學(xué)校名稱

長沙理工大學(xué)

學(xué)生姓名

學(xué)  號

專      業(yè)

性 別

入 學(xué) 年 份

王坤

201521030107

機械設(shè)計制造及其自動化

男

2015.9

田競紅

201569030401

車輛工程

女

2015.9

武彬

201669030410

車輛工程

男

2016.9

周歡

201521030303

機械設(shè)計制造及其自動化

女

2015.9

汪科

201669030335

車輛工程

男

2016.9

指導(dǎo)教師

劉鑫

職稱

副教授

項目所屬

一級學(xué)科

機械工程

項目科類(理科/文科)

理科

學(xué)生曾經(jīng)參與科研的情況

1. 所有成員均參與長沙理工大學(xué)學(xué)生科技項目，包括：

《FSAE離合操縱機構(gòu)的設(shè)計與制造》

《FSAE賽車半軸靜扭強度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化》

《FSAE賽車傳動系的設(shè)計、優(yōu)化與制造》

  2.所有成員均熟練使用UG、ANSYS、Hypermesh等相關(guān)軟件的使用，對本項目實施有一定的幫助。

指導(dǎo)教師承擔(dān)科研課題情況

研究方向：

復(fù)雜機械裝備的不確定性分析與可靠性優(yōu)化設(shè)計

承擔(dān)課程：

《機械優(yōu)化設(shè)計》、《現(xiàn)代汽車控制技術(shù)》、《汽車維修工程》等

項目研究和實驗的目的、內(nèi)容和要解決的主要問題

一、研究目的

1.對傳動系統(tǒng)零部件進行分析與計算得到其疲勞壽命，在預(yù)期的允許范圍內(nèi)進行更換零部件，避免不必要的損失。

2.在得到零部件疲勞壽命的基礎(chǔ)上，進一步提高零部件質(zhì)量，對可靠性進行優(yōu)化。

二、研究內(nèi)容

傳動系統(tǒng)的可靠性是衡量方程式賽車性能的一個重要指標，隨著賽制的規(guī)范化和新技術(shù)的應(yīng)用，對賽車的可靠性要求也日益提高。本項目從建立可靠性模型、進行疲勞分析、可靠性優(yōu)化幾方面著手。

1.建立可靠性模型

要提高傳動系統(tǒng)的可靠性，必須先從設(shè)計上達到零部件的可靠性要求，然后在加工制造中加以保證，最終達到可靠性設(shè)計的要求。

2.進行疲勞分析

一般而言，零件發(fā)生疲勞破壞時，應(yīng)力水平往往低于材料本身的強度極限，但機械零件的破壞卻是突然發(fā)生的，導(dǎo)致難以想象的事故。

限于目前水平和條件有限，但若只考慮靜強度的分析方法，將無法模擬賽車在實際狀態(tài)下承受交變載荷時的情況，因此，本項目以傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件為研究對象，運用CAE技術(shù)進行疲勞分析，預(yù)測疲勞壽命，最大程度接近實際過程。

3.可靠性優(yōu)化

為了設(shè)計的機械零件達到可靠性要求的同時，又是最優(yōu)的設(shè)計結(jié)果，需要將兩者結(jié)合起來，即可靠性優(yōu)化設(shè)計。依據(jù)大賽賽事規(guī)則及賽車自身要求，在保證賽車傳動系統(tǒng)強度和剛度的條件下，對關(guān)鍵零部件進行可靠性優(yōu)化設(shè)計。

三、解決的主要問題

1.對賽車傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件是否發(fā)生疲勞損傷不能采取有效的預(yù)防措施。

2.傳動系統(tǒng)零部件可靠性比較低，需要備份更多的零部件，導(dǎo)致制造成本增加。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

研究意義

在FSC（即中國大學(xué)生方程式汽車大賽）中，賽車的動力性能是取得佳績的關(guān)鍵，而賽車傳動系統(tǒng)的可靠性設(shè)計與優(yōu)化的目的是提高零部件的可靠性，使賽車具有更好的動力性能。尤其是在耐久比賽中，對賽車傳動系統(tǒng)可靠性的考驗更為明顯。以往一些針對傳動系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化，大多停留在理想階段，并未對傳動系統(tǒng)零部件的可靠性進行詳細的分析，本項目將對賽車傳動系統(tǒng)零部件的可靠性進行分析，并優(yōu)化為最佳狀態(tài)。

對于賽車來說，由于在設(shè)計、制造、加工、裝配以及高速運動狀態(tài)下等各種因素的影響，零部件可靠性一般會隨著使用時間的增加而出現(xiàn)逐漸減弱的趨勢，必然會導(dǎo)致整車性能的降低。因而，對于提高賽車傳動系統(tǒng)的可靠性有重要的意義。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

傳動系統(tǒng)作為與發(fā)動機協(xié)同工作，保證賽車在各種路況下正常行駛的驅(qū)動力，傳遞動力給驅(qū)動車輪的重要系統(tǒng)之一，對賽車整體有著重要的影響。由于大鏈輪、半軸等傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件承受較大載荷，因此，對大鏈輪、半軸的疲勞可靠性研究有重要的意義。

可靠性模型

一直以來都國內(nèi)外眾多學(xué)者對可靠性的研究均十分的重視，對車輛部件可靠性的研究主要集中在對載荷譜的研究上，因為載荷譜對于疲勞模擬仿真的分析有著重要的作用?？煽啃匝芯堪l(fā)展至今已經(jīng)歷了較長的時間，目前在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，也已經(jīng)從定性分析發(fā)展到定量分析的研究階段[1]。

疲勞分析研究

目前一些汽車工業(yè)強國在疲勞方面傾注了大量的技術(shù)研究工作，疲勞理論不斷發(fā)展與成熟，各種疲勞分析軟件逐漸呈現(xiàn)出來，為汽車零部件設(shè)計提供了有力的支持。最先開發(fā)疲勞分析軟件的屬于nCode公司，該公司已形成了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、疲勞分析等過程的一整套方案[2]。

國外介入疲勞耐久性分析的研究較早，基于疲勞理論，圍繞各種疲勞分析方法，在車輛、機械等方面的疲勞研究成果較多，列舉如下：

Sridhar Srikantan等人通過MSC.Nastran對卡車的結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力的計算，然后在MSC.Fatigue中進行疲勞分析，獲取的結(jié)果對后續(xù)的改進和優(yōu)化有一定的指導(dǎo)意義。

Jaap Schijve從材料的疲勞特性和各種載荷特性出發(fā)，基于疲勞理論，總結(jié)了變幅載荷作用下材料性能、裂紋擴展疲勞分析、高溫疲勞、結(jié)構(gòu)的抗疲勞設(shè)計等內(nèi)容，對后續(xù)的疲勞分析工作，尤其在材料疲勞性能領(lǐng)域奠定了良好的基礎(chǔ)[2]。

西南交通大學(xué)的金鼎昌、陽光武博士對架構(gòu)進行了疲勞可靠性分析，提出了一套系統(tǒng)的疲勞分析方法，此外，另一博士提出了一套多體動力學(xué)與有限元分析相結(jié)合的疲勞分析方法[2]。

西南交通大學(xué)的金鼎昌、陽光武博士對架構(gòu)進行了疲勞可靠性分析，提出了一套系統(tǒng)的疲勞分析方法，此外，另一博士提出了一套多體動力學(xué)與有限元分析相結(jié)合的疲勞分析方法[2]。

可靠性優(yōu)化

可靠性分析技術(shù)在機械設(shè)計領(lǐng)域中的應(yīng)用已深入到結(jié)構(gòu)設(shè)計、機械零部件的強度設(shè)計、選材和失效分析以及機械產(chǎn)品設(shè)計中，為機械結(jié)構(gòu)可靠性分析與設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)[5]。

參考文獻

[1]庹奎. 基于隨機有限元法的機械零部件靜動態(tài)可靠性分析[D].重慶交通大學(xué),2015.

[2]吳道俊. 車輛疲勞耐久性分析、試驗與優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究[D].合肥工業(yè)大學(xué),2012.

[3]王彥偉,羅繼偉,葉軍,陳立平.基于有限元的疲勞分析方法及實踐[J].機械設(shè)計與制造,2008(01):22-24.

[4]蔣春明. 汽車機械式變速器變速傳動機構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計[D].南京航空航天大學(xué),2007.

[5]聶超. 汽車零部件貝葉斯可靠性設(shè)計若干關(guān)鍵問題的研究[D].大連工業(yè)大學(xué),2011.

本項目學(xué)生有關(guān)的研究積累和已取得的成績

所有成員均參加2017年中國大學(xué)生方程式汽車大賽，參與賽車傳動系統(tǒng)的設(shè)計、加工、制造等各階段。

在2017年中國大學(xué)生方程式汽車大賽中，我校賽車隊取得成本答辯第十四名、燃油效率測試第六名、耐久性能測試第一名、獲得2017年中國大學(xué)生方程式汽車大賽一等獎。

項目的創(chuàng)新點和特色

1.利用ANSYS疲勞分析模塊得到傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的疲勞壽命；

2.在不增加傳動系統(tǒng)零部件質(zhì)量的前提下，利用HyperMesh OptiStruct優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高零部件的可靠性。

項目的技術(shù)路線及預(yù)期成果

1.建立模型

大鏈輪、半軸等傳動系統(tǒng)重要零部件承擔(dān)著傳遞動力的重要任務(wù)，不僅要有一定的強度和剛度，還要滿足良好的可靠性。當(dāng)賽車在高速運動狀態(tài)，半軸和大鏈輪在變載荷作用下會變形，發(fā)生疲勞累積，零部件極易產(chǎn)生疲勞破壞。

對此，根據(jù)發(fā)動機最大功率、最大轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)確定大鏈輪參數(shù)，計算其受力情況，進行可靠性分析。

有效圓周力：

Fe=1000P/v

壓軸力：

Fp=Kfp Fe

式中P為最大功率，v為平均鏈速，Kfp為壓軸力系數(shù)。

2.疲勞分析

方程式賽車傳動系統(tǒng)的半軸是傳遞扭矩給驅(qū)動輪的全浮式半軸，軸上所受扭轉(zhuǎn)和彎曲應(yīng)力分別為：

對其進行疲勞強度校核時，需要對零件施加最危險工況下的受力，超過其許用應(yīng)力證明零件失效。

載荷與疲勞的關(guān)系是采用S-N曲線來表示，而S-N曲線是通過對試件做疲勞測試得到的，由于條件限制，對零件進行疲勞分析采用的S-N曲線是在理論經(jīng)驗及查閱資料得出的。

在此基礎(chǔ)上，利用ANSYS自帶的疲勞分析模塊，進行疲勞分析，得到預(yù)估的疲勞壽命。

3.仿真優(yōu)化

在已知材料屬性，邊界條件的情況下，使用ANSYS軟件作為仿真和優(yōu)化的工具，定義材料屬性，劃分網(wǎng)格，確定約束條件，進行有限元分析。在滿足強度和剛度的條件下，優(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)，達到可靠性設(shè)計的目標。

二、預(yù)期成果

1.設(shè)計出所需要的傳動系統(tǒng)，制造出實體樣件裝在整車上，并可得到傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的預(yù)期壽命。

2.發(fā)表關(guān)于方程式賽車傳動系統(tǒng)零部件可靠性設(shè)計研究的論文。

年度目標和工作內(nèi)容（分年度寫）

2018年3月前，設(shè)計傳動系統(tǒng)各部件；

2018年8月前，取回加工件，整車試裝配；

2018年9月前，完成整車調(diào)試，調(diào)至最優(yōu)狀態(tài)；

2018年10月 ，參加比賽；

2018年12月前，完成相關(guān)資料的總結(jié)。

指導(dǎo)教師意見

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