基于SolidWorks的節(jié)能車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘 要：經(jīng)過(guò)數(shù)百年的發(fā)展，汽車的安全與節(jié)能性已經(jīng)成為其設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。而在汽車的設(shè)計(jì)中，汽車的基體車架是用來(lái)支撐、連接汽車的各總成，使各總成保持相對(duì)正確的位置，并承受汽車內(nèi)外的各種載荷。目前，針對(duì)節(jié)能車車架設(shè)計(jì)中的節(jié)約電能消耗和提高燃油經(jīng)濟(jì)性能的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)車架的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析簡(jiǎn)化，利用SolidWorks軟件對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)建模和強(qiáng)度分析，基于上述結(jié)果，分析得到車輛的幾個(gè)主要組成系統(tǒng)對(duì)賽車電能消耗特性的影響規(guī)律。然后以車架輕量化和車身空氣阻力最小化為設(shè)計(jì)目標(biāo)使得節(jié)能車車架結(jié)構(gòu)達(dá)到一定的優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)減輕車輛的電能消耗，具有一定的理論和實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞：SolidWorks 節(jié)能車 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 有限元分析 車架 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

Structural Optimization Design of Energy-saving Vehicle Frame based on SolidWorks

Chen Hui

Abstract：After hundreds of years of development， the safety and energy saving of automobiles has become an important part of its design. In the design of automobiles， the base frame of the automobile is used to support and connect the various assemblies of the automobile， so that each assembly maintains a relatively correct position and bears various loads inside and outside the automobile. At present， in view of the problems of saving power consumption and improving fuel economy performance in the design of energy-saving vehicle frames， the design structure of the frame is analyzed and simplified， and the SolidWorks software is used to design modeling and strength analysis of the frame structure. Based on the above results the article analyzes the influence law of several main components of the vehicle on the power consumption characteristics of the racing car. Then， with the design goal of lightweight frame and minimization of body air resistance， the frame structure of energy-saving vehicle can be optimized to a certain extent， so as to reduce the power consumption of the vehicle， which has certain theoretical and practical significance.

Key words：SolidWorks， energy-saving vehicles， structural design， finite element analysis， frame， structural optimization

汽車市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，造成當(dāng)今國(guó)內(nèi)外汽車市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，使得汽車產(chǎn)品的研發(fā)周期不斷的縮減，由原來(lái)的幾十年到如今的幾年甚至十幾個(gè)月[1]。使汽車的各向性能面對(duì)了更大更多的挑戰(zhàn)。

除此之外，隨著汽車行業(yè)的快速的發(fā)展，當(dāng)前全球能源危機(jī)日益凸顯[2]，隨之而來(lái)的便是大量使用汽車所造成的環(huán)境污染。因此汽車的節(jié)能減排已經(jīng)成為了不可忽視的問(wèn)題，亟待解決。而本文所要研究的內(nèi)容就是基于上述所出現(xiàn)的問(wèn)題，通過(guò)SolidWorks軟件對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析處理，以車架輕量化和車身空氣阻力最小化為設(shè)計(jì)目標(biāo)優(yōu)化節(jié)能車車架結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)減輕車輛的電能消耗。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

為解決當(dāng)前能源危機(jī)的問(wèn)題，國(guó)家提出了對(duì)汽車進(jìn)行節(jié)能減排的要求。在這樣的背景下，Honda于廣東國(guó)際賽車場(chǎng)舉辦了每年一屆的Honda節(jié)能競(jìng)技大賽。通過(guò)比賽得出每輛節(jié)能車消耗每升燃油能夠行駛的公里數(shù)，耗油量較少的團(tuán)隊(duì)勝出。通過(guò)降低油耗來(lái)設(shè)計(jì)并制造出使用性能高的節(jié)能車輛，而實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的關(guān)鍵是車架要輕、車阻力要小以及車的強(qiáng)度要高。因此對(duì)于節(jié)能車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，合理可行的設(shè)計(jì)對(duì)今后的節(jié)能車的發(fā)展也提供了參考性。

1.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

早期的車架設(shè)計(jì)采用設(shè)計(jì)與試驗(yàn)交互進(jìn)行，現(xiàn)在的車架的設(shè)計(jì)一般使用SolidWorks軟件進(jìn)行建模分析。而對(duì)于車架的強(qiáng)度分析則是把車架簡(jiǎn)化為單元的結(jié)構(gòu)離散化的梁。梁是有限元分析在力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的基本單位，由于忽略了一些客觀因素，導(dǎo)致模型設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，因此在計(jì)算上存在一定的誤差。

汽車絕大多數(shù)部件及總成都是通過(guò)車架來(lái)固定的，車架是汽車的主要承載結(jié)構(gòu)，并且還起到支撐連接汽車各零部件的作用以及承受來(lái)自車內(nèi)外的各種載荷。

本文所使用的SolidWorks軟件早在1983就開始被Jon Hirschtick研發(fā)，最初是以Premise項(xiàng)目呈現(xiàn)且在當(dāng)時(shí)只包括二維平面的建模時(shí)設(shè)計(jì)。隨著科技不斷的發(fā)展，現(xiàn)在的SolidWorks軟件已經(jīng)成為世界上第一個(gè)基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上提供了上百個(gè)API函數(shù)供用戶進(jìn)行二次開發(fā)。1974年，徐芝綸院士將有限元分析理論應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)的力學(xué)計(jì)算中，通過(guò)不斷的實(shí)踐，最終出版了《彈性力學(xué)問(wèn)題的有限單元法》，為有限元法提供了理論基礎(chǔ)。同一時(shí)期下，某大型客車被浙江省交通科學(xué)研究所首次利用有限元法進(jìn)行了強(qiáng)度分析，從此我國(guó)開始了利用有限元法在汽車領(lǐng)域的實(shí)踐[3]。

1.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

像國(guó)內(nèi)的快速發(fā)展一樣，國(guó)外對(duì)于節(jié)能車車架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也在不斷的進(jìn)化。其中，在1970年，美國(guó)宇航局使用Nastran軟件對(duì)某汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，開啟了有限元法在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用[4]。接著，國(guó)外的學(xué)者還對(duì)車架的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行相關(guān)的研究，擴(kuò)大了對(duì)車架性能的研究范圍，也為對(duì)節(jié)能車車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了更多的研究方向。基于上述學(xué)者的研究，現(xiàn)在對(duì)于節(jié)能車車技結(jié)構(gòu)的研究取得了豐富的成功。

但隨著科技的發(fā)展，我們對(duì)節(jié)能車車架得到結(jié)構(gòu)性能又提出了新的要求。因此，我們國(guó)內(nèi)外的學(xué)者還在繼續(xù)著研究，而本文也針對(duì)近年來(lái)提出的新需求進(jìn)行了探索與研究。

2 節(jié)能車車架結(jié)構(gòu)

2.1 車架結(jié)構(gòu)分析

與普通的汽車的結(jié)構(gòu)布局相似，節(jié)能競(jìng)技賽車是由主要構(gòu)件和次要構(gòu)建組成，其中包括發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤和車身三大部分。發(fā)動(dòng)機(jī)主要是為了使節(jié)能車能夠正常行駛。底盤則是為了支撐、安裝節(jié)能車及其各部件，使節(jié)能車產(chǎn)生動(dòng)力，保障正常行駛。與傳統(tǒng)汽車一樣，節(jié)能車也需要保護(hù)駕駛員的生命安全，即盡量降低節(jié)能車所受的阻力。所以車身不僅要外形堅(jiān)實(shí)美觀，還要注重流線。好的流線型車身能在一定程度上減少受到的阻力。因此，關(guān)于車身及車架材料的選取上也要多做考慮，包括材料的成本、輕量化和安全性。

2.2 車架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化

早期汽車所使用的車架大多都是由籠狀的鋼骨梁柱所構(gòu)成的。為了更好的適應(yīng)現(xiàn)代生活的需求，車架的設(shè)計(jì)與構(gòu)造一直都在不斷的改進(jìn)。但是汽車車架是一個(gè)復(fù)雜的空間薄殼結(jié)構(gòu)，如果用軟件對(duì)其進(jìn)行空間上的3維建模是非常困難的，所以為了方便建模和分析，必須要對(duì)其現(xiàn)實(shí)中復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化。本文選擇了SolidWorks軟件對(duì)節(jié)能車車架進(jìn)行3維建模。在合理、經(jīng)濟(jì)的建模條件下，盡量選取和使用簡(jiǎn)單的的單元類型。因此，在滿足實(shí)際鍛造要求的前提下，盡可能的對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化并且在建模的過(guò)程中也不必過(guò)度追求局部和整體形狀的完全相似。不然，3維模型過(guò)于復(fù)雜會(huì)對(duì)后續(xù)的強(qiáng)度分析增加困難，也可能會(huì)使得最終的結(jié)果出現(xiàn)偏差[1]。除此之外，雖然車架的結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，但在實(shí)際的行駛中每個(gè)地方所受到的外載荷以及阻力都是不一樣的，因此，要選用整個(gè)節(jié)能車車架進(jìn)行性能分析。

本文中主要要求在以下幾個(gè)方面進(jìn)行簡(jiǎn)化：首先車架及車身上所有的工藝孔都忽略不計(jì)，其次車架及車身上所有觀賞性的結(jié)構(gòu)都忽略不計(jì)，最后將車架及車身上所有的倒角和過(guò)渡圓角都簡(jiǎn)化成直角。

2.3 車架結(jié)構(gòu)選擇

3 有限元分析

3.1 有限元法基本原理

有限元分析是用較簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)題后再求解，是現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)中一種高效、便利的輔助工具。有限元法最初只在航空器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算上應(yīng)用，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，現(xiàn)在有限元方法因其高效已廣泛應(yīng)用于幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，包括汽車車架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析。將有限元分析應(yīng)用于本文所研究的節(jié)能車車架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析中，可以得到影響節(jié)能車電能消耗的規(guī)律，從而提出改進(jìn)意見(jiàn)，使其新建立的模型結(jié)構(gòu)更加符合現(xiàn)實(shí)的剛度和低耗能的需求。

有限元法的基本原理是將求解域看成由許多小的互聯(lián)子域（有限元）組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的近似解，然后推到出求解域總的滿足條件（例如使得結(jié)構(gòu)平衡達(dá)到量輕化），從而得到問(wèn)題的解。

在本文中，首先將所節(jié)能車車架的結(jié)構(gòu)或?qū)嶓w部分劃分為有限個(gè)小（盡可能小的）的單元體，而這些小的單元體兩兩之間都只能通過(guò)對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)來(lái)連接。即將這些小的單元體的集合簡(jiǎn)化為可計(jì)算的有限元模型，也等同于原來(lái)車架連續(xù)結(jié)構(gòu)的實(shí)體，這一操作過(guò)程被稱為連續(xù)體的離散化。這一操作是由于有限元方法要求在離散化的模型上進(jìn)行。所以，在對(duì)模型進(jìn)行分析之前要先對(duì)其進(jìn)行離散化處理。

3.2 有限元方法與步驟

對(duì)于不同物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)模型的問(wèn)題，有限元法求解的基本步驟是相同的，只是具體公式推導(dǎo)和運(yùn)算求解不同。本文則是先利用SolidWorks對(duì)節(jié)能車車架進(jìn)行3維建模，其次利用有限元對(duì)其模型進(jìn)行離散化，然后將結(jié)構(gòu)體在現(xiàn)實(shí)中受到的實(shí)際載荷和阻力作用到每個(gè)單元體上，最后求出各節(jié)點(diǎn)所受力以及發(fā)生變形產(chǎn)生的位移。有限元分析的具體步驟是：

（1）離散化，將求解域近似劃分為不同大小有限和形狀且彼此相連的有限各單元組成的離散域，也稱之為網(wǎng)格劃分。

（2）單元分析，就是建立各個(gè)單元節(jié)點(diǎn)之間的位移和節(jié)點(diǎn)力之間的關(guān)系式。將單元節(jié)點(diǎn)的位移作為基本變量，再進(jìn)行單元分析。

（3）整體分析，對(duì)由各個(gè)單元組成的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，建立節(jié)點(diǎn)外載荷與結(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系，以解出結(jié)點(diǎn)位移，這個(gè)過(guò)程為整體分析。

（4）顯示處理計(jì)算結(jié)果。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，3維建模技術(shù)已經(jīng)滲透到工程制造的各個(gè)方面了。分區(qū)建模、模型離散化的設(shè)計(jì)目標(biāo)更多的要求設(shè)計(jì)人員使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助，可以加快了解以往的產(chǎn)品數(shù)據(jù)內(nèi)容和新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，迅速滿足用戶需求。本文就是將節(jié)能車車架先進(jìn)行簡(jiǎn)化形成模塊，再用SolidWorks軟件進(jìn)行建模，最后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行強(qiáng)度分析，得到計(jì)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)能車車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

對(duì)節(jié)能車車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以在一定程度上減少節(jié)能車對(duì)電能的消耗量，從而達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目標(biāo)，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。所以本文中利用SolidWorks軟件和有限元法對(duì)已知的節(jié)能車車架進(jìn)行分析研究，最后根據(jù)所得到的規(guī)律和計(jì)算結(jié)果完成對(duì)其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，不只是停留在理論表面，而是加入了現(xiàn)實(shí)的影響因素，使得研究具有意義。

基金項(xiàng)目：2020年度福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目立項(xiàng)課題《節(jié)能車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)》（課題編號(hào)JAT201182，主持人：陳輝）。

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