1、項(xiàng)目編號(hào)： 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目申請(qǐng)書（創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目） 項(xiàng)目名稱 關(guān)于Hypermesh拓?fù)鋬?yōu)化模塊的車輛結(jié)構(gòu)輕量化 所屬一級(jí)學(xué)科名稱 機(jī)械工程 所屬二級(jí)學(xué)科名稱 車輛工程 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人 田德福 指導(dǎo)教師 楊士通 教師所在單位 機(jī)電工程學(xué)院 二一六年四月二十日6填 表 說 明1本申請(qǐng)書所列各項(xiàng)內(nèi)容均須實(shí)事求是，認(rèn)真填寫，表達(dá)明確嚴(yán)謹(jǐn)，簡(jiǎn)明扼要。2申請(qǐng)人可以是個(gè)人，也可為團(tuán)隊(duì)，封面只填負(fù)責(zé)人。“項(xiàng)目編號(hào)”一欄不填。3本申請(qǐng)書統(tǒng)一要求A4紙型正反面打印，左側(cè)裝訂成冊(cè)。（裝訂要求：兩釘裝訂法，位置分別為距離上、下頁(yè)面邊緣“7厘米”，距離左側(cè)邊緣“1厘米”附近處平行左側(cè)邊緣裝訂）4本申

2、請(qǐng)書中除簽字部分外，其它一律不準(zhǔn)手寫。中文統(tǒng)一用“仿宋_GB2312”字體，數(shù)字字母統(tǒng)一用“Times New Roman”字體。除特殊說明外，字號(hào)大小統(tǒng)一用小四號(hào)字。5根據(jù)情況，可在申請(qǐng)書中自行加頁(yè)，但格式、內(nèi)容、大小均須與原件一致。6未按上述要求填寫或裝訂申請(qǐng)書的項(xiàng)目，一律不予立項(xiàng)。一、項(xiàng)目基本情況創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱關(guān)于Hypermesh拓?fù)鋬?yōu)化模塊的車輛結(jié)構(gòu)輕量化項(xiàng) 目 起止 日 期2016年 4 月 2017 年 4 月申請(qǐng)人姓 名田德福所在學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院班 級(jí)140110班專 業(yè)車輛工程學(xué) 號(hào)20140397聯(lián)系電學(xué)期平均學(xué)分績(jī)點(diǎn)第一學(xué)期2.7第二學(xué)期2.7

3、第三學(xué)期2.6第四學(xué)期第五學(xué)期第六學(xué)期第七學(xué)期第八學(xué)期曾經(jīng)參與的科研及獲獎(jiǎng)情況：無(wú)項(xiàng)目組成員 姓 名所在學(xué)院、專業(yè)班 級(jí)學(xué) 號(hào)所承擔(dān)具體任務(wù)田德福機(jī)電工程學(xué)院、車輛工程14011020140397總體方案設(shè)計(jì)張文欽機(jī)電工程學(xué)院、車輛工程14011020140410結(jié)構(gòu)建模翟一臣機(jī)電工程學(xué)院、車輛工程14011020140408模型修正魏彭垚機(jī)電工程學(xué)院、車輛工程14011020140402有限元編程趙承章機(jī)電工程學(xué)院、車輛工程14011020140412論文撰寫指導(dǎo)教師姓 名楊士通所在學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院職務(wù)/職稱講師專 業(yè)/研究方向車輛工程/車輛輕量化聯(lián)系電子郵箱yst

4、主要成果 ： 作為主要參加人在讀博期間參加“某載重自卸車輕量化設(shè)計(jì)”橫向項(xiàng)目1項(xiàng)，發(fā)表論文3篇，其中SCI檢索3篇。二、項(xiàng)目論證（一）研究目的： 隨著計(jì)算技術(shù)和汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、優(yōu)化和仿真技術(shù)越來(lái)越成為人們解決汽車安全性、舒適性、穩(wěn)定性等問題的主要手段。然而在進(jìn)行汽車動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、優(yōu)化和仿真過程中，結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵一環(huán)。本課題擬采用ANSYS軟件的APDL語(yǔ)言對(duì)車輛結(jié)構(gòu)建模，進(jìn)而研究汽車結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、優(yōu)化和仿真中的因其有限元模型修改而產(chǎn)生的一系列計(jì)算問題，設(shè)計(jì)出對(duì)hypermesh中拓?fù)鋬?yōu)化模塊進(jìn)行二次開發(fā)，編寫出相應(yīng)的程序模塊。本課題涉及數(shù)學(xué)、力學(xué)和汽車工程領(lǐng)域，

5、研究成果可以提高傳統(tǒng)汽車動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，節(jié)約計(jì)算成本和時(shí)間。（二）研究?jī)?nèi)容：在汽車結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、優(yōu)化和仿真過程中，汽車結(jié)構(gòu)模型修改涉及材料屬性、零部件尺寸、車身拓?fù)湫螤钜约案鹘M件位置布局等修改。我們擬采用ANSYS的APDL語(yǔ)言，對(duì)結(jié)構(gòu)部件建模，通過應(yīng)用hypermesh中拓?fù)鋬?yōu)化模塊對(duì)車輛結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，通過自編程序，完成相關(guān)計(jì)算，嘗試和ANSYS的無(wú)縫連接，做ANSYS的二次開發(fā)。（三）國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)：近年來(lái)，我國(guó)在乘用車和商用車的產(chǎn)銷量方面增長(zhǎng)迅速。汽車工業(yè)代表著一個(gè)國(guó)家制造業(yè)發(fā)展的水平，開發(fā)獨(dú)立自主的核心汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)是我們的必然選擇1。隨著燃料價(jià)格的不斷攀升，車輛輕

6、量化已成為大趨勢(shì)。車輛輕量化能夠節(jié)約能源，減少二氧化碳排放，同時(shí)還能提高運(yùn)輸效率、降低運(yùn)輸成本，并帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。所謂車輛輕量化，就是采用科學(xué)方法和手段對(duì)汽車產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在確保車輛綜合性能指標(biāo)的前提下，通過使用新型材料，盡可能降低汽車產(chǎn)品自身重量，達(dá)到減重、降耗、環(huán)保、安全的綜合目標(biāo)2。國(guó)外學(xué)者對(duì)基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的車輛輕量化進(jìn)行了大量的研究工作，他們提出了先進(jìn)的優(yōu)化理念，將形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化等多種優(yōu)化方法應(yīng)用到實(shí)際研究中。例如，通用汽車公司的R.R.MAYER、密歇根大學(xué)的R.A.SCOTT和N.KIKUCHI應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)以碰撞過程中最大吸收能量為目標(biāo)對(duì)零部件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后零

7、件呈蜂窩狀，在提高安全性的同時(shí)也減輕了結(jié)構(gòu)重量。韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)的J-K.Shin等人采用拓?fù)鋬?yōu)化與尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化相結(jié)合的優(yōu)化方法，對(duì)轎車前車門內(nèi)板進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化，成功地使前車門內(nèi)板的質(zhì)量減輕了8.72%。相比國(guó)外而言，我國(guó)在汽車輕量化方面的研究還處于起步階段，但汽車輕量化進(jìn)程刻不容緩，隨著國(guó)家汽車輕量化技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟在寧波正式宣布成立，表明國(guó)內(nèi)汽車輕量化的大幕已經(jīng)開啟。國(guó)內(nèi)很多院校和學(xué)者都在輕量化方面做了大量的工作，上海交大的林忠欽教授課題組在結(jié)合汽車的耐撞性與輕量化方面作了卓有成效的工作，華中科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、揚(yáng)州大學(xué)等結(jié)合有限元優(yōu)化方法開展了客車的輕量化的研究。在“十

8、五”與“十-五”期間，我國(guó)在汽車輕量化材料技術(shù)方面開展了深入的研究并取得了一些成果，另外，寶山鋼鐵公司也在開發(fā)轎車用高強(qiáng)度鋼板上做了大量的工作，并成功開發(fā)出DP，TRIP系列的車用高強(qiáng)度鋼板，并逐漸推廣運(yùn)用到一汽轎車、奇瑞汽車公司的轎車車身上。但國(guó)內(nèi)的車輛輕量化和CAE分析技術(shù)尚存在如下不足：車身結(jié)構(gòu)開發(fā)工作主要還是依賴經(jīng)驗(yàn)和解剖進(jìn)口結(jié)構(gòu)進(jìn)行參照性設(shè)計(jì)，對(duì)汽車結(jié)構(gòu)的優(yōu)化多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)性結(jié)論進(jìn)行局部的靜力學(xué)改善，設(shè)計(jì)與分析未能真正做到并行3。目前，有關(guān)車輛結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)大多還處在科研和學(xué)術(shù)范圍內(nèi)，距離企業(yè)的實(shí)際需要尚有距離。對(duì)于企業(yè)來(lái)說，一個(gè)新車型的研發(fā)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，以至于它需要幾百號(hào)人

9、花費(fèi)上3、4年左右的時(shí)間才能完成，因此一個(gè)企業(yè)不可能頻繁的進(jìn)行新車型的研發(fā)，而對(duì)現(xiàn)有的車型根據(jù)用戶使用和反饋跟蹤進(jìn)行改型優(yōu)化則是一般企業(yè)經(jīng)常需要進(jìn)行的。這種改型優(yōu)化要求根據(jù)市場(chǎng)要求快速做出反應(yīng)，因此怎樣利用已有車型的設(shè)計(jì)信息根據(jù)市場(chǎng)反饋結(jié)合商業(yè)軟件快速得到優(yōu)化車型并給出評(píng)估和生產(chǎn)圖紙，對(duì)增長(zhǎng)一個(gè)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力是至關(guān)重要的4。對(duì)于車輛結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，現(xiàn)在已有多種集幾何建模、有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的CAE商業(yè)軟件供用戶選擇，如ANSYS、Hyperworks等5-8。如何使軟件使用便捷、高效成為企業(yè)所關(guān)注的重要問題。目前國(guó)內(nèi)許多應(yīng)用CAE軟件的企業(yè)只停留在使用階段，對(duì)CAE流程自動(dòng)化系統(tǒng)的開發(fā)仍是

10、空白。特別是在汽車企業(yè)改型生產(chǎn)中，往往要求從原圖紙產(chǎn)生新圖紙。圖1所示為車型輕量化改進(jìn)的流程，可以看出如果沒有良好的自動(dòng)化流程，各軟件的鏈接都需要人工進(jìn)行，其成本和耗時(shí)將是巨大的。人工人工軟件設(shè)計(jì)優(yōu)化方網(wǎng)格剖分優(yōu)化分析修改模型及裝配原車型圖紙新車型圖紙人工人工生產(chǎn)方圖1 車型改進(jìn)流程本項(xiàng)目的研究目標(biāo)是根據(jù)企業(yè)實(shí)際需要開發(fā)出關(guān)于車型輕量化的拓?fù)鋬?yōu)化模塊，該系統(tǒng)能大量減少人工參與，并且能根據(jù)企業(yè)提出的輕量化目標(biāo)快速得到生產(chǎn)圖紙，提高生產(chǎn)效率，縮短改型周期。人工自動(dòng)軟件設(shè)計(jì)優(yōu)化方三維建模、裝配網(wǎng)格剖分優(yōu)化分析修改模型及裝配原車型圖紙新車型圖紙人工自動(dòng)本項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容是主要分為兩部分：1、建模參數(shù)與設(shè)

11、計(jì)參數(shù)的統(tǒng)一接口建立。當(dāng)前的三維建模軟件和優(yōu)化分析軟件雖然在功能上互有交叉，但就其專業(yè)性和實(shí)用性來(lái)說仍是各有所長(zhǎng)，為提高生產(chǎn)效率，我們需要建立建模軟件與優(yōu)化軟件的數(shù)據(jù)接口，使得建模參數(shù)和優(yōu)化參數(shù)可以自動(dòng)在兩種軟件之間傳遞。2、優(yōu)化后生產(chǎn)圖紙的自動(dòng)生成。當(dāng)使用優(yōu)化軟件將車輛結(jié)構(gòu)按照生產(chǎn)方的輕量化目標(biāo)完成優(yōu)化后，需要將優(yōu)化后的車型自動(dòng)形成生產(chǎn)圖紙，這需要兩個(gè)步驟完成：1）優(yōu)化后的設(shè)計(jì)參數(shù)傳遞給建模軟件，2）建模軟件按照生產(chǎn)需求生成圖紙。完成上述兩部分研究?jī)?nèi)容后新的車型改進(jìn)流程如圖2所示。由于減少了人工參與，不僅提高了生產(chǎn)效率而且減少了人為差錯(cuò)。生產(chǎn)方參數(shù)共享圖2 車型改進(jìn)新流程根據(jù)本項(xiàng)目的研究目標(biāo)

12、和研究?jī)?nèi)容，本項(xiàng)目主要擬采用ANSYS中的APDL語(yǔ)言結(jié)構(gòu)建模，使用Hypermesh作為前處理的網(wǎng)格剖分軟件，采用OptiStruct作為優(yōu)化軟件。這樣本項(xiàng)目擬解決的關(guān)鍵性問題為：1）OptiStruct或ANSYS軟件的參數(shù)接口的建立。我們可以通過兩種軟件的二次開發(fā)功能或自編軟件將設(shè)計(jì)優(yōu)化參數(shù)以磁盤文件形式共享，這樣我們只需確定設(shè)計(jì)參數(shù)，并將其保存文件，在OptiStruct或ANSYS中將參數(shù)提出賦值即可。2）優(yōu)化后的參數(shù)輸出。當(dāng)優(yōu)化執(zhí)行后，設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)生了改變，我們需要將變化后的設(shè)計(jì)變量值從優(yōu)化軟件中取出并應(yīng)用到建模軟件中。3）生產(chǎn)圖紙的生成。當(dāng)模型中的設(shè)計(jì)變化后，其零件的尺寸、位置及裝

13、配關(guān)系都有可能發(fā)生了變化，如何將三維模型轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)圖紙，是非常關(guān)鍵的問題。相信有了上述問題的解決，我們可以初步搭建一個(gè)汽車輕量化的半自動(dòng)流程，該流程雖然仍需要人工在網(wǎng)格處理、參數(shù)選擇等方面工作，但已大幅減少人工在整個(gè)流程中的工作比例，不僅提高了生產(chǎn)效率同時(shí)減少了人為差錯(cuò)帶來(lái)的消極影響。參考文獻(xiàn)1 唐杰, 楊沿平, 周文杰,中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新戰(zhàn)略,科學(xué)出版社,北京，2009年3月.2 Barthelemy J-FM, Haftka RT. Approximation concepts for optimum structural designa review. Struct. Optimiza

14、tion 5 (1993) 129-144.3 黃金陵，汽車車身設(shè)計(jì)，機(jī)械工業(yè)出版社, 2007, 北京.4 He J J, Jiang J S, Xu B, Modal reanalysis methods for structural large topological modifications with added degrees of freedom and non-classical damping. Finite Elem. Anal. Des. 44 (2007) 75-85.5 曾攀, 雷麗萍, 方剛. 基于ANSYS平臺(tái)有限元分析手冊(cè)結(jié)構(gòu)的建模與分析. 機(jī)械工業(yè)出版社, 北

15、京, 2010.6 王新敏. ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析.人民交通出版社, 北京, 2007.7 雷飛，韓旭，黃永輝，車身復(fù)雜結(jié)構(gòu)大規(guī)模問題的縮減計(jì)算，中國(guó)機(jī)械工程 20（2009）2127-2131.8 Kirsch U, Reanalysis of Structures：A Unified Approach for Linear, Nonlinear, Static and Dynamic Systems. Springer, 2008.（四）創(chuàng)新點(diǎn)與項(xiàng)目特色：1.應(yīng)用ANSYS的APDL語(yǔ)言對(duì)車輛部分結(jié)構(gòu)建模，進(jìn)行初始分析。2.通過應(yīng)用初始分析數(shù)據(jù)，結(jié)合Hypermesh中的拓?fù)鋬?yōu)化模塊

16、進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化， 在原有模塊的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)。（五）技術(shù)路線、擬解決問題：1. 技術(shù)路線 首先采用ANSYS的APDL語(yǔ)言進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模與分析，獲得相關(guān)初始數(shù)據(jù)；然后對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確定優(yōu)化方案； 最后應(yīng)用Hypermesh中的拓?fù)鋬?yōu)化模塊進(jìn)行優(yōu)化，嘗試與ANSYS進(jìn)行無(wú)縫連接。2. 擬解決問題： ANSYS中的APDL語(yǔ)言結(jié)構(gòu)建模； 用Hypermesh中的拓?fù)鋬?yōu)化模塊進(jìn)行優(yōu)化，與ANSYS無(wú)縫連接。（六）預(yù)期成果及形式：1. 完整程序包23套；2. 項(xiàng)目研究報(bào)告1份；3. 發(fā)表學(xué)術(shù)論文或申請(qǐng)專利12篇；（七）項(xiàng)目研究進(jìn)度與安排：1、2016.042016.05 完成資料收集、整理；2、

17、2016.062016.07 完成總體方案設(shè)計(jì)工作；3、2016.082016.09 完成車輛結(jié)構(gòu)的建模；4、2016.102016.11 完成車輛結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分方案；5、2016.122017.02 完成相關(guān)程序編寫，撰寫相關(guān)學(xué)術(shù)論文； 6、2017.032017.04 整理設(shè)計(jì)資料，撰寫報(bào)告，完成項(xiàng)目的驗(yàn)收工作。（八）已有基礎(chǔ)：1與本項(xiàng)目有關(guān)的研究積累和已取得的成績(jī) 初步掌握ANSYS的APDL語(yǔ)言； 能應(yīng)用MATLAB進(jìn)行簡(jiǎn)單編程。2已具備的條件、尚缺少的條件及解決方法 車輛圖紙已具備，需要應(yīng)用Hypermesh對(duì)車輛結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格化分，這一過程并不熟悉。通過查閱文獻(xiàn)，找相關(guān)資料解決這一問題。三、經(jīng)費(fèi)預(yù)算（下表請(qǐng)用五號(hào)大小字號(hào)填寫）開支科目預(yù)算經(jīng)費(fèi)（元）主要用途預(yù)算經(jīng)費(fèi)總額1業(yè)務(wù)費(fèi)(1) 計(jì)算、分析、測(cè)試費(fèi)1000有償使用高性能工作站的計(jì)算測(cè)試費(fèi)用（校外完成）(2) 圖書、資料、印刷費(fèi)30001、 必要書籍購(gòu)置費(fèi)2、 資料錄入費(fèi)3、 資料檢索(3) 會(huì)議、差旅費(fèi)12001、專家咨詢費(fèi)2、課題組會(huì)務(wù)費(fèi)3、通訊咨詢費(fèi)(5) 論文出版費(fèi)40001、 論文版面費(fèi)2、 專利費(fèi)2原材料購(gòu)置費(fèi)40001、打印紙2、硒鼓3、墨盒4、筆，墨水等文具5