轻型载货汽车车架有限元静力学分析-开题报告

毕业设计（论文）开题报告

学生姓名 系部 汽车与交通工程学院 专业、班级

指导教师姓名 职称 教授 从事

专业 车辆工程 是否外聘 □是√否

题目名称 轻型载货汽车车架有限元静力学分析

一、课题研究现状、选题目的和意义

1.研究现状：

（1）从车架的设计方法来讲，早期车架设计采用设计和试验交叉进行。在车架结构定型之前往往经过多轮设计，设计面对的对象是实物，需要经过样品制造一试验一修改一再设计的往复，这种方式不可避免地导致整个设计过程周期长，以及人力、物力和财力资源的严重浪费。随着设计验的积累，人们将计算技术应用于汽车车架结构性能的分析及设计中。初期的车架结构性能计算是通过将车架简化成单根纵梁，进行弯曲强度校核。这种计算方法至今还在沿用，但它显然满足不了汽车车架结构性能的设计要求。后来提出的车架结构扭转强度计算方法，只能计算纯扭转工况，不能考虑车架的实际工况，并且，计算比较复杂，工作量大，在实际运用中存在着很大的困难。再后来，人们将比较设计的思想应用于车架设计中。这种设计方法是以同一类型的成熟样车为参考来进行车架的设计，目前依然是车架结构初步设计的主要方法。但是，这种方法可能造成车架各处强度不均匀，某些局部强度富裕较大，产生材料浪费等现象。

20世纪60年代以来，由于电子计算机的迅速发展，有限元法在工程上获得了广泛应用。有限元法不需要对所分析的结构进行严格的简化，既可以考虑各种计算要求和条件，也可以计算各种工况，而且计算精度高。有限元法将具有无限个自由度的连续体离散为有限个自由度的单元集合体，使问题简化为适合于数值解法的问题。只要确定了单元的力学特性，就可以按照结构分析的方法求解，使分析过程大为简化，配以计算机就可以解决许多解析法无法解决的复杂工程问题。目前，有限元法已经成为求解数学、物理、力学以及工程问题的一种有效的数值方法。

（2）在国外，从60年代起就开始运用有限元法进行汽车车架结构强度和刚度的计算。1970年美国宇航员将NASTRAN有限元分析程序引入汽车结构分析中，对车架结构进行了静强度有限元分析，减轻了车架的自重，是最早进行车架轻量化的分析。当前，国外各大汽车公司利用有限元软件进行车架结构静态分析、模态分析的技术已非常成熟，其工作重心已转向瞬态响应分析、噪声分析、碰撞分析等领域。特别是随机激励响应分析备受亲睐，主要是因为它可用来进行车辆的强度、刚度、振动舒适性和噪声等方面的分析。

国外将有限元法引入到车架强度计算比较早，而我国大约是在七十年代末才把有限元法应用于车架的结构强度设计分析中。在有限元法对汽车车架结构的分析中，早期多采用梁单元进行结构离散化。分析的初步结果是令人满意的，但由于梁单元本身的缺陷，例如梁单元不能很好的描述结构较为复杂的车架结构，不能很好的反映车架衡量与纵梁接头区域的应力分布，而且它还忽略了扭转时截面的翘曲变形，因此梁单元分析的结果是比较粗糙的。而板壳单元克服了梁单元在车架建模和应力分析时的局限，基本上可以作为一种完全的强度预测手段。近十年来，由于计算机软件和硬件的飞速发展，板壳单元逐渐被应用到汽车车架结构分析中，使分析精度大为提高，有过去的定性或半定量的分析过度到定量阶段。随着计算机软、硬件技术的发展，特别是微机性能的大幅度提高及普及，在微机上进行有限元分析已不再是很苦难的事情，同时有限元分析的应用得以向广度和深度发展。

（3）目前，国内在进行汽车车架设计时，设计人员主要采用的还是传统的办法对车架进行简化的计算，或者由其它部门进行有限元分析计算。车架的这种设计模式导致的问题包括两个方面：一是车架简化计算精度不够，为保证强度及刚度要求而使车架的设计过于安全，造成设计出的车架结构过重，增加了设计成本；二是造成车架的设计与计算分离，不利于提高车架设计人员的设计水平。为了促进车架设计水平的提高，保证整车在市场上的竞争能力，必须将车架有限元分析技术提高到战略的高度上来。

综合分析这些文献可知，当前国内对于有限元法应用于车架结构分析的研究只是限于对车架和车架结构在静态扭转、弯曲载荷以及几种极限工况载荷作用下的分析，得出车架结构的静态应力分布，并对其进行了局部的修改，由于软硬件对计算模型规模的限制，模型的细化程度不够，因而结构的刚度、强度分析的结构还比较粗略，计算结构多用来进行结构的方案比较，离虚拟实验的要求还有相当大的差距。

2.选题目的：

①建立车架结构有限元分析的规范化步骤，为将有限元技术应用于车架设计做好基础性工作。

②通过运用有限元软件对车架结构进行分析，可供车架设计有关人员提供参考。。

③对所研究的车架进行结构的静态特性分析，为车架的设计提供理论支持。

④对车架结构的优化进行初步探讨，为优化设计运用于车架设计进行初步的尝试，以便于以后更好地为车架设计服务。

3.选题意义：

随着现代汽车设计要求的日益提高，将有限元法运用于车架设计已经成为必然的趋势，主要体现在：

①运用有限元法对初步设计的车架进行辅助分析将大大提高车架丌发、设计、分析和制造的效能和车架的性能。

②车架在各种载荷作用下，将发生弯曲、偏心扭转和整体扭转等变形。传统的车架设计方法很难综合考虑汽车的复杂受力及变形情况，有限元法正好能够解决这一问题。 ③利用有限元法进行结构模态分析，可以得到车架结构的动态特性。从设计上避免车架出现共振的现象。

④通过对车架结构的优化设计，可以进一步降低车架的重量，在保证车架性能的前提下充分的节省材料，对降低车架的成本具有重要的意义。

综上所述，有限元法已经成为现代汽车设计的重要工具之一，在汽车产品更新速度快，设计成本低、轻量化和舒适性要求越来越高的今天，对于提高汽车产品的质量、降低产品开发与生产制造成本，提高汽车产品在市场上的竞争能力具有重要意义。

二、设计（论文）的基本内容、拟解决的主要问题

1.基本内容：

结合某汽车公司生产实际要求，在参考以往的研究成果以及国内外发展的现状，确定主要研究内容。

(1)研究应用弹性力学、有限元、静态分析、模态分析理论以及所有软件基础。

(2)车架设计方法以及设计步骤的研究。

(3)以某轻型货车车架为参考设计车架并对其进行PROE建模，将建成的PROE车架模型导入到ANSYS中准备进行有限元分析。

(4)分析研究建立有限元模型要考虑的问题，比如结构的简化，单元的选取，单元数量的控制，单元质量的检查，网格的布局以及连接方式的模拟。

(5)研究影响有限元分析结果的因素，比如单元厚度，单元大小，加强筋以及部件连接的模拟方法。

(6)对车架有限元模型进行刚度强度分析、模态分析；找出车架结构中需要改进的部位，并依据分析结果提车改进方案。

(7)对研究的车架进行惊呆性能评价。建立优化分析模型进行优化设计提出科学的改进方案。

2.拟解决的主要问题

(1)如何设计车架基本结构

(2)车架载荷及其约束的处理

(3)静态工况下弯曲工况的分析处理

(4)计算结果的处理

(5)有限元模型的创建方法

(6)对模型进行加载及求解的方法

(7)对分析出的图形、数据的处理以及如何对车架进行优化 三、技术路线（研究方法）

车型的选择

车架结构形式的选择

车架的制造工艺及材料选择

PROE模型的建立

导入ANSYS软件并进行有限元方面分析 车架单元类型的选择和定义

车架模型的简化

有限元网格划分

施加载荷及载荷选项、设定约束条件，然后求解

根据ANSYS分析出的结果对已设计出的车架进行优化 车架的设计

车架的应力情况的测定，包括车架的刚度、强度、可靠性和耐久性 车架的简化计算

四、进度安排

(1）知识准备、调研、收集资料、完成开题报告 第1～2周（2.28～3.11）

（2） 整理资料、提出问题、撰写设计说明书草稿、熟悉Pro/E、ANSYS软件的使用 第3～5周（3.14～4.1）

（3）理论联系实际分析问题、解决问题，使用Pro/E、ANSYS软件完成中型载货汽车车架的三维设计、强度分析等部分设计内容，中期检查 第6～8周（4.4～4.22）

（4）改进完成设计，改进完成设计说明书，指导教师审核，学生修改 第9～12周(4.25～5.20)

（5）评阅教师评阅、学生修改 第13周（5.23～5.27）

（6）毕业设计预答辩 第14周（5.30～6.3）

（7）毕业设计修改 第15～16周（6.6～6.17）

（8）毕业设计答辩 第17周（6.20～6.24）

五、参考文献

[1]刘惟信．汽车设计[M]．北京：清华大学出版社,2006.1

[2]汽车车身结构与设计[M]．北京：机械工业出版社

[3]余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2010.1[4]姜勇，张波．ANSYS7.0基础教程与实例详解[M]．北京：中国水利水电出版社

[5]詹友刚.Pro/ENGINEER中文野火版4.0曲面设计教程[M].北京：机械工业出版社，2009.1

[6]刘坤，吴磊.ANSYS有限元方法精解[M].北京：国防工业出版社，2004.8

[7]段进，倪栋，王国业．ANSYS10.0结构分析从入门到精通[M]．北京：兵器工业出版社，2006.10

[8]李正网．基于ANSYS的中性货车车架结构分析和优化研究．重庆交通大学硕士学位论文，2009

[9]刘新田，黄虎，刘长虹等．基于有限元的汽车车架静态分析．上海工程技术大学学报，2007，6：112～116

[10]文晁云,曹利钢,陈立伟,张晓宇.基于ANSYS的螺簧车架静态强度分析[J],机械设计与制造2009(6)

[11]牛跃文. 基于ANSYS的矿用汽车车架有限元模态分析[J],煤矿机械2007,28(4)

[12]叶勤．轻型载货汽车车架有限元分析与优化．武汉理工大学硕士学位论文，2007

[13]钟佩思，赵丹，孙雪颜，魏群.基于ANSYS的汽车车架的建模与模态分析[j],机械设计与制造，2008（6）

[14]尹辉俊,志林.沈光烈货车车架的有限元分析[J]械设计 2005(11)

[15]安晓卫.马星国.祝宝发汽车车架的有限元模态分析[J], 沈阳工业学院学报1999（04）

指导教师意见：

签字： 年 月 日