摘 要：經(jīng)過數(shù)百年的發(fā)展，汽車的安全與節(jié)能性已經(jīng)成為其設計的重要內(nèi)容。而在汽車的設計中，汽車的基體車架是用來支撐、連接汽車的各總成，使各總成保持相對正確的位置，并承受汽車內(nèi)外的各種載荷。目前，針對節(jié)能車車架設計中的節(jié)約電能消耗和提高燃油經(jīng)濟性能的問題，通過對車架的設計結(jié)構(gòu)進行分析簡化，利用SolidWorks軟件對車架結(jié)構(gòu)進行設計建模和強度分析，基于上述結(jié)果，分析得到車輛的幾個主要組成系統(tǒng)對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計目標使得節(jié)能車車架結(jié)構(gòu)達到一定的優(yōu)化，從而實現(xiàn)減輕車輛的電能消耗，具有一定的理論和實踐意義。

關(guān)鍵詞：SolidWorks 節(jié)能車 結(jié)構(gòu)設計 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

汽車市場的不斷擴大，造成當今國內(nèi)外汽車市場的競爭日益激烈，使得汽車產(chǎn)品的研發(fā)周期不斷的縮減，由原來的幾十年到如今的幾年甚至十幾個月[1]。使汽車的各向性能面對了更大更多的挑戰(zhàn)。

除此之外，隨著汽車行業(yè)的快速的發(fā)展，當前全球能源危機日益凸顯[2]，隨之而來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)的問題，通過SolidWorks軟件對車架結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)設計和分析處理，以車架輕量化和車身空氣阻力最小化為設計目標優(yōu)化節(jié)能車車架結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)減輕車輛的電能消耗。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

為解決當前能源危機的問題，國家提出了對汽車進行節(jié)能減排的要求。在這樣的背景下，Honda于廣東國際賽車場舉辦了每年一屆的Honda節(jié)能競技大賽。通過比賽得出每輛節(jié)能車消耗每升燃油能夠行駛的公里數(shù)，耗油量較少的團隊勝出。通過降低油耗來設計并制造出使用性能高的節(jié)能車輛，而實現(xiàn)這些目標的關(guān)鍵是車架要輕、車阻力要小以及車的強度要高。因此對于節(jié)能車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有一定的現(xiàn)實意義，合理可行的設計對今后的節(jié)能車的發(fā)展也提供了參考性。

1.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

早期的車架設計采用設計與試驗交互進行，現(xiàn)在的車架的設計一般使用SolidWorks軟件進行建模分析。而對于車架的強度分析則是把車架簡化為單元的結(jié)構(gòu)離散化的梁。梁是有限元分析在力學實驗中的基本單位，由于忽略了一些客觀因素，導致模型設計簡單，因此在計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車架來固定的，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項目呈現(xiàn)且在當時只包括二維平面的建模時設計。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API函數(shù)供用戶進行二次開發(fā)。1974年，徐芝綸院士將有限元分析理論應用于現(xiàn)實的力學計算中，通過不斷的實踐，最終出版了《彈性力學問題的有限單元法》，為有限元法提供了理論基礎(chǔ)。同一時期下，某大型客車被浙江省交通科學研究所首次利用有限元法進行了強度分析，從此我國開始了利用有限元法在汽車領(lǐng)域的實踐[3]。

1.2 國外研究現(xiàn)狀

像國內(nèi)的快速發(fā)展一樣，國外對于節(jié)能車車架結(jié)構(gòu)的設計也在不斷的進化。其中，在1970年，美國宇航局使用Nastran軟件對某汽車結(jié)構(gòu)進行了有限元分析，開啟了有限元法在汽車領(lǐng)域的應用[4]。接著，國外的學者還對車架的靜態(tài)特性和動態(tài)特性進行相關(guān)的研究，擴大了對車架性能的研究范圍，也為對節(jié)能車車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計提供了更多的研究方向?；谏鲜鰧W者的研究，現(xiàn)在對于節(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，我們國內(nèi)外的學者還在繼續(xù)著研究，而本文也針對近年來提出的新需求進行了探索與研究。

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)動機、底盤和車身三大部分。發(fā)動機主要是為了使節(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)生動力，保障正常行駛。與傳統(tǒng)汽車一樣，節(jié)能車也需要保護駕駛員的生命安全，即盡量降低節(jié)能車所受的阻力。所以車身不僅要外形堅實美觀，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。為了更好的適應現(xiàn)代生活的需求，車架的設計與構(gòu)造一直都在不斷的改進。但是汽車車架是一個復雜的空間薄殼結(jié)構(gòu)，如果用軟件對其進行空間上的3維建模是非常困難的，所以為了方便建模和分析，必須要對其現(xiàn)實中復雜的結(jié)構(gòu)進行簡化。本文選擇了SolidWorks軟件對節(jié)能車車架進行3維建模。在合理、經(jīng)濟的建模條件下，盡量選取和使用簡單的的單元類型。因此，在滿足實際鍛造要求的前提下，盡可能的對模型進行簡化并且在建模的過程中也不必過度追求局部和整體形狀的完全相似。不然，3維模型過于復雜會對后續(xù)的強度分析增加困難，也可能會使得最終的結(jié)果出現(xiàn)偏差[1]。除此之外，雖然車架的結(jié)構(gòu)是對稱的，但在實際的行駛中每個地方所受到的外載荷以及阻力都是不一樣的，因此，要選用整個節(jié)能車車架進行性能分析。

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

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單的問題代替復雜問題后再求解，是現(xiàn)代工程設計中一種高效、便利的輔助工具。有限元法最初只在航空器的結(jié)構(gòu)強度計算上應用，隨著計算機技術(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用于幾乎所有的科學技術(shù)領(lǐng)域，包括汽車車架結(jié)構(gòu)的設計分析。將有限元分析應用于本文所研究的節(jié)能車車架結(jié)構(gòu)的設計分析中，可以得到影響節(jié)能車電能消耗的規(guī)律，從而提出改進意見，使其新建立的模型結(jié)構(gòu)更加符合現(xiàn)實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，對每一單元假定一個合適的近似解，然后推到出求解域總的滿足條件（例如使得結(jié)構(gòu)平衡達到量輕化），從而得到問題的解。

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?。ūM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對應的節(jié)點來連接。即將這些小的單元體的集合簡化為可計算的有限元模型，也等同于原來車架連續(xù)結(jié)構(gòu)的實體，這一操作過程被稱為連續(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行。所以，在對模型進行分析之前要先對其進行離散化處理。

3.2 有限元方法與步驟

對于不同物理性質(zhì)和數(shù)學模型的問題，有限元法求解的基本步驟是相同的，只是具體公式推導和運算求解不同。本文則是先利用SolidWorks對節(jié)能車車架進行3維建模，其次利用有限元對其模型進行離散化，然后將結(jié)構(gòu)體在現(xiàn)實中受到的實際載荷和阻力作用到每個單元體上，最后求出各節(jié)點所受力以及發(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，就是建立各個單元節(jié)點之間的位移和節(jié)點力之間的關(guān)系式。將單元節(jié)點的位移作為基本變量，再進行單元分析。

（3）整體分析，對由各個單元組成的整體結(jié)構(gòu)進行分析，建立節(jié)點外載荷與結(jié)點位移的關(guān)系，以解出結(jié)點位移，這個過程為整體分析。

（4）顯示處理計算結(jié)果。

4 結(jié)語

隨著計算機的快速發(fā)展，3維建模技術(shù)已經(jīng)滲透到工程制造的各個方面了。分區(qū)建模、模型離散化的設計目標更多的要求設計人員使用計算機進行輔助，可以加快了解以往的產(chǎn)品數(shù)據(jù)內(nèi)容和新產(chǎn)品的設計，迅速滿足用戶需求。本文就是將節(jié)能車車架先進行簡化形成模塊，再用SolidWorks軟件進行建模，最后對產(chǎn)品進行強度分析，得到計算結(jié)果，實現(xiàn)對節(jié)能車車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

對節(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)能車對電能的消耗量，從而達到保護環(huán)境的目標，具有一定的現(xiàn)實意義。所以本文中利用SolidWorks軟件和有限元法對已知的節(jié)能車車架進行分析研究，最后根據(jù)所得到的規(guī)律和計算結(jié)果完成對其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，不只是停留在理論表面，而是加入了現(xiàn)實的影響因素，使得研究具有意義。

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

參考文獻：

[1]趙艷梅.基于ANSYS Workbench的某車架有限元分析及輕量化研究[D].河南：鄭州大學，2018：1-75.

[2]雷浩.節(jié)能車車架有限元強度分析[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2017（04）：30-31.

[3]趙艷梅.基于ANSYS Workbench的某車架有限元分析及輕量化研究[D].河南：鄭州大學，2018：1-75.

[4]陳菁，陳媛媛.基于SolidWorks的AGV車架的結(jié)構(gòu)設計[J].機械管理開發(fā)，2020，35（01）：5-6.

[5]阮安正，朱麗.基于有限元的節(jié)能賽車車架模擬分析[J].機械工程師，2016（08）：21-22.

[6]周萌萌.輕型載貨汽車車架的有限元模擬及優(yōu)化設計研究[D].江蘇大學，2020：1-176.

[7]王新建.基于ANSYS的本田節(jié)能賽車傳動系統(tǒng)優(yōu)化設計[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2019（02）：60-61.