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        重型載貨汽車車架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

        2011-06-23 03:02:08畢佳賓侯原亮
        裝備制造技術(shù) 2011年12期
        關(guān)鍵詞:縱梁車架橫梁

        畢佳賓,唐 焱,侯原亮

        (桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,廣西 桂林 541004)

        車架作為汽車的承載基體,安裝著發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、駕駛室、貨廂等有關(guān)部件和總成,承受著傳遞給它的各種力和力矩。車架設(shè)計(jì)的優(yōu)劣,將直接影響汽車的行駛和安全性能。傳統(tǒng)的車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),采用的是類比的思想進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì),這種方法只能得到近似解,而且精度低。

        通過有限元分析的方法,研究車架的結(jié)構(gòu)性能,可在設(shè)計(jì)時(shí)考慮車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。美國汽車鋼鐵聯(lián)盟委托Altair公司以福特汽車公司一款非常成功的鋼材料SUV車架為原型,在不改變材料且不犧牲任何剛度的前提條件下,實(shí)現(xiàn)該車架的輕量化設(shè)計(jì)。最終通過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)出的新車架,與原車架相比,總質(zhì)量減小了23%,彎曲剛度略有提高,扭轉(zhuǎn)剛度提高了30%[1]??梢妼⑼?fù)鋬?yōu)化方法引入車架設(shè)計(jì),不但方法可行,而且有廣泛的應(yīng)用前景。

        1 拓?fù)鋬?yōu)化概述

        1.1 拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

        拓?fù)鋬?yōu)化是一種數(shù)學(xué)方法,能在給定的空間結(jié)構(gòu)中,生成優(yōu)化的形狀及材料分布,將區(qū)域離散成優(yōu)先的單元網(wǎng)格,為每個(gè)網(wǎng)格計(jì)算材料特性。在給定的約束條件下,采用變密度法等算法,更改材料的分布,保留有效的材料,即在滿足結(jié)構(gòu)的約束情況下,減少結(jié)構(gòu)的變形能(相當(dāng)于提高結(jié)構(gòu)的剛度)[2]。

        拓?fù)鋬?yōu)化過程,就是通過將無效的或低效的材料逐步去掉,以得到最終結(jié)構(gòu)。對于連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的最大優(yōu)點(diǎn),是能在不知道結(jié)構(gòu)形狀的前提下,根據(jù)已知邊界條件和載荷條件,確定較合理的結(jié)構(gòu)形式,其不涉及結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì),但可以為設(shè)計(jì)人員提供全面的設(shè)計(jì)和最優(yōu)的材料分布方案。

        優(yōu)化設(shè)計(jì)有三要素:設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件。

        設(shè)計(jì)變量是在優(yōu)化過程中發(fā)生改變,從而提高性能的一組參數(shù);

        目標(biāo)函數(shù)是評價(jià)設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣的數(shù)學(xué)表達(dá)式,是設(shè)計(jì)變量的函數(shù),亦稱為評價(jià)函數(shù);

        約束條件是對設(shè)計(jì)變量取值的限制,優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型可表示為[3]:

        最小化(Minimize):f(X)=f(x1,x1,…xn)

        約束條件(Subject to)gj(X)燮0 j=1,2,…m

        hk(X)=0 k=1,2,…mk

        式中,

        X=x1,x2,…,xn,是設(shè)計(jì)變量;

        f(x)是目標(biāo)函數(shù);

        g(x)是不等式約束函數(shù);

        h(x)是等式約束函數(shù);

        上角標(biāo)L是指Lower Limit,即下限;

        上角標(biāo)U是指Upper Limit,即上限。

        其中目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)是從有限元模型中獲得,設(shè)計(jì)變量X是一個(gè)矢量,其選擇依賴于優(yōu)化模型。在拓?fù)鋬?yōu)化中,設(shè)計(jì)變量為單元密度,即采用變密度法求解,其基本思想是將連續(xù)結(jié)構(gòu)體離散為有限元模型后,引入一種假想的密度值在[0,1]之間的密度可變材料,以每個(gè)單元的密度為設(shè)計(jì)變量,將拓?fù)鋬?yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單元材料的最優(yōu)分布問題,計(jì)算后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),仍然需要調(diào)整,以適應(yīng)工程實(shí)際需求。

        1.2 拓?fù)鋬?yōu)化流程

        本文基于HyperWorks軟件平臺(tái)對車架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,利用HyperMesh作為前處理軟件,建立車架有限元模型,確立邊界條件,利用優(yōu)化面板定義優(yōu)化變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù),最后提交optistruct求解,對于結(jié)果不收斂的情況,要分析原因,重新定義各個(gè)因素,再次求解直至收斂。

        圖1 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)流程圖

        2 車架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

        2.1 拓?fù)鋬?yōu)化模型的建立

        重型載貨汽車的車架,通常采用邊梁式車架,即兩根縱梁的中間部分分別分布著數(shù)根橫梁,靠螺栓或者鉚釘相連接,承受各種載荷[4],圖2所示為某重載汽車的車架模型。

        圖2 車架模型

        本文主要針對橫梁的分布作為優(yōu)化內(nèi)容,故原車架的縱梁部分設(shè)定為非優(yōu)化區(qū)域;將兩縱梁之間的部分填充為實(shí)體,對填充后的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分;由于車架的結(jié)構(gòu)多為左右對稱模型,故進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),應(yīng)將網(wǎng)格盡量劃分對稱,劃分后的網(wǎng)格如圖3所示。

        圖3 車架拓?fù)鋬?yōu)化模型

        2.2 設(shè)置邊界條件

        建立拓?fù)鋬?yōu)化模型后,要對模型施加約束,加載并定義拓?fù)鋬?yōu)化所需參數(shù)。本文針對車架在滿載情況下的彎曲和彎扭工況,做拓?fù)湓O(shè)計(jì)。由實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可知:滿載時(shí)滿足設(shè)計(jì)要求的車架,對于半載荷或空載情況下也滿足要求。

        本車型設(shè)計(jì)載質(zhì)量為12 t,加上車架上附屬設(shè)施的質(zhì)量,并以滿載質(zhì)量的1.5倍作用于縱梁。

        在處理時(shí),可將載荷均布于縱梁上,在HyperMesh中可將重力轉(zhuǎn)換為壓強(qiáng)作用于縱梁上,如圖4所示;

        圖4 車架所承受均布載荷模擬

        發(fā)動(dòng)機(jī)和駕駛室自重按集中力載荷加載于各自的位置,如果5所示;

        圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)和車架載荷模擬

        彎曲工況下約束車架XYZ方向上的自由度,如圖6所示;

        圖6 彎曲工況約束模擬

        彎扭工況模擬左前輪懸空,釋放左前輪的自由度,如圖7所示。

        圖7 彎扭工況載荷模擬

        2.3 計(jì)算結(jié)果及后處理

        在拓?fù)鋬?yōu)化面板設(shè)置好參數(shù),將目標(biāo)設(shè)定為柔度最小(柔度可看為剛度的倒數(shù),柔度最小則相應(yīng)的剛度最大),將體積比設(shè)定為0.3[6],即保留原設(shè)定區(qū)域體積的30%為上限。調(diào)用optistruct求解,得到彎曲工況和彎扭工況兩種情況的車架分布圖,如圖8、圖9所示:

        圖8 彎曲工況拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

        圖9 彎扭聯(lián)合工況拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

        與原車架模型相比,拓?fù)鋬?yōu)化出明顯的前橫梁,該處正是發(fā)動(dòng)機(jī)和駕駛室的后部安裝位置的附近,故可在設(shè)計(jì)時(shí)在該處增加一個(gè)橫梁,以期提高車架剛度,提高車架性能。

        3 結(jié)束語

        通過對車架的拓?fù)鋬?yōu)化分析,在原車架的基礎(chǔ)上優(yōu)化出前橫梁,優(yōu)化出橫梁的位置為承受發(fā)動(dòng)機(jī)等重力所在的位置,可在該位置根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的布置增加橫梁,在后續(xù)的分析中,可分別分析原車架和增加橫梁后車架的應(yīng)力分布,比較優(yōu)化后的車架應(yīng)力是否比原有模型分布更合理,以確定是否采用新模型,可見拓?fù)鋬?yōu)化,可以為新車架的設(shè)計(jì)提供一個(gè)新的思路。

        [1]余傳文.重型載貨汽車車架結(jié)構(gòu)的有限元仿真及優(yōu)化[D].吉林:吉林大學(xué),2005.

        [2]吳頂峰.基于變密度法的連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2010.

        [3]張勝蘭,鄭冬黎,郝 琪,李楚琳.基于hyperworks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

        [4]劉齊茂,李春林.某輕型載貨車車架結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化[J].廣西工學(xué)院學(xué)報(bào),2004,15(3):7-8.

        [5]柏 林.重型載貨汽車車架有限元分析及拓?fù)鋬?yōu)化[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2010.

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