基于FSAE懸架幾何參數優化設計
2019年06月04日 21:51
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附件5
湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃
項 目 申 報 表
項目名稱:
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學校名稱
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長沙理工大學
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學生姓名
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學 號
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專 業
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性 別
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入 學 年 份
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詹兆宇
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201469030236
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車輛工程
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男
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2014
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郝杰
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201569030229
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車輛工程
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男
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2015
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劉露
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201469030219
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車輛工程
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男
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2014
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陳幫杰
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201432020124
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車輛工程
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男
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2014
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指導教師
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吳茵
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職稱
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副教授
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項目所屬
一級學科
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交通運輸工程
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項目科類(理科/文科)
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理科
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學生曾經參與科研的情況
詹兆宇：參加過兩屆中國大學生方程式汽車大賽
2015年度科技立項：《基于FSAE賽車車架扭轉實驗與有限元對比分析的對比研究》
主持《FSAE方程式賽車雙橫臂機構優化設計》
劉露：參加過兩屆中國大學生方程式汽車大賽
2015年度科技立項《FSAE制動總成的設計》
陳幫杰：參加過一屆中國大學生方程式汽車大賽
郝杰：參加過一屆中國大學生方程式汽車大賽
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指導教師承擔科研課題情況
主持湖南省教育廳一般項目：天然纖維增強聚醚型聚合物基生態剎車材料的研制,已結題。
參與湖南省自然科學省市聯合基金重點項目：基于拓撲優化的以塑代鋼PVC公路護欄設計新方法， 已結題。
參與高等學校博士學科點專項科研基金課題：面向純電動汽車車身概念設計的碰撞相容性與NVH多目標拓撲優化方法及應用研究，已結題。
參與湖南省科技廳項目：天然麻類纖維增強淀粉基生態材料的研究，已結題。
參與湖南省自然科學基金項目：聚醚醚酮自潤滑復合材料的摩擦學研究，已結題。
參與湖南省教育廳優秀青年基金項目：聚苯酯改性聚醚醚酮耐磨復合材料的研究，已結題。
參與教研教改項目：現代信息技術在機械設計課程中的應用研究與實踐，已結題。
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項目研究和實驗的目的、內容和要解決的主要問題
1、研究和試驗目的：
本項目研究和實驗最主要的目的是為滿足FSAE的比賽要求設計出一套具有良好性能的懸架幾何參數，具體包括：
1) 在懸架設計的時候，要考慮整個底盤系統之間的聯系，讓懸架系統的設計能夠考慮到轉向和制動對其的影響，讓賽車底盤系統達到較佳的狀態。
2) 在整車性能上，提高賽車的操縱穩定性、平順性。
2、研究內容：
1） 根據整車的布置對FSAE賽車懸架的結構形式進行選擇,前后懸架均采用不等長雙橫臂獨立懸架，對前后懸架的主要參數和導向結構進行初步設計。
2） 利用Adams/Car模塊分別對賽車的前后懸架建立仿真模型,對建立的前后懸架模型進行雙輪上下平行跳動仿真運動,得到懸架主要參數的曲線變化，并且利用Adams/Insight對前后懸架進行優化,以橫臂的定位參數為主要優化目標,以上、下橫臂與車架的鉸接點為設計變量 ,以轉向輪定位參數為次優化目標，外傾角、前束角等為設計變量，優化分析，使賽車的前后懸架滿足設計要求，懸架的性能達到理想的變化范圍。
3、 解決的主要問題：
1）針對兩屆賽事中出現賽車高速過彎時車輪離地，下橫臂受沖擊力壓彎的情況，解決在懸架幾何參數設計上存在的問題。
2）解決懸架系統理論分析和試驗驗證難以結合在一起的問題。
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國內外研究現狀和發展動態
懸架系統的結構和性能的好壞會直接影響汽車的操縱穩定性和汽車的行駛平順性等整車的性能，換句話說，一個良好的整車必須要有一個良好的懸架系統。
對于 FSAE 賽車來說，懸架的設計是否成功也決定了整個賽車性能的水平，其中懸架的設計要包括合理選擇懸架系統的形式，對懸架的各個元件進行合理的設計和選擇，進行懸架的運動學和靜力學的分析，最終使懸架滿足參賽要求，并且使懸架的性能參數盡可能達到最優。
吉林大學于 1997 年建立了汽車動態模擬國家重點實驗室，展開了對汽車系統動力學與控制的研究，包括對汽車的整車、總成及關鍵零部件進行動力學建模、分析和研究。合肥工業大學的阮五洲利用 Adams 軟件創建了雙橫臂獨立懸架的模型，詳細地分析了懸架的性能曲線，并且利用遺傳算法對懸架進行優化。廣汽本田汽車有限公司的鄒海峰工程師利用 Adams/car 軟件對即將開發的車型的懸架進行分析，對懸架和整車的主要性能事先預測，為懸架的優化提供了可靠的數據，縮短了產品的開發周期，提高了汽車產品的設計質量。湖南大學劉美燕以系統動力學理論為基礎，利用仿真軟件 Adams 建立 FSAE 賽車懸架模型，對前懸架進行了優化和分析；對所建立的整車模型進行了典型的操縱穩定性仿真實驗，并且對比了前后賽車的操縱穩定性能。雖然在國內對懸架動力學的研究比較多，但是由于懸架系統結構的復雜性，對于懸架的有限元研究還是并不很多，從國內外的研究現狀可以看出對懸架的研究主要是針對普通汽車懸架的研究，而對 FSAE 賽車懸架系統的研究很少。
自2010年中國舉辦第一屆FSAE大賽以來，賽事在國內發展的很快，到2013年更是增加了FSEC比賽。到如今，對于FSAE賽車懸架設計與仿真及優化的研究也有了很大的進展，像湖南大學采用碳纖維的推拉桿，吉林大學懸架的推拉桿、橫臂都是碳纖維的，這都是建立在懸架幾何參數的仿真及優化的基礎之上，懸架幾何參數的優化設計顯得尤為重要。
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本項目學生有關的研究積累和已取得的成績
基于長沙理工大學方程式賽車隊五年以來在賽車懸架設計研究的經驗基礎之上，本項目成員曾經設計過FSAE賽車的懸架、車架、制動系統。參與過長沙理工大學2015、2016年賽車的懸架、車架、制動系統的設計，能熟悉運用CAD、UG繪圖及ANSYS、Adams分析軟件，對材料的基本性能較為了解。
實踐能力：
本項目組成員參與了兩屆FSAE賽車的加工環節，參與過很多的零件的設計加工和測試，具有較強的實踐能力。詹兆宇作為車手，參加2016年全國大學生方程式汽車大賽，對賽車的駕駛方式及操控性有一定的熟知度。
獲得成績：
本項目組成員參加過的2015年中國大學生方程式汽車大賽，獲得全國第25名，三等獎，其中ANSYS仿真分析答辯進入了全國前十，具有獨立進行靜力學分析的能力。2016年中國大學生方程式汽車大賽，獲得直線加速十一名，8字繞環第七名。
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項目的創新點和特色
1、使用CAD軟件并依據經驗先對前后的懸架的硬點位置進行初步的選取，同時對阻尼和彈簧的參數進行選擇。
2、利用ADAMS/CAR模塊對賽車的前后懸架建立仿真模型，對影響操縱穩定性的前懸架性能參數進行優化，以四輪定位的參數和側傾中心為優化目標，以上下橫臂的鉸接點為設計變量，進行試驗設計和多目標優化設計，最終得到較優的硬點坐標，通過軟件的仿真得到一套良好性能的懸架參數，減少懸架的研發時間，降低賽車的設計研究制造成本。
3、在阻尼上裝有阻尼位置傳感器，并裝有行車記錄儀，記錄極限操控下懸架各個部件運動情況，與仿真結果對比分析，驗證仿真結果的真實性、可靠性。
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項目的技術路線及預期成果
1、技術路線
1) 首先對去年設計的懸架幾何進行總結分析，找出設計缺陷所在，避免這些問題在新的設計中出現。
2) 利用CAD軟件對前后懸架進行初始的硬點選取和零部件選型。
3) 使用ADAMS軟件建立懸架的虛擬樣機模型并對硬點進行優化處理。
4) 使用UG軟件建立整車的三維模型，利用ANSYS軟件對模型進行結構拓撲優化；并進行加工圖紙的繪制。
5) 加工懸架零部件并裝配。
6) 進行測試并對測試結果和理論研究做對比。
2、預期成果：
1) 得到一套最適合比賽的懸架幾何參數，完成長沙理工2017方程式賽車懸架的設計優化方案。在保證懸架強度可靠性的前提下，實現輕量化，同時解決往屆賽季懸架橫臂受沖擊力，彎曲變形的問題，提升賽車性能。
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年度目標和工作內容（分年度寫）
2017年1月前：完成對16賽季懸架運動數據總結，分析。
2017年2月前：完成對17賽季懸架設計大綱及預算的設想。
2017年5月前：對17賽季懸架參數進行計算設計仿真分析。
2017年6月前：通過計算得到的懸架幾何參數，設計優化懸架結構。
2017年9月前：加工17賽季懸架部件，裝于17賽車，進行實驗測試；通過實驗得到的結果，進行懸架前期調教，對機構、轉向輪定位參數等進行再優化。
2017年11月前：懸架后期調校，參加2017年全國大學生方程式汽車大賽。
2017年12月前：完成數據采集和對比分析。
2018年4月前: 完善好相關的研究材料。
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指導教師意見
簽字： 日期：
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注：本表欄空不夠可另附紙張
