一种汽车踏板的设计和强度有限元分析

一种汽车踏板的设计和强度有限元分析

摘要: 汽车制动踏板属于制动驱动机构，驱动制动蹄摩擦汽车高速轴，进而达到制动的目的。为提高驾驶安全性，并满足更高使用要求，本文以结构优化设计为指导，采用有限元数值模拟技术，较系统地研究了汽车在制动过程中新型踏板的受力分析方法和求解过程，给制动踏板后续设计提供了理论依据。本文将计算机辅助设计和有限元的建模方法相结合，提出了踏板在受力作用下的强度模拟方法。以汽车为载体，制动踏板为研究对象，通过三维造型软件进行建模，有限元分析软件进行受力分析，详尽阐述了踏板单元类型的选择、定义了零件间的连接关系、定义了边界条件。

因此，本文对某型号汽车制动踏板在预定载荷以及工作状况内进行的有限元分析，能够在产品设计的早期对制动踏板的结构强度进行分析，减少试验的风险，缩短踏板研究周期，这对于制动踏板的研发具有极其重要的现实意义。

关键词制动踏板；有限元分析；ABAQUS；CAE

摘要………………………………………………………………………………4

第一章绪论……………………………………………………………………6

1.1 课题背景…………………………………………………………………6

1.2 研究的目的和意义………………………………………………………6

1.3 研究的主要内容和方法…………………………………………………7

第二章汽车制动踏板概述…………………………………………………8

2.1 汽车制动踏板的作用……………………………………………………8

2.2 汽车制动踏板的发展……………………………………………………9

第三章有限元软件和建模软件的介绍…………………………………10

3.1 NX软件的介绍……………………………………………………………10

3.2 NX7.0版本特点…………………………………………………………11

3.3有限元法简介……………………………………………………………12

3.3.1 有限单元法发展………………………………………………………13

3.3.2 有限单元法实现手段…………………………………………………13

3.4 ABAQUS有限元软件介绍…………………………………………………13

3.4.1大型有限元软件ABAQUS………………………………………………13

3.4.2 ABAQUS分析处理步骤…………………………………………………14

3.4.2 ABAQUS的优点…………………………………………………………16

第四章制动踏板机构的设计………………………………………………18

4.1 对标汽车简介……………………………………………………………18

4.2 制动踏板的设计…………………………………………………………20

4.2.1 机械设计介绍…………………………………………………………20

4.2.2 结构优化设计介绍……………………………………………………21

4.2.3制动踏板设计要求……………………………………………………22

4.2.4制动踏板设计方法……………………………………………………23

4.2.5制动踏板设计流程……………………………………………………23

第五章强度分析校核与方案选择………………………………………31

5.1 强度分析…………………………………………………………………31

5.1.1 有限元分析流程………………………………………………………31

5.1.2 有限元分析运算结果…………………………………………………41

5.1.3 踏板方案的比较选择…………………………………………………43

5.2 强度校核…………………………………………………………………45

5.2.1强度理论概述…………………………………………………………45

5.2.2结果校核………………………………………………………………46

结论………………………………………………………………………………49

致谢………………………………………………………………………………51

参考文献…………………………………………………………………………52

第一章绪论

1.1课题背景

随着汽车工业以及计算机技术的向前发展，在现代汽车上，汽车零部件的设计要求企业可以在保证更好质量、柔性和更廉价的前提下进行最迅捷的反应。与电脑技术的有机集成，特别是在计算机辅助三维设计系统以及有限元分析应用领域，将成为未来研发过程的趋势。无需置疑，有限元分析可以更好的加速设计过程，改善产品的质量。计算机的仿真技术缩短了产品研发的周期、节省了制造的成本和避免了浪费资源，更有利于产品的更新，产品质量的提升。显然汽车踏板作为汽车的一部分，它的研发也要借助计算机辅助三维造型和有限元分析。

保证汽车使用安全是生产汽车企业第一要务，这就对汽车质量提出了更高的要求。汽车制动系作为控制汽车行驶的重要系统，汽车可否安全行驶取决于它是否足够稳定。随着科技的进步，道路越来越宽阔平坦，汽车车速也越来越迅速，这相对地就需要要更好的汽车制动系统。其中汽车制动踏板是汽车制动系统的制动执行装置，制动踏板的性能直接影响到汽车制动系统的可靠性，因此对汽车制动踏板的安全性设计作出了更严格的要求。

汽车踏板的设计所用的有限元分析技术在西方发达国家已经非常成熟。目前，外国对于有限元分析的软件开发的人员非常多，其中出色的有限元软件有ABAQU ，ANSYS，PRO/E，NX等。有关汽车零部件的有限元分析学术论文，不计其数，学术氛围非常活跃，推动了科研和制造业的发展。可是在我国对于有限元分析软件的研究还是处于起步阶段，国产有限元软件只有FEPG，JFEX很单一的软件，对于一些复杂零件的有限元分析，十分乏力。在软件开发方面还需努力，也需引进一些国外的最新技术，并在独立设计以及自主开发上多钻研，以便提升我国的自主创新能力，进而推动我国的汽车工业的发展。

1.2研究的目的和意义

当今社会人类对汽车的需求量越来越大，汽车生产厂商竞争日趋激烈。为了抢占市场，保障汽车行驶的安全性，汽车工程师和生产厂商必须努力的更新自己的成果以符合顾客的要求。有限元分析可以给生产厂商供给技术帮助，作为当今社会汽车研究不可或缺的应力应变分析软件，它可以在生产早期对所设计的汽车踏板进行强度的校核，确保踏板结构的合理性。避免了设计、实验、改进设计、继续实验，这一繁琐的过程，降低了实验的成本，缩短了研究新产品的时间

本课题的意义在于，在优化概念的指导下，对制动踏板机构进行结构设计及零件材料选择上较传统制动踏板机构有了很大的改善优化，利用有限元软件ABAQUS对制动踏板受载状况做仿真，揭示了制动踏板真实的应力应变情况，研究制动踏板在刹车中应力分布的影响，为以后对制动踏板机构的局部应力集中现象的理论研究提出数据上的参考，对实际生产有很好的引导作用。

1.3研究的主要内容和方法

汽车的制动踏板是最常使用的零部件之一，考虑到现实生活的使用状况，不仅要对其进行空间布局，而且要分析其受载后的应力和变形情况。本课题为了降低制动踏板使用时所受的应力，将脚踏板的面积增大；为了减小其使用时的变形量，将踏板臂的结构进行重新的设计。制动踏板的实际工作状况很复杂，还需考虑外界环境的影响，本课题对其进行了简化，只进行常温常压下它的受力分析。本课题采用ABAQUS对踏板模型做应力应变的模拟。课题研究方法分为如下几步：

1、根据课题要求，认真复习相关专业知识，学习和了解汽车踏板的工作特点和基本要求；

2、对汽车踏板进行初始设计，选择和计算汽车踏板的基本参数；

3、完成汽车踏板各个零件的结构设计；

4、学习并应用NX绘出制动踏板的三维造型；

5、将汽车踏板导入ABAQUS做强度刚度的校核。

结论

本课题以结构的优化设计为指导思想，根据对标车厂商提供的相关数据进行乘用车制动踏板的结构设计，汽车制动踏板的设计问题应该从装配空间问题以及强度问题两个方面着手。在这两方面的标准下，汽车制动踏板需要进行造型和模拟分析来符合标准。但是，制动踏板结构较为复杂，对实验室的要求以及研究员的要求很高，且需要投入高昂的资金与大量的时间。为了更好、更快的完成目的，我们利用NX对其进行三维建模；再借助ABAQUS有限元软件导入踏板的三维模型，对制动踏板的受载情况做出了强度分析与校核。通过分析结果对制动踏板的强度和变形问题进行了探讨，为将来的制动踏板的试验提供了理论依据，经过有限元分析证明本课题所采用的制动踏板的结构设计结果是成功的，其变形量远远小于目标值。

本课题主要完成了以下几点工作：

1、描述了课题的国内外研究现状。优化设计一直是汽车行业的研究热门话题，其主要通过优化工艺、优化结构和优化材料这是哪个方面实现。由于制动踏板属于高频率使用部件以及其较差工作的环境，导致其非常容易发生变形。本课题的主要任务是在结构优化设计的思路指导下设计出小变形量的踏板机构，使其满足强度要求并符合相应国家标准。

2、介绍了计算机辅助设计软件NX、大型非线性有限元分析软件ABAQUS，为汽车制动踏板的结构设计以及强度校核提供了技术支持。

3、查阅相关的资料，依据制动踏板相关数据及及企业提供的相关参数完成了踏板机构的整体设计。并利用NX对制动踏板的所有配件进行了实体建模，完成它的全约束装配。

4、利用大型有限元软件ABAQUS对踏板做强度分析与校核。将NX建立好的模型导入ABAQUS，根据ABAQUS的操作步骤进提交作业，根据云图发现最大应力小于许用用力，各个方向的变形远远小于许用变形，证明本课题制动踏板的设计方案安全合理。

同时，根据本课题的研究，可得出如下几点结论：

1、根据强度分析与校核，制动踏板的强度满足设计标准，而各个方向的变形量大大降低了。这极大的增加了踏板的使用寿命，降低了客户的使用成本。

2、利用有限元分析，找出了最大应力与最大变形的位置，为强度校核提供了指导。

3、利用有限元分析，为制动踏板的优化设计提出了理论依据,，缩减了试验的时间，加速了产品的设计和研究周期。

参考文献

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