該個(gè)縱向?qū)ΨQ面的距離，m；L——軸距，m。1、方案一的質(zhì)心求解過程533.6mm36.1mm291.8mm1327.4mm圖2.4方案一主視圖圖2.5方案一左視圖2、方案二的質(zhì)心求解過程圖2.6方案二主視圖圖2.7方案二左視圖518.2mm35.8mm268.2mm1342.8mm3、方案三的質(zhì)心求解過程圖2.8方案三主視圖圖2.9方案三左視圖556.3mm49.3mm311.3mm1323.7mm本章小結(jié)本章先對(duì)三種不同結(jié)構(gòu)的車架分別做了總體布置，確定了車的總長(zhǎng)、總寬、軸距、輪距、接近角，以及對(duì)駕駛員的要求和前方視角等，然后又對(duì)三種不同布置的節(jié)油車進(jìn)一步確定質(zhì)心的位置。通過分析比較可以初步看出方案二車架質(zhì)量最輕，重心高度最低，c值最小。進(jìn)而可知方案二行駛的穩(wěn)定性相對(duì)較好，車架成本相對(duì)較低。基于PRO/E的模型的構(gòu)建Pro/E軟件簡(jiǎn)介1985年，PTC公司成立于美國(guó)波士頓，開始參數(shù)化建模軟件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER誕生了。經(jīng)過10余年的發(fā)展，Pro/ENGINEER已經(jīng)成為三維建模軟件的領(lǐng)頭羊。目前已經(jīng)發(fā)布了Pro/ENGINEER2000i2。PTC的系列軟件包括了在工業(yè)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)等方面的多項(xiàng)功能，還包括對(duì)大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等等。Pro/ENGINEER還提供了目前所能達(dá)到的最全面、集成最緊密的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境。下面就Pro/ENGINEER的特點(diǎn)及主要模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。主要特性全相關(guān)性：Pro/ENGINEER的所有模塊都是全相關(guān)的。這就意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中某一處進(jìn)行的修改，能夠擴(kuò)展到整個(gè)設(shè)計(jì)中，同時(shí)自動(dòng)更新所有的工程文檔，包括裝配體、設(shè)計(jì)圖紙，以及制造數(shù)據(jù)。全相關(guān)性鼓勵(lì)在開發(fā)周期的任一點(diǎn)進(jìn)行修改，卻沒有任何損失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮其作用?；谔卣鞯膮?shù)化造型：Pro/ENGINEER使用用戶熟悉的特征作為產(chǎn)品幾何模型的構(gòu)造要素。這些特征是一些普通的機(jī)械對(duì)象，并且可以按預(yù)先設(shè)置很容易的進(jìn)行修改。例如：設(shè)計(jì)特征有弧、圓角、倒角等等，它們對(duì)工程人員來說是很熟悉的，因而易于使用。裝配、加工、制造以及其它學(xué)科都使用這些領(lǐng)域獨(dú)特的特征。通過給這些特征設(shè)置參數(shù)（不但包括幾何尺寸，還包括非幾何屬性），然后修改參數(shù)很容易的進(jìn)行多次設(shè)計(jì)疊代，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。數(shù)據(jù)管理：加速投放市場(chǎng)，需要在較短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)更多的產(chǎn)品。為了實(shí)現(xiàn)這種效率，必須允許多個(gè)學(xué)科的工程師同時(shí)對(duì)同一產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)。數(shù)據(jù)管理模塊的開發(fā)研制，正是專門用于管理并行工程中同時(shí)進(jìn)行的各項(xiàng)工作，由于使用了Pro/ENGINEER獨(dú)特的全相關(guān)性功能，因而使之成為可能。裝配管理：Pro/ENGINEER的基本結(jié)構(gòu)能夠使您利用一些直觀的命令，例如“嚙合”、“插入”、“對(duì)齊”等很容易的把零件裝配起來，同時(shí)保持設(shè)計(jì)意圖。高級(jí)的功能支持大型復(fù)雜裝配體的構(gòu)造和管理，這些裝配體中零件的數(shù)量不受限制。易于使用：菜單以直觀的方式聯(lián)級(jí)出現(xiàn)，提供了邏輯選項(xiàng)和預(yù)先選取的最普通選項(xiàng)，同時(shí)提供了簡(jiǎn)短的菜單描述和完整的在線幫助，這種形式使得容易使用[7]。三維模型的構(gòu)建利用PRO/E軟件構(gòu)建三個(gè)車架的模型，主要應(yīng)用了拉伸操作、構(gòu)建基準(zhǔn)面等基本操作。節(jié)油車車架方案一模型1、建模流程如下：（1）方案一手繪三維圖。圖3.1方案一手繪草圖（2）用PRO/E建模，用多步拉伸命令，創(chuàng)建車架底板模型。圖3.2車架一模型創(chuàng)建過程截圖（3）用PRO/E建模，用多步拉伸命令，進(jìn)一步創(chuàng)建車架前橋和前板斜拉梁。圖3.3車架一模型創(chuàng)建過程截圖（4）用PRO/E建模，用多步拉伸命令，進(jìn)一步創(chuàng)建車架靠椅梁及后橋立梁。圖3.4車架一模型創(chuàng)建過程截圖（5）車架方案一建模完成。圖3.5車架一模型創(chuàng)建過程截圖2、車架模型特點(diǎn)為了有效加強(qiáng)駕駛員后部、后橋前部這一部分縱梁的剛度，在上部增加了輔助縱梁，但為了使發(fā)動(dòng)機(jī)便于布置，需要使得該輔助縱梁和主縱梁的高度大于450mm。（為了便于施加約束和載荷，前橋和發(fā)動(dòng)機(jī)固定座的相應(yīng)位置出制作出了薄凸臺(tái)。）以下是反映該模型特點(diǎn)的截圖：（1）車架前底版拉伸出薄凸臺(tái)。圖3.6方便加載建模過程截圖（2）斜拉下的前底板面創(chuàng)建凸臺(tái)。圖3.7方便加載建模過程截圖（3）座椅下底板面創(chuàng)建凸臺(tái)。圖3.8方便加載建模過程截圖（4）前橋制造為方便施加約束的凸臺(tái)。圖3.9方便加約束建模過程截圖（5）固定發(fā)動(dòng)機(jī)的位置制造凸臺(tái)。圖3.10方便加載建模過程截圖節(jié)油車車架方案二模型1、建模流程如下：（1）方案二手繪三維圖。圖3.11方案二手繪草圖（2）用PRO/E建模，用多步拉伸命令，構(gòu)建模型過程截圖。圖3.12車架二模型創(chuàng)建過程截圖（3）車架方案一建模完成。圖3.13車架二模型創(chuàng)建過程截圖2、車架模型特點(diǎn)中間部分采用雙縱梁結(jié)構(gòu),為加強(qiáng)后橋的強(qiáng)度，增設(shè)了輔助斜梁，從而加強(qiáng)車架車架整體的剛度和強(qiáng)度。而且比方案一節(jié)省了一定的材料，和減少了一定的車架質(zhì)量。進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了整車的輕量化。（為了便于施加約束和載荷，前橋和發(fā)動(dòng)機(jī)固定座的相應(yīng)位置出制作出了凸臺(tái)。）以下為與該特點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的截圖：（1）模型中增設(shè)輔助縱梁，從而減少危險(xiǎn)截面應(yīng)力。圖3.14輔助縱梁截圖（2）模型中增設(shè)后橋輔助斜梁，從而減少危險(xiǎn)截面應(yīng)力。圖3.15后橋輔助斜梁截圖（3）座椅更加符合人體的尺寸。圖3.16座椅梁截圖節(jié)油車車架方案三模型1、建模流程如下：（1）手繪二維草圖。圖3.17二維手繪草圖（2）車架三維模型圖。圖3.18方案三車架建模過程截圖2、車架模型特點(diǎn)座椅和前橋的局部下沉至車架縱梁下端。一片期刊論文中將這種類型的車架命名為下沉式車架，由于本車架的獨(dú)特之處（只有一部分下沉），所以將之命名為“半下沉式車架”。（為了便于施加約束和載荷，前橋和發(fā)動(dòng)機(jī)固定座的相應(yīng)位置出制作出了凸臺(tái)。）以下是方案三車架的幾個(gè)具有特色的截圖：（1）為配合下沉的座椅，前橋前部截圖。圖3.19前橋前部截圖（2）下沉式車架的座椅部分截圖。圖3.20座椅部分截圖（3）發(fā)動(dòng)機(jī)固定部分及后橋部分結(jié)構(gòu)截圖。圖3.21后橋部分截圖（4）為方便在踏板梁處加載，構(gòu)建兩處薄凸臺(tái)。圖3.22踏板處為方便加載的凸臺(tái)截圖本章小結(jié)本章對(duì)PRO/E軟件做出了簡(jiǎn)單的介紹，對(duì)與三種不同的方案相對(duì)應(yīng)的車架構(gòu)建了模型，為接下來應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析做了很好的鋪墊。并且以截圖的形式對(duì)三種車架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)方面和后續(xù)加載的位置方面的對(duì)比?；谟邢拊ǖ姆治黾皟?yōu)化設(shè)計(jì)ANSYS軟件具有強(qiáng)大而廣泛的分析功能，主要包擴(kuò)幾何模型的建立或?qū)搿⒆詣?dòng)網(wǎng)格劃分、求解、后處理、優(yōu)化設(shè)計(jì)等許多功能及實(shí)用工具。本章主要是利用它對(duì)HQJ-500型節(jié)油車車架進(jìn)行分析。有限元分析的簡(jiǎn)介有限元法及優(yōu)化過程簡(jiǎn)介1、有限元法簡(jiǎn)介有限元法是最近二三十年發(fā)展起來的一種有效的通用計(jì)算方法，是借助于高速數(shù)字電子計(jì)算機(jī)解決問題的近似計(jì)算方法。它既包括有數(shù)學(xué)理論，又包括有程序設(shè)計(jì)技巧。它運(yùn)用離散的概念使整個(gè)問題由整體連續(xù)到分段連續(xù)；整體解析轉(zhuǎn)化為分段解析，從而使數(shù)值法與解析法互相結(jié)合，互相滲透，形成一種新的數(shù)值計(jì)算方法。也就是論把整個(gè)求算域離散成為有限個(gè)分段(子域)，而每一分段內(nèi)運(yùn)用變分法，即利用與原問題中微分方程相等價(jià)的變分原理來進(jìn)行推導(dǎo)，從而恢原問題的微分方程組退化到代數(shù)聯(lián)立方程紙使問題歸結(jié)為解線性方程組，出此得到數(shù)值解答。這種方法首先在固體力學(xué)范疇，而后在工程技術(shù)各個(gè)領(lǐng)域令得到了廣泛的應(yīng)用。眾所周知，從數(shù)學(xué)角度來看，一個(gè)工程問題往往可以用一個(gè)偏微分方程來描述，但是常常很難求得精確的解析解[16]。20世紀(jì)50年代開始，隨著電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，有限元法作為一種數(shù)值分析工具，借助于高速電子計(jì)算機(jī)的配合，使得以前這類難以處理的工程技術(shù)問題都可能獲得一個(gè)近似的計(jì)算機(jī)解。因此，有限無法引起了工程師和科學(xué)家的極大興趣?，F(xiàn)在，它已經(jīng)被公認(rèn)是一種有效的數(shù)值計(jì)算方法，被廣泛應(yīng)用于固體力學(xué)、流體力學(xué)、熱傳導(dǎo)以及電磁學(xué)等連續(xù)介質(zhì)或場(chǎng)問題這類工程技術(shù)領(lǐng)域。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，從齒輪、軸、軸承等通用零、部件到機(jī)床、汽車、飛機(jī)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力和變形分析(包括熱應(yīng)力和熱變形分析)，采用有限無法計(jì)算，都可以獲得一個(gè)足夠精確的近似解來滿足工程上的要求。有限元法分析的思想可以追溯到更早一些時(shí)候，1943年R．Courant首先提出離散化概念——將一個(gè)原來是連續(xù)的整體剖分(離散)成為有限個(gè)分段連續(xù)單元的組合，并第一次嘗試應(yīng)用三角形單元的分片連續(xù)函數(shù)來求解扭轉(zhuǎn)問題。50年代，有限元法首先用于飛機(jī)設(shè)計(jì)中，1956年M．J．Turner和R．W．Clough等人用矩陣法對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力和變形分析，應(yīng)用當(dāng)時(shí)出現(xiàn)的數(shù)字計(jì)算機(jī)，第一次給出了用三角形單元求得復(fù)雜平面應(yīng)力問題的解1960年R．W．Clough首次提出“有限元”這個(gè)名詞，有限元法作為—種數(shù)值分析方法正式出現(xiàn)于工程技術(shù)領(lǐng)域。有限元法的第一個(gè)黃金時(shí)期開始于6年代初，當(dāng)時(shí)，將一個(gè)連續(xù)體離散化為有限個(gè)單元組合體的這種有限元的概念開始在工程界流行，G．N．White比和K．O．Friedrichs采用了規(guī)則的三角形單元，從變分原理出發(fā)來求解微分方程式。1963年J．F．Besse—ling等人認(rèn)識(shí)到有限元法是里茲法的另一種形式，并且證實(shí)了它是處理彈性連續(xù)介質(zhì)問題的一種通用方法，此后有限元法才開始鞏固其地位。1965年O．C．Zienkiewicz等發(fā)表了有限元法可以應(yīng)用于所有能按變分形式計(jì)算的場(chǎng)問題、這就使有限元法得到了更廣泛的應(yīng)用。隨著有限元法在工程界和物理界日益流行，較多的應(yīng)用數(shù)學(xué)家有興趣對(duì)這個(gè)方法給予嚴(yán)格的數(shù)學(xué)論證，使有限元的第二個(gè)黃金時(shí)期大約于1968年開始。當(dāng)時(shí)，他們發(fā)表了很多關(guān)于有限無法的數(shù)學(xué)文獻(xiàn)，論證有限元法的基本原理是逼近淪，是偏微分方程及其變分形式和泛函分析相結(jié)合，并致力于估計(jì)各種單元類型離散化的誤差、收斂速度和穩(wěn)定性。1969年以后，有限元法在工程上獲得了廣泛的應(yīng)用。它作為分析飛機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一個(gè)有效方法首先應(yīng)用于航空工業(yè)部門；隨后，迅速推廣到造船、建筑、機(jī)械等各個(gè)工業(yè)部門中國(guó)科學(xué)院馮庚教授早在六七十年代在設(shè)計(jì)水壩中就應(yīng)用了有限元法，獨(dú)立地發(fā)展了有特色的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)。近年來，隨著引進(jìn)SAP、NASTRAN等—些大型通用的有限元程序，國(guó)內(nèi)有限元法的研究和應(yīng)用獲得了迅速的發(fā)展。從數(shù)學(xué)角度來看，有限元法是將一個(gè)偏微分方程化成一個(gè)代數(shù)方程組，利用計(jì)算機(jī)求解。我們知道，電算和手算不同，它不適合用于零鼓碎打的算法，而要求系統(tǒng)化的計(jì)算程序，由于電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度極快，它特別適合多次重復(fù)迭代的算法。為了應(yīng)用電算的這個(gè)特點(diǎn)來求解線性方程組，有限元法廣泛采用矩陣算法，它在大量運(yùn)算中顯示出巨大優(yōu)點(diǎn)。因此可以說，有限元法的發(fā)展借助于兩個(gè)重要的工具：在理論推導(dǎo)中采用了矩陣方法，在實(shí)際計(jì)算中使用了電子計(jì)算機(jī)。有限單元法分析問題的思路是從結(jié)構(gòu)矩陣分析推廣而來的。起源于50年代的桿系結(jié)構(gòu)矩陣分析，是把每一桿件作為一個(gè)單元，整個(gè)結(jié)構(gòu)就看作是由有限單元(桿件)連接而成的集合體。分析每單元的力學(xué)特性后，再組集起來就能建立整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)方程式，然后利用計(jì)算機(jī)求解。在工程技術(shù)領(lǐng)域研究彈性連續(xù)體在載荷和其他因素作用下產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和位移時(shí)，由于應(yīng)力、應(yīng)變和位移都是位置的函數(shù)，也就是說物體中各個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移一般是不相同的。因此，可以把彈性連續(xù)體看作由無限多個(gè)微元體所組成。這是一個(gè)具有無限多自由度的問題。為了能夠進(jìn)行數(shù)值分析，有限單元法在處理這類問題時(shí)，首先應(yīng)用離散的思想，把問題簡(jiǎn)化為具有有限個(gè)自由度的問題，然后借用結(jié)構(gòu)矩陣分析的方法處理。有限元離散化是假想把彈性連續(xù)體分割成數(shù)目有限的單元，并認(rèn)為相鄰單元之間僅在節(jié)點(diǎn)處相連。根據(jù)物體的幾何形狀特征、載荷特征、邊界約束特征等，單元有各種類型。節(jié)點(diǎn)一般都在單元邊界上。節(jié)點(diǎn)的位移分別是作為結(jié)構(gòu)的基本未知量。這樣組成的有限單元集合體，并引進(jìn)等效節(jié)點(diǎn)力及節(jié)點(diǎn)約束條件，由于節(jié)點(diǎn)數(shù)目有限，就成為具有有限自由度的有限元計(jì)算模型，它替代了原來具有無限多自由度的連續(xù)體。在此基礎(chǔ)上，對(duì)每一單元根據(jù)分塊近似的思想，假設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)來近似模擬其位移分量的分布規(guī)律，即選擇位移模式，再通過虛功原理(或變分原理或基他方法)求得每個(gè)單元的平衡方程，就是建立單元節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系。最后，把所有單元的這種特性關(guān)系，按照保持節(jié)點(diǎn)位移連續(xù)和節(jié)點(diǎn)力平衡的方式集合起來，就可以得到整個(gè)物體的平衡方程組。引入邊界約束條件后解此方程就求得節(jié)點(diǎn)位移，并計(jì)算出各單元應(yīng)力。從以上論述可以看到，有限單元法的實(shí)質(zhì)是把具有無限多個(gè)自由度的彈性連續(xù)體，理想化為只有有限個(gè)自由度的單元集合體，使問題簡(jiǎn)化為適合于數(shù)值解法的結(jié)構(gòu)型問題。因此，只要研究并確定有限大小的單元力學(xué)特性，就可根據(jù)結(jié)構(gòu)分析的方法求解，使問題得到簡(jiǎn)化[8]。2、有限元法的分析過程應(yīng)用有限單元法求解各種問題總是遵循一定的步驟。有限單元法分析過程可大概歸納為以下幾點(diǎn)：（1）彈性連續(xù)體的離散化這是有限單元法的基礎(chǔ)。所謂離散化，就是假想把被分析的彈性連續(xù)體分割成由有限個(gè)單元組成的集合體。這些單元僅僅在節(jié)點(diǎn)處連接，單元之間荷也僅由節(jié)點(diǎn)傳遞。連續(xù)體的離散化又稱為網(wǎng)格劃分。離散而成的有限單元集合體將替代原來的彈性連續(xù)體，所有的計(jì)算分析都搭在這個(gè)計(jì)算模型上進(jìn)行。因此，網(wǎng)格劃分將關(guān)系到有限元分析的速度和精度，以至計(jì)算的成敗。有限元離散過程中有一重要環(huán)節(jié)是單元類型的選擇。這應(yīng)根據(jù)被分析結(jié)構(gòu)的幾何形狀特點(diǎn)，綜合載荷、約束等全面考慮。（2）選擇單元位移模式這是單元特性分折助第一步。假設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)來模擬單元內(nèi)位移的分布規(guī)律，這個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)，通常是選擇多項(xiàng)式，稱為位移模式或位移函數(shù)。多項(xiàng)式的項(xiàng)數(shù)及階數(shù)將取決于單元的自由度數(shù)和有關(guān)解的收斂性要求。單元位移模式又要轉(zhuǎn)換成用節(jié)點(diǎn)位移來表示，所以它也決定了相應(yīng)的位移插值函數(shù)。從這里也可看到，選擇合適助位移函數(shù)是有限元分析的關(guān)鍵，它將決定有限元解答的性質(zhì)與近似程度，所以它的選樣應(yīng)遵循一定的準(zhǔn)則。（3）分析單元的力學(xué)性質(zhì)在選擇了單元類型和相應(yīng)的位移模式后，即可按幾何方程、物理方程導(dǎo)出單元應(yīng)變與應(yīng)力的表達(dá)式。然后應(yīng)用虛功原理或變分法或其他方法建立各單元助剛度短陣，即單元節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系。單元分析的另一內(nèi)容是將作用在單元上的非節(jié)點(diǎn)載荷移置到節(jié)點(diǎn)上，形成等效節(jié)點(diǎn)載荷矩陣。因?yàn)橛邢迒卧僭O(shè)載荷是作用在節(jié)點(diǎn)上，并由節(jié)點(diǎn)傳遞的。（4）整體分析，組集結(jié)構(gòu)總剛度方程整體分折的基礎(chǔ)是依據(jù)所有相鄰單元在公共節(jié)點(diǎn)上的位移相同和每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)載荷保持平衡這兩個(gè)原則。它包括兩方面內(nèi)容：一是由各單元助剛度短陣集合成整體結(jié)構(gòu)的總剛度矩陣[K]；二是將作用于各單元的等效節(jié)點(diǎn)力集合成結(jié)構(gòu)總的載陣矩陣{R}.這兩項(xiàng)就組成了整體結(jié)構(gòu)的總剛度方程：[][△]={}（4.1）（5）約束處理并求解總剛度方程引進(jìn)邊界約束條件，修正總剛度方程后，就可求得節(jié)點(diǎn)位移。求解大型聯(lián)立代數(shù)方程組的方法有很多，求解的時(shí)間占據(jù)了整個(gè)有限元計(jì)算時(shí)間的大部分。（6）計(jì)算單元應(yīng)力根據(jù)求得的位移可以求出結(jié)構(gòu)上所有感興趣部件上的應(yīng)力。并能夠繪出結(jié)構(gòu)變形圖及各種應(yīng)力分量、應(yīng)力組合的等值圖。ANSYS有限元分析軟件的簡(jiǎn)介ANSYS是一種應(yīng)用廣泛的通用有限元工程的分析軟件。功能完備的預(yù)處理器和后處理器（又稱預(yù)處理模塊和后處理模塊）使ANSYS易學(xué)易用，強(qiáng)大的圖形處理能力以及得心應(yīng)手實(shí)用工具使得使用者輕松愉快，奇特的多平臺(tái)解決方案使用戶物盡其用，且有多種平臺(tái)支持（WindowsNT、LINUX、UNIX）和異種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)浮動(dòng)能力，各種硬件平臺(tái)數(shù)據(jù)庫兼容，使其功能一致，界面統(tǒng)一。目前，ANSYS已經(jīng)廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國(guó)防、軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等工業(yè)及科學(xué)研究。ANSYS軟件含有多種分析能力，包括簡(jiǎn)單的靜態(tài)分析和復(fù)雜的非線性的模態(tài)分析，可用來求結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問題的解答。它包含了預(yù)處理、解決程序以及后處理和優(yōu)化等模塊，將有限元分析、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，已成為解決現(xiàn)代工程學(xué)問題必不可少的有力工具。ANSYS公司是有美國(guó)匹茲堡大學(xué)力學(xué)系教授、有限元法的權(quán)威、著名力學(xué)專家JohnSwanson博士于1970年創(chuàng)建而發(fā)展起來的，其總部位于賓夕法尼亞洲的匹茲堡市，目前是世界CAE行業(yè)最大的公司之一。ANSYS軟件的最初版本與今天的版本相比有很大不同，最初版本僅僅提供了熱分析及線性結(jié)構(gòu)分析功能；20世紀(jì)70年代末，圖形技術(shù)和交互操作方式應(yīng)用到了ANSYS中，使得ANSYS的使用進(jìn)入了一個(gè)全新的階段。經(jīng)過30多年的發(fā)展，如今的ANSYS軟件更加趨于完善，功能更強(qiáng)大，使用也更加方便。圖4.34方案三的車架位移云圖圖4.35方案三的車架應(yīng)力云圖2、彎扭工況下靜力分析截圖（1）方案一結(jié)構(gòu)靜力分析截圖（圖4.36和圖4.37）圖4.36方案一的車架位移云圖圖4.37方案一的車架應(yīng)力云圖（2）方案二結(jié)構(gòu)靜力分析截圖（圖4.38和圖4.39）。圖4.38方案二的車架位移云圖圖4.39方案二的車架應(yīng)力云圖（3）方案三結(jié)構(gòu)靜力分析截圖（圖4.40和圖4.41）。圖4.40方案三的車架位移云圖圖4.41方案三的車架應(yīng)力云圖車架靜力分析的對(duì)比及階段性結(jié)論通過ANSYS軟件對(duì)三個(gè)車架進(jìn)行兩種工況下的有限元結(jié)構(gòu)靜力分析，發(fā)現(xiàn)純彎曲工況下車架車架變形不顯著，應(yīng)力均不大，而發(fā)現(xiàn)在彎扭工況下車架局部變形明顯，而且車架的應(yīng)力值也較大。經(jīng)過綜合考慮，對(duì)彎扭工況的靜力分析應(yīng)該作為對(duì)三個(gè)車架進(jìn)行比較和篩選的依據(jù)。故得出以下結(jié)論：表4.1三種方案彎扭工況下的計(jì)算結(jié)果方案一方案二方案三最大位移值/mm3.0532.9254.510最大應(yīng)力值/MPa147125269由表1可知，方案三所對(duì)應(yīng)的車架的應(yīng)力最大值為269MPa，大于所選材料——6061-T6鋁合金的屈服極限241MPa，而且相對(duì)比較而言，方案三的最大位移量也是最大的，所以方案三不可取。方案一和方案二通過比較可以看出，方案二所受的最大應(yīng)力和最大位移都比方案一的要小。再結(jié)合在第二章所討論的內(nèi)容可以得出一個(gè)暫時(shí)的結(jié)論：方案二是三個(gè)方案中最好的一個(gè)方案。接下來將會(huì)對(duì)比較好的車架結(jié)構(gòu)——方案二進(jìn)行基于實(shí)際的優(yōu)化設(shè)計(jì)。基于實(shí)際的節(jié)油車車架優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本概念A(yù)NSYS除了可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力分析，還有一個(gè)非常有用的高級(jí)功能——優(yōu)化設(shè)計(jì)。它可以幫助用戶快速的找到設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案，選擇MainMenu–DesignOpt命令，可進(jìn)行ANSYS的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊。優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種尋找或確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)。所謂“最優(yōu)設(shè)計(jì)”，指的是一種方案可以滿足所有的設(shè)計(jì)要求，而且所需的支出（如重量、面積、體積、應(yīng)力、費(fèi)用等）最小。也就是說，最優(yōu)設(shè)計(jì)方案就是一個(gè)最有效率的方案。對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)方案來說，許多方面都是可以優(yōu)化的，如尺寸、形狀（如過度圓角的大小）、支撐位置、制造費(fèi)用、自然費(fèi)用和材料特性等。實(shí)際上，所有可以參數(shù)化的ANSYS選項(xiàng)都可以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。ANSYS程序提供了兩種優(yōu)化方法：零階方法和一階方法。這兩種方法可以處理絕大多數(shù)的優(yōu)化問題。零階方法是一個(gè)很完善的處理方法，可以很有效地處理大多數(shù)工程問題。一階方法基于目標(biāo)函數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)變量的敏感程度，因此更加適合于精確的優(yōu)化分析。對(duì)于這兩種優(yōu)化方法，ANSYS程序還提供了一系列的分析——評(píng)估——修正的循環(huán)過程。九是對(duì)于初始設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，對(duì)分析結(jié)果就設(shè)計(jì)要求進(jìn)行評(píng)估，然后修正設(shè)計(jì)。這一循環(huán)過程重復(fù)進(jìn)行直到所有的設(shè)計(jì)要求都滿足為止。除了這兩種優(yōu)化方法，ANSYS程序還提供了了一系列的優(yōu)化工具以提高優(yōu)化過程的效率。例如，隨機(jī)優(yōu)化分析的迭代次數(shù)是可以指定的。隨機(jī)計(jì)算結(jié)果的初始值可以作為優(yōu)化過程的起點(diǎn)數(shù)值。優(yōu)化變量是優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中的基本變量，包括設(shè)計(jì)變量（DV）、狀態(tài)變量（SV）和目標(biāo)函數(shù)。優(yōu)化變量由用戶定義的參數(shù)來指定。在ANSYS優(yōu)化中，用戶必須指出在參數(shù)集中哪些是設(shè)計(jì)變量，哪些是狀態(tài)變量，哪些是目標(biāo)函數(shù)。設(shè)計(jì)程序是指確定一個(gè)特定模型的參數(shù)的集合。一般來說，設(shè)計(jì)序列是由優(yōu)化變量的數(shù)值來確定的，但所有的模型參數(shù)（包括不是優(yōu)化變量的參數(shù)）組成了一個(gè)設(shè)計(jì)序列。分析文件是一個(gè)ANSYS的命令流輸入文件，包括一個(gè)完整的分析過程（預(yù)處理、求解、后處理）。它必須包含一個(gè)參數(shù)化模型，用參數(shù)定義模型并指出設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)。由這個(gè)文件可以自動(dòng)生成優(yōu)化循環(huán)文件，并在優(yōu)化設(shè)計(jì)中循環(huán)處理。一個(gè)合理的設(shè)計(jì)是指滿足所有給定的約束條件的設(shè)計(jì)、如果其中任一約束條件不滿足，設(shè)計(jì)就會(huì)認(rèn)為是不合理的。而最優(yōu)化設(shè)計(jì)是既滿足所有的約束條件又能得到最小目標(biāo)函數(shù)值的設(shè)計(jì)?？紤]到該節(jié)油車車架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，故在本設(shè)計(jì)中采用最原始的優(yōu)化方法——即通過多次變換不同梁段截面的方法，從而得到相對(duì)較好的結(jié)果。從前面的章節(jié)中已經(jīng)選出了一個(gè)相對(duì)最為合理的結(jié)構(gòu)——方案二。下面將對(duì)方案二進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[8]?；趯?shí)際的車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)通過用PRO/E軟件再次進(jìn)行兩次建模，得到了結(jié)構(gòu)大體相同，但在不同位置具有不同梁截面的車架，使得車架的最大應(yīng)力逐漸趨于選用材料的屈服極限應(yīng)力。從而達(dá)到了優(yōu)化車架質(zhì)量的目的。下面四幅截圖是一次變換截面和二次變換截面的位移云圖和應(yīng)力云圖。一次變換截面的是和，二次變換截面是和。圖4.42一次變換的位移云圖圖4.43一次變換的等效應(yīng)力圖圖4.44二次變換的位移云圖圖4.45二次變換的等效應(yīng)力圖車架優(yōu)化設(shè)計(jì)的階段性結(jié)論通過對(duì)車架的兩次截面變換可以得到車架優(yōu)化的階段性結(jié)論：表4.2兩次變換的計(jì)算結(jié)果變換一變換二最大位移值/mm4.0865.354最大應(yīng)力值/MPa165208通過上述位移云圖和應(yīng)力云圖可以看出，經(jīng)過變換截面，車架的最大位移量和最大應(yīng)力值都逐漸增大，但基于車架的工作特性和車架的材料的特性可以看出車架經(jīng)過兩次變換后，最終的剛度和強(qiáng)度都是非常令人滿意的。通過PRO/E質(zhì)量屬性可以查得變換一次和變換二次車架的質(zhì)量的分別為4.925kg和4.2kg。所以第二次變換截面的車架是本設(shè)計(jì)的最終優(yōu)化結(jié)果，下面將對(duì)該車架進(jìn)行模態(tài)分析。節(jié)油車車架模態(tài)分析有限元模態(tài)分析簡(jiǎn)介動(dòng)態(tài)分析用來確定慣性（質(zhì)量效應(yīng)）和阻尼起重要作用時(shí)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的動(dòng)力學(xué)特性。動(dòng)態(tài)分析通常指分析旋轉(zhuǎn)機(jī)械引起的震動(dòng)、汽車碰撞等引起的撞擊、曲軸等的交變作用力、地震沖擊波的載荷、火箭發(fā)射的隨機(jī)震動(dòng)。按照運(yùn)動(dòng)方程的求解形式的不同，動(dòng)態(tài)分析可分為模態(tài)分析、瞬時(shí)動(dòng)態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析。模態(tài)分析是動(dòng)態(tài)分析的一種。模態(tài)分析是用來確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性的一種技術(shù)，這些震動(dòng)特性包括：固有頻率、振型、振型參與系數(shù)（即在特定方向上某個(gè)振型在多大程度上參與了震動(dòng)）等。模態(tài)分析是所有動(dòng)態(tài)分析類型的最基礎(chǔ)內(nèi)容。如果要進(jìn)行諧波響應(yīng)分析或瞬態(tài)動(dòng)態(tài)分析，固有頻率和振型也是有必要的。模態(tài)分析假定結(jié)構(gòu)是線性的。任何非線性特性（如塑性單元）即使定義了也將被忽略。模態(tài)提取是用來描述特征值和特征向量計(jì)算的術(shù)語，在ANSYS中模態(tài)提取的方法有6種：Subspace（子空間）法、BlockLanczos法、PowetDynamics法、Rdduced(縮減)法、Unsymmetric（不對(duì)稱）法、Damped(阻尼)法。使用何種模態(tài)提取方法主要取決于模型的大?。ㄏ鄬?duì)于計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力而言）和具體的應(yīng)用場(chǎng)合。和其他分析一樣，ANSYS模態(tài)分析也有GUI和命令流兩種操作方式[8]。優(yōu)化后車架的模態(tài)分析最后對(duì)車架進(jìn)行模態(tài)分析，提取其空載狀態(tài)下的前幾階固有頻率及相應(yīng)振型，作為評(píng)價(jià)其動(dòng)態(tài)性能好壞的參數(shù)。將模態(tài)提取方法定為BlockLanczos，并設(shè)定提取的模態(tài)階數(shù)位6，起止頻率分別為0和100HZ，提交計(jì)算，獲得各階頻率。下面是車架的前六階振型圖。圖4.46車架第一階振型圖圖4.47車架第二階振型圖圖4.48車架第三階振型圖圖4.49車架第四階振型圖圖4.50車架第五階振型圖圖4.51車架第六階振型圖優(yōu)化后車架模態(tài)分析結(jié)論由于HQJ-500型節(jié)油車在良好的參賽路面上行駛，所以由不平路面所引起的震動(dòng)可以忽略；又因?yàn)樵撥嚊]有裝有減震器，所以也不用考慮其對(duì)震動(dòng)的影響。故只需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的震動(dòng)頻率是否與車架的固有頻率重合或接近即可。本田125cc單缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸每轉(zhuǎn)兩圈，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火一次，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的每分鐘轉(zhuǎn)速換算出發(fā)動(dòng)機(jī)每秒鐘的轉(zhuǎn)速，再根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)每秒的轉(zhuǎn)速求出發(fā)動(dòng)機(jī)在一秒內(nèi)的點(diǎn)火次數(shù)，進(jìn)一步求得發(fā)動(dòng)機(jī)的震動(dòng)頻率。表4.2以表格的形式給出了發(fā)動(dòng)機(jī)的不同情況下的轉(zhuǎn)速和震動(dòng)頻率。表4.2三種情況的分析結(jié)果怠速情況經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速情況高速情況大約轉(zhuǎn)速（r/min）140050008000發(fā)動(dòng)機(jī)震動(dòng)頻率（HZ）11.741.766.7對(duì)本車而言，需要考慮低階頻率應(yīng)該避開發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速運(yùn)轉(zhuǎn)頻率、經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)頻率、和高速運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，以避免發(fā)生共振。發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率范圍約為11.7—66.7HZ，未與車架固有頻率重合（或者可以說成是：發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率與車架固有頻率之差的絕對(duì)值相差很大）。HQJ-500型節(jié)油車車架不會(huì)與發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生共振，故第二次變換的車架的模態(tài)分析表明該車架符合工作條件。本章小結(jié)本章簡(jiǎn)要介紹了有限元分析法、ANSYS有限元分析軟件。詳細(xì)介紹了針對(duì)于該車架的有限元分析流程，其中包括了ANSYS軟件的預(yù)設(shè)置，詳細(xì)的結(jié)構(gòu)靜力分析過程，基于實(shí)際的有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)以及車架模態(tài)分析。利用車架有限元模型，研究相應(yīng)載荷及邊界約束條件的施加方法，討論了三種方案下節(jié)油車車架在彎扭工況下的應(yīng)力和變形情況，并得到階段性結(jié)論。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)得到最終可能結(jié)果，通過車架模態(tài)分析得到最終結(jié)果。綜合有限元分析的結(jié)果可以看出，二次變換使該車架的強(qiáng)度和剛度及動(dòng)態(tài)性能都滿足使用要求。結(jié)論本文運(yùn)用有所學(xué)知識(shí)，根據(jù)相關(guān)資料對(duì)車架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)運(yùn)用有ANSYS對(duì)車架進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)分析。在現(xiàn)代有限元分析軟件的支持下，在分析了車架結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的基礎(chǔ)上建立了三種不同結(jié)構(gòu)的HQJ-500型節(jié)油車車架有限元模型，進(jìn)行了車架靜力分析，全面掌握了車架的應(yīng)力分布情況，為車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了良好的理論基礎(chǔ)。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和模態(tài)分析最終得到了符合要求的車架。通過本課題的研究，最終得出以下結(jié)論：1、對(duì)壁厚較薄的節(jié)油車車架這類大型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模，采取適當(dāng)?shù)膯卧愋瓦M(jìn)行網(wǎng)格劃分，選擇適當(dāng)?shù)那蠼夥椒?，這樣不僅可以節(jié)約建模時(shí)間，同時(shí)也可以減少分析時(shí)間。另外適當(dāng)選用有限元單元也能有效提高分析精度。2、完成了車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，謹(jǐn)慎選擇了車架形式。方案三（半下沉式）的強(qiáng)度超過選用材料的屈服極限（241MPa），而且車架的最大變形量也比其它兩種方案的要大，故第三種結(jié)構(gòu)不可??；方案一的車架采用的是懸空式輔助縱梁，經(jīng)過對(duì)比，在重量與方案一相同的情況下的剛度和強(qiáng)度都不如方案二。方案二的緊貼式輔助縱梁能夠有效避免集中力的產(chǎn)生。為了同時(shí)在滿足車架本身的剛度，強(qiáng)度等前提下，盡可能的減輕車身重量，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化，通過兩次變換截面（一次變換截面的是和，二次變換截面是和），對(duì)車架進(jìn)行了基于實(shí)際的優(yōu)化設(shè)計(jì)。車架的質(zhì)量由原來的6.5kg減小到4.925kg和4.2kg。3、通過對(duì)第二次優(yōu)化的車架模型進(jìn)行模態(tài)分析。對(duì)本車而言，考慮到了低階頻率應(yīng)該避開發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速運(yùn)轉(zhuǎn)頻率、經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)頻率、和高速運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，以避免發(fā)生共振。發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率范圍約為11.7—66.7HZ，未與車架固有頻率重合（或者可以說成是：發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率與車架固有頻率之差的絕對(duì)值相差很大）。模態(tài)分析表明，車架的動(dòng)態(tài)特性較好，不會(huì)與發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生共振。參考文獻(xiàn)[1]劉惟信.汽車設(shè)計(jì)[M].北京.清華大學(xué)出版社，2001.[2]王望予.汽車設(shè)計(jì)[M].北京.機(jī)械工業(yè)出版社，2004.[3]余志生.汽車?yán)碚揫M].北京.機(jī)械工業(yè)出版社，2009.[4]周建美，王桂姣.基于有限元分析的節(jié)能車車架輕量化設(shè)計(jì)[J].天津汽車，2008.9.[5]趙曉昱，秦曉磊，周誠(chéng).SUES-1節(jié)能車改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008.9.[6]卞學(xué)良.專用汽車結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京.機(jī)械工業(yè)出版社，2007.[7]詹友剛.Pro/ENGINEER野火版3.0機(jī)械設(shè)計(jì)教程[M].北京.機(jī)械工業(yè)出版社，2007.[8]李黎明.ANSYS有限元分析實(shí)用教程[M].北京.清華大學(xué)出版社，2005.[9]劉鴻文.材料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