4中国轻工业联合会科学技术奖申报书

1、4、中国轻工业联合会科学技术奖申报书（2011年度）一、项目基本情况专业评审组：序号：编号：奖类技术发明奖申报技术进步奖工人创新类技术开发类成果推广应用类程类社会公益类项目 名称11文电动自行车结构动态设计理论方法的研究主要主要换单位申报单位（盖章）项目名称可否公布密级定密口期保密期限（年）定密审查机构主题词詳份类 名称1代码2代码3代码属业 所行01(U03(M050607080910111213141516171819202122232425262728 29303132333435363738394041424344其它项口任务来源A Al A2 A3 A4B C D DI D2 E F

2、 G H I具体刃划（齢） 名称和编号天津市族® 咻合同编号:07JCZD.重点项目：电动自行车结构动态设计理论方法的JC09200项目起【匕时间起1匕年 月日完成：年 月日申报单位联系人E-mail:邮编通信眦联系电话移动电话注：填表此申报卩前，I務必阅读申报I瀕写说明中国轻工业联合会和支办公室制二、项目简介III项目所属科学技术领域、技术内容、技术经济指标、应用推广及效益情况等：我国电动自行车的年产量从1998年的5.86万辆，发展到2009年的2369万辆，占世界 总产量的90%以上。目前电动自行车全国保有量已经接近1.4亿辆。但在电动自行车行业取 得巨大发展的同时，也逐渐显露

3、出一系列质量问题。在2006、2008年国家、地方等质量检测 机构对电动自行车产品进行的几次抽查结果表明，产品抽样合格率在70-90%o问题包括主要 结构部件振动性能测试不合格、把立管静负荷较小，整车质量超重，最高速度超标。另外， 由于车架、前叉断裂造成人身伤害的事件时有发生。针对电动自行车目前存在的问题，本项目采用ANSYS软件建立了包含运动副的全悬架 电动自行车的整车结构的动态性能分析模型；建立了基于标准路谱的随机和梯形路面冲击的 人车路环境下的刚柔耦合动力学仿真模型；在此基础上基于密度法利用HyperWorics软件进 行了主要构件的结构拓扑优化及整车车架的尺寸优化，设计出新的电动自行车

4、新车架，使整 车动态性能得到改善。采用多刚体理论建立了电动自行车正面碰撞形态建模并仿真，用以研 究电动自行车车架的碰撞特性及骑手的动力学行为特性和保护。具体技术方案为：1. 利用有限元法建立了电动自行车整车主要构件及整机的有限元模型，对整车结构进行 了有限元静力学分析，对主要构件进行了结构材料的壁厚对模态频率的灵敏度分析及整车的 谐响应分析与壁厚的静力学优化分析；其关键技术为运动副的建立。2. 建立了多自由度的整机动力学分析模型及采用人体模型的整机刚体及刚柔耦合模型； 建立了基于标准路谱的随机激励路面输入模型和模拟路障的路面模型，并进行了动力学性能 分析与优化比较；其关键技术为人一车一路模型的

5、构建方法。3. 通过动力学分析数据，建立了主要结构件的拓扑优化模型。根据拓扑优化模型加工制 造的主要结构件，动态性能得到了提高。通过对整车车架的尺寸优化，获得了轻量化的车架 结构。其关键技术为结构拓扑优化模型的建立及动力学数据的融合。采用该理论与方法所研制样机的主要结构部件的振动性能指标达到15万次以上。较现有 国标的7万次提高约100%。将该研究成果应用于天津大奥电动技术开发有限公司电动自行车 结构的优化和改造，使因车体结构不合理引起的电动自行车不合格率大幅度的降低至5%以 下。目前该理论与方法已应用到多个电动自行车生产企业，并取得了良好的效果。本课题还建立了电动自行车与障碍正面碰撞的模型，

6、分析了电动自行车速度与头部与地 面碰撞点的关系及对人体的损伤研究。通过该碰撞研究，为电动自行车国家标准”最高车速” 的确定，提供理论支持。三、主术创新点（技术发明类项H填写主要技术发明点）1. 建立有限元模型进行静、动力学分析是机械零件常用的方法。目前市场上的电动自行车 多有减振系统，而减振系统中包含运动副。因此运动副的建立是电动自行车有限元模型的关 键，在本项目中，电动自行车的有限元模型包含转动副和移动副，其技术环节是通过建立各 构件运动副结合处的刚性区并释放相关自由度，再将运动副连接的两构件进行相关节点耦合, 实现构建之间的相对运动。在此基础上就可以对电动自行车整车车架进行静、动力学分析及

7、 优化。这部分发表论文电动自行车减震车架动态特性研究。E52. 良好的动态性能能提高机械系统的产品质量及使用寿命。本项目为提高电动自行车的动 态性能，对电动自行车车架主要构件及整车进行了车架的模态频率和振型分析；并根据主要 构件的结构特点，结合车身的振动特性，应用模态灵敏度分析技术，研究了主车架各部分结 构的壁厚对其模态频率的影响关系，通过改变车架的壁厚等可使车身具有较合理的动态特性。 这部分发表论文电动自行车车架动态性能分析及灵敏度研究。3. 电池作为电动自行车的核心部件，它的发展和先进性决定了电动自行车今后发展的生命力。 由于电池重量与体积的影响，及电动自行车平均速度提高带来的动态激励水平

8、提高的影响， 导致电动自行车的设计，主要就是围绕电池这个中心来进行的。为了研究电池部件对电动自 行车整车动态性能的影响，选取全悬架电动自行车为研究对象。在传统车辆五自由度的动力 学模型基础上，将电池作为独立刚体建立了电动自行车六自由度的动力学模型，采用滤波白 噪声作为路面输入模型，运用Matlab/Simulink软件对电动自行车的平顺性进行了仿真。研究了 电池后置安装、电池质量和电池安装刚度等因素对整车动态性能的影响。此理论研究可以指 导电动自行车的总体方案设计。这部分发表论文电池对电动自行车平顺性的影响研究,Dynamic modelling and simulation of elect

9、iic bicycle ride comfort。4. 机械系统整车动态性能往往只能通过生产出的样机进行测试。本项目利用虚拟样机技术，利 用lifeMOD软件建立基于生物力学的人体模型，在ADAMS软件中建立了基于人-车路环境下 的多刚体模型和刚柔混合动力学模型；利用MATLAB软件建立基于标准路谱的随机激励模型 和梯形等的路面冲击模型;在ADAMS中进行基于标准路谱的随机激励模型和梯形等的路面冲 击下的电动自行车动态性能仿真，以对其动态性能参数进行测试和分析。这项工作既可以对 整车性能进行评价，也可以研究电动自行车中个车架结构的柔性特性、电池、人体、减震器 刚度和阻尼等因素对整车性能的影响进

10、行分析和评估，用于对这些因素的改进和优化，还可 以输出各关键节点的动态数据,对其结构进行优化。这部分发表论文（Research on battery to ride comfort of electric bicycle based on multi-body dynamics theory。5、电动自行车的车架结构多根据经验由自行车结构改进设计的。为了获得跟符合力学特性的车架结构，本项目利用人车路环境下的刚柔耦合动力学模型，提取了典型路面激励下的关键 点的振动数据，建立了电动自行车结构拓扑优化模型。探讨了基于主车架HyperWoite拓扑优 化中的关键参数对优化结果的影响；研究了水平力、电池

11、载荷分量、电池位置等因素对优化 结果的影响，最终得到了车架的拓扑优化结果。在此基础上进行了尺寸优化，获得了动态性 能提高并轻量化的新的电动自行车结构。新结构的第一阶模态提高了26.35%,质量减轻16.9% ,最大应力减小15.7%。所研制样机的主要结构部件的振动性能指标达到15万次以上 较现有国标的7万次提高约100%。6、本项目的主要创新,是电动自行车结构研究的唯一性，即从文献检索看，国内外在电动自行车结构方面的研究，出本项目团队人员外，鲜有报道；二是研究的系统性。本项目将机 械系统研究的设计理论和常用方法及应用软件根据电动自行车的结构特点集成起来，形成了 系统的电动自行车结构动态设计理论

12、与方法。其具体内容为:(1) 应用有限元理论在Ansys软件中进行电动自行车整车车架结构的静力学和动力学分析;并进行前期的静力学优化设计；对主车架进行壁厚参数的灵敏度分析，以提高其模态性能；并将 整车车架的模态特性文件输出到ADAMS软件中。(2) 利用Ansys软件中的模态特性文件在ADAMS中建立基于人车路环境下的刚柔耦合动力学模型；利用MATLAB软件建立基于标准路谱的随机激励模型和梯形路障等的路面冲击模型；在ADAMS软件中进行基于标准路谱的随机激励模型和梯形等的路面冲击下的电动自行车动态性能仿真，研究电动自行车整机的动态恃性。同时，输出包括各运动副等关键节点出的动态载荷数据。(3)

13、根据ADAMS软件中输出的动态载荷数据，利用HyperWorks软件进行了主要构件的结构拓 扑优化及整车车架的尺寸优化，设计出新的电动自行车新车架，使整车动态性能得到改善。(4) 再对新车型进行静、动态分析，以获得高动态性能的电动自行车结构。(不超过5页)四、第三方评价和推广应用情况61、第三方明介2、推广、应用情况（不超过2页）3、经（技术进步燃社会公益项FTN以不填此栏）单位：万元（人民币）项0总投资额回收期（年）年份新增利搁新增税收创收外汇（新）节支总额累计各栏目的计算依据：4、社会嫡五、本项目曾获科技奖励晴况获奖时间奖项名称授奖部门（单位）本棚埔«®是指：1、省、口

14、治区、直辖市政府设立的科技奖励；2、经登记的社会力量设立的科技奖励；3、国你组织和外国政府设立的科技奖励情况。六、主要情况姓名杜文华性别女排名出生年月1968.04出工地山西汉身份证派无行政职务工作单位中北大学所在地山西臧编码030051通讹血北山西省太原市学院路3号办公电西省太原市了院路3号中北人宁院内住宅电话电刊言箱dwh移动电业学校天津大学毕业时间2101.12文似博士研究生技柯隔副磁专业、专长机械制其自动化最高学位博士曾获奖励及 荣誉称号情况参加本项目的起【上时间Q 2007年 (M 月至 2

15、010 年09月对本项目主要技术贡献：（中报技术发明类项目，填写对本项甘主要技术创菊1、业了电动口行车的包施动副的整锌架自限元模型，莫态实验验 性。设计了四利1不同截面形状和尺寸的主车架，并分析了其对整车车架动特12、建立了电动口行车的人车路环境下的刚柔耦合动力学模型。基于正弦和 研究了车架柔性、电池、人休质量、减振器等对®WJ态特性的影响规律。3、建立了电动自行车与障碍物正而碰撞的仿SW 研究了碰撞过程中人体 与丽i速度么间的关系。f贡献）证了模型的准确 生的影响规律。梯形路面細J,的动态行为及其声 明木人对申报书内容及全部材料进行了审查，全部内容和材料属实，并对推荐材料的 真实性负责。本人签名：年月H七、主要完成位情况（技术发明类项冃不填此表）146目H曲书钢阴纲即着觀储驭井可生县鲫由芈>RW。昂卽娜PR*好嵌臓迄晦置 温*秽懈吐氓圜8遁Iffl皋渤屈唯嗣Y右山N®mW±H 側斡沃叶GiR糕 心书幡a场酗nw师篡於郴略滞却:*号删不|对国十谢細淑囚瞬:爺至郴册FW吐翌除缩口蚯挪xfew购蜩丄甲TOW®M #里曲辣Y判1已苴D彳卜抄星同H 亦母耳帕3加卜