1、哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）开题报告- 1 -本科毕业论文（设计）开 题 报 告论文题目 某货车车架轻量化设计 班 级 姓 名 院（系） 汽车工程学院 导 师 开题时间 2013 年 12 月 24 日 哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）开题报告- 2 -1课题研究的目的和意义汽车问世百余年来，特别是从汽车产品的大批量生产及汽车工业的大发展以来，汽车为世界经济的大发展、为人类进入现代生活产生了无法估量的巨大影响。今天，在发达国家，汽车的普及已经达到很高的程度，在美国平均每个家庭拥有各种汽车 2、3 辆；虽然中国的汽车人均拥有量远低于发达国家水平，但是由于中国巨大的市场和国际汽车工业对中国
2、汽车工业的影响，中国汽车工业经过 50 年的风雨历程，已形成一个比较完整的工业体系。任何问题都有两面性，汽车工业的发展为人们带入现代生活的同时也带来了许多问题 12，例如，一、能源问题，每年汽车的石油消耗量保持在近 100 亿桶，并每年以一定的速度增加，而世界石油资源只能开采几十年，煤炭资源也只够开采一百来年，人类面临着严重的能源危机，节能环保成为工业领域不可避免的课题，汽车工业同样不可避免。二、环境问题，汽车每年向大气排放大约几亿吨的有害气体，占大气污染物的 60以上，被认为大气污染的“头号杀手” 。汽车尾气中 C02、CO、HC 是大气污染的主要有害气体，特别是 C02 温室效应近年来倾向
3、日趋明显。汽车作为现代化社会大工业的产物，在推动人类文明向前跃进并给人类生活带来了便捷舒适的同时，对大自然生态环境的恶化也有着难以推卸的责任。目前世界汽车的保有量超过 6 亿辆，每年新生产的各种汽车约 3500 万辆，汽车每年的石油消耗量约占世界每年石油产量的一半以上。随着人们对环境保护的日益重视，以缓解石油资源紧缺所带来的能源危机，节能环保技术越来越多为广大汽车公司所采用，车辆轻量化是降低能量消耗的有效措施之一，资料表明，车重减轻 10%，燃油消耗可降低 6%-8%3。普遍认为客车、货车的车架骨架质量占整车质量的 60%，对于专用车，车架所占的质量比例则更大，因此减小车架质量可为车辆轻量化提
4、供最大的潜力。轻量化还可以减少原材料的消耗，降低车辆的生产成本。本课题就是在上述背景下提出的，目的在于研究载货车车架结构使之受力合理，等强度及等寿命设计。对重型车的车架进行以减轻自重为目标的结构优化，提出车架的轻量化方案，在保证承载能力的前提下有效降低质量，一定程度上起到节能的作用。最终达到保证载货车在性能和功能不受影响或有所提高的情况下，减轻载货车车架质量。2国内外研究现状受到能源和环境保护的压力，世界汽车工业很早就开始了轻量化的研究。虽然应用轻金属、现代复合材料是现代车辆轻量化研究的热点之一，但是这些新材料应用在主要承载部件上的成本较高，因此在短时间内很难普及 4。另一哈尔滨工业大学本科毕
5、业论文（设计）开题报告- 3 -方面，车辆的传统材料钢材，由于其强度高、成本低、工艺成熟，并且是最适于回收循环利用的材料，因此利用钢材实现轻量化的可能性备受关注。1994 年,国际钢铁协会成立了由来自全世界 18 个国家的 35 个钢铁生产企业组成的 ULSAB(Ultra-Light Steel Auto Body)项目组，其目的是在保持性能和不提高成本的同时，有效降低钢制车身的质量。ULSAB 项目于 1998 年 5 月完成，其成果是显著的。ULSAB 试制的车身总质量比对比车的平均值降低 25%，同时扭转刚度提高 80%，弯曲刚度提高 52%，一阶模态频率提高 58%，满足碰撞安全性要
6、求，同时成本比对比车身造价降低 15%5。从 1997 年 5 月启动的 ULSAC (Ultra-Light Steel Auto Closures)、ULSAS(Ultra-Light Steel Auto Suspension)和 1999 年 1 月启动的 ULSAB_AVC(AdvancedVehicle Concepts)为 ULSAB 的后续项目，也在轻量化研究上取得很大成 68。除了以上提到的国际上著名的四个轻量化项目外，全世界范围内对基于结构优化的轻量化技术也进行了大量的研究。韩国汉阳大学J.K.Shin、K.H.Lee、S.I.Song 和 G.J.Park 应用 ULSA
7、B 的设计理念和组合钢板的工艺，对轿车前车门内板进行了结构优化，成功地使前车门内板的质量减重8.72%，此技术己在韩国一家汽车企业中得到应用 9。通用汽车公司的 R.R.MAYER、密西根大学的 N.KIKUCHI 和 R.A.SCOTT应用拓扑优化技术以碰撞过程中最大吸收能量为目标对零件进行优化设计。此技术已应用到一款轿车的后围结构上 10。瑞典 Linkoping University 的 P.O.Marklund 和 L.Nilsson 从碰撞安全性角度对轿车 B 柱进行了减重研究。研究以 B 柱变形过程中的最大速度为约束变量，以 B 柱各段的厚度为优化变量，以质量为优化目标，实现在不降
8、低安全性能的条件下减重 25%11。美国航天航空局兰利研究中心的 J.Sobieszczanski Sobieski 和 SGI 公司的 S.Kodiyalam 以及福特汽车公司车辆安全部门的 R.Y.Yang 共同进行了轿车的 BIP(Body In Prime)基于 NVH(噪声、振动、稳定性)和碰撞安全性要求下的轻量化研究，实现了在不降低性能的条件下减重 15Kg12。从上面的文献中,可知国外的汽车结构轻量化研究主要可分为四类:(1) 提出先进的设计理念，发展先进的制造工艺并通过尺寸参数优化而得到新的轻量结构；(2) 将拓扑优化和形状优化引入到结构轻量化过程中；(3) 利用硬件优势，大量
9、考虑动态过程(如碰撞、振动过程)中的各种约束，对尺寸参数进行优化而得到轻量结构，主要强调安全性；(4) 提出和应用新的现代优化算法，并引入到结构轻量化过程中、哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）开题报告- 4 -国内对基于结构优化的车辆轻量化研究开展也很多，在车架的轻量化方面，吉林工业大学的黄金陵曾经在对影响车架结构强度和刚度的因素进行理论分析的基础上，运用惩罚函数法得到了汽车车架各梁截面参数的最佳值 13。河北工学院的冯国胜曾经在有限元分析的基础上，采用复合形法和罚函数法对汽车车架结构参数进行了实例优化计算 14。此外，国内对轿车和客车的结构轻量化做了大量的研究 1518。由国内外的研究现状可
10、以看出，目前国内外对车辆的轻量化都主要集中在车身上，对车架的轻量化研究也集中在对轿车和客车的研究，真正将轻量化应用到重型车和专用车结构方面的还相当少。对于车架占据绝大部分质量的专用车辆来说，减小其车架质量可为车辆轻量化提供最大的潜力挖掘空间。依据国内外研究现状，目前对轿车和客车骨架应用有限元法进行静力分析和模态分析，并在此基础上对结构进行分析和改进己是常用的技术手段，但对于一些需求量相对较少，产量不高的重型车和专用车，有限元技术还没有得到广泛使用。本文将有限元法引入重型专用车的设计、分析和结构优化工作中，既解决企业设计生产过程中的实际问题，也有较高的应用价值。3. 本课题的研究内容及技术方案本
11、文的研究对象为 EQ1290W 载重汽车车架，论文的任务侧重于对车架的结构有限元分析，完成其轻量化设计研究。主要内容包括：1.车架设计参照 EQ1290W 载重汽车相关参数进行车架设计；2. 车架有限元建模先在 CATIA 中建立其三维几何模型，在此基础上利用 ANSYS 建立其有限元模型及边界条件；3. 典型工况下车架静态分析根据实际车架受力情况对车架进行加载,分析各种工况下车架的静态强度和刚度,对静态性能进行评估；4. 车架质量的优化设计在满足强度和刚度的前提下，使其质量尽可能小，并做优化后的结构分析，检验方案的可行性；4. 本设计的特色ANSYS 是大型的通用有限元软件，其功能强大，可靠
12、性好，具有强大的结构分析能力和优化设计模块，因而被国外大多数汽车公司所采用。哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）开题报告- 5 -本文将基于 ANSYS 建立车架结构的实体单元模型，对汽车车架结构进行静力的研究。首先，对 ANSYS 进行了简要的介绍，为车架结构进行有限元分析做好准备工作；其次，以某重型载货汽车车架结构为研究对象，利用 ANSYS建立了车架结构有限元的实体单元模型，对车架建模过程进行了研究；再次，对车架结构的静态特性进行深入研究，对车架进行性能分析评价；最后，建立车架结构简单的梁单元优化模型，以车架纵梁截面尺寸作为设计变量，以车架总体积为设计目标，运用 ANSYS 优化模块对车架
13、结构的轻量化设计进行有益的尝试。5. 进度安排第 1 周至第 3 周：搜集资料，写开题报告；第 4 周至第 7 周：确定车架的基本结构；第 8 周至第 10 周：建立车架的三维实体模型；第 11 周至第 16 周：轻量化设计；第 17 周：撰写说明书；第 18 周：准备答辩。6. 参考文献1靳福来，汽车轻量化技术现状，汽车技术，1995，7：56582华润兰，论汽车轻量化，汽车工程，1994，209(6)：3753833 B.Honf., G.Bremana, Light-weight Body-current Status and Future Challengers,Chenises-Ge
14、rman Ultra-Light Symposium, Beijing, 2001, (9):2012074 冯美斌，汽车轻量化技术中新材料的发展及应用，汽车工程，2006，28(3)：213220 哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）开题报告- 6 -5 Ultra-Light Steel Auto Body Final Report, Porsche Engineering Services, Inc. March 19986 Ultra-Light Steel Auto Closures Final Report, Porsche Engineering Services, Inc.May
15、 20017 Ultra-Light Steel Auto Suspension Final Report, Lotus Engineering Services, Inc.January 20018 ULSAB-Advanced Vehicle Concepts Final Report, Porsche Engineering Services, Inc. June 20019 J.-K. Shin, K.-H. Lee, S.-I. Song, et al., Automotive Door Design with the ULSABConcept using Structural Op
16、timization, Struct Multidisc Optim 23:32032710 R.R.Mayer, N.Kikuchi, R.A.Scott, Application of Topological Optimization Techniques to Structural Crashworthiness, International Journal for NumericalMethods inEngineering, Volume 39, Issue 8:1383140311 P.O.Marklund and L.Nilssom, Oprimization of a car
17、body component subjected to side impact, Struct Multidisc Optim 21:38339212 J.Sobieszczansiki-Sobieski, S.Kodiyalam, R.Y.Yang, Optimization of car body under constraints of noise, vibration, and harshness (NVH)and crash, Struct Multidisc Optim 22:29530613 黄金陵，汽车车架结构元件参数的优选，汽车技术，1984，(1)：202114 冯国胜，汽车车架结构参数的优化设计，汽车技术，1994，(3)：61115 桂良进，周长路，范子杰，某型载货车车架结构轻量化设计，汽车工程，哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）开题报告- 7 -2003，(4)：40340616 刘竹清，丁能根，全承载式客车车身结构优化设计，机械科学与技术，2004，(1)：687017 孟床功，徐宝云，低地板城市电动客车车架结构有限元分柞及其轻量化设计，机械研究与应用，2004，(3)：515218 石琴，基于现代设计理论的车身结构设计方法研究，博士研究生学位论文 合肥，合肥工业大学，2006开题报告检查组意见：组长（签字）：年 月 日
