【正文】 28 第 4章 基于有限元法 的 分析及優(yōu)化設(shè)計 ANSYS 軟件具有強(qiáng)大而廣泛的分析功能，主要包擴(kuò)幾何模型的建立或?qū)?、自動網(wǎng)格劃分、求解、后處理、優(yōu)化設(shè)計等許多功能及實(shí)用工具。 27 圖 踏板處為方便加載的凸臺截圖 本章小結(jié) 本章對 PRO/E 軟件做出了簡單的介紹，對與三種不同的方案相對應(yīng)的車架構(gòu)建了模型 ，為接下來應(yīng)用 ANSYS 軟 件進(jìn)行有限元分析做了很好的鋪墊。 圖 座椅部分截圖 （ 3） 發(fā)動機(jī)固定部分及后橋部分結(jié)構(gòu)截圖。）以下是方案三車架的幾個具有特色的截圖： （ 1） 為配合下沉的座椅，前橋前部截圖。一片期刊論文中將這種類型的車架命名為下沉式車架，由于本車架的獨(dú)特之處（只有一部分下沉），所以將之命名為“半下沉式車架”。 圖 二維手繪草圖 （ 2） 車架三維模型圖 。 圖 后橋輔助斜梁截圖 （ 3） 座椅更加符合人體的尺寸。）以下為與該特點(diǎn)相對應(yīng)的截圖： 23 （ 1） 模型中增設(shè)輔助縱梁，從而減少危險截面應(yīng)力。進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了整車的輕量化。 圖 車架二模型創(chuàng)建過程截圖 車架模型特點(diǎn) 中間部分采用雙縱梁結(jié)構(gòu) ,為加強(qiáng)后橋的強(qiáng)度，增設(shè)了輔助斜梁，從而加強(qiáng)車架車架整體的剛度和強(qiáng)度。 圖 方案二手繪草圖 22 （ 2） 用 PRO/E 建模，用多步拉伸命令，構(gòu)建模型過程截圖。 圖 方便 加約束 建模過程截圖 （ 5） 固定發(fā)動機(jī)的位置制造凸臺。 圖 方便加載建模過程截圖 20 （ 3） 座椅下底板面創(chuàng)建凸臺。）以下是反映該模型特點(diǎn)的截圖： （ 1） 車架前底版拉伸出薄凸臺。 圖 車架一模型創(chuàng)建過程截圖 19 車架模型特點(diǎn) 為了有效加強(qiáng)駕駛員后部、后橋前部這一部分縱梁的剛度，在上部增加了輔助縱梁，但為了使發(fā)動機(jī)便于布置，需要使得該輔助縱梁和主縱梁的高度大于 450mm。 圖 車架一模型創(chuàng)建過程截圖 （ 4） 用 PRO/E 建模，用多步拉伸命令，進(jìn)一步創(chuàng)建車架靠椅梁及后橋立梁。 圖 方案一 手繪 草 圖 （ 2） 用 PRO/E 建模，用多步拉伸命令，創(chuàng)建車架底板模型。 三維模型的 構(gòu)建 利用 PRO/E 軟件構(gòu)建三個車架的模型，主要應(yīng)用了拉伸操作、構(gòu)建基準(zhǔn)面等基本操作。高級的功 能支持大型復(fù)雜裝配體的構(gòu)造和管理，這些裝配體中零件的數(shù)量不受限制。數(shù)據(jù)管理模塊的開發(fā)研制，正是專門用于管理并行工程中同時進(jìn)行的各項工作，由于使用了 Pro/ENGINEER獨(dú)特的全相關(guān)性功能，因而使之成為可能。 數(shù)據(jù)管理：加速投放市場，需要在較短的時間內(nèi)開發(fā)更多的產(chǎn)品。 裝配、加工、制造以及其它學(xué)科都使用這些領(lǐng)域獨(dú)特的特征。這些特征是一些普通的機(jī)械對象，并且可以按預(yù)先設(shè)置很容易的進(jìn)行修改。全相關(guān)性鼓勵在開發(fā)周期的任一點(diǎn)進(jìn)行修改，卻沒有任何損失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮其作用。 主要特性 全相關(guān)性： Pro/ENGINEER 的所有模塊都是全相關(guān)的。 Pro/ENGINEER 還提供了目前所能達(dá)到的最全面、集成最緊密的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境。目前已經(jīng)發(fā)布了 Pro/ENGINEER2020i2。 1988 年， 的 Pro/ENGINEER 誕生了。 進(jìn)而 可知 方案二行駛的穩(wěn)定性相對較好，車架成本相對較低 。 方案一的質(zhì) 心求解過程 ??? ?????? ??? 201 0 9 9 0402 2 21 xmxmaini ii mm ??? ??? ??? 202021ini iimzmc ??? ?????? ??? 5 0202 8 1403 0 51ini iig mymh ????? 圖 方案一主視圖 13 圖 方案一左視圖 方案二的質(zhì) 心求解過程 圖 方案二主視圖 14 圖 方案二左視圖 ??? ?????? ??? 201 1 0 4 7402 0 51 xmxmaini ii ??? ??? ??? 202061ini iimzmc ??? ?????? ??? ini iig mymh ????? 方案三的質(zhì) 心求解過程 圖 方案三主視圖 15 圖 方案三左視圖 ??? ?????? ??? 201 2 2 5 5402 0 51 xmxmaini ii ??? ??? ??? 202051ini iimzmc ??? ?????? ??? 5 0203 3 5403 1 01ini iig mymh ????? 本章小結(jié) 本章 先對三種不同結(jié)構(gòu)的車架分別做了總體布置，確定了車的總長、總寬、軸距、輪距、接近角，以及對駕駛員的要求和前方視角等，然后又對三種不同布置的節(jié)油車進(jìn)一步確定 質(zhì)心的位置。 計算時刻用計算方法來確定專用車各總成的質(zhì)量及其質(zhì)心位置坐標(biāo)，然后按照力矩平衡方程式，求出整車的質(zhì)心位置。節(jié)油車的靜態(tài)穩(wěn)定性分析，首先應(yīng)該計算出整車的質(zhì)心位置 [6]。駕駛員選用體型較小的 40kg 重、身高在 1550mm 左右的女駕駛員。 （圖 ） 圖 方案二 主 、側(cè) 視圖 11 方案三 總長 2710mm,總高 1057 mm，車架最寬 907mm，軸距 1880mm ， 輪距 800mm ，采用后置發(fā)動機(jī)后輪驅(qū)動。轉(zhuǎn)向操作方法為握把手動式，最大轉(zhuǎn)向角 20 度，駕駛員采用半躺－坐姿駕駛，視線角度上下為 90 度，左右為 120 度 ，接近角為 8 度 。駕駛員選用體型較小的 40kg 重、身高在 1550mm 左右的女駕駛員。 三個車架的總布置尺寸： 方案一 總長 2997mm,總高 1057 mm，車架最寬 907mm，軸距 1861mm， 輪距 800mm ，采用后置發(fā)動機(jī)后輪驅(qū)動。我們節(jié)能車驅(qū)動力還沒有能大到可 10 以超過地面附著力的程度。底盤高度要保證有盡量大的離地間隙，同時又不能使重心過高，以免高速轉(zhuǎn)彎時翻車。這樣，在保證車架用料少的同時，也利于車身設(shè)計的流線型。 根據(jù)人機(jī)工程學(xué)的要求，對車手的體型和坐姿定下整車的初步初步控制尺寸 進(jìn)行各項數(shù)據(jù)的測量，并在 PRO/E 中建模，確立了車架的 寬度長度、車身高度等。 節(jié)油車的總體布局 現(xiàn)在市面上的汽車的車輪數(shù)一般都大于 3，但是為了簡化結(jié)構(gòu)，提高傳動效率，進(jìn)一步減少車重 ，減少車速器等裝 置 [5]。塔式建筑、船舶、電車、鐵道車輛。美鋁 6061T651 是 6 系合金的主要合金，是 經(jīng)熱處理預(yù)拉伸工藝的高品質(zhì)鋁合金產(chǎn)品；美鋁 6061 具有加工性能極佳、良好的抗腐蝕性、韌性高及加工后不變形、上色容易、氧化效果極佳等優(yōu)良特點(diǎn)。在 Mg2Si 固溶于鋁中，使合金有人工時效硬化功能。 6061 鋁合金的主要合金元素是鎂和硅，并形成 Mg2Si 相。 繪制設(shè)計總圖和上述部分的結(jié)構(gòu)裝配圖、零件圖。車架的優(yōu)化設(shè)計是使得汽車能夠節(jié)能減排的主要手段之一，因此車架的優(yōu)化設(shè)計的社會意義重大。有限的能源如何能用的更長久是值得人類和社會反思的意見事情，節(jié)油車型的普及功在當(dāng)代，利在千秋。車架的輕量化能夠減少整車質(zhì)量，從而能使汽車達(dá)到節(jié)能減排的目的，節(jié)油了能源和資本，從而具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)意義。 車架優(yōu)化設(shè)計的意義 經(jīng)濟(jì)意義體現(xiàn)在：隨著我國經(jīng)濟(jì)全球化的不斷加快，我國對國際能源及原材料市場的依賴程度不斷加大，從目前來看，國際油價和工業(yè)原材料的價格也是在不斷攀升，我國經(jīng)濟(jì)在能源領(lǐng)域比較棘手。目前這種國際國內(nèi)的以這種競賽為導(dǎo)向的節(jié)油車優(yōu)化設(shè)計必然會對將來經(jīng)濟(jì)型汽車的問世起到一定的奠定作用。通過設(shè)計節(jié)油車不僅可以把課堂所學(xué)的理論知識和實(shí)際操作掛鉤，還可以更多地體會設(shè)計創(chuàng)作帶來的樂 趣，充分發(fā)揮個人創(chuàng)作才能。下圖為前人的總結(jié)的兩種車架形式（上浮式和下沉 式 ）。 6 圖 現(xiàn)代汽車車架類型圖 在節(jié)油車車架的結(jié)構(gòu)上，曾經(jīng)有人將車架 抽象成兩種模型，他們分別是上浮式和下沉式。另外，安裝整流罩 時，要考慮車手的上下車方式和裝卸方式，車架要支撐車手、發(fā)動機(jī)的重量，請事先考慮駕車時的變形量后，決定各個部位的安裝角度。但這需要焊接設(shè)備和技術(shù)做支撐。競技節(jié)能大賽車輛必須更輕便、同時能支撐發(fā)動機(jī)和車手的 重量。制作車架時，需要便考慮發(fā)動機(jī)的安裝、驅(qū)動裝置的調(diào)整、車軸的 5 支撐方式，轉(zhuǎn)向裝置的行駛等。 車輪和輪胎 建議使用速度競技的自行車的車輪和輪胎；在正式比賽時要將車輪軸承內(nèi)的潤滑脂用清潔器清除，減少滾動阻力；為減少輪輻造成的空氣阻力，最好使用板輪，使用輻條輪時，表面用聚乙烯板蓋住比較有效；在一小曲率半徑過彎時輪胎要承受與普通自行車不同的橫向力， 為了此時保證車輪不爆胎，所以車輪和輪胎的接合，要是用更強(qiáng)的粘著劑；為減少接地面積降低滾動阻力，輪胎內(nèi)壓要比普通競技自行車胎壓高；輪胎為單支撐時，可以借用速度競技用輪椅的輪轂。另外，有整流罩時，還需考慮轉(zhuǎn)向時車輪和整流罩的互相干擾問題 ；關(guān)于前輪系統(tǒng)的定位，請在搭載了發(fā)動機(jī)、車手就坐時車身彎曲的情況下，調(diào)整到最佳角度，并注意阻力的減輕。加強(qiáng)筋等增加強(qiáng)度；座位部為了支撐車手的體重需要進(jìn)行必要加固，還要安裝靠背使車手能經(jīng)住長時間駕駛，靠背還可兼做發(fā)動機(jī)的隔板；板材可以通 過開適度的孔等方法以減輕重量。一般來說車架也可使用方鋼材加固定螺栓的結(jié)構(gòu)，但為了減輕重量減少體積，建議使用空心圓鋼焊接而成的結(jié)構(gòu)。另外，天氣會使最佳值發(fā)生變化，所以在比賽之前將各種天氣情況下的設(shè)定值整理成數(shù)據(jù)庫，會比較方便。 汽缸 對汽缸蓋上汽缸接觸面進(jìn)行磨削及研磨，同時，通過使用薄汽缸墊能提高 壓縮比；通過優(yōu) 化化油器到吸氣口之間的進(jìn)氣支管的長度，可提高慣性吸氣的填充效果；通過將排氣管直管化并調(diào)節(jié)其長度，可提高慣性排氣量；切削氣門挺桿減輕重量，并對氣門和連桿的表面進(jìn)行研磨以降低轉(zhuǎn)動慣性，同時防止附著過多的潤滑油；發(fā)動機(jī)油為比賽期間的消耗品，可采用自然落下式，卸下既有的潤滑系統(tǒng)以減輕重量；通過研磨 4 吸氣、排氣口內(nèi)部，減低供氣排氣摩擦阻力；由于發(fā)動機(jī)的驅(qū)動時間較少，為保溫可去掉冷卻風(fēng)扇，這樣也可減輕重量；吸氣部的各個接合部 位提高氣密性可以使用填隙料等密封。點(diǎn)火系的電氣部分可借用能使 2 根火花塞同時點(diǎn)火的摩托車用部件。采用雙火花塞時，要把握燃燒室的形狀，防止添加的火花塞互相干擾。因為要反復(fù)切換發(fā)動機(jī)驅(qū)動、慣性行駛，就必須對鏈條防松裝置中的彈簧 等加以調(diào)整，防止在 使用驅(qū)動力時鏈條脫落。不過，上述情況下若要車輛能夠行駛并發(fā)揮最高車速，則需通過安裝在車輪上的鏈輪齒輪比來決定。 參賽者在比賽時必須使用主辦方 供給的專用燃油和帶編號的燃油瓶，在比賽期間領(lǐng)取的燃油瓶若發(fā)生損壞，應(yīng)該予以賠償。所有參賽車輛為確保后方視野，必須在左右各裝備一個帶框的后視鏡。車輛搭載的蓄電池必須是普通市售的產(chǎn)品。啟動裝置只有在斷開離合器時才能啟動。 所有車輛必須配備車手能以正常駕駛姿勢啟動發(fā)動機(jī)的位置。此外，制動鉗、制動墊等的固定安裝也要充分考慮其安全性。賽車至少要配備兩套的獨(dú)立的制動系統(tǒng)。號碼 牌周圍 25 厘米范圍內(nèi)不得粘貼于比賽無關(guān)的內(nèi)容，號碼牌丟失將無法評定成績。 所有的參賽車輛必須將主辦方分發(fā)的號碼牌。車手的臀部與地面保持 60 厘米以上的距離且腳步有安放的位置除外。 在 安全性上，為提高安全性，車身結(jié)構(gòu)必須保證行駛時車手的頭盔前輪車軸的后