畢業(yè)論文---某汽車油門踏板結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計說明書(論文)</p><p>　　指導(dǎo)者： </p><p>　　(姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))</p><p>　　評閱者： </p><p>　　(姓 名)

2、 (專業(yè)技術(shù)職務(wù))</p><p>　　2012 年 5 月</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）中文摘要</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）外文摘要</p><p><b>　　目 次</b></p><p><b>　　1引言1</b>

3、</p><p><b>　　1.1課題背景1</b></p><p>　　1.2汽車輕量化技術(shù)1</p><p>　　1.3研究的目的和意義4</p><p>　　1.4研究的主要內(nèi)容5</p><p>　　2 油門踏板概述6</p><p>　　2.1油門踏板

4、介紹6</p><p>　　2.2油門踏板的發(fā)展7</p><p>　　3建模軟件和有限元軟件介紹8</p><p>　　3.1 CATIA軟件8</p><p>　　3.2 CATIA V5版本的特點9</p><p>　　3.3有限元技術(shù)及軟件介紹10</p><p>　　4油門

5、踏板機構(gòu)的設(shè)計14</p><p>　　4.1對標車簡介14</p><p>　　4.2油門踏板結(jié)構(gòu)設(shè)計16</p><p>　　5 強度分析與校核22</p><p>　　5.1強度分析22</p><p>　　5.2強度校核38</p><p><b>　　結(jié) 論4

6、0</b></p><p><b>　　致 謝42</b></p><p>　　參 考 文 獻43</p><p><b>　　1引言</b></p><p><b>　　1.1課題背景</b></p><p>　　當今社會，汽車己成為

7、日常生活中不可缺少的一種工具，在發(fā)達國家，汽車的普及已到了很高的程度。以美國為例，每個家庭平均擁有各種汽車2～3輛。我國的汽車人均擁有量遠遠低于發(fā)達國家水平，正是由于中國巨大的市場和汽車工業(yè)對國民經(jīng)濟的巨人推動作用，汽車工業(yè)已被國家確定為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，是國家扶持和重點發(fā)展的產(chǎn)業(yè)之一。國內(nèi)汽車工業(yè)通過合資引進國際先進技術(shù)，縮短了與國外發(fā)達國家的差距，并正從引進技術(shù)逐步向自主開發(fā)過渡。經(jīng)過幾十年的風雨歷程，中國汽車工業(yè)已形成一個比較完

8、整的工業(yè)體系。但是在整車開發(fā)，整車性能測試等領(lǐng)域，國內(nèi)水平與國際汽車工業(yè)的先進水平相比，尚有很大差距。</p><p>　　隨著汽車快速的普及，越來越多的汽車進入普通大眾的日常消費中，汽車也逐漸追求更加舒適、安全、環(huán)保的性能，這樣與之對應(yīng)的是，汽車上出現(xiàn)越來越多的裝備，像空調(diào)、安全氣囊等設(shè)備都成為普通車的必備，這樣帶來的后果是汽車的整車總重量也相應(yīng)的增加。為了實現(xiàn)汽車減重的目地，研究人員在成本和現(xiàn)有技術(shù)條件允許的

9、范圍內(nèi)，圍繞汽車的整個設(shè)計和制造周期，通過多種途徑，包括改善現(xiàn)有材料和工藝，使用新材料、新結(jié)構(gòu)等去實現(xiàn)車型的輕量化設(shè)計。</p><p>　　在輕量化設(shè)計的大趨勢下，為實現(xiàn)成本及工藝上的優(yōu)化，針對以上問題，本課題主要研究內(nèi)容是以某乘用車為對標車，以設(shè)計成本和結(jié)構(gòu)更為優(yōu)化的油門踏板結(jié)構(gòu)，并利用有限元仿真的方法，對油門踏板機構(gòu)靜態(tài)應(yīng)力特性展開分析和研究。</p><p>　　1.2汽車輕量化技

10、術(shù)</p><p>　　1.2.1輕量化概述</p><p>　　汽車輕量化主要指導(dǎo)思想：在確保穩(wěn)定提升性能的基礎(chǔ)上，節(jié)能化設(shè)計各總成零部件，持續(xù)優(yōu)化車型。 </p><p>　　汽車的輕量化，就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整車質(zhì)量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。實驗證明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%—

11、8%；汽車整備質(zhì)量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.3—0.6升；汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%。當前，由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車的輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流。</p><p>　　汽車輕量化的主要途徑是： </p><p>　?、倨囍髁饕?guī)格車型持續(xù)優(yōu)化，規(guī)格主參數(shù)尺寸保留的前提下，提升整車結(jié)構(gòu)強度，降低耗材用量； </p><p>　?、诓捎幂p質(zhì)

12、材料。如鋁、鎂、陶瓷、塑料、玻璃纖維或碳纖維復(fù)合材料等； </p><p>　　③采用計算機進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。如采用有限元分析、局部加強設(shè)計等； </p><p>　?、懿捎贸休d式車身，減薄車身板料厚度等。 </p><p>　　其中，當前的主要汽車輕量化措施主要是采用輕質(zhì)材料。</p><p>　　1.2.2國內(nèi)外開發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀</p>

13、;<p>　　自上世紀70年代開始，隨著全世界范圍石油危機的爆發(fā)，也隨著汽車設(shè)計、制造工藝技術(shù)及汽車材料技術(shù)的發(fā)展，人們開始逐漸重視汽車輕量化技術(shù)的研究，并逐步應(yīng)用在汽車產(chǎn)品上，汽車的總重開始出現(xiàn)逐年減少的趨勢。據(jù)統(tǒng)計，美國中型汽車的平均整車總重量，從上世紀80年代初的大約1520kg逐步下降到90年代末的大約1230kg。到上世紀末本世紀初期，百公里油耗僅僅3L的汽車開始出現(xiàn)在了汽車生產(chǎn)制造強國，而且汽車總重量都控制在8

14、00kg左右。如德國大眾在1998年推出的路波3L TDI，汽車總質(zhì)量只有800kg。奧迪公司推出的全鋁轎車Audi A2，汽車總質(zhì)量只有895-990kg。商用車系列產(chǎn)品中，汽車輕量化技術(shù)也開始得到了大量的應(yīng)用，比如意大利依維柯商用車，2004年其駕駛室的質(zhì)量已降為960kg。</p><p>　　我國汽車輕量化技術(shù)發(fā)展起步雖然較晚，但是近年來，也取得了不少成果，尤其是在國家“九五”和“十五”期間，一批批汽車新

15、材料項目大大促進了我國汽車輕量化技術(shù)的進步和發(fā)展。“九五”期間，鑄件生產(chǎn)成套工藝技術(shù)和鋁合金材料技術(shù)的開發(fā)研究項目，開發(fā)出了多種可以使用在汽車上的鑄造合金和高性能軸瓦材料；半固態(tài)成型、快速凝固成型等先進成型技術(shù)的研究與應(yīng)用也取得了突破；耐熱鋁合金、鋁基復(fù)合材料等新型汽車用材料的研究也取得了較大的進展。鋁合金鑄造生產(chǎn)線也開始出現(xiàn)在一汽等幾大汽車生產(chǎn)廠家；國內(nèi)的大學(xué)及研究所也開始進行相關(guān)的研究，如湖南大學(xué)開始開展汽車大型鋁合金結(jié)構(gòu)件整體鑄造

16、成形技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備的研究；鋁合金板材的成形性研究也在重慶汽車研究所、西南大學(xué)、東北大學(xué)和一汽開始開展?！笆濉逼趩枺V合金材料的應(yīng)用與開發(fā)被列為我國材料領(lǐng)域的重點項目，國內(nèi)的大型汽車生產(chǎn)廠家如一汽、東風及長安等建立了壓鑄鎂合金生產(chǎn)線；重慶汽研所則在鎂合金材料零件的性能測試、疲勞試驗及計算機仿真等方面開展了大量的研究工作；國內(nèi)高校如上海交大、湖南大學(xué)及重慶大學(xué)等就鎂合金材料的強韌化、阻燃性和抗高溫蠕變性等開展了較深入的研究。</p&

17、gt;<p>　　在輕量化材料研究取得累累碩果的同時，國內(nèi)在汽車輕量化的零件結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計等方面也取得了大的進步，改變了原來的單純依靠經(jīng)驗進行零件輕量化設(shè)計開發(fā)，逐步發(fā)展到利用有限元技術(shù)等新的設(shè)計方一法上。如湖南大學(xué)與上汽通用五菱合作開發(fā)的薄板沖壓工藝與模具設(shè)計理論的課題，取得了較高的研究與應(yīng)用成果，獲得了國家科技進步一等獎；北航利用有限元技術(shù)和現(xiàn)代設(shè)計方法，對客車結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計與分析，實現(xiàn)了客車輕量化設(shè)計。<

18、/p><p>　　1.2.3塑料在輕量化技術(shù)中的應(yīng)用</p><p>　　塑料在汽車行業(yè)的應(yīng)用前景同樣看好。目前世界上不少轎車的塑料用量已經(jīng)超過120千克/輛，個別車型還要高，德國奔馳高級轎車的塑料使用量已經(jīng)達到150千克/輛。國內(nèi)一些轎車的塑料用量也已經(jīng)達到90千克/輛?？梢灶A(yù)見，隨著汽車輕量化進程的加速，塑料在汽車中的應(yīng)用將更加廣泛。汽車輕量化使塑料作為原材料在汽車零部件領(lǐng)域被廣泛采用，從

19、內(nèi)裝件到外裝件以及結(jié)構(gòu)件，塑料制件的身影隨處可見。目前，發(fā)達國家已將汽車用塑料量的多少，作為衡量汽車設(shè)計和制造水平的一個重要標志從現(xiàn)代汽車使用的材料看，無論是外裝飾件、內(nèi)裝飾件，還是功能與結(jié)構(gòu)件，到處都可以看到塑料制件的身影。 </p><p>　　汽車輕量化“相中”塑料汽車工業(yè)的發(fā)展與塑料工業(yè)的發(fā)展密不可分。近年來汽車輕量化成為降低汽車排放、提高燃燒效率的有效措施，也是汽車材料發(fā)展的主要方向，它使塑料在汽車中的

20、用量迅速上升。目前發(fā)達國家已將汽車用塑料量的多少作為衡量汽車設(shè)計和制造水平的一個重要標志。 </p><p>　　統(tǒng)計顯示，汽車一般部件重量每減輕1%，可節(jié)油1%；運動部件每減輕1%，可節(jié)油2%。國外汽車自身質(zhì)量同過去相比，已減輕20%—26%。預(yù)計在未來的10年內(nèi)，轎車自身的重量還將繼續(xù)減輕20%。而塑料等輕量化材料的開發(fā)與應(yīng)用，在汽車的輕量化過程中發(fā)揮著重大作用。 </p><p>　

21、　汽車材料應(yīng)用塑料的最大優(yōu)勢是減輕車體的重量。一般塑料的比重在0.9—1.5，纖維增強復(fù)合材料的比重也不會超過2.0，而金屬材料的比重，A3鋼為7.6，黃銅為8.4，鋁為2.7。這就使得塑料材料成為汽車輕量化的首選用材。從現(xiàn)代汽車使用的材料看，無論是外裝飾件、內(nèi)裝飾件，還是功能與結(jié)構(gòu)件，到處都可以看到塑料制件的影子。外裝飾件的應(yīng)用特點是“以塑代鋼”，減輕汽車自重，主要部件有保險杠、擋泥板、車輪罩、導(dǎo)流板等；內(nèi)裝飾件的主要部件有儀表板、車

22、門內(nèi)板、副儀表板、雜物箱蓋、坐椅、后護板等；功能與結(jié)構(gòu)件主要有油箱、散熱器水室、空氣過濾器罩、風扇葉片等。 </p><p>　　汽車輕量化，使包括聚丙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、熱固性復(fù)合材料、ABS、尼龍和聚乙烯等在內(nèi)的塑材市場得以迅速放大。近兩年，車用塑料的最大品種--聚丙烯，每年以2.2%—2.8%的速度加快增長。預(yù)計到2020年，發(fā)達國家汽車平均用塑料量將達到500千克/輛以上。 </p>&l

23、t;p>　　目前國外汽車的內(nèi)飾件已基本實現(xiàn)塑料化，塑料在汽車中的應(yīng)用范圍正在由內(nèi)裝件向外裝件、車身和結(jié)構(gòu)件擴展。今后的重點發(fā)展方向是開發(fā)結(jié)構(gòu)件、外裝件用的增強塑料復(fù)合材料、高性能樹脂材料與塑料，并對材料的可回收性予以高度關(guān)注。統(tǒng)計顯示，全世界平均每輛汽車的塑料用量在2000年就已達105千克，約占汽車總重量的8%—12%。而發(fā)達國家汽車的單車塑料平均使用量為120千克，占汽車總重量的12%—20%。如奧迪A2型轎車，塑料件總重量已

24、達220千克，占總用材的24.6%。目前，發(fā)達國家車用塑料已占塑料總消耗量的7%—8%，預(yù)計不久將達到10%—11%。 </p><p>　　對于中國來說，塑料在汽車行業(yè)的應(yīng)用尚處于初級階段。目前，塑料等非金屬材料在國產(chǎn)車上的應(yīng)用狀況還比不上進口車。在歐洲，車用塑料的重量占汽車自重的20%，平均每輛德國車使用塑料近300千克，占汽車總重量的22%。與國外相比，國產(chǎn)車的非金屬材料用量仍然偏少。國產(chǎn)車的單車塑料平均使

25、用量為78千克，塑料用量僅占汽車自重的5%—10%。</p><p>　　1.3研究的目的和意義</p><p>　　目前國內(nèi)技術(shù)水平比較落后，產(chǎn)品問題較多，要做出好的產(chǎn)品還需要時間，因此，近兩年內(nèi)，國內(nèi)汽車電子油門踏板還將以國外產(chǎn)品為主。為了打破國外產(chǎn)品的壟斷地位，盡快研制出性能穩(wěn)定的國產(chǎn)電子油門踏板，需要對油門踏板的材料和結(jié)構(gòu)提出更高的要求，這就要求對油門踏板的強度進行精確地模擬和預(yù)測

26、。</p><p>　　隨著電子控制系統(tǒng)的普及，電子油門已經(jīng)成為了汽車的標準配件之一。相比傳統(tǒng)拉線油門，電子油門通過ECU控制節(jié)氣門開度，在車輛的燃油經(jīng)濟性和主動安全控制上有著無法替代的優(yōu)勢。因此，這對于油門踏板的強度、剛度、耐久性都有嚴格的要求，以便能精確地控制進氣量，并延長踏板的使用壽命。工程師在缺乏設(shè)計依據(jù)的情況下，往往需要經(jīng)歷設(shè)計，試驗，修改，再試驗的反復(fù)過程來完成產(chǎn)品開發(fā)，導(dǎo)致開發(fā)周期過長。借助有限元計

27、算，能夠在產(chǎn)品設(shè)計早期對踏板的結(jié)構(gòu)強度進行預(yù)測，減少試驗風險，縮短開發(fā)周期。</p><p>　　本課題的意義在于，在輕量化設(shè)計的概念指導(dǎo)下，在油門踏板機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計及零件材料選擇上較傳統(tǒng)油門踏板機構(gòu)有了較大改善優(yōu)化，并利用有限元分析軟件ABAQUS對乘用車油門踏板失效現(xiàn)象進行分析研究，揭示油門踏板真實的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，研究油門踏板對加速中應(yīng)力分布的影響，為以后對油門踏板機構(gòu)局部應(yīng)力集中情況的理論研究提供參考數(shù)據(jù)

28、，對實際工程具有一定的指導(dǎo)意義。</p><p>　　1.4研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本課題受企業(yè)委托，以長城炫麗為對標車，設(shè)計油門踏板機構(gòu)結(jié)構(gòu)形式，完成其空間布置及在不同工況下的CAE分析報告。</p><p>　　本文從輕量化的各個實施途徑出發(fā)，涵蓋油門踏板總體尺寸優(yōu)化、零件形狀優(yōu)化、材料類型及零件規(guī)格型號優(yōu)化選等輕量化工藝中多學(xué)科優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用等方面

29、，對油門踏板進行了輕量化設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合有限元技術(shù)，對不同工況油門踏板機構(gòu)的應(yīng)力分布情況進行了綜合分析。</p><p><b>　　研究的主要內(nèi)容：</b></p><p>　　根據(jù)油門踏板空間位置，布置油門踏板機構(gòu)。</p><p>　　設(shè)計油門踏板，對結(jié)構(gòu)進行輕量化處理，并滿足相應(yīng)國家標準，利用CATIA軟件進行油門踏板的三維幾何

30、建模，提交油門踏板機構(gòu)裝配圖。</p><p>　　運用有限元技術(shù)對油門踏板在不同工況下的應(yīng)力應(yīng)變分布情況進行綜合分析，并提交相應(yīng)的CAE分析報告。</p><p><b>　　2 油門踏板概述</b></p><p><b>　　2.1油門踏板介紹</b></p><p>　　油門踏板又稱加速踏板

31、，主要作用是控制發(fā)動機節(jié)氣門的開度，從而控制車速。另外在自動擋汽車中加速踏板不僅用于控制發(fā)動機節(jié)氣門，還用于將駕駛員意圖傳遞給變速器控制器。</p><p>　　油門踏板和節(jié)氣門直接相連，改變油門踏板可以改變發(fā)動機節(jié)氣門開度，從而改變進氣量。因此駕駛員通過加速踏板可以控制發(fā)動機的運轉(zhuǎn)。在傳統(tǒng)節(jié)氣門的發(fā)動機中，節(jié)氣門開度僅僅由油門踏板控制。而在電子節(jié)氣門的發(fā)動機中，發(fā)動機ECU（電子控制單元）可以根據(jù)油門踏板開度和

32、其他一些信號來綜合控制節(jié)氣門開度。也就是說，在目前的電子節(jié)氣門中，節(jié)氣門開度并不僅僅由油門踏板開度決定，ECU還會考慮其他因素進行一些修正，以優(yōu)化發(fā)動機運行工況。 </p><p>　　在自動擋轎車中油門踏板還有另一個作用，就是把駕駛員的控制意圖傳遞給自動變速器的控制器。液力變矩器式自動變速器是有檔位的，只是換擋不由駕駛員操作，而是由變速器控制器根據(jù)加速踏板開度、車速等決定。因此油門踏板起到了把駕駛員意圖傳遞給控

33、制器的作用。比如，駕駛員猛踩油門踏板，控制器會判斷駕駛員想急加速，會控制自動變速器升檔，甚至還可以控制自動變速器先降擋再升擋（模擬降擋加速）。</p><p>　　2.2油門踏板的發(fā)展</p><p>　　加速踏板也就是我們常說的油門，傳統(tǒng)拉線油門是通過鋼絲一端與油門踏板相連另一端與節(jié)氣門相連，它的傳輸比例是1：1的，也就是說我們用腳踩多少，節(jié)氣門的打開角度就是多少，但是在很多情況下，節(jié)氣

34、閥并不應(yīng)該打開這么大的角度，所以此時節(jié)氣閥打開的角度并不一定是最科學(xué)的，這種方式雖然很直接但它的控制精度很差。而電子油門它是通過電纜或線束來控制節(jié)氣門的開度，從表面看是用電纜取代了傳統(tǒng)的油門拉線，但實質(zhì)上不僅僅是簡單的改變連接方式，而是能對整個車輛的動力輸出實現(xiàn)自動控制功能。</p><p>　　3建模軟件和有限元軟件介紹</p><p>　　3.1 CATIA軟件</p>

35、<p>　　CATIA是法國Dassault System公司的CAD/CAE/CAM一體化軟件，居世界CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、造船、機械制造、電子\電器、消費品行業(yè)，它的集成解決方案覆蓋所有的產(chǎn)品設(shè)計與制造領(lǐng)域，其特有的DMU電子樣機模塊功能及混合建模技術(shù)更是推動著企業(yè)競爭力和生產(chǎn)力的提高。其產(chǎn)品以幻影2000和陣風戰(zhàn)斗機最為著名。CATIA 提供方便的解決方案，迎合所有工業(yè)領(lǐng)域的

36、大、中、小型企業(yè)需要。包括從大型的波音747飛機、火箭發(fā)動機到化妝品的包裝盒，幾乎涵蓋了所有的制造業(yè)產(chǎn)品。在世界上有超過13,000的用戶選擇了CATIA。CATIA 源于航空航天業(yè)，但其強大的功能以得到各行業(yè)的認可，在歐洲汽車業(yè)，已成為事實上的標準。CATIA 的著名用戶包括波音、克萊斯勒、寶馬、奔馳等一大批知名企業(yè)。其用戶群體在世界制造業(yè)中具有舉足輕重的地位。波音飛機公司使用CATIA完成了整個波音777的電子裝配，創(chuàng)造了業(yè)界的一個

37、奇跡，從而也確定了CATIA 在CAD/CAE/CAM 行業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先地位。</p><p>　　CATIA是英文Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application 的縮寫。 是世界上一種主流的CAD/CAE/CAM 一體化軟件。在70年代Dassault Aviation 成為了第一個用戶，CATIA 也應(yīng)運而生。從1982年到1988年，CATIA 相繼發(fā)布

38、了1版本、2版本、3版本，并于1993年發(fā)布了功能強大的4版本，現(xiàn)在的CATIA 軟件分為V4版本和 V5版本兩個系列。V4版本應(yīng)用于UNIX 平臺，V5版本（見圖3.1）應(yīng)用于UNIX和Windows 兩種平臺。V5版本的開發(fā)開始于1994年。為了使軟件能夠易學(xué)易用，Dassault System 于94年開始重新開發(fā)全新的CATIA V5版本，新的V5版本界面更加友好，功能也日趨強大，并且開創(chuàng)了CAD/CAE/CAM 軟件的一種全新

39、風格。</p><p>　　圖3.1 CATIA軟件零件設(shè)計界面</p><p>　　3.2 CATIA V5版本的特點</p><p>　　CATIA V5版本是IBM和達索系統(tǒng)公司長期以來在為數(shù)字化企業(yè)服務(wù)過程中不斷探索的結(jié)晶。圍繞數(shù)字化產(chǎn)品和電子商務(wù)集成概念進行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的CATIA V5版本，可為數(shù)字化企業(yè)建立一個針對產(chǎn)品整個開發(fā)過程的工作環(huán)境。在這個環(huán)境

40、中，可以對產(chǎn)品開發(fā)過程的各個方面進行仿真，并能夠?qū)崿F(xiàn)工程人員和非工程人員之間的電子通信。產(chǎn)品整個開發(fā)過程包括概念設(shè)計、詳細設(shè)計、工程分析、成品定義和制造乃至成品在整個生命周期中的使用和維護。CATIA V5版本具有以下特點：</p><p>　　1.重新構(gòu)造的新一代體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　為確保CATIA產(chǎn)品系列的發(fā)展，CATIA V5新的體系結(jié)構(gòu)突破傳統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)，采用了新一代的技

41、術(shù)和標準，可快速地適應(yīng)企業(yè)的業(yè)務(wù)發(fā)展需求，使客戶具有更大的競爭優(yōu)勢。</p><p>　　2.支持不同應(yīng)用層次的可擴充性</p><p>　　CATIA V5對于開發(fā)過程、功能和硬件平臺可以進行靈活的搭配組合，可為產(chǎn)品開發(fā)鏈中的每個專業(yè)成員配置最合理的解決方案。允許任意配置的解決方案可滿足從最小的供貨商到最大的跨國公司的需要。</p><p>　　3.與NT和UNI

42、X硬件平臺的獨立性</p><p>　　CATIAV5是在Windows NT平臺和UNIX平臺上開發(fā)完成的，并在所有所支持的硬件平臺上具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)、功能、版本發(fā)放日期、操作環(huán)境和應(yīng)用支持。CATIA V5在Windows平臺的應(yīng)用可使設(shè)計師更加簡便地同辦公應(yīng)用系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)；而UNIX平臺上NT風格的用戶界面，可使用戶在UNIX平臺上高效地處理復(fù)雜的工作。</p><p>　　4.專用知

43、識的捕捉和重復(fù)使用</p><p>　　CATIA V5結(jié)合了顯式知識規(guī)則的優(yōu)點，可在設(shè)計過程中交互式捕捉設(shè)計意圖，定義產(chǎn)品的性能和變化。隱式的經(jīng)驗知識變成了顯式的專用知識，提高了設(shè)計的自動化程度，降低了設(shè)計錯誤的風險。</p><p>　　5.給現(xiàn)存客戶平穩(wěn)升級</p><p>　　CATIA V4和V5具有兼容性，兩個系統(tǒng)可并行使用。對于現(xiàn)有的CATIA V4用

44、戶，V5年引領(lǐng)他們邁向NT世界。對于新的 CATIA V5客戶，可充分利用CATIA V4成熟的后續(xù)應(yīng)用產(chǎn)品，組成一個完整的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境。</p><p>　　3.3有限元技術(shù)及軟件介紹</p><p>　　有限元法初創(chuàng)于20世紀中期，隨著計算機技術(shù)和計算方法的發(fā)展，在計算力學(xué)和計算工程領(lǐng)域里，有限元法己成為最有效的計算方法，它幾乎可以解決所有連續(xù)介質(zhì)和場的問題。經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，以及一

45、大批有限元輔助軟件被不斷推出，有限元法已成為結(jié)構(gòu)分析中最為成功的方法，被研究機構(gòu)和人員廣泛使用，它強大的解決大型科學(xué)和工程問題的能力，取得了巨大的經(jīng)濟和社會效益。有限元法(FEM：Finite Element Method)是將連續(xù)體離散為有限個單元然后再將它們集合而成，這些單元之間通過有限的幾個節(jié)點連接，亦即用有限個單元的集合來代替原來具有無限個自由度的連續(xù)體。由于有限單元法可以對連續(xù)體自由的分割，節(jié)點的數(shù)量也可以控制，它可適用于任意

46、復(fù)雜的幾何形狀和不同的邊界條件，應(yīng)用范圍較廣。單元的類型多種多樣，例如線、面和實體或稱為一維、二維和三維等單元。單元的邊界由節(jié)點進行分割，單元之間通過節(jié)點連接，并承受一定的載荷，這樣就組成了有限單元集合體。此外，通過設(shè)置一個簡單的位移函數(shù)來對每一單元進行控制，近似模擬其位移分布規(guī)律，最后利用虛功位移原理對每個單元的平衡方程求解，即是建立了單元節(jié)點力和節(jié)點位移之間的關(guān)系。最后</p><p>　　3.3.1 大型有

47、限元軟件ABAQUS</p><p>　　非線性力學(xué)問題(材料、幾何和接觸)是力學(xué)發(fā)展的前沿課題，非線性有限元是計算固體力學(xué)的組成部分，是基于仿真的工程與科學(xué)的重要方法之一?；诜蔷€性力學(xué)理論和計算固體力學(xué)而發(fā)展的ABAQUS有限元軟件是數(shù)值仿真的重要工具之一，被廣泛地認為是功能最強的有限元分析軟件，特別是在非線性分析領(lǐng)域，其技術(shù)和特點更是獨樹一幟，它融結(jié)構(gòu)、傳熱學(xué)、流體、聲學(xué)、以及熱固耦合、流固耦合、熱電耦合、

48、聲固耦合于一體，可以分析復(fù)雜的同體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，特別是能夠駕馭非常龐大復(fù)雜的問題和模擬高度非線性問題。ABAQUS不但可以做單一零件的力學(xué)和多物理場分析，同時可以做系統(tǒng)級的分析研究，這一特點相對于其它的分析軟件來說是獨一無二的。由于ABAQUS優(yōu)秀的分析能力和模擬復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性使得ABAQUS被廣泛應(yīng)用于世界各國的工業(yè)生產(chǎn)和研究設(shè)計中。</p><p>　　3.3.2 ABAQUS分析處理步驟</p

49、><p>　　ABAQUS有兩個主求解器模塊：ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit（見圖3.2）。ABAQUS還包含一個全面支持求解器的圖形用戶界面，即人機交互前后處理模塊：ABAQUS/CAE(Complete ABAQUS Environment)。ABAQUS對某些特殊問題還提供了專用模塊來加以解決。它也包含兩個交互作用的圖形模塊——ABAQUS/Pre(前處理模塊)和ABAQUS/P

50、ost(后處理模塊)，它們提供了ABAQUS圖形界面的交互作用工具，它還包含其它如ABAQUS/CAE、ABAQUS/Design等模塊。同所有的有限元計算軟件一樣，一個完整的ABAQUS分析包括三個基本步驟：前處理(pre-processing)、模擬分析計算(simulation)、后處理(post-processing)。</p><p>　　圖3.2 ABAQUS軟件界面</p><p

51、>　?。?）前處理(ABAQUS/Pre)</p><p>　　在這個步驟中必須確定計算模型和生成一個ABAQUS輸入文件。計算模型包括以下幾個部分：一個經(jīng)過離散化的連續(xù)體結(jié)構(gòu)、單元劃分及其性質(zhì)、材料參數(shù)、荷載及和邊界條件、有限元分析的種類和輸出變量的要求。在前處理過程中，材料的特性被分配到結(jié)構(gòu)的計算模型上，同時施加荷載和邊界條件。</p><p>　?。?）模擬計算(ABAQUS/

52、Standard或ABAQUS/Explicit)</p><p>　　此模塊是一個通用分析模塊，它能夠求解領(lǐng)域廣泛的線性和非線性問題，包括靜力、動力、熱、電磁、聲，以及復(fù)雜的非線性、物理場耦合分析等。ABAQUS/Explicit可以進行顯式動態(tài)分析，適用于求解非線性動力學(xué)問題和準靜態(tài)問題，特別是模擬短暫、瞬時的動態(tài)問題，如跌落、爆炸、沖擊等。模擬計算階段，使用ABAQUS/Standard或ABAQUS/Ex

53、plicit求解輸入文件中所定義的數(shù)值模型，通常以后臺方式在內(nèi)存中運行，算例的分析結(jié)果(包括位移和應(yīng)力)保存在二進制文件中，以便于后處理。</p><p>　?。?）后處理(ABAQUS/Post)</p><p>　　后處理不僅可以以文本的格式輸出變形前后的應(yīng)力、應(yīng)變、載荷幅度等數(shù)據(jù)，還可將數(shù)據(jù)文件的表格形式轉(zhuǎn)換為不同方式顯式的圖形，包括繪制變形圖形、等值線圖形、動畫和X．Y圖形。從分析

54、的類型來將來講，ABAQUS/Standard提供了大量的時域和頻域分析的程序。這些程序分為兩類：一類是通用分析(General Analysis)，其響應(yīng)既可以是線性,也可以是非線性的；另一類是線性攝動分析(LinearPerturbation)，由在某一特定的基準狀態(tài)基礎(chǔ)上計算結(jié)構(gòu)的響應(yīng)給予一個通用的可能是非線性的基態(tài)計算出線性響應(yīng)。一次計算分析流程中可以包括多個分析步驟和多種分析類型。</p><p>　　

55、3.3.3 ABAQUS的優(yōu)點</p><p>　　ABAQUS被廣泛地認為是功能最強的有限元軟件之一，它擁有眾多的單元模型、材料模型、分析過樣等?？梢杂脕矸治龈鞣N領(lǐng)域的問題，如同體力學(xué)、巖土力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等等，特別是能夠駕馭非常龐人復(fù)雜的問題和模擬高度非線性問題，在所有的有限元軟件中獨占鰲頭。正是由于ABAQUS優(yōu)秀的分析能力和模擬復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性使得它在各國的工業(yè)和研究中被廣泛地采用。ABAQUS具有如下優(yōu)點

56、：</p><p>　　（1）功能強大、使用方便ABAQUS是集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)等于一體的大型通用有限元分析軟件，它為用戶提供了廣泛的分析功能，且使用起來十分簡單。幾何模型的建立完全應(yīng)用了基于特征的參數(shù)化技術(shù)，為模型的隨意修改帶來了前所未有的方便與靈活，這是其他有限元系統(tǒng)難得的成功之處，也是ABAQUS前處理功能的最大優(yōu)點。</p><p>　?。?）良好的開放性ABAQUS建立

57、了開放的體系結(jié)構(gòu)，提供了二次開發(fā)的接口，利用其強大的分析求解平臺，可使困難的分析簡單化，使復(fù)雜的過程層次化，設(shè)計人員可不再受工程數(shù)學(xué)解題技巧和計算機編程水平的限制，節(jié)省了大量的時間以避免重復(fù)性的編程工作，使工程分析和優(yōu)化設(shè)計更快和更好，同時能使ABAQUS具備更多特殊的功能和更廣泛的適用性。</p><p>　　4油門踏板機構(gòu)的設(shè)計</p><p><b>　　4.1對標車簡介&

58、lt;/b></p><p>　　本課題受企業(yè)委托進行設(shè)計，該設(shè)計以長城炫麗Cross CROSS 1.3L MT為對標車(見圖4.1)。設(shè)計以輕量化為指導(dǎo)理念，在滿足強度要求及相應(yīng)國家標準的前提下，在結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料選擇上優(yōu)先考慮輕量化設(shè)計及輕量化材料。</p><p>　　長城炫麗"FLORID，以產(chǎn)品特性特征命名，為緊湊型5門轎車，是長城汽車自主研發(fā)面向全球、完全按照國

59、際一流技術(shù)標準設(shè)計開發(fā)、試制試驗、性能調(diào)校的家庭轎車。</p><p>　　炫麗搭載了長城自主研發(fā)的GW413EF 1.3L汽油發(fā)動機。</p><p>　　GW413EF發(fā)動機在4200轉(zhuǎn)/分鐘和5200轉(zhuǎn)/分鐘的區(qū)間范圍內(nèi)可以達到115牛?米的最大扭矩輸出，擁有較好的持續(xù)加速性，最高時速可達每小時160公里以上。寬泛的扭矩輸出范圍和強大的扭矩輸出免去了頻繁換擋的麻煩。駕駛者可以停留在一

60、個合適的擋位，直路加速、制動，輕松自如。</p><p>　　電子油門實現(xiàn)了對車輛的主動控制，ECU精確判斷并發(fā)出指令可以讓節(jié)氣門以一定的速度打開，從而有效的防止駕駛不當對發(fā)動機產(chǎn)生的不利影響，起到保護發(fā)動機的作用。與博世公司合作的電控噴油系統(tǒng)，ECU對每個噴油嘴的噴油量、噴油時刻進行精確控制，使發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性和動力性達到最佳平衡。排氣處理經(jīng)過了兩極催化大大降低了一氧化碳、碳氫化合物和氮氧化合物的含量，同時配

61、合EOBD系統(tǒng)的運用使得炫麗的排放水平在同級車型中率先達到了歐Ⅳ環(huán)保標準，具備升級歐V的潛力。</p><p>　　炫麗將安全作為首要的設(shè)計標準，采用博世最先進成熟8.0版ABS+EBD，并將主動安全保護貫穿于全系列車型。車身采用上海寶鋼優(yōu)質(zhì)鋼材，車底、車頂、四門等都配有多處加強鋼梁，形成全方位立體式保護架構(gòu)的“籠”式安全車身。正面高強度前后防撞梁配合配合高塑性吸能式機艙結(jié)構(gòu)，在撞擊下形成良好的縱向潰縮，緩解沖擊

62、能量，減少碰撞損失。同級別小車中，炫麗是唯一采用國際知名品牌奧托立夫安全氣囊和電子預(yù)緊式安全帶的車型， 高靈敏度的電子觸發(fā)式安全氣囊，使得碰撞時能很好地保護車內(nèi)成員安全。</p><p>　　炫麗將液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用到操控系統(tǒng)中，精準的轉(zhuǎn)向增強了整車控制的靈活性和穩(wěn)定性。在高速駕駛過程中不會出現(xiàn)發(fā)飄的狀況，與炫麗出色的懸架系統(tǒng)是密不可分的。前懸采用了標準的麥弗遜式結(jié)構(gòu)設(shè)計，其下擺臂結(jié)構(gòu)為V型，具有強度高、穩(wěn)定性

63、強的優(yōu)勢，發(fā)生撞擊時安全性明顯優(yōu)于同類車型，加上螺旋彈簧組合，提高懸架的結(jié)構(gòu)強度及緩沖力，帶來更強的操控感與舒適性。這種懸架結(jié)構(gòu)緊湊，有利于發(fā)動機（尤其是小型車發(fā)動機）的合理布置，并能夠降低汽車重心。使得車輪跳動時前輪定位參數(shù)變化小，有良好的操縱穩(wěn)定性。這種經(jīng)久耐用的獨立懸架，具有很強的道路適應(yīng)能力。</p><p>　　后懸采用縱臂扭轉(zhuǎn)梁復(fù)合式懸架，匹配螺旋彈簧、減震器減震系統(tǒng)，具有靈敏的路面響應(yīng)與良好的側(cè)傾控

64、制，高質(zhì)量震動過濾確保良好的乘坐舒適性。這種懸架結(jié)構(gòu)外形規(guī)整，導(dǎo)向組件少，可以省略橫向穩(wěn)定桿，獲得較大的尾部空間。行駛過程中后輪輪距、傾角不會發(fā)生變化，直線穩(wěn)定性好，后輪胎損耗小，維修養(yǎng)護成本低。由于這一結(jié)構(gòu)設(shè)計在操控性與舒適性上優(yōu)勢明顯，因而寶來、帕薩特等中高級轎車均采用此類懸架。</p><p>　　長城炫麗Cross CROSS 1.3L MT油門踏板空間布置圖如下：</p><p>

65、;　　4.2油門踏板結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　4.2.1機械設(shè)計介紹</p><p>　　機械產(chǎn)品設(shè)計分為開發(fā)性設(shè)計、適應(yīng)性設(shè)計、變型設(shè)計三種類型：</p><p>　　1、開發(fā)性設(shè)計　應(yīng)用成熟的科學(xué)技術(shù)或經(jīng)過實驗證明是可行的新技術(shù)，設(shè)計過去沒有過的新型機械。 </p><p>　　2、適應(yīng)性設(shè)計　根據(jù)使用經(jīng)驗和技術(shù)發(fā)展對已有的機械進行設(shè)

66、計更新，以提高其性能、降低其制造成本或減少其運用費用。 </p><p>　　3、變型設(shè)計　為適應(yīng)新的需要對已有的機械作部分的修改或增刪而發(fā)展出不同于標準型的變型產(chǎn)品。</p><p>　　本課題屬于變型設(shè)計。</p><p>　　機械設(shè)計的程序大致可分為計劃、原理方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計、總體設(shè)計、施工設(shè)計以及與設(shè)計密切相關(guān)的試制、生產(chǎn)、銷售等步驟。本課題設(shè)計步驟的

67、大致內(nèi)容和目標如下：</p><p>　　圖4.3 機械設(shè)計流程圖</p><p>　　4.2.2油門踏板設(shè)計要求</p><p>　　目前，汽車電子油門踏板已在許多汽車中配置了。因為它相對于機械式的油門踏板具有技術(shù)優(yōu)勢：高可靠性、高精度和隨意的結(jié)構(gòu)外形。根據(jù)設(shè)計要求可以確定連桿的具體幾何尺寸。由于連桿的設(shè)計主要依賴于客戶要求，可以從兩方面來描述。</p>

68、;<p>　　裝配空間要求。每個主機廠都有自己本身的設(shè)計理念，從而產(chǎn)生了裝配空間的限制也各不一樣。對于汽車電子油門踏板來說，主要以下幾個方面裝配空間的限制：腳空間的限制、地板的限制、汽車側(cè)壁的限制和剎車系統(tǒng)的限制等等。裝配空間的沖突必須加以避免。</p><p>　　機械性能要求。出于安全性方面的考慮，連桿的強度必須符合要求。每樣材料都具有本身的屬性：許用應(yīng)力和許用應(yīng)變。當應(yīng)力在某個特定的位置超過規(guī)

69、定的應(yīng)力值后，在該處出現(xiàn)裂紋等對安全不利因素的機會就會增加。也就是說，該處的應(yīng)力不符合要求。</p><p>　　從客戶所提供的裝配空間、功能和強度要求設(shè)計連桿機構(gòu)，由于這些要求的差異性，從而導(dǎo)致了連桿幾何尺寸的多樣性。</p><p>　　4.2.3油門踏板設(shè)計方法</p><p>　　在本文中，首先根據(jù)對標車油門踏板相應(yīng)結(jié)構(gòu)、零件材料及上級設(shè)計輸入文件設(shè)計油門踏

70、板的結(jié)構(gòu)，并選擇適當?shù)牟牧弦詽M足設(shè)計要求，然后借助三維建模軟件CATIA繪制油門踏板的三維圖形，再采用通用非線性有限元軟件ABAQUS 求解油門踏板機構(gòu)在某一特定工況作用力作用下的強度問題。</p><p>　　為了得到油門踏板機構(gòu)正確的應(yīng)力分布，尤其是應(yīng)力集中處的應(yīng)力，必須建立合理的有限元模型以及各部分正確的材料參數(shù)。這也是使用CATIA進行三維建模的重大原因。利用CATIA繪制成的油門踏板機構(gòu)的三維模型，將其

71、簡化后導(dǎo)入ABAQUS軟件，運用ABAQUS軟件對油門踏板機構(gòu)進行CAE分析。通過分析驗證油門踏板機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計及零件材料選擇的合理性，并根據(jù)分析結(jié)果對油門踏板機構(gòu)進行優(yōu)化，最后得到優(yōu)化的機構(gòu)。</p><p>　　當然這還只是一個初步的設(shè)計過程，在后續(xù)的實驗中，我們需要對油門踏板機構(gòu)進行疲勞試驗、斷裂實驗、振動實驗等等，使其結(jié)構(gòu)更加完善，更加安全和實用。</p><p>　　4.2.4油門

72、踏板設(shè)計流程</p><p>　　企業(yè)提供上級設(shè)計輸入文件如下：</p><p><b>　　邊界條件：</b></p><p>　　油門踏板機構(gòu)裝配體長度方向最大不超過300mm，寬度不超過60mm，高度不超過150mm。</p><p>　　踏板連桿與底座有兩個接觸面，一個是油門連桿旋轉(zhuǎn)面與底座支撐面，另一個是連桿限

73、位處油門連桿與底座限位面，接觸類型為法相硬接觸，切向光滑接觸。</p><p>　　踏板底座三個螺栓處的全約束。另外，為了防止踏板連桿側(cè)移，需要在連接桿兩端加一個約束。</p><p>　　接口尺寸：踏板底座與車身由三個螺栓固定連接，底座長度最大不超過140mm，寬度不超過50mm，高度不超過65mm。</p><p>　　輕量化要求：采用輕質(zhì)、高強度、廉價的非金屬

74、材料替代金屬材料，使質(zhì)量能夠下降30%。</p><p>　　強度要求：油門踏板要滿足設(shè)計規(guī)范要求：</p><p>　　1) 在600N 正向踩踏力作用下，電子油門踏板結(jié)構(gòu)必須不發(fā)生斷裂情況；</p><p>　　2) 在700N 正向踩踏力作用下，電子油門踏板結(jié)構(gòu)必須在削弱斷口處發(fā)生斷裂。</p><p>　　載荷工況：在踏板處施加600

75、N，分析連桿應(yīng)力分布情況。施加載荷位置：距離旋轉(zhuǎn)中心196.5mm距離，在腳踏板的中間位置，施加載荷以面載荷施加，面大小為φ3-φ5之間；在彈簧放置處施加載荷320N。載荷施加方式：在彈簧與油門連桿的接觸面（面積為18π mm2）。載荷工況示意圖如下：</p><p>　　圖4.4 載荷工況示意圖</p><p>　　由以上設(shè)計輸入，我們需要完成一系列的設(shè)計輸出：</p>&

76、lt;p>　　設(shè)計圖紙：根據(jù)油門踏板的設(shè)計輸入，同時參照廠家設(shè)計要求，用CATIA進行油門踏板力學(xué)模型構(gòu)建。同時，對模型中不影響力學(xué)分析的部位或零件進行簡化，有利于模型的有限元分析，節(jié)約了分析時間，提高了效率。由此我們可以得到三維CATIA模型（如圖4.4），并且根據(jù)三維圖，可以導(dǎo)出我們所要的工程圖（裝配圖和零件圖）。</p><p>　　圖4.5 油門踏板CATIA模型</p><p&

77、gt;　　材料確定：如前所述，輕量化已經(jīng)成為目前汽車行業(yè)發(fā)展的一大趨勢。輕量化工藝與結(jié)構(gòu)優(yōu)化、新型材料的使用，在實現(xiàn)汽車輕量化設(shè)計方面具有相輔相成的作用：在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計以達到零部件輕量化目的時候，通常設(shè)計出來的零部件產(chǎn)品舊的制造工藝已經(jīng)不能滿足條件，而需要新的制造工藝或者新的加工條件；同樣的，使用新型材料在零部件上，本身就需要比較特殊的成形方式或者制造、焊接要求；反過來，新的輕量化工藝的開發(fā)也能為輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計者或者新材料的研究者提

78、供更多的選擇空間和更大的平臺。傳統(tǒng)的油門踏板采用鋁合金材料，這種材料密度相對較大，為2.4g/cm3，且需機加工來進行加工，質(zhì)量大，加工成本高。根據(jù)輕量化設(shè)計的要求，選擇塑料件具有很大的優(yōu)勢，塑料材料具有高強度、高耐熱性、熱膨脹系數(shù)和收縮率小，吸水性低，尺寸穩(wěn)定性隨大氣濕度和溫度變化不大，而且材料可一次成型，工藝性好經(jīng)濟性高。通過比較選擇，本課題采用尼龍66加玻纖的塑料材料（PA66+GF30），其比重為1.1kg/cm3，泊松比：0.

79、39，彈性模量10.5Gpa,符合輕量化的要求。</p><p>　　技術(shù)要求：我們這里所要確定的主要是加工的要求。對于大部分零件，所使用的設(shè)備實質(zhì)上是相同的，刀具和技術(shù)也是相同的。但是盡管有很多相似之處，切削塑料與切削金屬卻并不等同。切削加工性指標是數(shù)據(jù)表上塑料的Durometer硬度值。讀數(shù)越低，塑料越軟，越難加工，因為材料容易被推出，而無法利落地切削。非常軟的塑料可能必須被冷凍以便加工。由于纖維強化塑料具有

80、磨損系數(shù)，往往采用碳化鋼或者硬化鋼刀具加工。同時，加工纖維強化塑料也比加工其他類型的塑料要困難得多，因為加工時纖維造成過多可能有害的粉塵。纖維通常具有吸水性，常常吸收一些冷卻劑。這就需要較長的干燥時間，甚至還需要加熱來清除纖維中的冷卻劑。加工較厚的塑料時，加工后新的表面吸收水汽會膨脹起來。如果要求公差嚴密，那么零件必須進行粗加工，待其穩(wěn)定后，再進行精加工達到最終的公差要求。 強度校核與分析：這是本文研究的重點，通過CATIA建模

81、導(dǎo)入到ABAQUS，然后進行模擬仿真，得到油門踏板的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，然后可以進行強度校核，確定油門踏板經(jīng)過材料改變后強度是否滿足要求。整個踏板采用的是尼龍66加玻纖的塑料材料，其彈性區(qū)內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系具有明顯的非線</p><p>　　設(shè)計總結(jié)：這是設(shè)計的最后一步，是對整個設(shè)計分析過程的反饋，并且對后續(xù)的工作做一個預(yù)期的歸納。從分析過程中我們要得到踏板新材料是否滿足強度要求，是否能夠完美的代替鋁合金，從中總結(jié)出未

82、達到要求的設(shè)計部分，并給出解決方案，比如說最大應(yīng)力不在缺口處，我們必須要對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，對材料進行改進，同時提出第二輪的設(shè)計思想和要求。這是必不可少而且至關(guān)重要的一步。</p><p><b>　　5 強度分析與校核</b></p><p><b>　　5.1強度分析</b></p><p>　　5.1.1油門踏板幾何

83、模型簡化</p><p><b>　　數(shù)模簡化要點：</b></p><p>　　一般地，簡化模型對于有限元運算來說具有優(yōu)勢，它能夠降低結(jié)構(gòu)離散化的難度和節(jié)約運算的時間。任何對于構(gòu)件強度沒有重要影響的元素應(yīng)當不必在模型中保留。對于CATIA模型的確立需要注意：</p><p>　　——先建立粗略、簡化的模型結(jié)構(gòu)；</p><

84、p>　　——設(shè)計細節(jié)如倒圓、倒角等不要出現(xiàn)在有限元分析所用模型。</p><p>　　——設(shè)計細節(jié)（倒圓、倒角）應(yīng)在仿真結(jié)束后添加。并且這些細節(jié)能夠隱藏，也就是說，他們不以其他設(shè)計單元為參考；</p><p>　　——加強筋應(yīng)作為“薄”空間元素進行設(shè)計。這樣可使強度優(yōu)化最簡單；</p><p>　　——對于殼類設(shè)計單元在可能情況下使壁厚不同。凹槽應(yīng)當通過材料截

85、面建立設(shè)計單元。定義深度通過輸入值或者限制曲面；</p><p>　　——避免帶有自由曲面的構(gòu)件。錯誤尺寸改動在離散化過程中幾乎不可能；</p><p>　　——從外部導(dǎo)入的復(fù)制幾何尺寸重新修改非常煩瑣，盡量避免；</p><p>　　——在裝配零件中，零件可裝配成單一的整體。對于任何零件來說，所使用的尺寸精度為0.01；</p><p>　

86、　——避免小角度、縫隙、倒角和尖端突出。這些設(shè)計單元增加構(gòu)件網(wǎng)格化的費用以及阻止構(gòu)件的離散化；</p><p>　　——避免曲面或者倒角中帶有的角度錯誤（例如：在草圖中的非相切的過渡）；</p><p>　　——通過幾何錯誤分析，盡可能排除CATIA模型中的錯誤。</p><p>　　任何對于構(gòu)件優(yōu)化必需的信息應(yīng)當全部包含在模型中：</p><p

87、>　　——最大的裝配空間、確定的幾何尺寸以及必要的自由空間；</p><p>　　——零件后續(xù)處理的接口（有限元分析的邊界條件）；</p><p>　　——外載荷的位置和方向。</p><p>　　根據(jù)以上原則，我們得到簡化模型如下圖：</p><p>　　5.1.2有限元分析流程</p><p>　　有限元分析

88、從建立幾何模型到分析得出結(jié)果的流程一般可分為兩種。如下圖：</p><p>　　前者的優(yōu)點是：修改網(wǎng)格時不必重新定義材料和邊界條件等參數(shù)。</p><p>　　而后者的優(yōu)點是：在劃分網(wǎng)格時可以發(fā)現(xiàn)部件的幾何模型需要修改，例如過小的圓角。</p><p>　　因為模型已經(jīng)在CATIA優(yōu)化過，這里我選擇第一種建模次序。</p><p>　　首先導(dǎo)

89、入CATIA模型，根據(jù)上一章的設(shè)計輸出，設(shè)置材料屬性，邊界條件和載荷工況，然后劃分網(wǎng)格：</p><p>　　第一步，單元類型的選擇。選用C3D4：四結(jié)點線性四面體單元，這種單元劃分網(wǎng)格簡單，計算精度高，且計算代價低。</p><p>　　第二步，布局種子數(shù)。ABAQUS采用的是先布種再劃分網(wǎng)格的技術(shù)。根據(jù)分析需要視情況而定，由于種子決定了網(wǎng)格劃分的疏密程度，種子越多，網(wǎng)格就越細密。因此在

90、布種前應(yīng)對布種區(qū)域進行預(yù)判，影響仿真結(jié)果的關(guān)鍵部位以及可能出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位等種子數(shù)應(yīng)該多些。</p><p>　　第三步，選用合適的網(wǎng)格劃分技術(shù)。網(wǎng)格劃分方法主要有自由網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格以及掃掠網(wǎng)格。通過嘗試，其中掃掠網(wǎng)格質(zhì)量最好，但是對模型要求較高，適用于較規(guī)則的模型，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對模型要求低些，自由網(wǎng)格最低，但是網(wǎng)格質(zhì)量也較差，基于油門踏板是對稱形狀，選擇自由網(wǎng)格。算法使用Advancing Front算法(進階算

91、法，首先在邊界上生成網(wǎng)格，然后再向區(qū)域內(nèi)部擴展)。</p><p>　　第四步，劃分網(wǎng)格。鑒于有限元軟件ABAQUS網(wǎng)格劃分功能的強大，網(wǎng)格單元排列規(guī)則，大小適中，沒有產(chǎn)生畸形。根據(jù)本踏板機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點以及其約束和加載的情況，對踏板機構(gòu)受力形態(tài)有重要影響的區(qū)域，如彈簧處和連桿限位處可能出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位進行了網(wǎng)格的細化，以便提高計算精度。實際情況中，踏板總成由踏板和踏板座裝配而成，由于對踏板座的受力情況并不關(guān)心，

92、這里假設(shè)踏板座為剛性體，這樣和踏板接觸的部分均可以解析剛體代替，從而簡化了兩者的裝配關(guān)系，大大減小了模型的規(guī)模。由于踏板根部的削弱槽尺寸是保證踏板力處于規(guī)定范圍內(nèi)的關(guān)鍵參數(shù)，所以要求這部分的網(wǎng)格有足夠的密度來準確描述此處的應(yīng)力分布，以更準確的獲得斷口處的應(yīng)力分布。</p><p>　　下面是整個分析的詳細圖解步驟：</p><p>　　第一步：將簡化后的CATIA模型導(dǎo)入到ABAQUS&l

93、t;/p><p>　　第二步：定義材料屬性：各向同性,楊氏模量10.5GPa，泊松比0.39。</p><p>　　第三步：將兩個部件裝配起來。</p><p>　　第四步：定義分析步，時間為1s；</p><p>　　分析起始增量1，最小增量1e-10，最大1，最大分析步10000。</p><p>　　第五步：定義接觸

94、：法相硬接觸，切向光滑接觸。有兩個接觸對：其一是油門連桿旋轉(zhuǎn)面與底座支撐面；</p><p>　　其二是連桿限位處油門連桿與底座限位面。</p><p>　　第六步：加載：在距離旋轉(zhuǎn)中心196.5mm距離處腳踏板的中間位置，施加載荷600N。載荷施加方式：在12 mm²的面積里施加50MPa的壓力。</p><p>　　在彈簧放置處施加載荷320N。載荷施

95、加方式：在彈簧與油門連桿的接觸面（面積為18π mm2）上施加5.66MPa的壓力。</p><p>　　第七步：約束：螺栓全約束；</p><p>　　為完整計算，旋轉(zhuǎn)側(cè)面兩端分別施加U1、UR2、UR3約束。</p><p>　　第八步：網(wǎng)格劃分。單元采用四面體結(jié)構(gòu)，單元大小4mm，網(wǎng)格個數(shù)：33525。</p><p><b>

96、;　　第九步：定義工作。</b></p><p><b>　　內(nèi)存使用90%</b></p><p><b>　　第十步：運算</b></p><p><b>　　5.1.3運算結(jié)果</b></p><p>　　通過ABAQUS運算，得到以下應(yīng)力圖：</p&g

97、t;<p>　　對塑料踏板完成有限元建模之后, 送入求解器計算。經(jīng)過有限元分析軟件的分析, 得到塑料踏板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布圖。如圖所示,圖中顏色越深的區(qū)域代表應(yīng)力越大。通過有限元分析得到的應(yīng)力云圖可以看出, 油門連桿最大應(yīng)力出現(xiàn)在的彈簧孔邊緣，最大應(yīng)力為63MPa；而油門踏板底座應(yīng)力最大處在螺栓孔邊緣，最大為87MPa；而斷口處的應(yīng)力反而小一些，為57MPa。最大應(yīng)力不在斷口處，這可能跟網(wǎng)格的劃分和結(jié)構(gòu)有關(guān)，需要進一步分析或者

98、對結(jié)構(gòu)進行調(diào)整。</p><p>　　同時，可以得到應(yīng)變分布圖（如圖5.1.3j），</p><p>　　圖5.1.3j 油門踏板位移圖</p><p>　　從變形圖中可以看出，最大位移在踏板臂頂端，約為6.9mm，如果不能達到客戶要求，可以改變踏板臂的結(jié)構(gòu)，滿足更小的變性要求。</p><p><b>　　5.2強度校核</

99、b></p><p>　　5.2.1 強度理論概述</p><p>　　各種材料因強度不足引起的失效現(xiàn)象是不同的。塑性材料以變形為失效的標志。脆性材料以斷裂為失效的標志。所以失效現(xiàn)象可以歸納為屈服和斷裂兩種。</p><p>　　材料在外力作用下有兩種不同的破壞形式：一是在不發(fā)生顯著塑性變形時的突然斷裂,稱為脆性破壞;二是因發(fā)生顯著塑性變形而不能繼續(xù)承載的破壞

100、，稱為塑性破壞。破壞的原因十分復(fù)雜。對于單向應(yīng)力狀態(tài)，由于可直接作拉伸或壓縮試驗，通常就用破壞載荷除以試樣的橫截面積而得到的極限應(yīng)力（強度極限或屈服極限）作為判斷材料破壞的標準。但在二向應(yīng)力狀態(tài)下, 材料內(nèi)破壞點處的主應(yīng)力σ1、σ2不為零；在三向應(yīng)力狀態(tài)的一般情況下,三個主應(yīng)力σ1、σ2和σ3均不為零。不為零的應(yīng)力分量有不同比例的無窮多個組合，不能用實驗逐個確定。由于工程上的需要,兩百多年來,人們對材料破壞的原因，提出了各種不同的假說。

101、但這些假說都只能被某些破壞試驗所證實，而不能解釋所有材料的破壞現(xiàn)象。這些假說統(tǒng)稱強度理論。</p><p>　　在提出了強度理論后，根據(jù)失效形式，強度理論也可分為兩種：一類是解釋斷裂失效的，其中最大拉應(yīng)力理論和最大伸長線應(yīng)變理論；二是解釋屈服失效的，其中有最大切應(yīng)力理論和畸變能密度理論。這就是四個強度理論。</p><p>　　5.2.2 強度校核</p><p>

102、　　整個踏板采用的是尼龍66加玻纖的塑料材料，其彈性區(qū)內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系具有明顯的非線性，但是沒有明顯的屈服點，并且應(yīng)力達到190MPa后將發(fā)生斷裂。考慮到失效的主要形式是斷裂，我們采用第一強度理論（最大拉應(yīng)力理論），所以只需要保證最大強度小于極限強度190MPa，就能保證踏板的強度安全。根據(jù)有限元分析，踏板的最大強度為87Mpa,滿足強度要求。</p><p>　　5.2.3 設(shè)計總結(jié)</p><

103、;p>　　雖然根據(jù)上面的分析，我們得到的結(jié)論是強度滿足要求，但是我們可以看出最大應(yīng)力并不發(fā)生在上下斷口處，這并不符合設(shè)計規(guī)范要求。所以，我們必須保證，應(yīng)力最大處在上下斷口處，這是我們設(shè)計兩個斷口的初衷。因為，在油門踏板設(shè)計過程中有一個安全設(shè)計規(guī)范，該設(shè)計規(guī)范定義如下：</p><p>　　(a) 在600N 正向踩踏力作用下，電子油門踏板結(jié)構(gòu)必須不發(fā)生斷裂情況；</p><p>　　

104、(b) 在700N 正向踩踏力作用下，電子油門踏板結(jié)構(gòu)必須在削弱斷口處發(fā)生斷裂。</p><p>　　這個設(shè)計規(guī)范既保證油門踏板的強度要求，又保證了由于油門踏板受力過大加速太快而威脅到的人身安全。這是我們設(shè)計斷口的原因，所以我們要保證最大應(yīng)力發(fā)生在斷口處。而其他部位的應(yīng)力過大會破壞材料結(jié)構(gòu)，使油門踏板損壞，出現(xiàn)隱患，所以必須要進行結(jié)構(gòu)改進。</p><p>　　根據(jù)上個章節(jié)的分析結(jié)果，我們

105、知道油門連桿的最大應(yīng)力并不在斷口處，其他有許多地方還存在過大的應(yīng)力，這些地方都要進行改進。我們可以對這些地方的材料進行加厚，也可以對其他強度小的地方的材料進行削減，因為局部尺寸的改動會影響整體應(yīng)力的分布，另外也可以對這些局部的材料進行替換，換一些強度更大的材料，提高其剛度。同時，為了使油門踏板滿足斷裂要求，保證踏板在700N的踏板力下斷裂，也要對油門踏板進行結(jié)構(gòu)改進，這需要通過其他研究手段來解決，本課題不做研究。</p>

106、<p>　　本文研究的是油門踏板在常溫、靜力載荷情況下，踏板連桿的應(yīng)力分布，在實際中， 塑料的使用還受腐蝕、高溫等各種環(huán)境的影響，而且對塑料在疲勞載荷條件下的研究還不多。目前對塑料踏板系統(tǒng)產(chǎn)品的研發(fā)還處于起步階段，還有進一步的工作要做，可以將疲勞試驗的變形情況作為模擬的重點和方向。</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　本文以輕量

107、化設(shè)計為指導(dǎo)思想，參照對標車相關(guān)參數(shù)進行乘用車油門踏板結(jié)構(gòu)設(shè)計，電子油門踏板的設(shè)計問題不僅需要考慮裝配空間問題，還要考慮強度問題。在這兩方面的要求下，電子油門踏板必須進行建模和模擬來達到要求?？墒牵娮佑烷T結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，試驗成本及開發(fā)時間會大大增加。為了解決問題，應(yīng)用CATIA軟件實現(xiàn)了機構(gòu)的三維建模；借助有限元理論，運用ABAQUS有限元軟件建立了油門踏板機構(gòu)的有限元模型，對油門踏板的特定工況進行了分析校核。通過分析對油門踏板的強度問