毕业设计（论文）-节能车车架设计与优化.doc

毕毕业业设设计计说说明明书书节能车车架设计与优化节能车车架设计与优化专专业业车辆工程车辆工程学生姓名学生姓名班班级级车辆车辆133133学学号号指导教师指导教师完成日期完成日期20172017年年55月月2020日日盐城工学院本科生毕业设计说明书2017节能车车架设计与优化节能车车架设计与优化摘要:节能车竞技大赛是是一项考验赛车节油性能的比赛，所以比赛车辆要做到轻量化的要求。本课题主要研究的是设计一个适合节能车的桁架式车架，在保证轻量化的同时，还能保证车架的刚度要求。设计将基于Catia软件的零部件设计模块对车架进行三维建模，根据车架的整体数据以及自己在各个主要部件的设计的详细数据，对车架进行参数化设计。对设计完成的车架，将会进行线框处理，并且在Ansys软件的StaticStructural模块中进行静力学分析，主要对车架的静载工况和扭转工况进行分析。对分析完成的车架进行车架的扭转刚度计算，并且对车架进行结构上的优化，优化的目的在于增加其刚度的同时，能减轻车架的重量。关键词:车架；桁架结构；设计；分析；优化盐城工学院本科生毕业设计说明书2017Designandoptimizationofcarframeoftheenergy-savingcarAbstract:Thiscompetitionistheracetotestthefueleconomysothevehiclesneedtobelightweight.Themainresearchofthisprojectistodesignatrussframethatissuitablefortheenergyefficientcarwhichcanguaranteethestiffnessoftheframewhileensuringthelightweight.DesignbasedoncomponentdesignmoduleofCatiasoftwareframefor3dmodelingaccordingtotheframeofthewholedataanddetaileddatainthedesignofthemainpartsoftheirowntheparametricdesignoftheframe.CompleteframeforthedesignwillwireframeprocessingandinansyssoftwareStaticStructuralstaticsanalysismodulemainlyontheframeofStaticloadworkingconditionandtwistingworkingconditionwereanalyzed.Completeframeforanalysiscalculationoftorsionalrigidityofframeandtheframestructureoptimizationtheaimofoptimizationistoincreaseitsstiffnessatthesametimetoreducetheweightoftheframe.Keywords:FrameTrussstructureDesignAnalysisOptimization盐城工学院本科生毕业设计说明书2017目目录录1.绪论.11.1Honda节能车大赛简介.11.2汽车车架概述.11.3研究内容.32.节能车架的设计要求及参数.52.1节能车车架的结构确定.52.2大赛有关车架的规则确定.52.3车架材料类型的选择.72.4节能车车架的相关参数的确定.83.节能车车架的设计.103.1节能车车架前环的设计.103.2节能车车架主环设计.103.3节能车车架的整体设计.113.4节能车车架管件的应用.124.节能车车架的分析.144.1节能车车架静载工况分析.144.2节能车架扭转工况分析.204.3节能车车架人机工程分析.215.节能车车架的优化与优化后分析.245.1车架结构的优化.245.2车架管件的优化.245.3优化后车架静载工况分析.265.4优化后车架的扭转工况分析.266.结论.28参考文献.29致谢.30附录.31盐城工学院本科生毕业设计说明书201711.绪论1.1Honda节能车大赛简介Honda中国节能竞技大赛是由本田技研工业（中国）投资有限公司举办的分为燃油组和EV组的竞技赛事。其中，燃油组竞技比赛时搭载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。在这一项比赛中，参赛队伍分为学生组和企业组，其中的学生组是由全国各大高校的学生自己组建队伍来参加比赛。参赛的队伍需要在24分54秒34的时间内行驶10379m的距离，油耗量最少的队伍将获胜。组委会每年举行一次比赛，这是对车辆的轻量化和发动机调校的综合考验。Honda节能竞技大赛的表赛宗旨是“节能、环保”，其中参加比赛的学生组都是来个全国各大高校的学生，节能竞技大赛为他们提供了一个展现他们各自潜力、能力的平台，同时也给了一个大家相互交流学习的平台。在规定时间内制作一辆赛车，每个参赛队伍都要考虑到设计制作的合理性，因为这个关系到整个车辆结构的协调和资金的利用。在比赛时，首先还要通过组委会的严格的车辆检测，这个是对车辆的安全性和车辆是否按照组委会的规则制作的检测。然后就是10379m的长距离检测，这个就检测了车辆的节能性和车辆的可靠性。所以，学生在制作赛车的时候，就必须将所有的问题考虑进去，比如轻量化、制动和转向的可靠性等等，这是学生综合能力的考验。所以，节能竞技大赛在给在校大学生一个竞技平台的同时，也在为国家的汽车行业培养新一批具有创新等各方面优点的人才，为国家汽车行业的发展提供了动力。1.2汽车车架概述现如今，汽车作为代步工具已经深入我们的生活，在生活中，随处可见汽车的身影，有轴距较小的家用轿车，还有载重量大的工程用车，所以，汽车在我们的生活中扮演着越来越重要的角色。现在的车辆中，我们可以概括的是，车辆都拥有车身、底盘、发动机和电器设备四大部分组成。由于研究的方向是节能车的车架的设计和优化，所以，这里对汽车车身部分做研究介绍的方向。随身时代的进步，科学技术的发展，现代汽车的车身车架种类越来越多，我们总结可以分为承载式和非承载式两类：1.承载式（1）一体式金属车架：一体式金属车架，就是我们一般看到的家用轿车上面使用的车身，如图1-1，这一类是车架与车身合为一体的车架，整个车身的外壳属于车架的一部分。这样的车架具有较轻的重量，并且有利于车辆外形的设计，能保证车辆的高度较低，在高速行驶时能保证车辆的行驶平稳性。但是一体式金属车架的各组件一般都是采用高节能车车架设计与优化2压冲压机冲压而成，这就需要专用的设备，而且前期资金和技术投入较大，所以这种车架适合大规模生产，不适合中小规模批量生产。图1-1承载式车身（2）一体式复合材料车架：一体式复合材料此类车架的结构形式与一体式金属车架相同，如图1-2，只是所需要的的材料是像碳纤维或者玻璃纤维这种复合材料。复合材料相对于常用的金属材料在同等质量下拥有更高的强度和刚度，所以这类车架的重量在各类车架中是最轻的，并且可塑性好，不易变形。但是这类车架需要专用的加工模具，而且复合材料的成本较高。图1-2一体式复合材料车架2非承载式（1）大梁式大梁式的非承载式的车身车架如图1-3所示，一般使用在像卡车这样的工程用车上，这一类的车架也叫作底盘大梁架，上面很多的横纵梁构成一个矩形结构。车架承载着整个车体，发动机、悬挂和车身都安装在车架上，车架通过前后悬架装置与车轮联接。车架上有用于固定车身的螺孔以及固定弹簧的基座。所以这一类的车架可以承受大吨位的物体，但是大梁质量很大，并且不易于整个车辆的造型设计。盐城工学院本科生毕业设计说明书20173图1-3大梁式车架（2）桁架式桁架式金属车架即采用金属管件焊接成具有空间三角结构的框架，如图1-4所示，车上其他的零部件全都安装在这个框架上。这种车架生产工艺简单，只需要焊接或者铆接就可以完成车架，车架各个部分易于定位，而且加工成本低廉。在质量相同的情况下，桁架式车架往往可以获得比承载式车架更强的刚度。图1-4桁架式车架1.3研究内容本次设计的设计任务是设计一个符合节能大赛竞技要求的节能车车架，设计的车架要符合以下几点要求：（1）符合节能竞技大赛的规则；（2）能保证赛车的其它部件能安装到车架上彼此间无干涉；（3）在保证车架刚度的前提下，尽可能保证车架的轻量化。所以，只有在满足这几点要求的情况下，才能让车架能够保证赛车的竞争力和行驶平稳性，最主要的就是能保证赛车在遇到突发事件时，能够保证车手的安全性。首先，在设计节能车车架的前期，先是资料的查阅，通过对现在国内外车身车架的发展趋势，结合自身的情况来确定车架的结构。然后就是数据的采集，用于选择车架的制作材料。接下来就是最重要的，赛车各个部件在车架上安装时的各个参数的确定，这个关系到车架的整体设计和整体布局。做好了这些以后就是车架的设节能车车架设计与优化4计了，通过各个参数的确定来设计出车架的结构模型。当然，设计完车架之后就是车架的有限元分析，借助workbench为结构的改进、设计提供理论依据。在catia中建模完成的车架导入到ansys中，处理完数据后在ANSYSWORKBENCH中的DM模块建模，然后对车架进行网格划分等处理，最终得出设计的车架的整个扭转工况、弯曲工况、转弯制动以及模态分析的分析报告，通过对不同工况下车架的发生的不同变形以及分析报告所表现的问题，最终再对车架进行优化，这样得出的车架才是基本符合前面所讲述的符合要求的节能车车架。盐城工学院本科生毕业设计说明书201752.节能车架的设计要求及参数2.1节能车车架的结构确定在1.2中汽车车架的概述中，已经对现代车辆的使用的车架进行了简单的分析，承载式的车身虽然在造型以及对整个车的性能发挥有很大的帮助，但是无论是一体式金属车架还是一体式复合材料车架制作成本都很高，而且赛车的行驶速度为25kmh以上，这个速度并不是很快，所以适合高速状态下的承载式的车身车架不适合我们使用。对于非承载式的车身车架，相对于承载式的来讲，在制作、定位以及成本消耗上，是明显占优的，但是考虑到赛车整体的刚度要求以及保护车手的安全方面来讲，这次，节能车的车架我选择桁架式结构来进行设计。2.2大赛有关车架的规则确定在Honda中国节能竞技大赛大赛规则（燃油组)中对节能车的车架的要求是如图2-1：a.赛车全高不得超过1.8m；b.轴距在1.0m以上；c.全长不得超过3.5m；d.轮距不得小于0.5m；e.全宽不得超过1.7m。图2-1规则出示图同时，规则上还有补充就是:1.为提高安全性，车身结构必须保证行驶时车手的头盔前端位于前轮车轴的后方。另外，发生冲撞时车身结构需避免头部直接受到撞击。2.在驾驶姿势的状态下，车身结构要确保车手的脚丌会伸到车架（踏板）的前方。车辆底板不能与地面相接触，保证车手的全身完全不地面脱离。但车手的臀部节能车车架设计与优化6需与地面保持60mm以上的距离，且脚部有安放的位置除外。另外发生冲撞时车身结构需避免身体直接受到撞击。以上便是节能竞技大赛对参赛车辆的队伍在设计车辆时的要求，其实，规则对于整个赛车设计限制还是很小的，这个和大赛的理念“设计、创新”是相符合的。所以，不只是在设计车架，在整个车辆的设计过程中，设计者可以加入自己很多的想法，这样设计的赛车就多种多样，启发的思维就很多，到时候在交流的时候就会有更多的东西可以学习，这样对大家都是一种学习进步。所以，通过我对节能竞技大赛规则的阅读和理解，我在2.1就选择做桁架式结构的节能车车架，第一点就是桁架式的车架只要设计合理，那么，很容易在满足刚度要求的情况下实现车架的轻量化，第二点就是桁架结构中普遍要使用三角框架结构，这样有利于各个部件的安装，最主要的就是能保护赛车手在发生意外时的安全。盐城工学院本科生毕业设计说明书201772.3车架材料类型的选择车架的设计，首先自己对于车架的制作使用的材料要有一个认识，这样在设计的时候，才能避免走很多的弯路，特别是车架的结构方面，前期设计得当，那么在后期车架优化的时候就会省很多事。现在制作桁架式车架时，有使用的是合金铝材，但是铝材的质量确实比钢要轻，但是刚度不够，所以，我们不考虑使用铝材作为车家的制作材料钢材是桁架式金属车架中最常实用的材料，它具有较好的力学性能，并且焊接后也能保持其原有的力学性能。钢材作为最常使用的金属材料之一，具有价格便宜，易于购买，加工简便等诸多优点，所以，我们选择钢制的方管或者圆管作为车架的制作材料。以下是我查阅的一些关于钢材的资料。在市场上由于钢材种类众多，需要选出其中最适合的材料，下表给出了待选的几种钢材性质。表2-1各种材料属性材料抗拉强度(MPa)屈服强度(MPa)断后伸缩率断面收缩率20#=410=245=25%=55%30#=410=295=21%=50%45#=600=355=16%=40%30CrMo=930=785=12%=50%从自己的设计角度来讲，我想的是使用抗拉强度和屈服强度很大的材料来制作车架，这样我可以使用简单的结构，很少的管件。就将车架的刚度要求达到了，并且由于使用的材料少，那么车架的质量会很轻，在相对的角度来讲，车架的制造成本也会降低。所以，我基本上锁定在30CrMo这种材料制作的钢管上，以下是30CrMo的介绍：30CrMo，这种钢通常是在调质状态下使用，当含碳量为下限的钢也可用作要求心部强度较高的渗碳钢。在中型机械制造业中主要用于制造截面较大、在高应力条件下工作的调质零件，如轴、主轴以及受高负荷的操纵轮、螺栓、双头螺栓、齿轮等；在化工工业中用来制造焊接零件、板材与管材构成的焊接结构和在含有氮氢介质中工作的温度不超过250的高压导管；在汽轮机、锅炉制造业中用于制造450以下工作的紧固件、500以下受高压的法兰和法兰盖。化学成分：碳C：0.280.33硅Si：0.150.35锰Mn：0.400.60节能车车架设计与优化8硫S：允许残余含量0.040磷P：允许残余含量0.035铬Cr：0.801.10镍Ni：允许残余含量0.030铜Cu：允许残余含量0.030钼Mo：0.150.25力学性能抗拉强度b(MPa)：930(95)屈服强度s(MPa)：785(80)伸长率5(%)：12断面收缩率(%)：50冲击功Akv(J)：63冲击韧性值kv(Jcm2)：78(8)硬度：229HB试样尺寸：试样毛坯尺寸为25mm热处理规范：淬火880，水冷、油冷；回火540，水冷、油冷。更值得一提的是，这种钢管的密度是7850kgm3，所以，材料本身就很轻，对我们的设计很有帮助。总的来说，材料的参数为：弹性模量为2.111011Nm2，泊松比为0.279，屈服强度为7.85108Nm2。2.4节能车车架的相关参数的确定赛车的县官参数的确定，主要包含以下几点：（1）赛车总体尺寸的确定赛车在满足大赛要求的前提下，以及赛车更个部件尺寸的确定，最终确定赛车的轮距定为600mm，轴距定为1500mm。（2）离地间隙的确定由于在节能竞技大赛中，车辆在完赛的同时，还要比拼的是燃油的消耗量。所以，车辆希望的是有一个较低的离地间隙，这样既保持了车辆的行驶平稳性，而且对车身的设计有帮助，可以减少迎风面积，降低风阻，有利于车降低燃油消耗。这次，我确定节能车的离地间隙为60mm，这个距离，既有利于赛车的通过性，还有利于赛车车身的安装。（3）赛车前环尺寸确定由于节能赛车竞技的是燃油经济性，所以，车辆尺寸都很小。这次，根据轮距确定为600mm，所以，前环的长度定为365mm，高度根据转向和车手的腿部要求，先确定为300mm。（4）赛车主环尺寸确定赛车这次主环的垂直高度定为700mm，主环的最大宽度根据车手的上身尺寸定为390mm，最大宽度的垂直高度定为435mm。（5）赛车其余部分尺寸确定盐城工学院本科生毕业设计说明书20179对于驾驶舱中，希望驾驶者的臀部距离前环不会低于400mm，这样就有利于赛车方向盘的安装。而且这样也保证了驾驶舱的空间做够大，可以让车手进行转向等操作。对于发动机舱，根据发动机的总体尺寸，设计时希望车的发动机舱的长度不会低于300mm，宽度不会低于290mm，高度不会低于260mm。这样的尺寸，能保证发动机以及排气管很顺利的布置。不会出现干涉等问题。对于后舱，在保证传动各个组件顺利的安装，就是考虑轴距和后轮的尺寸，后轮尺寸的半径为254mm，那么后轴距离发动机舱的最后面的杆的距离不低于270mm将会是比较合理的。节能车车架设计与优化103.节能车车架的设计3.1节能车车架前环的设计节能车相对于其他赛车来说，由于只是对于燃油经济性的比赛，所以尺寸相对来说较小，所以前环的设计，在2.4中介绍了尺寸，长度为365mm，宽度为300mm。这个尺寸相对来说符合节能车的总体尺寸，为保证整个车架的刚度要求，车架的前环还是设计成一体封闭式的，如图3-1，这样整个车架在刚度上能达到要求。图3-1前环3.2节能车车架主环设计节能车主环在配合规则要求的高度的情况下，在2.4中给出了主环的垂直的高度宽度的数据。但是，节能车自身的轴距就比较小，所以驾驶舱的空间也很小。在考虑到整车空间布置的情况下，尽可能的保证驾驶舱的空间，还要保证车手尽可能的保证驾驶舒适性这个是要解决的问题。所以这次在解决这个问题时，我将车架的主环向后倾斜45度，如图3-2，这个这个倾斜角度可以尽量保证驾驶舱的空间的情况下，还能保证车手是半躺在赛车座舱内，这样能尽量保证车手的驾驶舒适性。为保证主环的刚度，主环设计为一根从车架左端最下端到车架右端最下端的一根独立的管件。在主环的上部，采用两段小圆弧中间一段是直杆的设计方式，而不是采用使用广泛的一段大圆弧的放式，这样可以将车架的垂直高度降低将近10mm到15mm。盐城工学院本科生毕业设计说明书201711图3-2主环3.3节能车车架的整体设计在设计完车架的主环和前环后，车架的发动机舱由于要承载发动机，所以，在这一部分，将使用会用更多的三角结构来保证车架的刚度，如图3-3，为发动机舱。图3-3发动机舱节能车车架设计与优化12在主环以下的三角结构中，我们将这个空间可以用来安装发动机的线束以及电池，这样，可以将空间做到最大的利用。在外观上，由于部件的安装都是在车架的内部，第一是保证了安全性，第二就是保证整车的美观简洁。后舱用四根杆组成两个三角结构来支撑后轴，如图3-3，这样既保证后轴的连接刚度，能够将后轮所受到的路面的激励跳动很好的传递到整个车架，并且这样的连接方式使用管件少，结构简单，可以达到轻量化的目的。通过每个部分的设计，这样车架的最终样子就设计好了，如图3-4，车架呈现的是三角框架结构。图3-4车架三维模型3.4节能车车架管件的应用车架在管件的使用方面通过资料的查阅，我们可以发现车架使用的30CrMo材料在市场上的销售有很多的规格，而我们可以使用的规格统计如下图3-5：盐城工学院本科生毕业设计说明书201713图3-530CrMo钢管规格所以，这一份表格就可以让我们对管件有了选择，由于管件本身的材料属性很好，而且为了达到轻量化的目的，这次设计的车架主要选择以下几种管件（外径壁厚）：141、201和25.41的这三种管件来制作车架。在车架上面，通过各个部分杆件的属性不同，我们采用不同的外径，这样达到车架设计的合理性，也希望达到整体刚度的平衡。具体在车架上面管件的分布如图3-6：图3-6车架管件分布图在图中，将不同外径的管件采用不同颜色进行标注，其中蓝色的为25.41的管件，红色的为201的管件，绿色的为141的管件。在图中可以看出，对于赛车前面驾驶舱的主体框架，采用25.41的管件，这样是保证赛车的驾驶舱刚度足节能车车架设计与优化14够，能保护车手。后轴和前环能保证车轮的安装后的刚度。后舱由于三角结构的复杂，整体刚度很大，所以外围框架采用201的管件。所有的斜撑杆，采用141的管件，斜撑管件所受的剪切力小主要受到的是径向力，所以采用小外径。4.节能车车架的分析节能车在比赛过程中要求速度不低于25kmh，而且比赛要比拼的不是速度，而是燃油的消耗量。所以，车辆的行驶方式基本上为慢加速和滑行相结合的方式，车辆行驶速度很平均。比赛的场地是广州的F3赛场，所以，赛道的路况很好，在车辆遇到转弯的时候，赛车都是以很低的速度行驶过去。在比赛的时候，最忌讳的就是猛加速和猛减速，这样就是能量的损耗和燃油的消耗。所以，在赛道上行驶时，车辆不会猛烈的制动，不会猛烈的加速，所以，分析车架的工作工况时将不考虑车架的加速和转弯工况。综上所述，节能车将对车架的静载工况、车架的扭转工况以及人机工程进行分析。4.1节能车车架静载工况分析节能车整车的尺寸较小，所以，车手在身高和体重方面是要由要求的，身高基本在165mm左右，体重不会超过50kg，这样能保证整车的轻量化。而车辆搭载的是Honda本田低油耗摩托车的4冲程发动机，这一台发动机在经过变速箱的去除和发动机箱体的改装之后，整个发动机的总成的质量不会超过15kg。所以，在通过计算后：NgmgmF1478.915F441N9.8452211）2-4（）1-4（盐城工学院本科生毕业设计说明书201715式中：F1为车手静载时对车架造成的外部载荷；F2为发动机总成对车架造成的外部载荷；m1为车手的质量；m2为发动机总成的质量；g为重力加速度。在相应的杆件上施加441N、147N的力，在利用ansys进行车架分析时，我们首先是要对车架进行线框模型的建立，当然，也包括对车架线框模型的处理，这样在ansys的DM模块中，对车架的处理会很有帮助，对车架的分析结果也会很精确。在catia中先是车架车架的线框模型，如图4-1，为了在分析的时候运算更快，对车架的有些单元进行改进，比如车架的主环上部的圆弧直接用一根杆代替，这样不会影响分析结果，但是分析时候的报错率会降低，而且对于网格的划分等等都会有帮助。图4-1车架线框模型第二步就是打开ansys分析软件，这次采用的是ansys的StaticStructural静力学分析模块，如图4-2，将静力学模块拖入分析面板。图4-2静力学模块在EngineeringData中添加车架的材料，如图4-3，在ansys的EngineeringDataSources材料库中，基本上可以找到现在常用的一些材料，只要我们导入材料节能车车架设计与优化16后，材料的属性都会导入进去，这样在在分析的时候，我们不需要再进行材料的添加和材料属性的添加。图4-3ansys材料库导入线框模型到Geometry，如图4-4，将导入的线框进行检查，检查线框的完整性。图4-4Geometry模块添加管件，由于车架的制作材料是圆管，所以我们要在Geometry模块中将管件添加到车架上，由于这次我们使用的是25.4、20和14的直径的管件，所以，如图4-5，分别将不同管径的管件添加进去。盐城工学院本科生毕业设计说明书201717图4-5添加管径添加完管件后，如图4-6，整个车架现在Geometry模块中处理完成了。图4-6处理完车架图车架在Geometry处理完之后，将会转入Model模块中进行模型的处理，如图4-7，模型导入到Model模块中之后，将会进行网格的划分。因为车架是由一根根的钢管焊接而成，所以车架使用梁单元进行网格划分，网格显示划分为50mm的网格，这样共划分533个节点，275个元素。图4-750mm网格划分这样子划分网格，对于电脑的处理，速度会很快。在分析结果方面，分析的结果就比较粗糙，分析完成后的车架的受力分布太广，不能很好的看出受力的主要点。所以，如图4-8，采用5mm的距离对车架进行网格划分。从图中可以看出车架在网格划分上更加细腻了。节能车车架设计与优化18图4-85mm网格划分网格划分完之后，就是对车架进行力的施加。如图4-9，在车架静载时，车架的车轮着地，那么，我们对车架的承载车轮的三个边进行FixtedSupport命令来固定，就是图中的A和B两处的固定。对于力的施加，就是在座舱的底部支撑杆上面施加一个人体重力大约为350N，也就是图中的C点。在发动机舱中，对支撑发动机的两个底部杆件各施加75N的压力，就是途中的C点和D点。在G点和F点，由于车手背部会施加一个负载在这两个点上，所以各施加45N的力，方向如图。图4-9力的施加所有的设置都完成之后，点击Solve对车架进行分析。分析的结果主要看车架的总变形量、主要受力的杆件位置，还有就是应力的集中位置。通过对这些管件的和整个车架的分析，可以得出车架的受力图，这样对后面车架的优化有帮助。以下是对车架的受力图的分析。从图4-10中可以看出车架的最大变形处为座舱的底部杆件，受直接力最大的为座舱的斜撑杆，最大的受力杆件也是车架座舱的底部横杆。但是，从图中可以看出，车架整体在静载时的最大变形量为0.187mm。最大结合受力为23.283MPa。车架的安全系数一般是要达到1.5所以，车架的所受的应力远远小于材料的许用应力。车架的最大变形量远小于材料的允许的最大变形量。盐城工学院本科生毕业设计说明书201719图4-10静载总变形量图4-11静载最大结合应力4.2节能车架扭转工况分析在车架的前处理上，是和4.1中对车架静载受力分析时一样。先是对车架线框进行处理，在进行网格的划分，网格我们依旧采用的是5mm的梁单元网格划分。接下来就是力的施加，如图4-12，将车架后轴进行固定约束，在前环的左右两边施加方向相反的力。根据以往资料的显示，在这个赛道上，扭转力我们在+Z和-Z方向上各施加500N。4-12扭转力的施加节能车车架设计与优化20如图4-13，是施加500N力的车架的扭转刚度的分析。图中可以看出，车架的总变形量为9.3378mm，最大变形量出现在前环处。最大结合应力为151.94MPa，出现的位置为后舱的管件的连接处。所以，车架的变形量远小于车架材料的允许变形量，车架的所受的应力远小于材料的许用应力。图4-13扭转车架总变形图4-14最大结合应力4.3节能车车架人机工程分析这次车架的主环采用后倾45的方式，所以车手在车内驾驶时属于半躺式的，这样的驾驶方式可以尽量减少车手在狭小驾驶室中的不舒适感。另外，车架的后倾可以让车手的驾驶疲劳感降低，有利于车手在比赛过程中保持专注度，减少事故的发生率。这次车架的人机工程的分析主要看得是车架的座舱是否符合预定的坐姿要求。在catia中的人机工程学设计与分析中就有人体模型的建立。但是人体模型的建立是按照欧洲标准来建立的，也就是说，建立的人体模型要比我们普通的亚洲人更加壮硕，身高都是在1米8左右，所以，对于节能车需要1米65左右的车手来讲，车架明显会显得比较小。但是这样的模型建立还是可以看出车架的模型建立是否合盐城工学院本科生毕业设计说明书201721理的。如图4-15，在图中，由于身高的问题，车手的头部超出主环的最上端，但是当车手的身高下降为1.65米时，车手的头部是在车架主体内部的，所以，这个位置显示车架的设计是没有问题的，虽然有点极限，但是还是能达到预期的效果的。需要说明那个的是，在车架的前面车手的腿部，如图5-15，由于在比赛时，赛车还需要加装车身，所以车手的腿部是可以直接搭载在车身上面的，这个也是在大赛的规则允许范围之内的。图4-15车手的坐姿而对于发动机舱的布置来讲，我们将发动机的简易模型和车架进行装配，如图5-16，可以发现，发动机舱留给发动机的空间是刚刚好的，所以，发动机舱的设计是很好的。图4-16发动机的安装综合车架的所有分析来讲，有了车架的分析图之后，可以得出，车架在Y方向上施加力的距离为365mm；车架发上扭转时，车架在Z轴上距离的变化的平均值为6mm；左右悬架硬点各施加了500N的力；将数值代入公式计算得：mNhbFTKT193.70.0061800.3653.145001802）（）（）3-4（公式中：KT表示车架的扭转刚度；F表示在车架硬点上施加的力的大小；b表示在车架上施加力的Y轴方向的距离；h表示车架发生扭转时在Z轴方向上车架发生的位移的平均值。节能车车架设计与优化22所以通过计算，车架的扭转刚度是完全足够的。而且在分析过程中发现，车架无论是在受到扭转还是静载状态下，车架所受的力后发生的位移都远远小于材料能承受的极限值，所以，车架刚度过剩。5.节能车车架的优化与优化后分析5.1车架结构的优化在车架的分析过程中，特别是车架在做人机工程分析的时候，车架在手臂的安放这一块，还是存在一点的不足，而且在前环到主环的上部连接杆受力还是比较大的，所以，这次在从前环到主环再到后轴的连接方式上，将改进为一根从侧面看是弧形的拱形线连接，这位在座舱的首部位置会宽松一点。至于座舱的大小，分析出来是完全足够的，所以无需改动。发动机舱的大小也不需要改动，在主环下部的三角空间里面，将发动机的线束安放在那里是完全足够的。改进之后的车架如图5-1所示：图5-1杆件优化后车架5.2车架管件的优化在车架管件方面，由于车架在发生扭转时，主要是车架的前环的发生扭转而带动车架整体的扭转，所以，扭转发生时，在车架的座舱部分发生的变形量是最大的，但是对于后舱的影响不是很大，所以，车架管件的优化在一下几点：（1）座舱的上下两根管件由原来的25.41mm换为201mm。如图5-2，图中红色的两组管件为优化后的管件。这两根管件的管径换过之后，设计时就可以将底板设计为一个整体，如图5-2，这样的设计在进行车架制作时，第一个优点就是有利于车架的定位，第二个优点就是减少了制作成本。盐城工学院本科生毕业设计说明书201723图5-2杆件优化后车架（2）后舱管件太过于复杂，所以在优化时，将后舱主环下面的斜撑去掉。在计算时，如图5-3，主环底部到后斜撑下部杆件的最低点的距离是622mm，这个距离再添加一根杆件作为斜撑杆有点多余。所以，将斜撑杆件去除。图5-3跨度数据另外，在设计时，由于发动机的上部有两个连接点是要直接连接到车架上的，所以，可以将连接发动机的两个杆件当作原有的发动机舱的上部连接杆。同理，在发动机上原有的六点连接凡是上，就可以将发动机舱的三根杆去掉。这样减重的同时不会减少发动机舱的刚度。优化后对的发动机舱如图5-4所示，发动机的连接方式也如图5-4所示。图5-4发动机的安装节能车车架设计与优化245.3优化后车架静载工况分析对优化之后的车架，再次进行优化分析来验证其静载工况，车架的前处理工作依旧，在ansys的Model模块中，依旧在相应的杆件上施加载荷，分析结果如图6-5。需要说明的是，在分析的时候，虽然代替杆件将原有杆件去除，但是我们依旧在车架分析时加上来代替发动机连接杆。车架的最大位移为0.06mm和原来的0.1mm差距不大，所以，优化方案可行。图5-5优化后车架静载总变形5.4优化后车架的扭转工况分析将车架在ansys中处理完成之后，施加完扭转刚度之后，如图5-6，为优化后车架的扭转总变形量。车架现在的总变形量为8.2724mm，优化前的车架的扭转总变形量为9.33mm，所以，优化后车架总变形量得到改善。图5-6优化后车架扭转总变形对优化后车架进行扭转刚度计算：车架在Z轴方向上位移了4mm，其他数值不变，带入公式得mNhbFKT5.290)004.0180()365.014.3500(18022）1-5（所以，车技的扭转刚度增加，优化效果明显。盐城工学院本科生毕业设计说明书2017256.结论节能车车架的设计，自己通过以前的学习，定为设计、分析、优化三大部分来进行。当然，前期对资料的查阅必不可少，对现在车架的发展趋势，节能车车架的发展趋势都通过资料的查阅来了解，最终确定做桁架式的节能车车架，并且对车架的加工工艺和材料都做了详细的了解。车架的最终设计完成，通过对原有车架的优化，最终达到设计目标。车架在通过catia建模之后，在通过ansys的多次分析优化之后，得出以下结论：（1）原方案车架通过catia中测量惯量中测得质量为为6.55kg。通过对车架的优化，优化后车架的质量为5.73kg，质量减少了1