FSC赛车车架结构拓扑设计及轻量化研究

摘要

结构的拓扑设计和轻量化研究，是当今汽车行业设计的主流发展方向。把结构拓扑设计理论和轻量化方法融入到车架设计中，能够得到新形式、轻质量的车架结构。
　　本文运用连续体拓扑优化设计理论，针对FSC赛车车架进行结构拓扑设计。结合竞赛规则、汽车人机工程学和车架总布置三方面因素，运用结构拓扑设计方法，得到新形式的赛车车架结构。之后，对车架圆管壁厚进行尺寸优化，以使车架在结构合理的前提下获得更低重量。通过强度、刚度、振动模态分析后，车架结构从概念性的层面上升到了具有实际应用价值的层面。纵观设计的总体过程，主要得出以下结论：
　　（1）车架结构拓扑设计方法要应用在设计的初始阶段，相比传统方法，拓扑设计的车架结构，组件数目明显减少，结构工整，不会出现赘余结构，能够合理、有效的利用特定空间。
　　（2）拓扑设计过程中，增大约束函数值，计算收敛的迭代次数增多，收敛难度加大。通过迭代计算，可以得到车架在不同约束函数下的材料分布云图。说明，结构拓扑设计方法能够应用在赛车车架结构设计中。
　　（3）通过计算分析，验证车架结构在六种工况下满足强度要求。车架弯曲刚度和扭转刚度均在合理设计值范围内。体现出所建立车架三维模型的合理性。
　　（4）通过对车架进行轻量化研究，车架重量从最初设计值29.9kg减小到23.4kg，降重幅度达21.7％。相比中北大学现有赛车的车架重量32kg，降重幅度达26.9%。表明，本文所研究内容的有效性。
　　本文首次把结构拓扑设计法运用到FSC赛车车架结构设计中，具有一定的探索性和创新性。在赛车车架结构拓扑设计和车架轻量化研究过程中，可为赛车车架设计提供参考性。

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1 引 言

1.1 课题研究背景

1.2 课题研究理论意义和实际应用价值

1.3 拓扑设计和轻量化研究现状

1.4 课题的主要研究内容

2 连续体拓扑优化理论

2.1 连续体拓扑优化设计的数学理论

2.2 连续体拓扑优化最小势能原理

2.3 连续体拓扑优化最优准则法原理

2.4 本章小结

3 车架结构拓扑优化设计

3.1 结构拓扑优化设计流程

3.2 车架结构拓扑设计

3.3 车架拓扑优化结果

3.4 建立车架几何模型

3.5 本章小结

4 车架静力学分析

4.1 结构静力学分析基础

4.2 建立车架静力学分析有限元模型

4.3 车架强度计算与结果分析

4.4 车架结构静态刚度分析

4.5 本章小结

5 赛车车架模态分析

5.1 模态分析求解依据

5.2 赛车车架自由模态分析

5.3 本章小结

6 车架轻量化优化设计

6.1车架优化方法简介

6.2 车架尺寸优化及灵敏度分析

6.3 车架轻量化后验证结果

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢