1、畢業設計（論文）開題報告書課 題 名 稱 賽車車架模態分析與輕量化設計 學 生 姓 名 馬 冬 學 號 1241103014 系、年級專業 機械與能源工程系2012級 車輛工程專業 指 導 教 師 張 彬 2015 年 12 月 20 日一、課題的來源、目的、意義（包括應用前景）、國內外現狀及水平1.1課題來源:課題來源于生產實際，通過對賽車車架的模態分析減少整車振動和減輕車架質量，使賽車避免發生共振，解決賽車賽車的能耗和成本實際問題。1.2課題的目的和意義：目的：為了使賽車的動態特性和重量達到一定的匹配效果，借助ANSYS Workbench分析平臺對車架進行了自由模態和約束模態的數值模擬，

2、得到車架的固有頻率和振型，最后借助車架各管件截面對固有頻率的靈敏度分析，對車架進行了尺寸優化，使車架質量得到降低，并且避免發生共振。 意義：賽車車架的模態分析對于減少整車振動和提高動態性能具有重要意義，而輕量化則減小了賽車的能耗和成本。為了使賽車的動態特性和重量達到一定的匹配效果，借助ANSYS Workbench分析平臺對車架進行了自由模態和約束模態的數值模擬，得到車架的固有頻率和振型，最后借助車架各管件截面對固有頻率的靈敏度分析，對車架進行了尺寸優化，使車架質量得到降低，并且避免發生共振。1.3國內外現狀及水平：目前，國內外對車輛結構的設計和研究，特別是對車架的設計已經不再像以前一樣是依靠

3、經驗來設計的，現在越來越多的人運用諸如如有限元分析等進行車輛結構的設計。在國內運用有限元方法對賽車車架結構進行分析起步較晚，發展較慢。20 世紀 60 年代中后期，國外開始把有限元運用到結構分析中。R.J.Helosh等人發表了一系列關于汽車有限元模型建立及處理的文章，成為今后研究汽車有限元問題的開端。70年代，美國宇航局把NASTRAN用于車架的結構分析中，在有限元靜態分析、動態分析的基礎上對車架進行了優化，在保證各項性能的前提下降低了賽車車架質量，它是最早的車架輕量化研究1。1977 年，Kamal和Wolf在小型客車模型上用有限元法進行了分析。90年代以后，國外專家也相繼對車架的設計做了

4、研究。Niiyama、Ao.Kazuo 等人利用優化方法改進了車架結構，設計出的新車架比原車架具有更好的靜態特性2。有限元進入高速發展時期，成為主要的分析形式。美國通用汽車公司在根據現有有限元分析軟件的基礎上，自主研發了一些后處理軟件，并用作研究發動機與道路激勵的分析上，與之前的分析過程相比，簡化程度顯而易見3；美國福特公司利用有限元軟件對汽車NVH性能進行分析4。近些年以來，國外專家對車架有限元方面進行了持續的關注及研究。目前，車架有限元技術在國外應用比較廣泛，通過積累得到了大量研究成果。Beermann利用梁、板單元對汽車車架的橫梁與縱梁的連接處進行了有限元模型的簡化5；Elliot Br

5、inkworth、Blake Siegler對賽車碳纖維車身進行了描述，并講解了關于車身剛度分析的過程，成為賽車車身研究的起點6；William B.Riley 等人做了 FSAE車架的分析與試驗，分析了路面激勵對車架的影響7；PJ Masao Ishihama、Shingo Iizuka 等人根據車架仿真結果，對車架結構進行優化設計，實現了車架輕量化8；Brian Auer、Jared Mc Combs等人描述了車架設計的總體過程，并對車架結構進行了有限元分析及優化，優化后車架保持較好的性能9。Ryo Masutani、Daisuke Ito.等人對汽車進行有限元分析，并根據結果對車架實現了

6、輕量化設計10。我國利用有限元的方法研究汽車起步較晚，相對來說比較落后，但是通過研究人員的不斷努力，骨安濤、常國振等較早地將有限元法引進汽車車架的設計工作中；鄭兆昌等人利用大型結構軟件對貨車車架進行了動態分析，并進行了靜強度和剛度的分析11；馬迅將車架模型簡化成梁結構，進行了車架剛度和模態的分析，借助車架管件橫截面對車架進行優化，降低車架質量11；于國飛等人利用梁單元對賽車車架進行網格劃分，為優化設計提供了參考12，這是國內首次將有限元法應用到賽車車架的分析中；趙文娟利用有限元軟件對賽車車架作了靜態分析，提出了利用車架的模態分析結果直接對車架結構動態特性進行評價的方法13；姜立嫚對賽車車架進行

7、靜態結構分析和模態分析，得到相應的應力及位移分布，并對正面碰撞進行模擬，根據以上結果對車架進行優化，實現了車架的輕量化14。于國飛、黃紅武等人利用有限元軟件對方程式賽車車架的強度及剛度進行了計算，分15，并利用分析結果指導車架設計，在中國第一次將有限元技術應用到大學生方程式賽車車架的分析15，盡管我國汽車產業起步較晚，利用有限元分析的技術方法相對來說存在差距，但是仍然具有很大的發展空間。隨著計算機技術的普及和發展，使得這種應用十分廣泛的數值分析方法，有限元方法及其產品（如Hyper Works、ANSYS、ABAQUS、LS-DYNA等）以其便捷、高效的優勢以及堅實的理論基礎正在汽車車架的設計

8、及結構優化中發揮著巨大作用16。與普通汽車不同，賽車車架作為整個系統總成的承載體，承受著各種不同工況下的各種載荷，而且由于賽車在比賽中存在著行駛的速度快，工作強度大等特點，所以，車架結構對賽車性能有很大的影響，將會直接影響著比賽成績的好壞，運用建模的方法和利用有限元分析軟件對賽車車架建立三維模型和有限元分析模型，通過模態分析獲得車架各階固有頻率和振型（主要是前六階），使其滿足震動條件，避免共振現象帶來的破壞，保證賽車行駛的安全性和可靠性。對賽車車架進行輕量化設計具有又十分重大的意義，因為當統一的限制發動機排量時，特別是對賽車的動力性、加速性要求較高的情況下，在滿足賽車車架強度、剛度要求的同時，

9、適度降低車架的重量，對改善汽車的運動性能具有十分重要的積極影響，運用有限元模態分析的設計方法是確保汽車結構強度、減輕車架重量的有效方法17。參考文獻:1 Ao.Kazuo, Niiyama. Analysis of torsional stiffness share rate of truck frame. SAE Technical Paper Series, 1991: 18-21.2 王松.某商用客車車架有限元分析與結構優化D.武漢:武漢科技大學碩士學文論文, 2012.3 B.W.Deutshel, LB.Katnik. Improving Vehicle Response to En

10、gine and Road Excitation Using Interactive Graphics and Modal Reanalysis Methods. SAE900817, 1990, 26(17): 1126-1132.4 Jasuja S.C.Ko R.C Application of CAE Analyses for Improved NVH Performance of the New 1992 Eeonoline. SAE Transaetion,1992, 28(22): 1125-1135.5 Beermann.H.T.Static analysis of comme

11、rcial vehicle frames: a hybrid-finiteelement analytical. International Journal of Vehicle Design. 1984(5): 26-52.6 Elliot Brinkworth, Blake Siegler. Torsional Chassis Stiffness and Crashworthiness Analysis of the University of Leeds 2000 Formula SAE/ STUDENT Racing Car. Altair Engineering. 2000.7 Wi

12、lliam B. Riley, Albert R. George. Design, Analysis and Testing of Formula SAE Car Chassis. SAE International, 2002-01.8 Masao Ishihama, Shingo Iizuka, Optimization of super lightweight space. frame vehicle structure, 2003.9 Brian Auer, Iared Mc Combs. Design and Optimization of a Formula SAE Frame.

13、SAE Technical Paper Series, 2006.10 Ryo Masutani, Daisuke Ito. Space Frame Design for Formula SAE. SAETechnical Paper Series, 2009.11 馬迅,盛勇生.車架剛度及模態的有限元分析與優化J.客車技術與研究,2004,26(4):P 8-P11.12 于國飛,黃紅武,吳俊輝.基于有限元的FSAE賽車車架的強度及剛度計算與分析N.廈門理工學院學報,2009,17(4): P29-P32.13 趙文娟.YD02賽車車架結構設計及其輕量化研究D.秦皇島:燕山大學碩士學位論文,

14、 2009.14 姜立嫚.FSAE賽車車架結構動態特性分析與優化設計D.北京:北京信息科技大學碩士學位論文,2012.15 鄺坤陽.FSAE賽車車架的結構分析與優化D.合肥:合肥工業大學碩士學位論文, 2011, 3.16 張寶玉.基于有限元的FSC賽車車架結構分析及優化J.遼寧工業大學汽車與交通工程學院,2014.17 喬邦,陸忠東.基于有限元分析的賽車車架結構輕量化設計J.浙江科技學院學報,2014年6期:P455-P459.二、課題研究的主要內容、研究方法或工程技術方案和準備采取的措施2.1課題研究的主要內容（1）建立賽車車架三維實體模型和有限元模型。（2）借助ANSYS 分析軟件對車架

15、進行數值模擬，得到頻率和振型， 為結構改進、避開各種振源的激勵頻率提供依據。（3）對車架進行振動特性的模態分析，判斷車架是否具有共振破壞的危險，保證振動特性合理，車架的固有頻率應避免接近各種激振源所產生的頻率。（4）對車架尺寸進行優化，使車架質量得到降低，實現車架的輕量化目標。2.2研究方法或工程技術方案利用ANSYS Workbench分析平臺對車架進行自由模態和約束模態的數值模擬，并將自由模態計算結果與實驗數據進行對比，驗證車架有限元模型的正確性；進而計算出驗證后的車架有限元模型，各階固有頻率對車架各管件截面尺寸的靈敏度。最后借助車架靈敏度分析，對車架進行尺寸優化，使車架質量得到降低。2.

16、3準備采取的措施利用ANSYS Workbench軟件對車架模態進行數值模擬，得到車架的固有頻率和振型，對固有頻率進行靈敏度分析，借此對車架進行了尺寸優化，使車架質量得到降低，并且避免發生共振。（1）不斷加強自身的學習，通過上網查找相關資料，收集主要原始數據以及其工作條件，對于賽車車架有感性的認識。（2）利用自己所學的知識，把理論和實踐緊密聯系起來，去圖書館查找相關書籍資料，對賽車車架模態分析深入了解。此過程中學習掌握相關應用軟件的操作并綜合分析有關的文獻資料，提出總體方案。三、現有基礎和具備的條件3.1現有基礎：（1）、通過三年的大學學習，已經積累了一定的相關方面的經驗，如材料力學、機械制造

17、技術基礎、機械原理、互換性與測量、液壓與氣壓傳動、電路學、液壓傳動與氣壓傳動、有限元分析、機械設計、汽車設計、機械制圖等課程，對課題所涉及的相關科學有了一定的了解，具有了相關的理論基礎。（2）、參加過使用PROE、ANSYS等建模和仿真軟件的培訓課程，能夠較熟練的使用上述軟件。3.2具備條件：（1）學校車輛工程實驗室為課題研究提供了實踐基礎，特別是已成功設計、制造出FSAE方程式賽車。（2）學院圖書館收藏了大量的相關資料、文獻。包括有關專業方面的知識書籍和周刊、往年設計圖紙、設計心得等，并且提供了網絡化的機房，為查閱資料提供了便利。（3）可以在中國期刊網、維普網、萬方數據庫、超星數字圖書館等網

18、站查找相關資料。四、總的工作任務，進度安排以及預期結果（1）查詢相關文獻，收集資料。（2）掌握ANSYS Workbench軟件的使用方法。（3）借助ANSYS Workbench分析平臺對車架進行模態分析，得到車架的固有頻率和振型。（4）對車架各管件截面固有頻率的靈敏度分析，,對車架進行尺寸優化，使車架質量得到降低。（5）在綜合設計的基礎上，校核和改正設計的不完善之處，（6）認真撰寫畢業論文準備答辯。4.2進度安排2015.12.10查看相關的資料；2015.12.13下達任務書；2015.12.20整理、完成開題報告和文獻翻譯；2016.3.20熟悉相關軟件應用，論文雛形搭建；2016.4.15論文主要設計計算工作完成，并撰寫中期檢查報告；2016.5.15撰寫并修改論文；2016.5.30準備論文等答辯事宜。4.3預期結果（1）較熟練的掌握ANSYS Workbench軟件，建立賽車車架系