【正文】 連續(xù)介質(zhì)和場(chǎng)的問題[12]。 本章小結(jié)本章首先從本課題的研究背景、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及客車輕量化途徑等方面進(jìn)行了全面的闡述，說明了電動(dòng)城市客車車身輕量化設(shè)計(jì)的實(shí)踐價(jià)值和重要意義。(2) 根據(jù)車身骨架的有限元模型，運(yùn)用MSC. NASTRAN軟件，計(jì)算在四種典型工況下車身骨架強(qiáng)度分布情況。主要研究?jī)?nèi)容是：(1) 分析車身骨架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化與處理。通過提高鋼材的強(qiáng)度，從而減小鋼板的厚度，材料成本也較輕金屬低。），因而成為汽車減輕自重，提高節(jié)能性和環(huán)保性的首選材料。輕金屬材料的應(yīng)用。通過節(jié)約材料，減少39。這種方法也是本文所采用的研究方法。 汽車輕量化的主要途徑車輛輕量化主要有以下四種途徑。企業(yè)規(guī)模小而分散。沒有明確定位、合理分工。以減少車身骨架、發(fā)動(dòng)機(jī)和車身蒙皮的重量等。目前出現(xiàn)了一批擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的汽車車身模具開發(fā)技術(shù)， 如湖南大學(xué)與上汽通用五菱在薄板沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)理論方面開展了較深入的研究； 北京航空航天大學(xué)開發(fā)了CAD系統(tǒng)CAXA。上世紀(jì) 80年代,重慶汽車研究所就開展了雙相鋼研究；一汽轎車、奇瑞汽車公司也在轎車車身上進(jìn)行了高強(qiáng)度鋼板的初步應(yīng)用試驗(yàn)。目前 ,國內(nèi)汽車輕量化材料正在加速發(fā)展 ,車用高性能鋼板、鎂合金已在汽車上有所應(yīng)用。一汽等幾大汽車生產(chǎn)廠家都有自己的鋁合金鑄造生產(chǎn)線；湖南大學(xué)也正在進(jìn)行汽車大型鋁合金結(jié)構(gòu)件整體鑄造成形技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備的研究；重慶汽車研究所、西南鋁、東北大學(xué)和一汽都進(jìn)行了鋁合金板材的成形性研究。“九五”期間,我國進(jìn)行了鋁合金材料和鑄件生產(chǎn)成套工藝技術(shù)的開發(fā)研究,開發(fā)出了多種鑄造合金和高性能軸瓦材料：耐熱鋁合金、高強(qiáng)高韌鋁合金、鋁基復(fù)合材料等新材料的研究取得了較大進(jìn)展?！熬盼濉焙汀笆濉逼陂g,一批汽車新材料項(xiàng)目被列為國家“863”、“973”高新技術(shù)項(xiàng)目和國家科技攻關(guān)重大項(xiàng)目。 世界各大鋁業(yè)公司也結(jié)成了汽車鋁材聯(lián)盟，如美國汽車材料合作伙伴（USAMP）。 國際鋼協(xié)1998年3月開始在全球?qū)嵤︰ISABAVC計(jì)劃，該項(xiàng)目是從整體上研究開發(fā)新一代鋼鐵材料汽車結(jié)構(gòu)（車身、覆蓋件、懸架系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)支架及所有與結(jié)構(gòu)、安全相關(guān)的部件）。與UISAB相關(guān)的項(xiàng)目還有UISAC和UISAS兩項(xiàng)目，前者是將高強(qiáng)度鋼應(yīng)用在汽車車身覆蓋件上，后者是采用高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度材料以及一些先進(jìn)的制造技術(shù)來生產(chǎn)輕量、廉價(jià)和性能良好的懸架系統(tǒng)，目標(biāo)是通過采用新的鋼材及設(shè)計(jì)，將懸架質(zhì)量減小20%。國際鋼鐵協(xié)會(huì)首先開展了超輕鋼汽車車身UISAB項(xiàng)目，參加該項(xiàng)目的有來自5大洲18個(gè)國家的35家鋼鐵企業(yè)。如日本2001年規(guī)劃由拋棄型進(jìn)入循環(huán)型的社會(huì)發(fā)展模式，推行全回收或零廢棄的觀念。這項(xiàng)計(jì)劃2012年開始實(shí)施，將使美國在2012～2016年減少使用原油18億桶，溫室氣體排放量將減少9億噸。奧迪公司開發(fā)全鋁型轎車AuDi 商用車為例，2004年其駕駛室的質(zhì)量已降為960KG，減少40%。1998年德國大眾推出路波3L TDIA2,汽車自身質(zhì)量只有895~990KG。h計(jì)算，甲廠車單車電池費(fèi)用要多出約24萬元 汽車輕量化國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國外汽車輕量化研究現(xiàn)狀自上世紀(jì)70年代以來，隨著材料技術(shù)和制造技術(shù)的進(jìn)步，汽車自身重量在逐年減少，以美國為例，上世紀(jì)80年代初，中型轎車的平均質(zhì)量為1520KG；90年代初下降至1475KG；90年代末下降至1230KG；1985~1995年期間，%。h）230139甲廠車多運(yùn)載電能91 kW因此，電動(dòng)客車車身骨架的輕量化設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)用價(jià)值和研究意義。對(duì)兩家電動(dòng)客車廠家研制的兩輛12 m 純電動(dòng)城市客車在某濱海城市的一條公交線路上的運(yùn)行作了對(duì)比。在客車制造廠家無法大幅降低整車整備質(zhì)量的情況下，換電模式的電動(dòng)客車似乎解決了整備質(zhì)量與裝載電能的矛盾，甚至以為通過換電池可使電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程指標(biāo)變得無足輕重，同時(shí)也可降低電池成本（整車成本），其實(shí)換電模式的車輛同時(shí)帶來了新的問題——換電模式的電動(dòng)客車由于可以通過快速更換電池組使車輛繼續(xù)行駛，解決了電動(dòng)客車的續(xù)駛里程短的問題，所以換電式車輛的電池裝載容量都較充電式的少很多，這從而導(dǎo)致在克服相同的道路載荷時(shí)，電池組的放電倍率大，其電池的使用壽命短[8]。作為12 m 的城市客車，如此小的運(yùn)載能力是無法滿足高峰期客流運(yùn)載需求的，也是運(yùn)營(yíng)部門不能接受的。h/kg 范圍內(nèi)[5]，～ t，致使傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)車身的整車整備質(zhì)量達(dá)到14～15 t。h，才能完成一天的公交運(yùn)行里程。h/km）。以12 m雙軸純電動(dòng)城市客車為例，～ kW 電動(dòng)客車輕量化的意義在電動(dòng)客車初期設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮電池總?cè)萘康钠ヅ?，車輛必須裝載足夠的電能，才能滿足路況負(fù)荷、續(xù)駛里程、整車性能（最高車速、爬坡度、加速時(shí)間等）的使用要求。目前，雖然國內(nèi)生產(chǎn)的鋰離子電池各項(xiàng)性能均有很大提高，但電池成組后的使用壽命、一致性、高低溫充放電性能、安全性、電池成本及能量密度等方面仍然無法完全滿足電動(dòng)汽車實(shí)際運(yùn)行的需求。目前動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的最關(guān)鍵部件之一，也是國家劃分與衡量電動(dòng)汽車技術(shù)成熟度的主要依據(jù)。所以，現(xiàn)今對(duì)電動(dòng)城市公交客車的研發(fā)是控制能源消耗，降低城市污染的一個(gè)重要途徑。其中純電動(dòng)車具有不消耗石油、零排放及電能穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，成為世界各國爭(zhēng)相發(fā)展交通領(lǐng)域的主要技術(shù)路線。而且，石化能源使用導(dǎo)致的環(huán)境污染問題也日趨嚴(yán)峻，酸雨、可懸浮顆粒物已成為部分發(fā)展中國家面臨的最為嚴(yán)峻的環(huán)境問題，嚴(yán)重威脅人類健康。純電動(dòng)城市客車車身輕量化研究畢業(yè)論文第一章 緒 論 本課題研究背景石化能源是不可再生資源，根據(jù)預(yù)測(cè)，到2085年前后世界石油可能枯竭，天然氣和煤能供人類開采的年限，也只有65年和162年。汽車對(duì)石油的消耗占世界石油總消耗量的50％左右，年消耗高達(dá)一百多億桶。為此，世界各國政府和主要汽車公司紛紛開展新型環(huán)保節(jié)能汽車的研究與開發(fā)，例如氫燃料汽車、燃料電池汽車、太陽能汽車、混合動(dòng)力汽車等。然而據(jù)統(tǒng)計(jì)，運(yùn)送相同數(shù)量的乘客，公交車與小汽車相比，分別節(jié)省土地資源1/4，投資5/6，而空氣污染卻不到小汽車的1/10[1]。 電動(dòng)客車發(fā)展現(xiàn)狀續(xù)駛里程較短，動(dòng)力不足是限制電動(dòng)客車應(yīng)用推廣的技術(shù)難題。裝配鋰離子電池的電動(dòng)汽車被劃歸為起步期產(chǎn)品[2]，恰恰說明鋰離子電池技術(shù)對(duì)整車的影響程度。這些制約因素給純電動(dòng)汽車的發(fā)展帶來了一定的影響[3]。一般動(dòng)力電池總?cè)萘康脑O(shè)計(jì)是以設(shè)計(jì)任務(wù)書中的最大續(xù)駛里程指標(biāo)為目標(biāo)值，結(jié)合電機(jī)功率，采用等速法反向推算出來[4]。h/km（～ kW如果公交線路每天運(yùn)行總里程按200 km計(jì)算，則車輛需裝載動(dòng)力電池的電能為220～300 kW目前鋰離子電池組的能量密度基本在80～100 kW依據(jù)我國標(biāo)準(zhǔn)GB1589 2004 的要求[6]，雙軸車最大總質(zhì)量不得大于18 t，那么，其載客量只能在40～65人之間。采用快速更換電池模式的純電動(dòng)客車可以大大提高車輛利用率，克服電池充電對(duì)環(huán)境溫度的依賴性[7]，是一種很具推廣價(jià)值的運(yùn)營(yíng)模式。目前，動(dòng)力電池能量密度相對(duì)較低，電動(dòng)汽車只有通過車身骨架輕量化設(shè)計(jì)、減輕整車自重，才能降低能量消耗、提高續(xù)駛里程[911]。實(shí)驗(yàn)證明，若汽車整車質(zhì)量降低10%，可節(jié)約能耗6%～8%。 兩廠純電動(dòng)城市客車綜合對(duì)比表 the prehensive parison table of two pure electric city bus甲廠的電動(dòng)客車乙廠的電動(dòng)客車對(duì)比結(jié)果及分析總質(zhì)量/kg18 00018 000均為雙軸、18 t 級(jí)、12 m純電動(dòng)城市客車，屬同一重量級(jí)外部尺寸/mm12 0002 5303 25012 0002 5503 165甲廠車采用鋁合金車身， t，充分體現(xiàn)了鋁合金車身的優(yōu)勢(shì)整備質(zhì)量/kg12 00013 950額定載客人數(shù)/9262甲廠車多載客30 人甲廠車多載客30 人8070在實(shí)際線路上最大續(xù)駛里程/km22095乙廠的車因額定載客量過小，超載運(yùn)行嚴(yán)重，致使能耗較大電池系統(tǒng)類型磷酸鐵鋰磷酸鐵鋰類型相同，其能量密度、壽命等應(yīng)無太大差別單體,10 個(gè)單片并聯(lián)為一個(gè)單體：：，15 電池組180 個(gè)單體組串聯(lián)而成總電壓/容量：576V/400Ah170 個(gè)單體串聯(lián)而成總電壓/ 容量：544V/255Ah總能量/（kWh電池組質(zhì)量/t電池價(jià)格估算/ 萬元（人民幣）6036電池價(jià)格按行業(yè)2 600~2 700 元/ kW20世紀(jì)末和本世紀(jì)初世界各國先后出現(xiàn)過百公里油耗3L的汽車，這類汽車的質(zhì)量基本處在750~850KG之間，比現(xiàn)今同類車輕50%。商用車的自身質(zhì)量也在減少，以意大利依柯維，汽車自身質(zhì)量只有800KG。美國總統(tǒng)奧巴馬2009年5月公布了一項(xiàng)汽車節(jié)能減排計(jì)劃，目標(biāo)是到2016年，CO2排放量也比現(xiàn)有車輛減少1/3。歐洲和日本不僅在降耗減排方面推行了相關(guān)政策，而且對(duì)廢舊車輛回收也作出了嚴(yán)格規(guī)定。其實(shí)，2001年以前，日本已有相關(guān)法令推行綠色設(shè)計(jì)及綠色采購。該項(xiàng)目于1994年啟動(dòng)，1998年結(jié)束，主要目標(biāo)是減小車身質(zhì)量、提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、提高安全性、簡(jiǎn)化制造工藝及降低生產(chǎn)成本。 國內(nèi)客車輕量化研究現(xiàn)狀近年來 ,我國在汽車輕量化技術(shù)方面取得了不少成果。促進(jìn)了汽車輕量化技術(shù)的進(jìn)步。半固態(tài)成型、快速凝固等先進(jìn)成型技術(shù)研究與應(yīng)用也取得了突破。“十五”期間，我國將鎂合金應(yīng)用與開發(fā)列為材料領(lǐng)域重點(diǎn)項(xiàng)目,一汽、東風(fēng)、長(zhǎng)安等汽車企業(yè)建立了壓鑄鎂合金生產(chǎn)線 重慶汽車研究所在鎂合金零件的性能測(cè)試、疲勞試驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬等方面做了大量的工作： 上海交大、湖南大學(xué)、重慶大學(xué)等高校就鎂合金的強(qiáng)韌化、耐蝕性、阻燃性和抗高溫蠕變性等開展了較深入的研究。如上海大眾桑塔納轎車變速器殼體采用鎂合金。在汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面 ,國內(nèi)已從主要依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)逐漸發(fā)展到應(yīng)用有限元等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算和分析階段。 并已經(jīng)開展了客車輕量化技術(shù)的研究，利用有限元法和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前，我國汽車輕量化技術(shù)無論在理論研究方面還是在實(shí)際應(yīng)用方面與國外均有較大差距。基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)研究的有機(jī)銜接不夠。輕量化技術(shù)開發(fā)能力薄弱，研發(fā)人才短缺，工藝水平落后等問題都是我們不足的地方，需要我們一一去解決。 運(yùn)用先進(jìn)的CAE軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證承載能力和舒適性的前提下減輕質(zhì)量。采用先進(jìn)的加工成形技術(shù)，如液壓成型技術(shù)，激光拼燥板技術(shù)，輥壓成形技術(shù)等。垾點(diǎn)，以減少成形零部件的質(zhì)量。鋁、鎂、鈦合金材料是所有現(xiàn)用金屬材料中密度較低的輕金屬材料(, 。提高高強(qiáng)度鋼應(yīng)用比例。 課題研究?jī)?nèi)容本課題主要以一款12米長(zhǎng)的全承載電動(dòng)城市公交客車車身骨架為例進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。運(yùn)用UG建立三維幾何模型。(3) 結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化方法和尺寸優(yōu)化方法對(duì)車身骨架進(jìn)行優(yōu)化 ，對(duì)優(yōu)化后的車身骨架做靜力分析，并且與優(yōu)化前進(jìn)行比較。在此基礎(chǔ)上，提出了本課題研究?jī)?nèi)容。其基本原理是在連續(xù)的求解域離散為一組單元的組合體的基礎(chǔ)上，對(duì)每一單元假設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)單的位移函數(shù)來近似的模擬其位移分別規(guī)律，通過虛位移原理求得每個(gè)單元的平衡方程，即建立單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系?？紤]邊界條件后解此方程組求得節(jié)點(diǎn)位移，并計(jì)算出各單元應(yīng)力[13]。美籍德國數(shù)學(xué)家Courant在1943年的工作中，第一次應(yīng)用定義在三角區(qū)域上的分片連續(xù)函數(shù)和最小位能原理來求解圣維南（)扭轉(zhuǎn)問題[14]?，F(xiàn)代有限單元法的第一個(gè)成功的嘗試是在1956年，美國波音公司工程師Turner. Clough等人在分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)，將鋼架位移法推廣應(yīng)用于彈性力學(xué)平面問題，給出了用三角形單元求得平面應(yīng)力問題的正確答案[15]。有限元法從研究有限大小的單元力學(xué)特性著手，最后得到一組以節(jié)點(diǎn)位移為未知量的代數(shù)方程組。1．結(jié)構(gòu)的離散化離散化的過程簡(jiǎn)單地說就是將分析的結(jié)構(gòu)物劃分成有限個(gè)單元體，使力學(xué)模型變成離散模型，以代替原來的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)離散化后求解的問題就轉(zhuǎn)變?yōu)榍笥邢迋€(gè)自由度的節(jié)點(diǎn)位移。為了能用節(jié)點(diǎn)位移表示單元體的位移、應(yīng)變和應(yīng)力，就必須對(duì)單元中位移的分布作出一定的假設(shè)，也就是假定位移是坐標(biāo)的某種簡(jiǎn)單的函數(shù)，這種函數(shù)稱為位移模式或位移函數(shù)。3．單元力學(xué)特性的分析位移模式選定以后，就可以進(jìn)行單元力學(xué)特性的分析。(1) 利用幾何方程，由位移表達(dá)式（）導(dǎo)出用節(jié)點(diǎn)位移表示單元應(yīng)變的關(guān)系式： （）式中是單元內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)變列陣，稱為單元應(yīng)變矩陣。(3) 利用虛功原理建立作用于單元上的節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系式，即單元的剛度方程： （）式中稱為單元?jiǎng)偠染仃?，可以?dǎo)得： （）上式的積分應(yīng)遍及整個(gè)單元的體積。因此這種作用在單元邊界上的表面力和作用在單元上的體積力、集中力等都需要等效移置到節(jié)點(diǎn)上去，也就是用等效的節(jié)點(diǎn)力來替代所有作用在單元上的力。5．單元疊加建立整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程集合的過程包括有兩方面的內(nèi)容。由此可得到以整體剛度矩陣[K］、載荷列陣［R］以及整個(gè)物體的節(jié)點(diǎn)位移列陣表示的整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程為： （）這些方程還應(yīng)在考慮了幾何邊界條件作適當(dāng)?shù)男薷闹?，才能夠解出所有的未知?jié)點(diǎn)位移。然后，就可利用公式（）和已求出的節(jié)點(diǎn)位移來計(jì)算各單元的應(yīng)力，并加以整理得出所要求的結(jié)果?？梢詭椭a(chǎn)品開用戶實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到制造全過程的產(chǎn)品性能仿真。只要你擁有一定的CAE軟件使用經(jīng)驗(yàn)，那么你很快可以成為該軟件的熟練使用者，這可以使使用者將更多的精力用于自己的工作本身而不是軟件。 The user interface of ，具有高度的集成能力和良好的適用性： 模型處理智能化：眾多的公司為了節(jié)約寶貴的時(shí)間,減少重復(fù)建模，消除由此帶來的不必要的錯(cuò)誤, （DGA），能夠使用戶直接從一些世界先導(dǎo)的CAD/CAM系統(tǒng)中獲取幾