有限元分析的节能赛车车架的优化设计(附件)【字数：10746】
摘 要节能赛车的车架是节能赛车中最重要的组成部分，也是最大的基础件。其结构紧凑，能够在保证其车架强度的同时做到车架的质量轻，从而节约燃燃料获得更好的经济性。这几年对节能赛车车架结构的优化倍受关注，有很多的研究方法其中使用最多的方法就是使用有限元进行分析，其可以最大限度的模拟获得较高水准的车架，使得节能赛车更加的紧凑轻量化重而获得更好的燃料利用率。随着我国经济的不断发展，有限元技术在我国的载具领域获得广泛的应用，大大的提高了我国汽车生产行业的规格，越来越适应我国的发张的需求，以实现我国的可持续发展的战略。
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究意义和要求1
1.2国内外研究现状 2
1.3应用情景 2
第二章 车架有限元模型的建立3
2.1CATIA三维模型的建立3
2.2模型的简单分析和修改 6
2.3CATIA和ANSYS的转换6
2.4材料的选择 6
2.5MESH网格的划分 7
第三章 ANSYS车架结构的分析10
3.1静态分析 10
3.1.1弯矩工况分析 10
3.1.2扭转工况分析 12
3.1.3加速工况分析 13
3.2模态分析 15
第四章 ANSYS车架结构的优化设计20
4.1拓扑优化 20
4.2结合实际情况对车架优化 21
4.3对车架优化结果的小结 22
结束语 23
致谢 25
参考文献 26
附录 27
第一章 绪论
1.1研究意义和要求
伴随着全球汽车工业的快速发展燃油紧缺、环境污染问题成为阻碍汽车发展的一座大山，为确保汽车工业的可持续发展，节能环保成为当代汽车工业发展的主流，各大汽车厂商纷纷投入改革的潮流中。随着本田在我国举办的本田杯节能车大赛，各大高校纷纷响应也受到外界的一致的好评，节能赛车也正是在人类寻求汽车工业的可持续发展下产下的，其中汽车的轻量化是实现汽车节能的有效途径，当然节能赛车轻量化设计是在满足赛车必要的强度、刚度的基础上 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
减轻赛车的总质量，这不但节约了赛车在制造过程中对材料的使用，而且可以减少赛车在行驶过程中的有害排放．目前主要有两种途径来实现车辆轻量化：一是应用现代复合材料和轻金属等轻质材料来减轻质量；二是利用ANSYS优化设计功能来分析去除不作为承载力的部分，从而优化车架的结构挖除材料实现轻量化。
本次的研究课题主要是基于有限元的角度对车架进行轻量化的研究。车架是车身最大的基础部件，其后部承载发动机了节能赛车为后置后驱，前面两个转向轮承载其转向机构的质量，中间的前后轮之间的车架承载驾驶员的质量。节能赛车在赛道驾驶时会受到各种复杂的载荷如：弯道和坑洼路面的扭转、车架因承载驾驶员和各种零件而受到的弯矩，发动机的抖动，车身路面行驶的晃动引发车架的疲劳。在比赛中车架的性能直接的影响赛车的速度和操纵性性能等，因此在车架的设计应保证车架能够有合格的抵抗弯曲、拉升、扭转和抵抗破坏的能力。现阶段的有限元分析计算领域中有很多承载着复杂的应力，在复杂的工况下有着复杂的载荷，同时汽车的结构非常复杂包括很多零部件，而且汽车车架的设计同时为了确保驾驶人员的安全，会刻意的对车上的一些零部件重新的设计，如汽车的转向柱为了防止其发生碰撞转向柱入侵驾驶室对人员造成伤亡，加入易于吸能溃缩的中间段来防止转向柱的入侵。对车架的一部分也会做一些削薄的处理。而且在实际的汽车开发到生产的过程中,人们都是会把安全问题列在首位。在确保了驾驶人员以及乘客安全的情况下,对车架的结构进行改进,使得车架更加的轻量化，对结构进行改进，对材料的选择进行对比选择，使得车架在保证性能的同时还有很好的工艺性，同时通过有限元的手段进行结构优化来减少材料的用量,从而降低生产成本,汽车企业可以获得更加高的经济效益。这需要对车架在静态情况下的对车架的强度进行分析(通过各种不同工况来确定车架的主要受力情况),通过强度分析,从而根据对车架强度的总结分析,对些主要零部件及车架结构进行结构优化设计,达到轻量化的目的有限元分析法是一种广泛的数学力学计算方法,它的应用范围十分广阔,不仅是力学,数学,还有各种物理学,传热学,结构动力学等。基本上只要是需要用到模型分的学科就能用到有限元分析。
有限元实际在车架上的运用,有限元计算应用主要有三个方面：对车架的进行静力分析、模态分析、车架的结构的优化。对于车架的静力学结构首先做出正确的网格划分,然后通过静态车架施加弯曲,扭转,加速,制动等不同工况下的应力要求,计算出车架的实际形云图,观察期静态模型特点是模态分析和稳定性分析。通过对车架动态分析,计算出车架在不同频率下的形量以及变形集中区域,对车架的轻量化做出分析然后进行瞬时动态分析。最后可以求解一些车架的疲劳时时间就是其工作寿命等问题,还可以对其进行弹性连续体的瞬时动态分析。
1.2国内外研究的现状
有限元法的全名又叫有限单元法,有限元是他的简称。自上个世纪60年代开始至今有限元己广泛运用在各个领域。其有限单元的基本思想定义为离散化这个概念早在40年代就已经提出来了,但由于计算机刚刚出现,其运算能力低且硬件水平不可靠,人们计算机的使用非常生疏，也正是因为这个条件的限制原因,导致离散化思想没有实际的运用操作也就无法进行研究。直到50年代,英国航空教授阿吉里斯( Argyris)和他的同事运用划分网格思想成功地进行了结构分析。同一年代的美国教授克劳夫(R.W. Clough)运用三角形小单元模型对飞机结构进行了计算,并于可老夫教授在1960年的时侯第一次提出了“有限单元法”。我国著名数学教授冯康教授早在1956年就发表除了关于有限元分析的相关具有研究价值的学术论文。1965年津基威茨(0.C. Zienkienkiewics)YK. Leung通过研究宣布,有限元法适用于所有能按变分形式进行计算的场问题，这类问题可以使有限元法获得了一个更为广泛的解释,有限元法的运用也推广到更广阔的范围。[1] 国内外关于有限元在工程领域在汽车结构强度计算中的研究和运用已经日益,目前我国对车架结构的有限元优化设计研究已发展到普遍应用有限元法静态作用下强度计算和动态模块下的模态分析阶段[2]。
1.3应用情景
节能汽车未来相当长的一个时期内，短时间内电动汽车难以覆盖汽车市场（至少到2020年前）[3]，全球节能环保汽车的技术格局将呈现出多元化发展、多种技术相互融合、阶段性不均衡发展、强强联合、政府扶持的态势[4]。节能汽车也可以在短时间缓解急剧恶化的环境，各大厂商不断的提交汽车的各项指标提高车辆的经济性来吸引消费者。在短时间内会成为各大汽车厂商的重点宣传指标和取得市场的重要手段。
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究意义和要求1
1.2国内外研究现状 2
1.3应用情景 2
第二章 车架有限元模型的建立3
2.1CATIA三维模型的建立3
2.2模型的简单分析和修改 6
2.3CATIA和ANSYS的转换6
2.4材料的选择 6
2.5MESH网格的划分 7
第三章 ANSYS车架结构的分析10
3.1静态分析 10
3.1.1弯矩工况分析 10
3.1.2扭转工况分析 12
3.1.3加速工况分析 13
3.2模态分析 15
第四章 ANSYS车架结构的优化设计20
4.1拓扑优化 20
4.2结合实际情况对车架优化 21
4.3对车架优化结果的小结 22
结束语 23
致谢 25
参考文献 26
附录 27
第一章 绪论
1.1研究意义和要求
伴随着全球汽车工业的快速发展燃油紧缺、环境污染问题成为阻碍汽车发展的一座大山，为确保汽车工业的可持续发展，节能环保成为当代汽车工业发展的主流，各大汽车厂商纷纷投入改革的潮流中。随着本田在我国举办的本田杯节能车大赛，各大高校纷纷响应也受到外界的一致的好评，节能赛车也正是在人类寻求汽车工业的可持续发展下产下的，其中汽车的轻量化是实现汽车节能的有效途径，当然节能赛车轻量化设计是在满足赛车必要的强度、刚度的基础上 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
减轻赛车的总质量，这不但节约了赛车在制造过程中对材料的使用，而且可以减少赛车在行驶过程中的有害排放．目前主要有两种途径来实现车辆轻量化：一是应用现代复合材料和轻金属等轻质材料来减轻质量；二是利用ANSYS优化设计功能来分析去除不作为承载力的部分，从而优化车架的结构挖除材料实现轻量化。
本次的研究课题主要是基于有限元的角度对车架进行轻量化的研究。车架是车身最大的基础部件，其后部承载发动机了节能赛车为后置后驱，前面两个转向轮承载其转向机构的质量，中间的前后轮之间的车架承载驾驶员的质量。节能赛车在赛道驾驶时会受到各种复杂的载荷如：弯道和坑洼路面的扭转、车架因承载驾驶员和各种零件而受到的弯矩，发动机的抖动，车身路面行驶的晃动引发车架的疲劳。在比赛中车架的性能直接的影响赛车的速度和操纵性性能等，因此在车架的设计应保证车架能够有合格的抵抗弯曲、拉升、扭转和抵抗破坏的能力。现阶段的有限元分析计算领域中有很多承载着复杂的应力，在复杂的工况下有着复杂的载荷，同时汽车的结构非常复杂包括很多零部件，而且汽车车架的设计同时为了确保驾驶人员的安全，会刻意的对车上的一些零部件重新的设计，如汽车的转向柱为了防止其发生碰撞转向柱入侵驾驶室对人员造成伤亡，加入易于吸能溃缩的中间段来防止转向柱的入侵。对车架的一部分也会做一些削薄的处理。而且在实际的汽车开发到生产的过程中,人们都是会把安全问题列在首位。在确保了驾驶人员以及乘客安全的情况下,对车架的结构进行改进,使得车架更加的轻量化，对结构进行改进，对材料的选择进行对比选择，使得车架在保证性能的同时还有很好的工艺性，同时通过有限元的手段进行结构优化来减少材料的用量,从而降低生产成本,汽车企业可以获得更加高的经济效益。这需要对车架在静态情况下的对车架的强度进行分析(通过各种不同工况来确定车架的主要受力情况),通过强度分析,从而根据对车架强度的总结分析,对些主要零部件及车架结构进行结构优化设计,达到轻量化的目的有限元分析法是一种广泛的数学力学计算方法,它的应用范围十分广阔,不仅是力学,数学,还有各种物理学,传热学,结构动力学等。基本上只要是需要用到模型分的学科就能用到有限元分析。
有限元实际在车架上的运用,有限元计算应用主要有三个方面：对车架的进行静力分析、模态分析、车架的结构的优化。对于车架的静力学结构首先做出正确的网格划分,然后通过静态车架施加弯曲,扭转,加速,制动等不同工况下的应力要求,计算出车架的实际形云图,观察期静态模型特点是模态分析和稳定性分析。通过对车架动态分析,计算出车架在不同频率下的形量以及变形集中区域,对车架的轻量化做出分析然后进行瞬时动态分析。最后可以求解一些车架的疲劳时时间就是其工作寿命等问题,还可以对其进行弹性连续体的瞬时动态分析。
1.2国内外研究的现状
有限元法的全名又叫有限单元法,有限元是他的简称。自上个世纪60年代开始至今有限元己广泛运用在各个领域。其有限单元的基本思想定义为离散化这个概念早在40年代就已经提出来了,但由于计算机刚刚出现,其运算能力低且硬件水平不可靠,人们计算机的使用非常生疏，也正是因为这个条件的限制原因,导致离散化思想没有实际的运用操作也就无法进行研究。直到50年代,英国航空教授阿吉里斯( Argyris)和他的同事运用划分网格思想成功地进行了结构分析。同一年代的美国教授克劳夫(R.W. Clough)运用三角形小单元模型对飞机结构进行了计算,并于可老夫教授在1960年的时侯第一次提出了“有限单元法”。我国著名数学教授冯康教授早在1956年就发表除了关于有限元分析的相关具有研究价值的学术论文。1965年津基威茨(0.C. Zienkienkiewics)YK. Leung通过研究宣布,有限元法适用于所有能按变分形式进行计算的场问题，这类问题可以使有限元法获得了一个更为广泛的解释,有限元法的运用也推广到更广阔的范围。[1] 国内外关于有限元在工程领域在汽车结构强度计算中的研究和运用已经日益,目前我国对车架结构的有限元优化设计研究已发展到普遍应用有限元法静态作用下强度计算和动态模块下的模态分析阶段[2]。
1.3应用情景
节能汽车未来相当长的一个时期内，短时间内电动汽车难以覆盖汽车市场（至少到2020年前）[3]，全球节能环保汽车的技术格局将呈现出多元化发展、多种技术相互融合、阶段性不均衡发展、强强联合、政府扶持的态势[4]。节能汽车也可以在短时间缓解急剧恶化的环境，各大厂商不断的提交汽车的各项指标提高车辆的经济性来吸引消费者。在短时间内会成为各大汽车厂商的重点宣传指标和取得市场的重要手段。
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