本科生毕业设计（论文）开题报告（含文献综述）（ 2015 届）题目：汽车车架的有限元结构分析学生姓名胡远鹏学号 ************专业班级交通112学院名称工程学院指导教师刘达列2014年 12 月18 日1 选题的依据及意义车架作为汽车的承载基体，安装着发动机、传动系、转向系、悬架、驾驶室、货厢等有关部件和总成，承受着传递给它的各种力和力矩。
车架工作状态比较复杂，无法用简单的数学方法对其进行准确的分析计算，而采用有限元方法可以对车架的静动态特性进行较为准确的分析，从而使车架设计从经验设计进入到科学设计阶段。
汽车工业属于高技术产品，要生产出技术可靠，性能优越的汽车，不应用好的软件进行辅助设计是无法实现的。
在汽车结构设计中采用有限元结构强度分析，可以解决以往很多无法解决的问题。
实际工程结构都是复杂的超静定结构，有限元法的基本思想是将一个复杂的结构拆分成“有限”个“单元”，对这些单元分别进行分析，建立其位移内力的关系，将变分原理为工具，将微分方程化为代数方程，再将单元组装成结构，形成整体结构的刚度方程。
采用有限元分析方法将一个复杂的分析过程转变成可以解决的多个步骤，为汽车的发展，提高汽车性能，节约汽车研究成本各方面起到了很大的作用。
对汽车车架结构的分析我将采用ANSYS软件，ANSYS是全世界范围内最知名，功能最丰富，使用最多的有限元显示求解程序。
其在高速碰撞模拟，乘客的安全性分析，零件制造，机械部件的运动分析等方面都有应用领域。
2 国内外研究现状及发展趋势2.1 国内随着我们经济的高速发展，全球化进程的不断加快，汽车是保证和促进发展的一个重要工具。
汽车车架作为重型载货汽车的载体，支撑这发动机、离合器、变速器、转向器、驾驶室和箱货等所有车架上的重物，并且使用条件恶劣，情况复杂，因此车架需要足够的强度，刚度，可靠性和寿命。
有限元法已成为现代汽车设计的重要工具之一，与传统设计方法相比，它的优势在于提高汽车产品的质量，降低汽车开发和生产制造成本，提高汽车产品在市场上的竞争力。
到了上世纪80年代初，国际上较大的结构分析通用有限元程序发展到几百种，其中著名的有NASTRAN,ASKA,MARC,GTSTRUD,SAP,ADINA,ANSYS等。
ANSYS是由美国ANSYS公司开发的融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大姓通用有限元分析软件。
该软件90年代开始在我国的机械制造、航空航天、汽车交通、铁道、国防军工、土木建筑等领域得到应用，为各领域中产品设计、科学研究做出了贡献。
该分析工具不断吸取世界最先进的计算方法和计算机技术，引导着世界有限元分析软件的发展。
以其先进性、可靠性、开放型等特点，被全球工业界广泛认可。
有限元分析法是根据变分原理求解数学物理问题的数值计算方法，是随着计数机的出现而发展起来的的一种新兴的数值计算方法，是工程方法和数学方法相结合的产物。
我国有限元理论研究始于上世纪50年代末，冯康教授创立了一套现代化和系统化求解微分方程的近似方法，其内容实质是国际上的有限元法。
但是，我国的有限元法的应用比较晚，70年代中期才开始应用和推广。
目前有限元法在我国应用十分广泛，并且创造出巨大的经济效益。
随着计算机技术发展和有限元解法显示出决工程实际问题的巨大能力，许多高等院校、研究机构和软件部门得到各工业部门的大量资助，陆续研制出各种通用的有限元程序，进一步推动了有限元法的理论研究和实际应用[1]。
目前，我国利用有限元法进行汽车分析已经发展到普遍运用有限元法静强度和有限元法动态响应分析及优化分析阶段。
2002年马迅，盛勇牛以车架的部分结构的截面尺寸为优化变量，采用壳板和梁单元组合建立有限元模型，以车架变形和一阶频率为约束，在弯曲和扭转工况取得了减重13.31%的效果[4]。
2003年10月李娜采用壳板单元对机车车顶结构建立有限元模型，应用自己编制的遗传算法程序，对形状，加强筋的布置数量和位置以及界面尺寸进行了优化，减轻重量176.4kg[5]。
2004年5月杜海珍对汽车典型结构拓扑优化方法及应用进行了研究，为了解决在删除无效材料时可能出现的应力集中问题，基于围绕结构边界和空洞周围附加人工材料单元的思想，提出了一种新的基于应力及其灵敏度的优化准则[6]。
2005年4月吉林大学的余传文采用板壳单元对某重型载货汽车车架结构建立有限元模型，并对车架结构的静动态特性分析进行了研究，在建立简单的车架梁单元优化模型的基础上，以车架重梁截面尺寸为设计变量对车架进行优化分析，从车架体积和最大变形随着迭代过程的变化曲线可以看到车架的自重明显降低[12]。
2006年6月北京航空航天大学的张宏伟，张以都等人探讨了基于动力特性灵敏度分析的动力修改技术，建立某农用化车架的参数化有限元模型，并对车架进行灵敏度分析，在分析结果的指导下，进行了车架的动力修改，取得了良好的效果，为农用车改型设计和推出新产品提供了思路和设计依据[13]。
2.2 国外早在 20 世纪 40 年代，由于航空事业的飞速发展，对飞机结构提出了愈来愈高的要求，即重量轻、强度高、刚度好，人们不得不进行精确的设计和计算，正是在这一背景下，逐渐在工程中产生了矩阵力学分析方法[2]。
1941 年 Hrenikoff使用“框架变形功方法”（frame work method）求解了一个弹性问题，1943年，Courant 发表了一篇使用三角形区域的多项式函数来求解扭转问题的论文[7]，这些工作开创了有限元分析的先河。
1956 年波音公司的Turner，Clough，Martin 和 Topp 在分析飞机结构时系统研究了离散杆、梁、三角形的单元刚度表达式[8]，并求得了平面应力问题的正确解答，1960 年 Clough 在处理平面弹性问题时，第一次提出并使用“有限元方法”（finite element method）的名称[9]。
随后大量的工程师开始使用这一离散方法来处理结构分析、流体问题、热传导等复杂问题。
1967 年Zienkiewicz 和 Cheung 出版了第一本有关有限元分析的专著[10]。
1970 年以后，有限元方法开始应用于处理非线性和大变形问题，Oden 于 1972 年出版了第一本关于处理非线性连续体的专著[11]。
3 论文研究的目的和意义3.1 目的在汽车业如此发达的现代，人们对汽车质量和品质的追求也越老越高，汽车设计师和汽车制造厂需要不断的额改进自己的创新和技术来跟上人们的追求目标。
有限元分析可以很好的为汽车制造商提供很好的技术支持，作为现代汽车设计必不可少的一个分析和实验软件和方法，其为汽车的发展提供了很大的帮助，不论在节省成本和提高实验精确度。
我的目的就是通过有限元分析软件集合自己的想法研究汽车车架的构造，通过研究发现以往设计的不足，通过实验和调查解决这些问题。
ANSYS作为一款不错的有限元分析软件，我将借助于该软件进行分析和采集数据。
更重要的是不止步于目前的研究成果，争取找到创新点。
下面列出了目前要达到的目的。
（1）建立车架有限元分析方法的基本步骤，为汽车车架的有限元分析提供依据。
（2）通过有限元分析模型分析汽车车架。
（3）通过有限元模型建立车架受力的动静态模型，得出汽车受力情况。
（4）通过模型得出的结论分析车架构造优化方案，将成果用于实际汽车制造中。
3.2 意义汽车的发展是国家经济水品的一个体现，在人人追求高品质生活的现在，尤其是汽车方面的高性能追求，汽车制造商在对汽车额舒适度，安全性，平稳性，乘坐行，行驶方面等等的制作要求和水平也越来越高。
然后要想制造出比目前更高水平的汽车需要的成本就会增加，这回限制汽车的销售，所以需要一个更高的办法，在控制成本的情况下制造出更高水平的汽车。
通过对汽车构造的有限元分析可以很好的知道汽车各点的受力，了解汽车需要加强的部分和可以节省材料的部分。
结合有限元分析软件和实际实验的数据，设计出更高强度，高性能的汽车，同时将其所需材料和成本控制在理想范围。
所要做的具体如下：（1）运用有限元分析模型分析汽车受力，有助于减少汽车设计的成本，了解汽车受力情况。
（2）汽车车架在受力时会发生弯曲，传统的分析模型很难分析这一情况，有限元分析很好的解决了这一问题。
（3）通过有限元分析进行动静态受力分析，可以得到汽车车架受力的动态特性。
（4）有限元分析模型能更准确细致的分析汽车各点的受力。
3.3 设计（论文）的主要内容通过参考文献和自己的总结，我将通过有限元分析软件对汽车的构造进行分析，汽车车架最为对汽车整体的支撑，犹如人身体的脊椎，不仅要求其有足够的强度和柔韧度还要求耐久性。
通过实验列出有限元分析软件在汽车构造设计方面的具体作用和所能达到的成果，便结合实际得出的成果和预想的成果进行比较，改进不足的地方，来达到想要的成果或者超出预想的成果。
论文中用的有限元分析软件是ANSYS，通过该软件将分析汽车的受力和运动情况。
论文的设计具体按以下步骤进行：（1）介绍汽车车架的基本构造和受力情况。
（2）介绍ANSYS软件在汽车车架构造分析方面的用处。
（3）选择合适的车架进行分析。
（4）通过ANSYS建立有限元分析模型，通过有限元模型进行车架采点实行动静态分析。
（5）分析车架在弯曲，挤压，扭曲等受理情况下的应力和受力情况。
（6）分析车架设计的优化方案。
4 需要解决的主要问题在实验中，会遇到很多问题，首先是ANSYS软件的学习和掌握，做到熟练的运用该软件。
不同的汽车制造商有不同的设计概念，我需要选择合适的汽车来进行实验，（1）首先要进行ANSYS软件的学习，了解其工作范围，作业形式，使用方法。
（2）选择合适的车架样品和成本预算。
（3）选择车架上合适的载荷点和合适的运用方程进行静动态分析。
（4）应用ANSYS的参数化语言实现汽车车架的优化设计。
（5）有限元模型的建立需要切合实际，符合研究车架的特性。
5 研究方法（1）收集相关车型资料，分析承载式车身和飝承载式车身的区别，了解普遍车型的车架和个别特别的车架结构，根据研究内容选择适合的汽车车架。
（2）选择研究车架，分析车辆车架结构，分析汽车主要的受力的情况，主要的受力点和主要的受力形式，记录各点的位置，分析主要研究点和次要点。
（3）根据第二步，建立有限元分析模型，将模型和数据导入ANSYS软件。
（4）初步分析所建立模型的可行性，用其进行初步的车架应力和应变的分析，修改模型，得出比较合适的分析模型。
（5）运用模型对所选取的点进行应力和应变的动静态分析，得出各点在不同时刻的动态载荷。
（6）比较动静态分析的结果，结合实验数据和预测数据对数据的正确性和可行性进行分析。
（7）根据实验结果分析方案可行性，进行下一步动静态分析。
（8）最后得出参数，进行优化。
6 进度安排7 参考文献[1]洪恺，基于 Hyperworks 和 Ansys 的汽车车架有限元分析[D]，湖南大学，2011年；[2]李强，某重型载货车车架有限元静态及其试验研究[D]，合肥工业大学，2009年；[3]刘丹，重型载货汽车车架的有限元分析及优化[D]，合肥工业大学，2009；[4]马迅，盛勇生．车架刚度及模态的有限元分析与优化.客车技术与研究，2004；[5]李娜.铝合金车体组合优化设计:[硕士学位论文〕.大连铁道学院工学，2003.10；[6]杜海珍，汽车典型结构拓扑优化方法及应用研究:[硕士学位论文」.长沙理工大学，2004.5；[7]Courant R.Vatiational methods for the solution of problems of equilibrium and vibrations[J]，Bulletin of American Mathematical Society，1943，49：1～23；[8]Turner M J，Clough R W，Martin H C，Topp L J，Stiffness and deflection analysis of complex structures[M]，Journal of Aeronautical Sciences，1956，23：805～824；[9] Clough R W，The finite element method in plane stress analysis[M]，Proc. 2 ndConf，Electronic Computation，ASCE，Pittsburg，1960，Sept；[10]Zienkiewicz O C，Cheung Y K，The Finite Element Method in Structural and Continuum Mechanics[M].London：McGraw-Hill，1967，21～124；[11]Oden J T，Finite element for nonlinear continua[M]，New York：McGraw-Hill，1972，54～221；[12]International Journal of Vehicle Design, v 37, n 1, 2005；[13]张洪伟，张以都，王锡平，赵晓慈. 基于灵敏度分析的某农用车车架的动力修改.机械设计，2006，6；[14]颜云颜，谢里谢等主编 , 结构分析中的有限单元法及应用 , 东北大学出版社, 2000:8-27[15]张迎滨.轻型客车白车身有限元建模及动静态特性分析[D].东南大学，2004。
