基于ug与ansys的节能车(hljit3a型)结构优化设计本科学位论文

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。收集相关资料及数据软件接口分析结果总体方案的设计UG三维建模手绘二维设计及建模ANSYS有限元分析攥写说明书

轻量化设计

收集相关资料及数据软件接口分析结果总体方案的设计UG三维建模手绘二维设计及建模ANSYS有限元分析攥写说明书

轻量化设计

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型号和尺寸的有花纹和沟槽的样式：2.2.2节能车的整体结构形式及基本组成车架是支撑赛车其他部件，构成赛车主体的重要部件。本文叙述车架从最初设计到制造整个过程，其主要包含二大部分内容：车架设计、车架制作。车架设计从车架的结构设计、材料选择、管件规格选择与力学分析方面进行了叙述。车架制作部分详细阐述了车架制造基本要求。汽车车身既是驾驶员的工作场所，也是承载整车机械及部件的场所。车身应对驾驶员提供便利的工作条件，对乘员提供舒适的乘坐条件，保护他们免受汽车行驶时的振动、噪声，废气的侵袭以及外界恶劣气候的影响。汽车车身上的一些结构措施和设备还有助于安全行车和减轻事故的后果。车身应保证汽车具有合理的外部形状，在汽车行驶时能有效地引导周围的气流，以减少空气阻力和燃料消耗。此外，车身还应有助于提高汽车行驶稳定性和改善发动机的冷却条件，并保证车身内部良好的通风。汽车车身是一件精致的综合艺术品，应以其明晰的雕塑形体、优雅的装饰件和内部覆饰材料以及悦目的色彩使人获得美的感受，点缀人们的生活环境。汽车车身结构主要包括：车身壳体、车门、车窗、车前钣金制件、车身内外装饰件和车身附件、座椅以及通调节装置等等。车身壳体是一切车身部件的安装基础，通常是指纵、横梁和支柱等主要承力元件以及与它们相连接的钣金件共同组成的刚性空间结构。客车车身多数具有明显的骨架，而轿车车身和货车驾驶室则没有明显的骨架。车身壳体通常还包括在其上敷设的隔音、隔热、防振、防腐、密封等材料及涂层。封闭制钣制制件形成了容纳人、发动机、车轮等部件的空间。车身外部装饰件主要是指装饰条、车轮装饰罩、标志、浮雕式文字等等。车几部装饰件包括仪表板、顶篷、侧壁、座椅等表面覆饰物。在轿车上广泛采用天然纤维或合成纤维的纺织品、人造革或多层复合材料、连皮泡沫塑料等表面覆饰材料；在客车上则大量采用纤维板、纸板、工程塑料板、铝板、花纹橡胶板以及复合装饰板等覆饰材料。车身内部的通风、暖气、冷气以及空气调节装置是维持车内正常环境、保证驾驶员和乘客安全舒适的重要装置。座椅也是车身内部重要装置之一。座椅由骨架、座垫、×背和调节机构等组成。座垫和×背应具有一定的弹性。调节机构可使座位前后或上下移动以及调节座垫和×背的倾斜角度。某些座椅还有弹性悬架和减振器，可对其弹性悬架加以调节以便在驾驶员们不同的体重作用下仍能保证座垫离地板的高度适当。保证行车安全，在现代汽车上广泛采用对乘员施加约束的安全带、头枕、气囊以及汽车碰撞时防止乘员受伤的各种缓冲和包垫装置。按照运载货物的不同种类，货车车箱可以是普通栏板式结构、平台式结构、倾卸式结构、闭式车箱、气、液罐以及运输散粒货物(谷物、粉状物等)所采用的气力吹卸专用容罐或者是适于公路、铁路、水路、航空联运和国际联运的各种标准规格的集装箱。针对于大学生节能车要求在等油耗情况下，不采取ECU智能化调节的模式，在具备基本汽车特性上的同时减轻汽车自身自重，减轻车架质量，通过UG三维建模运用ANSYS分析优化车架设计。保持普通汽车基本安全性、操控性、舒适性的情况下，以求等油耗的情况下行驶距离最远有效距离，以求追寻大赛口号“挑战一升，节油一生”的宗旨。1.车架的设计车架的形式多种多样，参赛的规则对车架结构有着很多的要求，本部分首先介绍了车架的形式，然后对车架的具体结构设计进行了阐述，最后对车架进行了分析，确定了各管件的材料与壁厚、外径。车架形式的选择根据规则要求，通过翻阅与查询资料，我们发现车架有很多的方案可供选择：（1）一体式金属车架一体式车架是车架与车身融合成一体的车架，整个车身的外壳本身就属于车架的一部分。通过这样的结合，可以使得到的一体式车架具有较小的重量。一体式金属车架大多选用钢或者铝制成，用焊接或铆接的方法把各组件连接成一个整体。一体式车架的各组件一般都是用高压冲压机冲压而成，这就需要专用的设备、模具以及较大的前期配套资金与技术投入，所以这种车架适于大规模生产，而不适用于中小批量生产。（2）一体式复合材料车架此类车架结构形式与一体式金属车架相同，只是所选用的材料变为复合材料，如碳纤维。复合材料与钢或者铝相比在同等质量下有着更高的强度与刚度，所以此类车架的重量在各类车架中是最轻的。但是生产这种车架需要专用的加工模具，并且如果车架的设计发生修改的话模具还需要重新再制造一个。一体式复合材料车架不易于修理、制作车架的复合材料的价格一般较贵、加工过程困难这些都是该种车架的缺点。（3）桁架式金属车架所谓桁架式金属车架就是由金属管焊接成具有空间三角结构的框架，车上的其它零部件全都以此框架作为安装基础。这种车架生产工艺简单，不需要特殊的加工技术与专用的设备，只用焊接或者铆接即可完成车架。这种方式的加工成本较低，并且对车架进行修改或局部加强十分容易，只须修改金属管的焊接位置或加焊金属管即可。在质量相等的情况下，桁架式车架往往可以得到比承载式车架(目前轿车车架的主流，所谓承载式车架就是是用金属制成坚固的车身，再将发动机、悬架等机械零件直接安装在车身上。这个车身承受所有的载荷，充当车架，所以准确称呼应为“无车架结构的承载式车身”)更好的刚度。该种车架的材料也可用高强度复合材料来代替，但是因为高强度复合材料成本较高，所以桁架式车架多是金属制的。赛车应该从车架强度刚度、加工难易程度，是否需要专用设备与技术，材料成本与加工成本等各方面来进行综合考虑，这样才能使赛车有在比赛中有良好的表现。因为桁架式属车架具有较好的强度与刚度，加工容易，不需专业的设备与技术、材料成本与加工成本都较为低廉，所以参加这次节能车大赛的赛车选用的是桁架式金属车架。2.车架具体部分设计规则对车架有很多的要求，同时结合各个部件如发动机、差速器、转向、制动的安装要求，本设计车架的结构如图2.2所示。图2.2车架的三维结构图2.2.3节能车的各零部件之间的连接关系1.车架制造的基本要求节能车车架是赛车的支撑体，是赛车的基本部分，对赛车起着举足轻重的作用，因此对赛车车架的制造过程有一定的要求。（1）节能车车车架的制造过程尺寸误差必须在允许范围内。节能车车架的设计是根据规则要求与各部件布置确定的，制造过程中尺寸的偏差有可能不符合规则的要求，也有可能致使部分部件不能顺利安装在车架上。特别是对于精度要求高的部分更要高精度加工，比如悬架安装处，确保误差在更小的范围。（2）节能车车架的制造过程必须保证所要求的强度。赛车在运动过程的力最后都会传到车架上由赛车的车架承受，车架必须有一定的强度以保证在车运动过程中不会出现断裂。车架在设计中已经进行过受力分析，但是在制作时还必须达到设计时要求，特别是焊点的强度。2.节能车车架个支撑梁及各部件之间的连接关系大学生节能车结构优化设计主要针对节能车整体结构进行设计，其中主要针对车架进行优化设计，车架基本结构有焊接相连，部分配件需要螺栓链连接及其通过螺栓进行定位固定。之间关系如三维图所示。图2.3车架主体边框图2.4车架底部加强板图2.5车架底部支撑梁图2.6车前部支撑架图2.7车前部左右侧车耳图2.8靠板架及支撑杆图2.9车架后支撑架图2.10驾驶员脚部支撑图2.11发动机定位板图2.3至图2.11为整体车架设计已焊接相连的整车框架，除支撑部分均为铝合金为焊接材料，减轻车架质量，采用结构框架受力的设计理念。图2.12定位孔图2.13驾驶员坐板定位连接孔图2.12和图2.13为钻孔工艺与转向杆起到定位作用，通过螺栓连接分别起到连接转向机构和与车架固定的作用。图2.14支撑驾驶员坐板图2.15为配件且削工艺件两侧向侧视图图2.14和图2.15分别为驾驶员坐板和转向杆凹槽采用切屑工艺去除材料保证车架受力强度及车架刚度不变的情况下减轻车架质量。图2.16前轮转向架图2.17驾驶员坐板图2.16和图2.17分别为车架配件转向机构的转向杆和驾驶坐板，需要螺栓与车架定位连接。综述分析以上如图所示为设计车架各零部件部分及基本功能用途。2.2.4节能车架制作工艺分析车架是支撑赛车其他部件，构成赛车主体的重要部件。本文叙述车架从最初设计到制造整个过程，其主要包含二大部分内容：车架设计、车架制作。车架设计从车架的结构设计、材料选择、管件规格选择与力学分析方面进行了叙述。车架制作部分详细阐述了车架制造基本要求、车架的焊接步骤、并叙述了在车架焊接中遇到的关键问题以及解决方法。车架制造：1.车架制造的基本要求车架是赛车的支撑体，是赛车的基本部分，对赛车起着举足轻重的作用，因此对赛车车架的制造过程有一定的要求。（1）车架的制造过程尺寸误差必须在允许范围内车架的设计是根据规则要求与各部件布置确定的，制造过程中尺寸的偏差有可能不符合规则的要求，也有可能致使部分部件不能顺利安装在车架上。特别是对于精度要求高的部分更要高精度加工，比如悬架安装处，确保误差在更小的范围。（2）车架的制造过程必须保证所要求的强度赛车在运动过程的力最后都会传到车架上由赛车的车架承受，车架必须有一定的强度以保证在车运动过程中不会出现断裂。车架在设计中已经进行过受力分析，但是在制作时还必须达到设计时要求，特别是焊点的强度。2.车架制造中的关键问题与解决方案上届参加大赛的赛车车架所选用的材料即为普通的20#钢，20#钢具有良好的焊接性能，焊接工艺简单，不需要特殊的设备，只需用普通的手工电弧焊即可完成焊接任务。故我们选取的车架的焊接方式为氩弧焊，选用铝条为焊条。铝合金在热加工后会出现热变形的现象，这将会导致热加工后零件的尺寸出现很大误差，严重影响零件的功能。焊接即是热加工，故车架焊接面临的一大问题就是如何控制焊接后的车架的热变形，保证车架重要部分尺寸精度。为了解决这个问题，查阅了很多文献，并向有丰富焊接经验的师傅求教，我们决定采用以下几点解决这一问题。首先，我们应该从设备上来保证焊接加工的精度。我们购入了一个焊接平台和设计制造了诸多夹具，整个焊接过程就是把管件用夹具固定在这个平台上来完成。焊接加工时以平台作为基准面，由于平台上的各管件有着夹具的固定，焊接之后管件出现热变形也无法移动，这对于控制车架焊接后热变形起着极大地作用。其次，一个合理的焊接顺序对于控制热变形与保证重要部分尺寸精度也起着重要的作用。所以，经过资料查阅与请教师傅，最终确定出如4.3小节的焊接顺序。最后，对车架进行及时地调整也是十分必要的。为了保证重要部分的尺寸，我们需要边焊边调整，使车架满足设计尺寸要求。当整体车架完成后，还要把车架再静置一段时间。当车架内应力释放完毕后，再对车架进行最后的调整，这样才能得到符合设计要求的车架。3.车架焊接顺序(1)焊接底盘。保证底盘前悬架安装区的尺寸严格满足设计要求，其他部分基本满足设计要求。(2)焊接前隔板，前隔板支撑，与前环。由于该赛车车架前隔板支撑与前悬架安装管为一体，所以要前悬架安装管有较高的尺寸精度就需要前隔板，前隔板支撑，与前环这三者严格满足设计要求。(3)焊接前环支撑。“X”形交叉点的位置要严格按照设计要求。(4)焊接主环。主环部分基本满足设计要求即可(5)焊接侧防撞结构。侧防撞结构的顶管尺寸需要严格保证按照设计要求。(6)焊接发动机安装区。尺寸基本满足设计要求即可。(7)焊接主环支撑。尺寸基本满足设计要求即可(8)焊接后悬架安装区。由于该区与车架主体独立，所以较容易保证精度。此部分尺寸要严格按设计要求。(9)后悬架安装系统与车架主体进行对接。对接位置要严格按照设计要求。焊接车架上其余斜支撑管，这些管在车架主体完成后在主体上直接测量后加工焊接即可。在重点位置焊接加强板，以加强车架的整体刚度。车架的设计部分确定了车架的形式为桁架式车架结构，结合综合分析车架受力，确定选用6061-T6号铝合金作为车架的材料，并结合不同的部分受力情况选定不同的规格。接着阐述了车架的制造过程，分析了制造过程中的尺寸、强度要求、热变形这一关键问题的解决方法以及确定了车架的焊接顺序，保证车架的焊接满足设计要求。2.3节能车车架的结构尺寸本次毕业设计设计车架技术参数：如图2.18所示图2.18车架底环尺寸车架长度：2260mm；车架宽度；650mm；车头部分宽度：350mm；车尾部分宽度：297.3mm；车架高度:520mm。2.3.1节能车整体结构设计车架整体结构要先了解选材和焊接，怎么对各种钢材加工，并把车架搭出来。同时，通过最优的结构用最少的材料达到最大的刚度。图2.19整车框架三维图图2.20原节能车车架图2.18为整车框架整体装配三维图与图2.19原节能车车架相比较而言在结构上更为新颖采用框架支撑受力。相比较而言对受外力碰撞时对驾驶员的保护性更高，因为采用底环受力式结构，由多个三角形及梯形基本元素结构组成，在软件分析及以往实测试验中验证了这两种基本元素结构受力时的抗压强度及结合材料特性（铝合金）的材料自身反弹度相对较好。两幅车架从轻量化角度分析从构建材料上原车架为角钢构筑，设计车架以铝合金管为构建材料，从而质量大幅降低。从设计尺寸比较，原车架为长×宽×高为：3000mm×1000mm×650mm，设计车架长×宽×高为：2260mm×650mm×520mm。从体积分析可得出设计车架较原车架比较结构更为紧凑，为车架轻量化奠定基础。2.3.2节能车车架各部位的定位汽车车架是汽车上的一个重要部件，在设计中，人们总是希望在满足强度的条件下使其质量最轻。然而，传统的车架设计多采用类比的方法进行经验设计，然后验算其强度和刚度。结果造成结构中局部应力水平较高，其它部分应力水平很低的不均匀现象。图2.21人机工程学设计草图如图所示车架主要承受来自驾驶员、发动机和车架自身的重量，传动及转向系统的重量均可忽略不计。因此，如何处理载荷施加问题是我们必须考虑的。在新车架的设计中，我们将驾驶员的小腿以下约50N的重量均匀分布在转向支架的下横梁上、小腿至臀部约200N的重量均匀分布在两根主承载梁前部，其余350N重量均匀分布在两根座椅靠背支架梁上，发动机重量（约200N）以集中力的形式施加在座椅靠背支架后部的两个支撑梁（发动机支架）中部，车架自重（约31N），座椅和水平面成5度夹角即可：臀角为90至115度，背角为5至28度，以车辆人机工程学理论为设计准则。2.4本章小结节能竞技赛车是节能减排在汽车应用技术领域中的一种极限挑战，对汽车节能减排技术的发展和应用有一定的指导意义。节能竞技赛车发动机、底盘系统和车身系统等各部分的制作和改进方案。通过切实的实践。从提高发动机的燃油经济性指标，提高传动系统的效率，减小车辆的横向摩擦损失，减轻整车重量，降低空气阻力等多个方面，给出了可行性的改进意见，分析了影响节能车节能目标的诸多关键问题。

第3章节能车车架建模设计3.1基于UG软件三维建模通过软件建模在虚拟平台建立三维模型，目前有多款软件可达到制作要求如：ProE、CATIA、CAD、UG等多款软件。在本设计中采用UG为三维建模软件，NX是UGSPLM新一代数字化产品开发系统，它可以通过过程变更来驱动产品革新。NX独特之处是其知识管理基础，它使得工程专业人员能够推动革新以创造出更大的利润。NX可以管理生产和系统性能知识，根据已知准则来确认每一设计决策。NX建立在为客户提供无与伦比的解决方案的成功经验基础之上，这些解决方案可以全面地改善设计过程的效率，削减成本，并缩短进入市场的时间。通过再一次将注意力集中于跨越整个产品生命周期的技术创新，NX的成功已经得到了充分的证实。这些目标使得NX通过无可匹敌的全范围产品检验应用和过程自动化工具，把产品制造早期的从概念到生产的过程都集成到一个实现数字化管理和协同的框架中。这设计时方便设计者在设计建模中更好的对三维建模进行掌控。3.1.1UG软件简介UG是美国通用公司的产品开发旗舰解决方案。作为PLM协同解决方案的一个重要组成部分，它可以帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。设计对象的混合建模：在UG的设计环境中，无论是实体还是曲面，做到了真正的互操作；变量和参数化混合建模：在设计时，设计者不必考虑如何参数化设计目标，UG提供了变量驱动及后参数化能力。几何和智能工程混合建模：对于一个企业，可以将企业多年的经验积累到UG的知识库中，用于指导本企业新手，或指导新车型的开发，加速新型号推向市场的时间。UG具有在整个产品周期内的方便的修改能力，尤其是后期修改性，无论是实体建模还是曲面造型，由于UG提供了智能化的树结构，用户可方便快捷的对产品进行重复修改，即使是在设计的最后阶段需要做重大的修改，或者是对原有方案的更新换代，对于UG来说，都是非常容易的事。UG所有模块具有全相关性，UG的各个模块基于统一的数据平台，因此UG的各个模块存在着真正的全相关性，三维模型的修改，能完全体现在二维，以及有限元分析，模具和数控加工的程序中。并行工程的设计环境使得设计周期大大缩短，UG提供的多模型链接的工作环境及混合建模方式，使得并行工程设计模式已不再是新鲜的概念，总体设计部门只要将基本的结构尺寸发放出去，各分系统的人员便可开始工作，既可协同工作，又不互相牵连；由于模型之间的互相联结性，使得上游设计结果可做为下游的参考，同时，上游对设计的修改能直接影响到下游工作的刷新。实现真正的并行工程设计环境。4.4本章小结通过本章节的叙述，对节能车车架的力学建模及参数化建模进行详细的分析论述，估算车车架的总质量，与普通汽车结构相比计较，论述影响车架的因素及解决措施，从实际角度阐明论述。

第5章节能车车架轻量化分析轻量化设计可从材料上入手，如采用碳纤维或铝合金等轻质材料来替代传统的钢，但成本偏高，且制作上存在难度（铝合金不易焊接），所以从车架梁的截面形状和面积来入手显得更为实际。相关文献中指出由于车架本身结构和载荷的复杂性，无法以建立力学模型、通过数学计算的方法来获得准确的解析，而随着计算机技术发展所逐渐兴起的有限元法可有效地计算车架在各种工况下的响应，为设计提供有力的理论依据。使用上文中已经比较得出的较优化的结构下沉式车架结构来进行下列截面优化分析。5.1ANSYS有限元分析软件介绍分析软件种类繁多，其中最具代表性的有：ANSYS、SAP系列、MSC／NASTRAN、ADINA、ASKA以及I—DEAS等等，这些有限元软件功能强大，不可以分析线性问题还可以分析非线}生问题的动态特性，不仅可以分析单个实体，同时还可以分析多个实体的结合体。ANSYS公司是目前CAE行业最大的公司，在同行业中也是一直处于领先地位。ANSYS程序是一个功能强大的灵活的设计分析及优化、融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元商用分析软件，可广泛应用于核工业、铁道、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、电子、土木工程等一般工业及科学研究。该软件提供了一个不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体动力学分析、优化设计、接触分析、自适应网格划分、大应变／有限转动功能以及利用ANSYS参数设计语言(APLD)的扩展宏命令功能。基于菜单系统使用户能够通过对话框、下拉式菜单和子菜单进行数据输入和功能选择，方便用户操作。在产品设计中，用户可以使用ANSYS有限元软件对产品性能进行仿真分析，发现产品问题，降低设计成本，缩短设汁周期，提高设计的成功率。该软件主要功能特点如下：1.具有良好的图形用户接口(GUL)通过GUI可方便的交互访问程序的各种功能、命令、用户手册和参考材料，并可一步一步完成整个分析，因而使ANSYs易于使用。在用户接口中，ANSYS程序提供了四种通用方法输入命令：菜单、对话框、工具杆、直接输入命令。菜单出运行ANSYS程序是相关的命令和功能组成，位于各自的窗口中，用户在任何时候均可用鼠标访问这些窗口，这些窗口也可用鼠标移动或隐去操作。ANSYS命令根据其功能分组，保证了用户快速访问到合适的命令。2.全交互式图形它是ANSYs程序中不可分割的组成部分，图形对于校验前处理数据和在后处理中检查求解结果都是非常重要的。3．处理器ANSYS按功能作用可分为若干个处理器：包括一个前处理器、一个求解器、两个后处理器、几个辅助求解器等。ANSYs软件含有多种有限元分析的功能，包括从简单的线性静态分析到复杂的非线性动态分析。一个典型的ANSYS分析过程可以分为以下三个步骤：创建有限元模型、施加载荷进行求解、查看分析结果。ANSYs软件功能强大与其有着很多模块是分不开的，ANSYS的模块化结构如线框表所示:模块结构ANSYS功能强大与其有着很多的模块应用是分不开的。在有限元的分析过程中，程序通常使用以下三个部分：前处理模块(PREP7)，分析求解模块(sOLuTl0N)和后处理模块(POsTl和POsT26)。前处理模块为一个强大的实体建摸和网格划分的工具，通过这个模块用户可以建立自己想要的工程有限元模型。分析求解模块即是对已建好的模型在一定的载荷和边界条件下进行有限元计算，求解平衡微分方程。后处理模型是对计算结果进行处理，可将结果以等值线、梯度、向量、粒子流及云图等图形方式显示出来，也可以用图表、曲线的方式输出。下面就ANSYS软件三种模块的功能进行以下简单介绍：(1)前处理模块ANSYS软件的前处理模块主要实现三种功能：参数定义、实体建摸和网格划分。ANSYS程序在进行结构建模的过程中，首先要对模型的材料进行参数定义，包括定义使用单位制，所使用单元的类型，定义单元实常数，材料的特性以及使用材料库文件等。在实体建模过程中，ANSYs程序提供了两种方法：从高级到低级的建模和从低级到高级的建模。无论用户采用哪种方式建模，都需要进行布尔操作来组合结构数据，以构建用户想要得到的模型，例如加运算、减运算、相交、删除、重叠和粘贴等。ANSYS程序提供了六面体、四面体、和三角形的映射网格划分。(2)分析求解模块求解模块是程序用来完成对已经生成的有限元模型进行力学分析和有限元求解的。在此阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项。在ANSYSY程序中，可进行下列类型的分析：静态、瞬态、调谐、模态、谱、挠度和子结构。一般所谓的载荷应该包括边界条件(约束、支承或边界的参数)和其它外部或内部作用载荷。在ANSYS程序中载荷分为六类：DOF约束、力、表面分布载荷、体积载荷、惯性载荷和耦合场载荷。(3)后处理模块当完成计算以后，可以通过后处理查看结果。ANSYS程序的后处理包含两个部分：通用后处理模块和时间历程后处理模块。其中通用后处理模块可以查看整个模块或选定的部分模块在某一子步(时间步)的结果。可以获得等值线显示、变形形状以及检查和解释分析的结果和列表。P0sTl还提供了其它的功能，包括误差估计、载荷工况结合、结果数据的计算和路径操作等。通过单击主菜单中的GeneralPostproc可以直接进入到通用后处理模块。可用于查看模型的特定点在所有时间步内的结果，可以获得数据时间(或频率)的关系图形曲线以及列表。可以进行曲线的代数运算，变量之间的可以进行加、减、乘、除运算以产生新的曲线；还能够从时间历程结果中生成谱响应。5.2ANSYS与UG接口的建立在三维建模、力学分析及参数化建模之后，需用ANSYS对本设计车架进行静力学分析及模态分析首须解决的就是两款软件之间的接口问题，经过实际操作总结两种软件接口方法：1.直接转换方法：在UG中EXPORT选择PARASOLID，输出为文本格式，然后在ANSYS中输入即可，在UG的环境文件中设置好ANSYS的版本号、路径，则在UG中可以调用ANSYS分析引擎；在ANSYS中~\ANSYS57\ac4\bin中设定UG的parasolid版本即可直接读入UG的part文件，可以将UG18中的图形转换成11－16版本才可以用ANSYS读出来，在ANSYS中~\ANSYS57\ac4\bin中设定UG的parasolid版本即可直接读入UG的part文件，\ANSYS57\ac4\bin下只有ug170的文件夹，也就是说只支持17版本以下UG的parasolid，此时可添加ug160文件夹，将ug170中内容完全copy过来，即可直接读入ug16的part。直接转换对于软件版本要求较高，而且两款软件之间版本有固定搭配，不利于进行软件分析，相互导入时会出现文件破损或文件丢失，导致目标建模不完全，不利于分析。2.间接转换方法：在UG界面中直接选择文件另存为ProE的文件格式（×.sec），再由ProE与EANSYS进行接口建立，保存为（×.iges），有ProE导入ANSYS当中进行加载分析。由于PROE为通用三维制图软件，使用时间较长，所以在接口处理方面交UG更为成熟，所以选择中间转换的方法，UG各版本均可与ProE各版本之间进行转换，但也存在优质转换的问题，同样需要版本匹配，但与直接转换相比较，间接转换适用性更高，所以本设计中采用间接转换连接UG与ANSYS两款软件。5.3节能车架静力学分析由前面的受力分析可知，车架主要的受力在低环的纵横梁上，因其直接承受汽车载荷。单独拿出来进行有限元分析。车架的受力情况如图5.1所示。图5.1受力试图图5.1所示中前后轮支撑架Fa1、Fa2、Fe1、Fe2为加载约束；Fb、Fc、1Fc2、Fd1、Fd2、Fd3为受力加载F=Fb+Fc+1Fc2+Fd1+Fd2+Fd3=650N1.定义属性单元属性主要包括：单元类型、实常数、材料常数。典型的实常数包括：厚度、横截面积、高度、梁的惯性矩等。材料属性主要包括：弹性模量、泊松比以及材料密度等。本设计中主要定义单元类型、弹性模量、泊松比。定义过程：（1）Preferences/Structural；（2）Preprocessor/ElementType/ADDEditDelete/LibraryofElementTypes第一对话框选择StructuralSolid，一般选择第二对话框选择TET10node187；（3）Preprocessor/MaterialProps/MaterialModels/Structural/Linear/Elastic/Isotropic/输入EX(弹性模量)值，输入PRXY(泊松比)值。节能车车架材料为铝合金管材，其弹性模型EX=6.8e10，泊松比PRXY=2.5。2.网格划分本设计中主要采用智能自由网格划分，网格划分精度选择为6级，网格划分后的有限元模型如图5.2所示，有限元模型中共有个10256单元，6899个节点。图5.2有限元模型3.约束加载及求解约束加载步骤如下:（1）Solution/AnalysisType/NewAnalysis/Static；（2）Solution/DefineLoads/Apply/Structural/Displacement/OnAreas；选择节能车车架前后轮支撑进行约束，故选择ALLDOF(全约束)；约束模型如图5.3所示。（3）Solution/DefineLoads/Apply/Structural/Pressure/Onareas；车架上端面/输入加载压强的大小（注意方向），受力输入的为F产生的压强值：。加载模型如图5.4所示。图5.3约束模型图5.4加载模型（4）求解Solve/CurrentLS/Ok/Close。4.查看结果及分析（1）查看变形结果：GeneralPostProc/PlotResults/DeformedShape/Ok；获得的X、Y、Z方向位移云图及总变形云图如图5.5至5.8所示。图5.5X方向变形云图图5.6Y方向变形云图图5.7Z方向变形图5.8总变形变形量分析：从图中可以看出X方向的最大变形量为0.094mm，Y方向的最大变形量为0.004mm，Z方向的最大变形量为0.142mm，总方向最大变形为1.06mm。可见车架的变形主要为水平方向变形，变形量很小，充分满足刚度要求。（2）查看应力结果：GeneralPostProc/PlotResults/ContourPlot/NodalSolu/Stress/SX(X方向应力)、SY（Y方向应力）、SZ（Z方向应力）、SEQV（综合应力）。如图5.9至5.12所示。图5.9X方向应力云图图5.10Y方向应力云图图5.11Z方向应力状况图5.12综合应力状况应力结果分析：数值显示，蓝色部位应力值最小，红色部位应力值最大。X方向最大应力为26.5MPa，Y方向最大应力22.5MPa，Z方向最大应力为54.3MPa，综合应力最大值为58.7MPa，最大应力发生在基板和立板焊接的接缝处，无论是单个方向的最大应力，还是综合应力值均小于27号铝合金管材的许用应力800MPa，故充分满足强度要求。通过有限元分析可知，本设计中的节能车车架尺寸及选用的材料均符合要求。5.4节能车架模态分析导入ANSYS后的车架模型如图5.13所示。图5.13车架模型导入到ANSYS1、定义属性单元属性主要包括：单元类型、实常数、材料常数。典型的实常数包括：厚度、横截面面积、高度、梁的惯性矩等。材料属性包括：弹性模量、泊松比、密度、热膨胀系数等。材料属性主要包括：弹性模量、泊松比以及材料密度等。本设计中主要定义单元类型、弹性模量、泊松比及材料密度。定义过程：（1）选择MainMenu/Preferences/Structural；（2）选择MainMenu/Preprocessor/ElementType/ADDEditDelete/LibraryofElementTypes第一对话框选择StructuralSolid，第二对话框选择Tet10node187；(3)MainMenu/Preprocessor/MaterialProps/MaterialModels/Structural/Linear/Elastic/Isotropic/输入EX(弹性模量)值，输入PRXY(泊松比)值，输入DENS（密度）值。本设计中：车架材料选择27AL，弹性模量EX=68e9Pa,泊松比PRXY=0.25，密度DENS=2712kg/m3。2、网格划分网格划分同静力学分析操作相同。3、施加约束、加载并求解本设计是对车架进行自由状态下的振型模态分析，具体约束是在小头接触区，保留沿承重梁长度方向上的移动，其他自由度给予约束，在载荷与车架底梁的接触区自由度全部予以约束。选择MainMenu/Solution/AnalysisType/NewAnalysis/Modal/OK；（2）选择MainMenu/Solution/DefineLoads/Apply/Structural/Displacement/OnAreas/选择前环接触区的UX（X方向位移）、UY（Y方向位移）进行约束，选择尾环接触区进行ALLDOF全约束；（3）选择MainMenu/Solution/LoadStepOpts/OutputCtrls/DB/ResultsFile选Everysubstep，参照图5.14；图5.14“求解输出控制”对话框（4）选择MainMenu/Solution/AnalysisType/AnalysisOptions/选择BlockLanczos，NO.ofmodestoextract文本框中输入6，在NO.ofmodestoexpand文本框中输入6，单击OK，参照图5.15。起至频率设定采用系统默认值，单击OK即可；图5.15“模态分析选项设置”对话框(5)选择MainMenu/Solution/Solve/CurrentLS/Ok/Close；5、查看结果及分析(1)选择MainMenu/GeneralPostproc/ResultsSummary/将列表显示模态计算结果对话框，如图5.16所示；图5.16模态计算结果（7）选择MainMenu/GeneralPostproc/ReadResults/FirstSet；（8）选择MainMenu/GeneralPostproc/PlotResults/DeformedShape/获得第1阶模态振型结果，如图5.17所示；（9）选择MainMenu/GeneralPostproc/ReadResults/NextSet；（10）选择MainMenu/GeneralPostproc/PlotResults/DeformedShape/获得第2阶模态振型结果，如图5.18所示；（11）重复（5.16）和（5.17）可分别获得第3、4、5、6阶模态振型结果，如图5.19、5.20、5.21、5.22所示。图5.17一阶模态振型图5.18二阶模态振型图5.19三阶模态振型图5.20四阶模态振型图5.21五阶模态振型图5.22六阶模态振型（12）模态分析结果：固有频率为0.34062e-1Hz的一阶模态底环前部小头沿Z方向变形，最大振动变形值为0.06085mm；固有频率为0.35786e-1Hz的二阶模态沿Z方向变形，最大振动变形值为为0.10069mm；固有频率为0.54735e-1Hz的三阶模态沿Y方向变形，最大振动变形值为0.10370mm；固有频率为0.66413e-1Hz的四阶模态沿Z方向变形，其最大振动变形值为0.10371mm；固有频率为0.70764e-1Hz的五阶模态沿Z方向扭曲变形，最大振动变形值为0.11929mm；固有频率为0.78886e-1Hz的六阶模态沿Y方向变形，最大振动变形值为0.16549mm。根据文献所知，节能车发动机固有频率范围为11.7-66.7Hz与车架固有频率相差较远，故不会产生共振现象，且此模态分析结果可为将来车架的动态性能分析提供重要的理论基础。5.5本章小结 本章节主要通过ANSYS软件对三维建模进行静力学分析与模态分析，并论述UG与ANSYS两款软件之间的接口连接问题，提出两种连接方式，并选择较为适用的一种方法进行连接，从而进行分析。对ANSYS软件进行了简单介绍。

结论本设计基于UG与ANSYS的大学生节能车结构优化设计，车架为航架结构，车架起到支撑及承载作用，由底环与上环相结合分散受力起到稳固结构的作用。针对车架进行轻量化设计，前期收集相关资料，分析历届节能车相关资料的准备工作。以原有车架为基础进行实际测量，进行初步分析。手绘车架轮廓草图，建立力学模型及参数化建模，确定车架基本结构及尺寸。根据分析成果对车架主体及配件进行三维建模。在建模软件中将设计车架与原车架进行结构对比。建模完成针对三维建模软件UG与分析软件ANSYS进行接口建立，采用多种选择建立，确定稳定性最佳的软件接口进行连接。将建模导入分析软件中进行模型分析，通过三维建模软件、力学建模及参数化建模、分析软件进行轻量化优化设计。在设计中取得的阶段性成果如下：（1）通过收集资料分析，明确节能车的设计理念、设计参数、设计结构、参赛规则，设计要求等。（2）学习UG软件，设计车架与原车架三维建模，通过UG软件分析进行质量、抗弯、抗扭强度对比分析。（3）运用力学建模及参数化建模通过数理结构对车架轻量化进行分析。（4）设置软件接口连接将UG与ANSYS进行连接为导入三维建模做准备。（5）将建模导入ANSYS分析软件进行静力学分析及模态分析。得出软件处理结果与原车质量及理论计算相对比，验证轻量化结果。本次毕业设计对节能车进行轻量化优化设计，在构建材料上选择较为普遍的铝合金为今本构建材料，在结构上采用低环与上环相结合的受力结构方式，发动机中置后驱，缩短传动距离，减少不必要的材料，减轻质量。运用较为先进的UG软件三维建模，ANSYS进行后续处理分析。在本设计中仍有许多不足的地方，如在车架整体尺寸上可在进行细化，在布置上可进行改进，在构建材料上可选择更为轻质，强度更佳的如镁合金等，进行从优选择。

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致谢在本设计完成之际，首先向我最尊敬的导师崔宏耀老师致以最诚挚的敬意和最衷心的感谢。几个月以来，他不遗余力地对我的设计进行了指导。在我毕业设计这段时间，无论是在学习还是在生活上，恩师都给予了我无微不至的关怀。崔老师平易近人，学识渊博，治学严谨，处理问题认真求实的作风一直影响着我，他必是我一生的楷模，对我的帮助和教导我将谨记一生！再过一个月我们就要离开这个学习、生活了四年的校园了，同时自已也将告别学生时代。毕业设计可以说是我最后一次向老师们学习的机会了，也正是因为老师的教导，设计才得以完成。毕业设计虽已完成了，但由于知识水平的局限，实际经验缺乏，设计还存在许多不足，有很多地方需要改进。对于这些不足，我会在今后的工作、生活中努力去改正，并利用所学到的知识，为社会作更多的贡献，成为一个对社会有用的人。此外还要感谢那些给予过我关心、帮助的老师和同学，正是有了大家的关怀、鼓力和自身的努力，此设计才得以顺利完成。最后预祝黑龙江工程学院发展越来越好，祝汽车与交通工程学院桃李满天下！

附录A关于软件接口连接UG为三位建模软件，有较为完善的分析功能，在独立建模是可进行质量，面积，体积，强度等多方面计算，可自行编程进行导入式分析。UG软件近几年在国内开始运用，仍存在许多不足，在本次毕业设计中所体现的主要问题在于软件的不完全兼容，UG建模软件与ANSYS分析软件存在结构稍复杂模型不可执行布尔操作及分析，主要原因通过解读导入程序得知，在ANSYS分析软件中对UG实体建模程序转换不完全，所导致建模文件丢失性较大。存在软件版本配合问题，同为高版本软件时导入文件出现丢失情况较小。如UG7.5与ANSYS12.0之间导入文件时仅丢失少部分文件，同平面建模相对导入性较好。适于结构简单模型进行运用。模态实验应考虑的问题实验模态分析就是以控制理论为基础，从所测得的输入、输出信息中去辨识结构的模态参数。近几年来，实验模态技术发展很快，各种测试手段日益更新，模态参数识别软件也层出不穷，这为我们获得结构的较为准确的模态参数带来极大方便。

（1）激振方法

激振方法的选择包括两方面内容：采用什么样的激振信号；采用单点激振还是多点激振。问题的中心在于是否能够提供足够的能量，把需要的频段中的模态全部激发出来。激励信号可采用随机信号、脉冲信号等。随机信号可用白噪声发生器产生，试验中选用了0-160Hz白噪声信号，其优点是，能量均匀分布在频带上，且在较宽频率范围内对结构进行激励，总的激振力水平，便如平均值、均方值等是可以控制的；其缺点是泄漏误差大。用锤击法提供脉冲信号，该方法的优点是设备简单，不需要精心设计安装激振器的夹具，便于现场测试或在线测试；激振点可以灵活，敲击力方向可以任意；测试精度能满足一定要求，高于随机激励。缺点是激振力频率范围不易控制；仅适合于低频，高频模态不易激出来；由于振动能量分散，从而信噪比小；锤击有时可能过载，使结构进入非线性范围。固定的激振点是经过多点试敲后选定的。模态分析的频域法有两种：单点激振法和多点激振法。多点激振法需要昂贵的多点激振设备，试验过程复杂，但计算比较简单；单点激振法所需设备简单，试验也较容易，但计算方法要复杂上些。在本次实验中根据现有条件，采用单点激振法。

（2）固定方式

在进行部件模态实验分析时，首先要确定被测物体的固定方式。固定方式一般有两种：一种是按照其实际工作状的方式约束，这种固定方式主要是用于较波折部件或在振动台上进行试验；二是悬吊式。由于本次实验对象是车架，不可能选择实际工作状态方式，故采用橡皮绳悬吊式，使其处于自由状态下进行分析。结构处于自由状态具有最多的自由度，这样得到的模态参数便于与其他部件一起进行整体结构的综合模态分析。具体悬吊方江是：车架左右纵梁前后端各用一根橡皮绳将整个车架吊挂在大型吊架上，即为四点悬吊式。经实测，车架挂上后，系统的固有频率（所谓的“刚体模态频率”）中的最高者为0.816Hz，小于第一阶弹性模态频率（FI=20.67Hz）的1/5，可近似认为被吊的车架处于自由状态，这样可以防止悬挂的刚体模戊与车架的弹性模态发生耦合。

（3）激励方式

采用电磁式激振器，最大激振力为200N。激振器的推杆顶端连接一个力传感器，力传感器固定在车架后横梁右下部。为了保证测试精度，不能让被测物体有附加约束而产生其它外力，例如，对结构激振时，除了产生垂直振动外，还将产生回转（转角），这时如果因为有激振器连接限制其转动，就会产生附加的弯矩。为了解决这一问题，激振器和被测物体之间的推杆需要有一定的侧向弹性，这样既能保证在激振方向有一定的刚度，不影响激振力的传递，双能减少在侧向对回转的约束。另外，推力杆的自振频率应远离被测物体的模态频率。在试验中要求顶杆与车架之间不能脱离，顶杆与力传感器间不能有任何松动和间隙。此次试验采用顶杆与力传感器间通过螺纹连接。为防止顶杆与车架脱离，将力传感器固定在一个小底座上，该底座用螺纹与一磁铁相联，同时将磁铁块吸附在车架上。还应注意激振点不应与测试频段内任何一阶振型的节点相重合。因此在进行正式试验以前应先进行预测。?

（4）试验频段的选择

试验频段的选择应考虑到汽车在运行条件下可能的激振频率范围，通常认为，远离振源频带的模态对结构的实际振动影响（贡献量）较小。通俗的说法就是“低频激励激不出高频模态”。事实上，高频模态贡献的大小，除与激振频率有关外，还与激振力的分布状况有关。此外，如果部件进行综合分析，以求整体结构的模态，为使整体模态具有更高的精确度，部件模态试验的频段也应适当放宽，以求得稍多的模态。总值年模态过少，而各部件之间的连接点较少时，就不便于对整车进行综合分析。

考虑到汽车的运行速度与路面条件以及车架与其他部件进行综合分析的需要，选取0-120Hz作为其试验频段。

（5）测点布置

测点布置原则是：布置在悬架支点，纵、横梁连接点和刚度变化较显著的点上；尽可能使车架纵梁布点均匀，左右对称布置。这样，既便于今后的模态综合，又不致使识别的模态失真。测点布置、测点数量的选择还应考虑到以下两方面的要求：能够明确显示在试验频段内所有模态的基本特征及互相间的区别；保证所关心的结构点（如与其它结构的连接点），都在所选的测量点之中。为提高信噪比，测点不应选在各阶振型节点附近；在研究的主要部位，测点布置应较为密集。用压电式加速度传感器测量各测点在垂直方向上的振动加速度响应，并将信号记录在磁带机上（锤击法时），或现场采集信号，实时处理得到频响函数，存储于微机硬盘（白噪声激励时）。

测振时加速度计安装正确与否，对测量结果的正确性有很大的影响。安装方式多种多样，我们根据测试频段及车架的构造，采用永久磁铁吸附法的安装方式以求简便