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SY-025-BY-3
畢業(yè)設計（論文）開題報告
學生姓名
李富鵬
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
石美玉
職稱
教授
從事
專業(yè)
車輛工程
是否外聘
□是√否
題目名稱
輕型載貨汽車車架有限元靜力學分析
一、課題研究現(xiàn)狀、選題目的和意義
1.研究現(xiàn)狀：
（1）從車架的設計方法來講，早期車架設計采用設計和試驗交叉進行。在車架結構定型之前往往經(jīng)過多輪設計，設計面對的對象是實物，需要經(jīng)過樣品制造一試驗一修改一再設計的往復，這種方式不可避免地導致整個設計過程周期長，以及人力、物力和財力資源的嚴重浪費。隨著設計驗的積累，人們將計算技術應用于汽車車架結構性能的分析及設計中。初期的車架結構性能計算是通過將車架簡化成單根縱梁，進行彎曲強度校核。這種計算方法至今還在沿用，但它顯然滿足不了汽車車架結構性能的設計要求。后來提出的車架結構扭轉(zhuǎn)強度計算方法，只能計算純扭轉(zhuǎn)工況，不能考慮車架的實際工況，并且，計算比較復雜，工作量大，在實際運用中存在著很大的困難。再后來，人們將比較設計的思想應用于車架設計中。這種設計方法是以同一類型的成熟樣車為參考來進行車架的設計，目前依然是車架結構初步設計的主要方法。但是，這種方法可能造成車架各處強度不均勻，某些局部強度富裕較大，產(chǎn)生材料浪費等現(xiàn)象。
20世紀60年代以來，由于電子計算機的迅速發(fā)展，有限元法在工程上獲得了廣泛應用。有限元法不需要對所分析的結構進行嚴格的簡化，既可以考慮各種計算要求和條件，也可以計算各種工況，而且計算精度高。有限元法將具有無限個自由度的連續(xù)體離散為有限個自由度的單元集合體，使問題簡化為適合于數(shù)值解法的問題。只要確定了單元的力學特性，就可以按照結構分析的方法求解，使分析過程大為簡化，配以計算機就可以解決許多解析法無法解決的復雜工程問題。目前，有限元法已經(jīng)成為求解數(shù)學、物理、力學以及工程問題的一種有效的數(shù)值方法。
（2）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年美國宇航員將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(zhuǎn)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親睞，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衡量與縱梁接頭區(qū)域的應力分布，而且它還忽略了扭轉(zhuǎn)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，由于計算機軟件和硬件的飛速發(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，有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度提高及普及，在微機上進行有限元分析已不再是很苦難的事情，同時有限元分析的應用得以向廣度和深度發(fā)展。
（3）目前，國內(nèi)在進行汽車車架設計時，設計人員主要采用的還是傳統(tǒng)的辦法對車架進行簡化的計算，或者由其它部門進行有限元分析計算。車架的這種設計模式導致的問題包括兩個方面：一是車架簡化計算精度不夠，為保證強度及剛度要求而使車架的設計過于安全，造成設計出的車架結構過重，增加了設計成本；二是造成車架的設計與計算分離，不利于提高車架設計人員的設計水平。為了促進車架設計水平的提高，保證整車在市場上的競爭能力，必須將車架有限元分析技術提高到戰(zhàn)略的高度上來。
綜合分析這些文獻可知，當前國內(nèi)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和車架結構在靜態(tài)扭轉(zhuǎn)、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，計算結構多用來進行結構的方案比較，離虛擬實驗的要求還有相當大的差距。
2.選題目的：
①建立車架結構有限元分析的規(guī)范化步驟，為將有限元技術應用于車架設計做好基礎性工作。
②通過運用有限元軟件對車架結構進行分析，可供車架設計有關人員提供參考。。
③對所研究的車架進行結構的靜態(tài)特性分析，為車架的設計提供理論支持。
④對車架結構的優(yōu)化進行初步探討，為優(yōu)化設計運用于車架設計進行初步的嘗試，以便于以后更好地為車架設計服務。
3.選題意義：
隨著現(xiàn)代汽車設計要求的日益提高，將有限元法運用于車架設計已經(jīng)成為必然的趨勢，主要體現(xiàn)在：
①運用有限元法對初步設計的車架進行輔助分析將大大提高車架丌發(fā)、設計、分析和制造的效能和車架的性能。
②車架在各種載荷作用下，將發(fā)生彎曲、偏心扭轉(zhuǎn)和整體扭轉(zhuǎn)等變形。傳統(tǒng)的車架設計方法很難綜合考慮汽車的復雜受力及變形情況，有限元法正好能夠解決這一問題。
③利用有限元法進行結構模態(tài)分析，可以得到車架結構的動態(tài)特性。從設計上避免車架出現(xiàn)共振的現(xiàn)象。
④通過對車架結構的優(yōu)化設計，可以進一步降低車架的重量，在保證車架性能的前提下充分的節(jié)省材料，對降低車架的成本具有重要的意義。
綜上所述，有限元法已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車設計的重要工具之一，在汽車產(chǎn)品更新速度快，設計成本低、輕量化和舒適性要求越來越高的今天，對于提高汽車產(chǎn)品的質(zhì)量、降低產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)制造成本，提高汽車產(chǎn)品在市場上的競爭能力具有重要意義。
二、設計（論文）的基本內(nèi)容、擬解決的主要問題
1.基本內(nèi)容：
結合某汽車公司生產(chǎn)實際要求，在參考以往的研究成果以及國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀，確定主要研究內(nèi)容。
(1)研究應用彈性力學、有限元、靜態(tài)分析、模態(tài)分析理論以及所有軟件基礎。
(2)車架設計方法以及設計步驟的研究。
(3)以某輕型貨車車架為參考設計車架并對其進行PROE建模，將建成的PROE車架模型導入到ANSYS中準備進行有限元分析。
(4)分析研究建立有限元模型要考慮的問題，比如結構的簡化，單元的選取，單元數(shù)量的控制，單元質(zhì)量的檢查，網(wǎng)格的布局以及連接方式的模擬。
(5)研究影響有限元分析結果的因素，比如單元厚度，單元大小，加強筋以及部件連接的模擬方法。
(6)對車架有限元模型進行剛度強度分析、模態(tài)分析；找出車架結構中需要改進的部位，并依據(jù)分析結果提車改進方案。
(7)對研究的車架進行驚呆性能評價。建立優(yōu)化分析模型進行優(yōu)化設計提出科學的改進方案。
2.擬解決的主要問題
(1)如何設計車架基本結構
(2)車架載荷及其約束的處理
(3)靜態(tài)工況下彎曲工況的分析處理
(4)計算結果的處理
(5)有限元模型的創(chuàng)建方法
(6)對模型進行加載及求解的方法
(7)對分析出的圖形、數(shù)據(jù)的處理以及如何對車架進行優(yōu)化
3、 技術路線（研究方法）
車型的選擇
車架結構形式的選擇
車架的制造工藝及材料選擇
車架的設計
車架的簡化計算
車架的應力情況的測定，包括車架的剛度、強度、可靠性和耐久性
PROE模型的建立
車架單元類型的選擇和定義
車架模型的簡化
導入ANSYS軟件并進行有限元方面分析
有限元網(wǎng)格劃分
施加載荷及載荷選項、設定約束條件，然后求解
根據(jù)ANSYS分析出的結果對已設計出的車架進行優(yōu)化
四、進度安排
(1）知識準備、調(diào)研、收集資料、完成開題報告 第1～2周（2.28～3.11）
（2） 整理資料、提出問題、撰寫設計說明書草稿、熟悉Pro/E、ANSYS軟件的使用 第3～5周（3.14～4.1）
（3）理論聯(lián)系實際分析問題、解決問題，使用Pro/E、ANSYS軟件完成中型載貨汽車車架的三維設計、強度分析等部分設計內(nèi)容，中期檢查 第6～8周（4.4～4.22）
（4）改進完成設計，改進完成設計說明書，指導教師審核，學生修改 第9～12周(4.25～5.20)
（5）評閱教師評閱、學生修改 第13周（5.23～5.27）
（6）畢業(yè)設計預答辯 第14周（5.30～6.3）
（7）畢業(yè)設計修改 第15～16周（6.6～6.17）
（8）畢業(yè)設計答辯 第17周（6.20～6.24）
五、參考文獻
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指導教師意見：
簽字： 年 月 日