车辆工程毕业设计35基于UG与ANSYS的大学生节能车HLJIT3A型结构优化设计.docx

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车辆工程毕业设计35基于UG与ANSYS的大学生节能车HLJIT3A型结构优化设计

摘要

汽车工业随着国民经济发展和交通运输体系的全面建立得到了飞速发展。

汽车车架作为汽车总成的一部分，承受着来自道路和装载的各种复杂载荷作用，并且汽车上许多重要总成件都是以车架为载体，因而车架的强度和刚度在汽车总体设计中起到非常重要的作用，节能车架的轻量化设计有助于对节能车节能提高性能。

本设计利用UG软件三维建模，有限元分析软件ANSYS对节能车车架进行绘制建模和分析研究。

分别讨论该车架静态时在纯弯曲工况和扭转工况下的静强度分析，进行静态时的刚度分析；分析车架在弯曲工况、扭转工况、搓板路工况和紧急转弯情况下的静态动强度分析。

预期分析，该车架的应力值小于材料的强度极限，是否满足设计的要求，是否强度偏大，比较经济性。

本文还进行了车架的动态分析，主要是模态分析，它是结构动态设计的核心，克服了静态方法的局限性，强调从结构的整体考虑问题。

通过对车架进行模态分析，设计中提出几种方案对车架进行了轻量化设计，优化的结果使得车架自身重量减少，节约原材料，降低生产的成本，提高汽车的燃油经济性，并且有利于环保。

关键词：

节能车车架；有限元；静力学分析；模态分析；轻量化设计

Abstract

Withthenationaleconomyandautomobiletransportationsystemhasbeentherapiddevelopmentoffullyestablished.Automobileframeassemblyaspartofavehicletowithstandtheloadfromtheroadandthevariouscomplexloads,andthecarsarebasedonmanyimportantpiecesoftheframeassemblyasthecarrier,whichframetheoverallstrengthandstiffnessinthecarDesigntoaveryimportantroletoplay,savinglightweightframedesignhelpsimproveperformanceofenergysavingvehicles.

Thethree-dimensionalmodelingsoftwaredesignedbyUG,ANSYSfiniteelementanalysissoftwaretodrawontheenergy-savingvehicleframemodelingandanalysis.Discussionoftheframe,respectively,inpurebendingstaticconditionsandtoreversetheconditionofthestaticstrengthanalysisofthestaticstiffnessanalysis;analysisofframeconditionsinbending,torsioncondition,washboardroadconditionsandemergencysituationsturnstaticdynamicstrengthanalysis.Theresultsshowthatthestressoftheframeislessthantheultimatestrengthofthematerialtomeetthedesignrequirements,buttheintensityistoolarge,sotherelativelypooreconomy.Thisframealsocarriedoutadynamicanalysis,modalanalysisaremainly,itisthecoreofthestructuredynamicdesignovercomesthelimitationsofstaticmethods,emphasizingthewholetoconsidertheissuefromthestructure.Bymodalanalysisframe,thedesignofseveraloptionsputforwardwerealightweightframedesignandoptimizationoftheresultthattheweightreductionoftheframeitself,savingrawmaterials,lowerproductioncostsandimprovevehiclefueleconomy,andconducivetoenvironmentalprotection.

Keywords：

Energysavingvehicles；Finiteelement；Staticanalysis；Mmodalanalysis；Lightweightdesign

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第1章绪论

1.1选题的背景、研究目的及意义

本田（Honda）科研工业（中国）投资有限公司主办的以“挑战一升、环保一生”为口号的Honda中国节能竞技大赛，在参与比赛的实践中，培养高素质的工程师。

在这样的背景下，汽车领域的节能和减排，对保障国民经济健康持续发展、保护我们赖以生存的环境具有重要的现实意义。

从技术方面来讲主要措施有轻量化和电子化，可以将汽车的燃料或能量消耗量、废气排放量减到最低。

汽车领域的节能和减排，对保障国民经济健康持续发展、保护我们赖以生存的环境具有重要的现实意义。

从技术方面来讲主要措施有轻量化和电子化，可以将汽车的燃料或能量消耗量、废气排放量减到最低。

节能车采用非常规车用能源或采用常规的车用燃料，采用新型车载动力装置，综合节能车的动力控制和驱动方面的先进技术，形成技术原理先进，具有新技术，新结构的汽车。

载运节能汽车包括有：

混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车、氢发动机汽车、其他新能源（如高效储能器，二甲醚）汽车等。

但针对现阶段节能竞赛仅需常规车用燃料，对其机构优化达到单位有效能源所能达到到最大期望值。

在汽车技术发展日新月异的今天，“节能、环保、安全”已成为未来汽车工业发展的主题，汽车的轻量化设计对提高车辆动力性、减少能源消耗与降低污染、结构轻量化具有重要的实际意义。

本设计为全国大学生节能车比赛用车，在详细分析节能车结构形式及工作原理基础上，完成总体方案设计，利用UG完成节能车二维结构设计并进行校核计算，分析节能车制作工艺，利用UG软件完成节能车的三维建模及虚拟装配，利用ANSYS软件对车架进行有限元分析，依据分析结果进行结构优化设计。

1.2节能车国内外研究现状

随着对汽车安全、节能、环保的不断重视，汽车车架一个关键部件，其结构产品的质量对整车的安全使用及整车的经济性的影响非常巨大的，因而对车架进行有效的优化设计计算是非常必要的。

1.2.1节能车发展历程

目前国内随着居民收入水平的提高和政府鼓励轿车进入居民家庭政策的出台，汽车正在快速进入普通家庭。

与此同时，汽车增购和换购的比例将会上升。

首次购车的目的以家用和商务为主，二次及以上购车偏向于休闲娱乐车型。

如F1赛车已成为世界广大车迷追捧的焦点。

世界一级方程式锦标赛是当今世界最高水平的赛车比赛，它与奥运会、世界杯足球赛并称为“世界三大体育”。

我们国家的赛车运动虽说还处于起步阶段，但发展势头很好，各项赛事将是一个综合性、立体性的传播载体，是众多企业展示实力与技术的一个良好平台。

大学生方程式赛车是大学生自主设计、制造的一款用于业余汽车比赛的赛车。

它具有外型小巧、重心低、易操控，加速时间短、最高车速高、转弯能力强等特点，并且成本低廉、易于维修、可靠性好，逐渐引起了人们的兴趣。

它较高的车速和灵活的转弯能力在很大程度上满足了当代青年人追求速度与感受刺激的需求，成为当代青年的热宠，人们休闲娱乐的好工具。

大学生方程式赛车更能适合大众消费者的口味，因为它不但具有赛车的各项功能和刺激而且比F1赛车还减少了一些严格的规定和限制，如轮胎的规定、风翼的规定、及使用电子辅助驾驶的规定等。

为了满足人们对大学生方程式赛车的具体需求，为了促进汽车行业的发展，对大学生方程式赛车市场需求进行分析显得尤其重要。

大学生方程式赛车在中国是一个新型的车型，随着国内油价上涨，国际原油不稳定，到底它有没有市场空间，空间有多大，我们从目标市场及人们对节能车的认识评价等方面进行了调查。

人们生活水平的提高和消费观念的转变，越来越多的人开始关注休闲娱乐，为此我们做了一个问卷调查，结果显示一定考虑和会考虑使用或购买带有竞技性和娱乐性车的人群比例为37.7%，这表明有三分之一的人群对本款车有浓厚的兴趣，喜欢本车带来的刺激性和竞争性，乐意为本车付出自己的金钱和时间，只要我们做好相应的营销活动，相信本车会有很好的前景。

不一定购买的占36%，结果如图1.1所示。

图1.1考虑购买竞技娱乐车人群的比例分布

当然不一定购买的人群也是一种潜在的消费者，如经济收入达到一定的水平后，在年轻朋友的带领下，对赛车产生浓厚兴趣后，当更有利于他们的促销方式出现时，这种潜在消费者就可能变成直接消费者。

因此本设计车型有很大的需求空间。

1.2.2节能车国内外研究状况及结果

人们不仅把汽车做为代步工具，而且越来越多的人开始喜欢充满刺激、竞争性强的赛车。

其次本车的直接销售对象为中青年，其中青年占多数，在营销推广中我们需要考虑他们的需求特点。

例如随着计算机的发展，更多的青年人从网络接受广告而不是传统的方式。

本车型与沙滩车、卡丁车的不同之处还在于其要求驾驶者必须持有驾驶执照，所以对受访对象是否拥有驾照这一项目进行了统计，其中有驾照的占到58%，调查结果如图1.4所示。

图1.2受访者有驾照比例

购车决策者的男女比例我们可以看出驾驶技能已经成为人们工作和生活中的一项基本技能，在不久的将来越来越多的人会成为汽车的消费者及使用者。

据了解，男性在购车决策中的影响较大，对有驾照的受访者进行了调查，在购车过程中是唯一决策者或决策者之一的男性人数比例高达86%，统计结果如图1.5所示。

图1.3有驾照的购车决策者男女比例

有人认为男人天生与汽车有着难解的缘分。

一家汽车销售店的店员表示，“每三个来买车的人中，至少有两个是男的。

”心理学家分析汽车能满足男性的控制欲。

从社会心理学的角度看，现代社会对男性的社会角色要求是坚强、果敢，这都与控制性有关。

尤其是驾驭一辆方程式赛车，它的高加速性、灵敏性及刺激性更是男士们追求的目标。

因此本设计车会更加受到男士们的青睐。

在家庭购车方面男性朋友自然当起了决策者的角色，因为他们更爱车、关注车，也懂车。

为了考察消费者对本款车型的价格承受能力，我们还对受访者的家庭年收入进行了统计，结果显示家庭年收入在4万元以上的人数比例占到约60%，结果如图1.6所示。

大学生方程式赛车的研发成本控制在8万元左右，实际投入生产后，由于批量生产及技术改进成本会大大降低，其销售价格在5-6万元间，所以大部分家庭是有能力来购买此车的。

综上所述，我们把目标消费群锁定在年龄介于18-35岁，有驾照并且家庭可支配收入可以用来支付汽车消费的男性身上。

图1.4家庭年收入

对汽车市场的消费需求拥有一个更加充分和明确的认识，我们进行了多角度的市场调查活动，消费者在购车过程中所考虑的因素主要包括：

汽车的动力性、加速性、安全性、油耗、车辆配置以及其他显示汽车的质量和性能的指标，通过我们对受访人群的调查可知，结果表明较多的人更加注重汽车的安全性能，这也会成为汽车的研发者和制造商需要重点关注和改进的方面，调查结果如图7所示。

调查结果显示：

购车时考虑车的安全性的人数为80，占总人数的比例为75%；其次为汽车的价格、油耗和加速性，考虑加速性的人数为51，所占的比例为48%。

这表明安全性一直是人们购车时考虑的首要因素，在满足了日常需求和安全的情况下，越来越多的人开始注重汽车所带来的速度和刺激，这要求汽车的加速时间短，最高车速高。

由此可见加速性能好，安全性能高的汽车将会受到更多人的青睐。

我们的方程式赛车正是在考虑了这些因素的情况下而设计的，相信一定会拥有很好的市场发展前景。

图1.5购车考虑关系因素图

综上所述，大学生方程式赛车具有广阔的市场空间，尤其是年龄在18-35岁之间有驾照的男性朋友对这款车情有独钟。

安全性、加速性及销售价格是大家关注的主要因素。

大学生方程式赛车满足消费者需求，在消费者的经济能力承受范围内，适应汽车市场的发展趋势，一定会在未来汽车市场中占有一席之地。

1.3研究内容及研究方法

目前，在我国还没完全开发节能车的模拟仿真实验平台及完整的节油、测控体系，只有将汽车节油工程实践和虚拟测控仿真结合起来，才能真正加快汽车节油节能的发展历程。

1.3.1研究内容

（1）节能车总体方案设计；

（2）节能车AutoCAD二维结构设计及校核计算；

（3）节能车制作工艺分析；

（4）节能车UG三维建模及虚拟装配；

（5）车架ANSYS有限元分析及结构优化设计。

1.3.2研究方法

本课题基于UG与ANSYS的大学生节能车（HLJIT-3A型）结构优化设计，应用当前CAD/CAE领域应用比较广泛的三维软件UG、有限元软件ANSYS进行节油汽车的整体结构的强度、刚度、稳定性及动态特性等方面的计算机仿真研究与分析，为我国节油汽车产品的设计、技术开发方面提供更多的理论参考，进一步提高节油节能汽车的稳定性和可靠性。

研究采用的技术流程如图1.8所示。

图1.8技术流程

第2章节能车车架整体结构方案选定

2.1节能车的工作原理与设计理念

节能竞技大赛是搭载Honda低油耗摩托车的4冲程发动机，通过动手制作挑战节能极限的竞技赛事，在等油耗的行驶中让车手走有发挥走的更远。

该赛事任何人都可以轻松参与，队员们通过自我创意，设计出世界上独一无二的赛车参与角逐，人们不仅可以感受到“创造”与“交流”的乐趣，同时还可以体会到“低油耗就是环保”。

为了把我们赖以生存的地球更完好地传递给下一代，让肩负着人类未来的年轻人通过思考和实践，亲身体会如何利用有限资源的重大意义，一起动手共同感受制作车辆的乐趣。

大赛三个理念为：

2.1.1节能减排

节能大赛是一项以注重能源，创造节约型社会为主体的活动，希望所有参赛者能够共享这种对地球环境保护的挑战精神。

现在的中国正面临着经济的快速发展，在工业化进程不断推进的同时，能源问题、环境问题变成我们迫切需要解决的课题。

自1958年起，拥有超前环保意识的Honda就开始思索起了环保课题，着手并开发了更节能更环保的发动机产品。

1981年，Honda在日本举行了首届节能竞技大赛，至今已有29届的历史。

在大赛中，选手们最大程度地有效利用能源，开拓思路，为创造全新的节能低碳生活，争相展示他们的智慧与信念。

2.1.2挑战与创造

超越家人、朋友、年龄、辈份和地域带来的各种限制，Honda希望有更多的人们来参加比赛，在竞技中互相交流，尽情享受创意与惊奇的乐趣。

面对环保的挑战，Honda不断自我超越，从50年前，Honda研发出轻便、节能的Supercub引擎开始，从不间歇、挑战极限，在上世纪八十年代，成功地将1升汽油的行驶距离从105公里提升至180公里。

而节能竞技大赛于2001年更是创造了3435公里/升的记录，这是用崭新的创意和新技术所积累的成果，是不断挑战的结果。

节能竞技大赛正是提供给大家一个共同来实现梦想和挑战的舞台。

2.1.3人人参与

简单的竞技规则，为每个人提供了一个参赛的机会。

通过体验比赛过程，培养人们丰富的创意和动手能力，体验学习和创造带来的乐趣。

如何保护我们赖以生存的地球，是目前急需解决的问题，需要社会每一成员贡献力量，而这恰好契合了节能竞技大赛创始人本田宗一郎先生的初衷，让每一个普通人都能参与到环保事业中。

在日本，超越职业、地域、年龄各种限制，每年都有来自学校、企业以及来自社会上共约500多支代表队参赛。

在提高节能环保意识的同时，更能培养动手能力与团队协作精神。

2.2节能车的主要结构方案确定

减轻汽车车身重量，可以减少燃油消耗，装配更多的装备，提高汽车的性能。

为了减少汽车重量，工程师主要从材料、工艺和结构上想办法。

高强度钢已成为近年来车身制造的首选材料。

材料与加工工艺是密切相关的，新材料的应用伴随新工艺的产生，现代汽车制造技术得到新的发展。

汽车车身各结构的形状、受力不一样，对强度、刚度、拉延和塑性变形的要求各有不同，一般要根据构件的形式、要求和的使用材料来选择冲压工艺。

过去的冲压工艺首先把钢板剪裁成冲压板料，然后冲压成为冲压件，再将各个冲压件焊接成所需要的部件。

一种新的工艺方式则将这种顺序颠倒过来，它称为“拼焊”，就是将不同厚度和不同性能的钢板剪裁后拼焊起来的一种钢板，这种拼焊钢板可以冲压加工。

采用拼焊钢板可以按照汽车的不同部位对应采用不同的板材，更好地发挥其作用。

例如在负荷大的地方采用较厚的高强度钢板，而在其他部位则使用较薄的高强度钢板。

　　拼焊采用激光焊接，经过激光焊接的拼焊钢板允许进行冲压加工，经冲压成型而成为车身上的冲压件。

拼焊钢板的应用简化了生产工艺、改善了构件性能、减轻了重量。

汽车上采用“拼焊”的部件常有侧面框架、车门内板、车身底板、立柱等。

采用轻质材料代替钢材是近年汽车制造常用的方法，铝材料已经广泛应用在发动机、轮圈、仪表板装饰及其它零部件上，但是大量用于车身制造上还是少见，主要是受到加工技术和成本的约束。

现在，还有一种镁合金已经出现在车坛上。

镁除了重量比铝轻以外，还具有比强度和比刚度高、导热导电性能好、阻尼减震和电磁屏蔽性好、易于加工成形、可以回收等优点，是理想的金属结构材料。

汽车上有60多种零部件适合采用镁合金，例如发动机零件、变速器零件、仪表板、轮圈等。

据介绍，对于使用镁金的汽车而言，一般欧洲车用镁合金9公斤至20公斤，北美车用镁合金6公斤至26公斤。

镁合金也在日本生产的汽车上采用，例如镁合金变速杆、变速箱体、车门内框、扶手等等。

由于镁是地球储量最丰富的金属元素，加上它的合金材料优点明显，越来越受到汽车业的重视。

2.2.1节能车车架设计要求

根据设计原则、目标和用户的需求特点，整车设计人员要提出被开发的车型的整车型式方案，主要包括以下几个部分：

设计参数要求：

驱动型式：

3×1；总质量：

0.12t；最高车速55km/h；最大爬坡：

20%；车身长小于3m，自重小于60kg，乘载1人，驾驶员重量小于40kg，1公升汽油能行驶里程大于300公里，行驶速度大于50km/h，能够变速，要求零部件材质轻，车身外形设计要求风阻小，流线型好，即节油又要美观。

本设计几个方面主要包括；

（1）车架的种类和型式；

（2）发动机布置和驱动型式；

（3）车头和驾驶室的型式及发动机与前轴的位置关系；

（4）轮胎的选择。

1.发动机的种类和布置型式

HLJIT-3A专用发动机。

既保持了发动机寿命长、动力强、声音轻、省油、环保等五大特点。

功能介绍：

　　单缸水冷二气门四冲程化油器发动机，具有前后轴传动输出，电和手拉两种起动方式，带发动机易起动减压功能，带下坡发动机制动，带停车变换的发动机体内一体化高档、低档、空档、停车档、倒档和档位显示，带车速里程输出，带汽车式易更换机油滤；还可以根据厂家需要选择配套4x4车、4独立悬架的前后桥和所有传动轴，可以电控方式方便的进行4x2、4x4、前桥差速锁死的变换，ECU点火器带危险工况的保护功能，还可以选装空滤器、散热器、风扇。

发动机：

HLJIT-3A型；缸径×行程：

87.5×82；最大功率：

24kW/6500r/min；点火方式：

无触点、CDI直流点火；外形尺寸：

长x宽x高（mm）：

610×587.5×519；发动机形式：

单缸、四冲程、水冷、四气门、顶置式凸轮轴、单平衡轴

压缩比：

10.2:

1；最低燃油消耗率（g/kw.h）：

≤340；润滑方式：

压力飞溅润滑；启动方式：

 电起动/手拉起动。

如图2.1所示：

图2.1发动机特性曲线

驾驶室与发动机、前轴的布置位置，可组成不同的布置结构，形成不同的整车外型，当然对使用性能也有一定的影响

方案一发动机前置前轮驱动（FF）。

优点分析：

与后轮驱动的乘用车相比较，前轮驱动乘用车的前桥轴荷大，有明显的不足转向性能；因为前轮是驱动轮，所以越过障碍的能力高；主减速器和变速器装在同一个壳体内，动力总成结构紧凑，且不需要在变速器与主减速器之间设置传动轴，车内地板凸包高度降低，有利提高乘坐舒适性；发动机布置在轴距外时，汽车的轴距可以缩短，因而有利于提高汽车的机动性；汽车的散热器布置在汽车前部，散热条件好，发动机可以得到足够的冷却；行李箱布置在汽车后部，固有足够大的行李箱空间；容易改装为客货两用车或救护车；供暖机构简单，且因管路短而供暖效率高；发动机、离合器、变速器与驾驶员位置近，所以操纵机构简单；发动机横置时能缩短汽车的总长，加上取消了传动轴等因素的影响，汽车消耗的材料明显减少，使整备质量减轻；发动机横置时，原主减速器的锥齿轮需要用圆柱齿轮取代，这又降低了制造难度，同时在装配和使用时也不必进行齿轮调整工作，此时，变速器和主减速器可以使用同一种润滑油。

缺点分析：

前轮驱动并转向需要采用等速万向节，其结构和制造工艺均复杂；前桥负荷较后轴重，并且前轮又是转向轮，故前轮工作条件恶劣，轮胎寿命短；上坡行驶时因驱动轮上的附着力减小，汽车爬坡能力降低，特别是在爬越泥泞的坡路时，驱动轮容易打滑并使汽车丧失操纵稳定性；由于后轴负荷小而且制动时轴荷要前移，后轮容易抱死并引起汽车侧滑；当发动横置时受空间限制，总体布置工作困难，维修与保养时的接近性变差；一旦发生正面碰撞事故，因发动机及其附件损失较大，维修费用高。

方案二发动机中置后轮驱动（RR）

优点分析：

动力总成布置成一体而使机构紧凑，因为发动机后置，汽车前部高度有条件降低，改善驾驶员视野；同时排气管不必从前部向后部延伸，加上可以省掉传动轴，故可向内地板凸包只需要有较低的高度用来容纳操纵机构的杆件和加强地板刚度即可，这就改善了后排座椅中间座位乘员出入的条件；整车整备质量小；乘客座椅能够布置在舒适区域；上坡行驶时，由于驱动轮上的附着力增加，爬坡能力提高；当发动机布置在轴距外时轴距短，汽车机动性能好。

缺点分析：

后轴负荷重，使汽车具有过多转向倾向，操纵性变坏；前轮附着力小，高速行驶时转向不稳定，影响操纵稳定性；行李箱在前部，受转向轮转向时要占据一定空间和改善驾驶视野的影响，行李箱体积不够大；因动力总成在后部，距驾驶员较远，所以操纵机构复杂；驾驶员发现发动机故障不如发动机前置容易；发动机后置不仅对发动机冷却和前风挡玻璃除霜带来不利，而且发动机工作噪声容易传给驾驶员，一旦汽车发生追尾事故，又会对后排乘员构成危险；受发动机高度影响，改装为客货两用车或救护车困难。

难点分析：

因车型的布置结构紧凑，选用此种布置发动机

2.轮胎方案选择

规定赛车可装备如下两套轮胎：

干胎——在检查时安装在赛车上的轮胎定义为干胎。

干胎尺寸任意，型号任意。

他们可以是光头胎，也可是有纹的

雨胎——雨胎可以是如下规定的任何