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两座电动轿车车身结构有限元分析与设计毕业论文

 2020-02-17 11:02  

摘 要

随着科学技术的进步以及国民消费水平的提高,我国已经成为全球第一大汽车消费国家,紧接而来的是环境的恶化,这给国民的日常生活带来了很多不便,为了缓解这种环境恶化情况,工信部提出“双积分”政策,目的是鼓励各大国内汽车厂商将技术,资金,人力投入到发展新能源汽车上,特别是纯电动汽车和插电混动汽车。车身作为汽车四大件之一,对汽车的安全性、动力性等特性起着至关重要的作用,而刚刚发展起来的纯电动汽车缺少车身正向设计的方法和思路,往往整车厂更倾向于沿用传统燃油车的车身结构,但是由于电池盒等部件,使得电动车的车重相比燃油车更大,这与节能减排的思想背道而驰,所以如何正确开发一款电动车的车身,使得设计的车身与电动车特性相匹配是本文研究的目的之一。本文希望通过Catia建模,在ANSYS等有限元软件中校核等方法正向设计了一款两座电动车车身。

关键词:电动汽车,车身设计,Catia,有限元分析

Abstract

With the advancement of science and technology and the improvement of national consumption level, China has become the world's largest automobile consumer country, followed by the deterioration of the environment, which has brought a lot of inconvenience to the daily life of the people. In the case of environmental degradation, the Ministry of Industry and Information Technology proposed a “double points” policy, which aims to encourage major domestic automakers to invest technology, capital and manpower into the development of new energy vehicles, especially pure electric vehicles and plug-in hybrid vehicles. As one of the four major parts of the car, the body plays a vital role in the safety and dynamic characteristics of the car. The pure electric car that has just been developed lacks the method and idea of ​​the forward design of the car body. It tends to follow the body structure of a conventional fuel vehicle, but because of the components such as the battery box, the weight of the electric vehicle is larger than that of the fuel vehicle, which runs counter to the idea of ​​energy saving and emission reduction, so how to correctly develop the body of an electric vehicle, Matching the designed body and electric vehicle characteristics is one of the purposes of this paper. This paper hopes to design a two-seat electric vehicle body by Catia modeling and checking in finite element software such as ANSYS.

Keywords:Electric car, body design, Catia, finite element analysis

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景与研究意义 1

1.1.1研究背景 1

1.1.2研究意义 2

1.2国内外发展现状 2

1.2.1国外发展现状 2

1.2.2国内发展现状 2

1.3本文主要内容以及章节安排 3

第2章 两座电动轿车车身总布置 4

2.1车身内部空间布置 4

2.1.1坐标系确定 4

2.1.2 H点位置确定 4

2.1.3假人模型选择 5

2.1.4加速踏板、制动踏板位置 6

2.1.5方向盘以及人手操作件布置 8

2.1.6眼椭圆 9

2.1.7头廓线 11

2.1.8车身内部宽度方向尺寸 12

2.1.9视野校核及后视镜设计 12

2.2车身外部空间布置 14

2.3动力电池、电动机等部件的布置 15

2.4本章小结 16

第3章 基于Catia的车身造型设计 17

3.1两座汽车车身的发展 17

3.2 Catia设计曲面的优势 17

3.3 车身设计造型过程介绍 17

3.3.1车身三维设计前准备 17

3.3.2车身主体曲面三维设计 17

3.3.3车身过渡曲面设计 21

3.3.4车身局部特征设计 23

3.3.5其他主要零部件的设计 24

3.3.6车身造型设计三维图 27

3.4本章小结 27

第4章 基于Catia的车身骨架设计 29

4.1 车身骨架模型简化 29

4.2 车身骨架三维建模 30

4.2.1车身几何框架的建立 30

4.2.2车身梁截面参数设计 30

4.2.3车身梁单元建模 33

4.3 本章小结 34

第5章 车身静力学仿真分析 35

5.1有限元技术简介 35

5.2 车身结构的扭转刚度分析 35

5.2.1扭转刚度的理论计算方法 35

5.2.2 仿真扭转工况设置 36

5.3 扭转刚度计算及后处理 37

5.4 车身结构的弯曲刚度分析 38

5.4.1弯曲刚度的理论计算方法 38

5.4.2仿真弯曲工况设置 38

5.5 弯曲刚度计算及后处理 39

5.6 本章小结 40

总结与展望 41

参考文献 42

致谢 44

第1章 绪论

1.1研究背景与研究意义

1.1.1研究背景

汽车的普及改变了人们的生活方式,极大地扩展了人们的活动范围。追溯汽车工业的发展,大概已经有200多年的历史,但是在中国,汽车工业发展才刚刚走上正途。随着近年来我国GDP不断上涨,人民生活水平不断提升,我国已经超越美国成为全球最大的汽车消费市场。这也刺激着国内外汽车厂商纷纷投入大量资金和技术推动中国汽车工业的进步。但是,任何一项重工业的兴起必然会带来环境的恶化,北京的连续重度雾霾给人们敲响了警钟,国家为了给人民创造良好的生活环境,满足人民现如今追求良好生活的向往,在最新制定的《中国制造2025》当中加入了关于大力发展纯电动汽车的目标,紧接着国家工信部又推出了诸如“双积分”,新能源汽车补贴等政策,其目的都在于要让国内外的汽车厂商知道今后需要将资金和技术投入到发展节能、环保的新能源汽车上面,同时也在为新能源汽车取代传统燃油车作努力。

纯电动汽车的优势在于,相较于传统燃油车,在城市工况下可以避免红绿灯等待时的怠速油耗浪费,同时在下坡制动减速的时候,也可以利用电动机与发电机的能量特性进行能量的回收利用,所以,纯电动汽车是人们在追求的一种最环保的汽车类型。

近年来,国民对于环境的保护意识也有了很大的进步,从汽车消费方面来看,我国的新能源汽车销售量逐年增加,2018年,我国新能源汽车的销售量达到了125.6万辆,同比增长61.7%,纯电动汽车销售量达到984000辆,同比实现增长50.8%。表1.1列出了2013-2018年国产新能源乘用车的销量走势。表1.2列出了2015-2018年纯电动汽车与插电混动汽车销量走势。

表1.1 2013-2018年国产新能源乘用车销量走势

年份

2013

2014

2015

2016

2017

2018

销量(辆)

15083

58796

176809

328864

556393

1256000

表1.2 2015-2018年纯电动与插电混动汽车销量走势

年份

2015

2016

2017

2018

纯电动

113252

248512

448820

984000

插电式混动

63557

80352

107573

271000

车身作为汽车四大件之一,在汽车动力性,安全性,舒适性,可靠性上起着至关重要的作用,而电动汽车的迅速发展,使得电动汽车的车身设计成为当前各个汽车生产厂家主要研究的课题。在国内,对纯电动汽车车身骨架结构的设计,主要是通过对传统燃油或燃气汽车的动力总成进行替换,由于电池的电机的重量比传动的动力总成重量要大,在原有的车身结构上增加许多的加强构件,这使得纯电动车在快速发展的过程中受到了电池成本高及续驶里程短等问题的制约。摆脱传统燃油车车身设计的思想束缚,开发电动车车身正向设计技术,是我们当代汽车人应该思考的问题。

1.1.2研究意义

目前,国内共享汽车的趋势越来越明显,汽车电动化也成为不可逆转的历史必然,根据国家补贴政策和发展趋势,国内众泰、知豆等厂商研发出了两座电动小轿车,其外观小巧,轻便,排放小,在性能上也不输于某些传统燃油车型,是国内两座电动汽车发展的先驱者和领航员。本文针对两座电动汽车车身的正向设计提出自己的设计思路,并设计一款两座电动车的车身,目的是为了在总结国内外电动汽车车身设计的经验的前提下,开发一个属于自己的电动汽车车身,并且本文的设计思路也可以为想要在该领域发展的同学提供一个参考。

1.2国内外发展现状

1.2.1国外发展现状

Johannes Stein[1]等提出一种城市用小型电动汽车的车身建模概念,并通过虚拟样机对模型进行了测试。Raghu Raman[2]提出了车身整合超级电容器的想法,不仅可以提高续驶里程,也可以更环保。 Qiang Liu[3]等提出了一种碳纤维纺织复合材料车身结构。X. D. Xue[4]提出了一种超级电容器与电池的混合动力系统。Kuncoro Diharjo[5]提出了一种环氧树脂/铝粉胶增强电动汽车车身接头强度的方法。

1.2.2国内发展现状

湖南大学的胡裕菲[6]利用刚度链设计方法对车身进行优化建模,介绍了电动汽车正向设计的流程和思路,另外还介绍了电动汽车车身的结构。吉林大学的伍文博[7]等对电动客车进行了三维建模,并简化模型,在有限元软件当中对客车的多工况下的强度、刚度、振动频率等进行了分析。湖南大学的李磊[8]等针对车身的有限元模型的网格划分以及焊点模拟提出针对性意见。重庆大学的刘天宇[9]等利用有限元软件拓扑优化的结果建立车身的Catia模型,再导入Hypermesh软件当中对力学性能参数进行检验,另外,还针对铝合金车身的局部连接形式进行了介绍并在有限元软件当中检验。

1.3本文主要内容以及章节安排

本文主要研究两座电动微型车的车身造型、布置和结构,通过建模手段对车身造型和骨架进行设计,并在Ansys软件当中对车身骨架进行仿真分析。章节内容安排如下:

第2章主要完成车身布置及部分硬点尺寸,第3章完成造型设计,第4章完成骨架设计。第5章完成骨架仿真分析。

第2章 两座电动轿车车身总布置

车身总布置设计作为整车开发当中的重要环节,其布置设计的合理性将直接影响到后续开发过程。车身总布置设计即车身内外部硬点设计,其设计过程需要多个部门协调工作达到最终合理的效果。

进行总布置设计的第一步要确定地毯线的位置,然后初步确定踏板、座椅、方向盘的相对位置,同时确定满足人机工程学的总长、总宽、总高、轴距等主要尺寸。

本文布置思路主要是先根据人机工程学大致确定内部空间尺寸,然后根据多款对标车的外形尺寸确定该设计外部尺寸取值范围,最终完成汽车的总布置设计。

2.1车身内部空间布置

车身的内部布置主要包括座椅、方向盘、换挡杆、手刹、加速踏板、制动踏板、左右后视镜、中后视镜、顶盖、A柱盲区校核、前风窗上下边沿视野校核、车内横向空间布置等[10]。设计时要以人机工程学原理为设计理论,以更好地满足驾驶员和乘客的舒适性、操纵方便性、视野性等要求,例如方向盘、换挡杆等手操纵件要布置在人手最舒适的触碰空间内,以减少驾驶员在行驶过程中的疲劳感;座椅和踏板的布置要使得95百分位的男性和5百分位的女性能够以舒适的关节角度坐入;顶盖的高度决定了外部车身的高度,在设计时要通过人体头廓线初步设计内部的头部空间,为后续确定头部尺寸作校核标准。本章将基于SAE和GB对车身的内部尺寸进行一个系统的设计。

2.1.1坐标系确定

在进行车身总布置之前,先要对车身的坐标系进行一个定义,如图所示,车身坐标系当中,X指汽车的前后方向,Y为左右方向,Z为上下方向,长、宽、高三个方向的零平面的选取原则如下[11]

  1. 车宽方向的零平面OY:与车辆纵向对称面垂直、与车宽方向平行的平面,从车尾看过去,OY平面左侧为负,右侧为正。
  2. 车长方向的零平面OX:与OY平面和OZ平面都垂直的平面,该平面过前轴轴心并以前轴与该平面的交线作为0线,沿车辆行驶方向前方为负,后方为正。
  3. 车高方向的零平面OZ:与OX面和OY面都垂直的平面,以地板线作为0线一般认为地板线以上为正,地板线以下为负。

2.1.2 H点位置确定

H点是假人模型大腿与躯干的连接点,也称为胯点。对车身内部各空间位置尺寸起到基准作用,因为对应于不同百分位的人体H点也不同,所以一般情况下,把座椅设计为可调节式,本文设计的座椅只考虑了横向调节而没有考虑垂直调节。

纯电动汽车的H点主要受到电池箱位置的影响,所以设计之初,我先选定电动汽车的驱动形式和电池箱的位置以及电池的型号。后文会对电池的型号以及布置进行具体的阐述,这里确定下来H点在高于地毯面330mm的位置,即H30=330mm。下面计算座椅的水平调节行程L23[12]

(2.1)

(2.2)

(2.3)

式中:Z——H点与加速踏板踵点在车身坐标系Z向的距离,mm;

X95——第95百分位身材的驾驶员胯点与拇趾基准点后方在车身坐标系X方向的水平距离,mm。

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