基于SolidWorks的节能车车架结构优化设计

摘 要：经过数百年的发展，汽车的安全与节能性已经成为其设计的重要内容。而在汽车的设计中，汽车的基体车架是用来支撑、连接汽车的各总成，使各总成保持相对正确的位置，并承受汽车内外的各种载荷。目前，针对节能车车架设计中的节约电能消耗和提高燃油经济性能的问题，通过对车架的设计结构进行分析简化，利用SolidWorks软件对车架结构进行设计建模和强度分析，基于上述结果，分析得到车辆的几个主要组成系统对赛车电能消耗特性的影响规律。然后以车架轻量化和车身空气阻力最小化为设计目标使得节能车车架结构达到一定的优化，从而实现减轻车辆的电能消耗，具有一定的理论和实践意义。

关键词：SolidWorks 节能车 结构设计 有限元分析 车架 结构优化

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

汽车市场的不断扩大，造成当今国内外汽车市场的竞争日益激烈，使得汽车产品的研发周期不断的缩减，由原来的几十年到如今的几年甚至十几个月[1]。使汽车的各向性能面对了更大更多的挑战。

除此之外，随着汽车行业的快速的发展，当前全球能源危机日益凸显[2]，随之而来的便是大量使用汽车所造成的环境污染。因此汽车的节能减排已经成为了不可忽视的问题，亟待解决。而本文所要研究的内容就是基于上述所出现的问题，通过SolidWorks软件对车架结构进行结构设计和分析处理，以车架轻量化和车身空气阻力最小化为设计目标优化节能车车架结构，从而实现减轻车辆的电能消耗。

1 国内外研究现状

为解决当前能源危机的问题，国家提出了对汽车进行节能减排的要求。在这样的背景下，Honda于广东国际赛车场举办了每年一届的Honda节能竞技大赛。通过比赛得出每辆节能车消耗每升燃油能够行驶的公里数，耗油量较少的团队胜出。通过降低油耗来设计并制造出使用性能高的节能车辆，而实现这些目标的关键是车架要轻、车阻力要小以及车的强度要高。因此对于节能车车架结构優化具有一定的现实意义，合理可行的设计对今后的节能车的发展也提供了参考性。

1.1 国内研究现状

早期的车架设计采用设计与试验交互进行，现在的车架的设计一般使用SolidWorks软件进行建模分析。而对于车架的强度分析则是把车架简化为单元的结构离散化的梁。梁是有限元分析在力学实验中的基本单位，由于忽略了一些客观因素，导致模型设计简单，因此在计算上存在一定的误差。

汽车绝大多数部件及总成都是通过车架来固定的，车架是汽车的主要承载结构，并且还起到支撑连接汽车各零部件的作用以及承受来自车内外的各种载荷。

本文所使用的SolidWorks软件早在1983就开始被Jon Hirschtick研发，最初是以Premise项目呈现且在当时只包括二维平面的建模时设计。随着科技不断的发展，现在的SolidWorks软件已经成为世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，并在此基础上提供了上百个API函数供用户进行二次开发。1974年，徐芝纶院士将有限元分析理论应用于现实的力学计算中，通过不断的实践，最终出版了《弹性力学问题的有限单元法》，为有限元法提供了理论基础。同一时期下，某大型客车被浙江省交通科学研究所首次利用有限元法进行了强度分析，从此我国开始了利用有限元法在汽车领域的实践[3]。

1.2 国外研究现状

像国内的快速发展一样，国外对于节能车车架结构的设计也在不断的进化。其中，在1970年，美国宇航局使用Nastran软件对某汽车结构进行了有限元分析，开启了有限元法在汽车领域的应用[4]。接着，国外的学者还对车架的静态特性和动态特性进行相关的研究，扩大了对车架性能的研究范围，也为对节能车车架结构的优化设计提供了更多的研究方向。基于上述学者的研究，现在对于节能车车技结构的研究取得了丰富的成功。

但随着科技的发展，我们对节能车车架得到结构性能又提出了新的要求。因此，我们国内外的学者还在继续着研究，而本文也针对近年来提出的新需求进行了探索与研究。

2 节能车车架结构

2.1 车架结构分析

与普通的汽车的结构布局相似，节能竞技赛车是由主要构件和次要构建组成，其中包括发动机、底盘和车身三大部分。发动机主要是为了使节能车能够正常行驶。底盘则是为了支撑、安装节能车及其各部件，使节能车产生动力，保障正常行驶。与传统汽车一样，节能车也需要保护驾驶员的生命安全，即尽量降低节能车所受的阻力。所以车身不仅要外形坚实美观，还要注重流线。好的流线型车身能在一定程度上减少受到的阻力。因此，关于车身及车架材料的选取上也要多做考虑，包括材料的成本、轻量化和安全性。

2.2 车架结构简化

早期汽车所使用的车架大多都是由笼状的钢骨梁柱所构成的。为了更好的适应现代生活的需求，车架的设计与构造一直都在不断的改进。但是汽车车架是一个复杂的空间薄壳结构，如果用软件对其进行空间上的3维建模是非常困难的，所以为了方便建模和分析，必须要对其现实中复杂的结构进行简化。本文选择了SolidWorks软件对节能车车架进行3维建模。在合理、经济的建模条件下，尽量选取和使用简单的的单元类型。因此，在满足实际锻造要求的前提下，尽可能的对模型进行简化并且在建模的过程中也不必过度追求局部和整体形状的完全相似。不然，3维模型过于复杂会对后续的强度分析增加困难，也可能会使得最终的结果出现偏差[1]。除此之外，虽然车架的结构是对称的，但在实际的行驶中每个地方所受到的外载荷以及阻力都是不一样的，因此，要选用整个节能车车架进行性能分析。

本文中主要要求在以下几个方面进行简化：首先车架及车身上所有的工艺孔都忽略不计，其次车架及车身上所有观赏性的结构都忽略不计，最后将车架及车身上所有的倒角和过渡圆角都简化成直角。

2.3 车架结构选择

3 有限元分析

3.1 有限元法基本原理

有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解，是现代工程设计中一种高效、便利的辅助工具。有限元法最初只在航空器的结构强度计算上应用，随着计算机技术的快速发展和普及，现在有限元方法因其高效已广泛应用于几乎所有的科学技术领域，包括汽车车架结构的设计分析。将有限元分析应用于本文所研究的节能车车架结构的设计分析中，可以得到影响节能车电能消耗的规律，从而提出改进意见，使其新建立的模型结构更加符合现实的刚度和低耗能的需求。

有限元法的基本原理是将求解域看成由许多小的互联子域（有限元）组成，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推到出求解域总的满足条件（例如使得结构平衡达到量轻化），从而得到问题的解。

在本文中，首先将所节能车车架的结构或实体部分划分为有限个小（尽可能小的）的单元体，而这些小的单元体两两之间都只能通过对应的节点来连接。即将这些小的单元体的集合简化为可计算的有限元模型，也等同于原来车架连续结构的实体，这一操作过程被称为连续体的离散化。这一操作是由于有限元方法要求在离散化的模型上进行。所以，在对模型进行分析之前要先对其进行离散化处理。

3.2 有限元方法与步骤

对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元法求解的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。本文则是先利用SolidWorks对节能车车架进行3维建模，其次利用有限元对其模型进行离散化，然后将结构体在现实中受到的实际载荷和阻力作用到每个单元体上，最后求出各节点所受力以及发生变形产生的位移。有限元分析的具体步骤是：

（1）离散化，将求解域近似划分为不同大小有限和形状且彼此相连的有限各单元组成的离散域，也称之为网格划分。

（2）单元分析，就是建立各个单元节点之间的位移和节点力之间的关系式。将单元节点的位移作为基本变量，再进行单元分析。

（3）整体分析，对由各个单元组成的整体结构进行分析，建立节点外载荷与结点位移的关系，以解出结点位移，这个过程为整体分析。

（4）显示处理计算结果。

4 结语

随着计算机的快速发展，3维建模技术已经渗透到工程制造的各个方面了。分区建模、模型离散化的设计目标更多的要求设计人员使用计算机进行辅助，可以加快了解以往的产品数据内容和新产品的设计，迅速满足用户需求。本文就是将节能车车架先进行简化形成模块，再用SolidWorks软件进行建模，最后对产品进行强度分析，得到计算结果，实现对节能车车架结构的优化。

对节能车车架结构的优化可以在一定程度上减少节能车对电能的消耗量，从而达到保护环境的目标，具有一定的现实意义。所以本文中利用SolidWorks软件和有限元法对已知的节能车车架进行分析研究，最后根据所得到的规律和计算结果完成对其结构的优化，不只是停留在理论表面，而是加入了现实的影响因素，使得研究具有意义。

基金项目：2020年度福建省中青年教师教育科研项目立项课题《节能车结构优化设计》（课题编号JAT201182，主持人：陈辉）。

参考文献：

[1]赵艳梅.基于ANSYS Workbench的某车架有限元分析及轻量化研究[D].河南：郑州大学，2018：1-75.

[2]雷浩.节能车车架有限元強度分析[J].中国新技术新产品，2017（04）：30-31.

[3]赵艳梅.基于ANSYS Workbench的某车架有限元分析及轻量化研究[D].河南：郑州大学，2018：1-75.

[4]陈菁，陈媛媛.基于SolidWorks的AGV车架的结构设计[J].机械管理开发，2020，35（01）：5-6.

[5]阮安正，朱丽.基于有限元的节能赛车车架模拟分析[J].机械工程师，2016（08）：21-22.

[6]周萌萌.轻型载货汽车车架的有限元模拟及优化设计研究[D].江苏大学，2020：1-176.

[7]王新建.基于ANSYS的本田节能赛车传动系统优化设计[J].中国新技术新产品，2019（02）：60-61.