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        結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化與客車車身優(yōu)化設(shè)計

        2014-04-29 08:35:19李禹琪
        電子世界 2014年17期
        關(guān)鍵詞:拓?fù)鋬?yōu)化優(yōu)化設(shè)計客車

        【摘要】客車車身在客車中不僅起覆蓋件的作用,還承擔(dān)了客車一部分的載荷,因此結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化對客車的設(shè)計中有著重要的意義。通過先介紹結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的基本理論, 然后在某客車車身概念設(shè)計階段引入拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計方法,達(dá)到優(yōu)化性能、降低質(zhì)量的目的。

        【關(guān)鍵詞】拓?fù)鋬?yōu)化;車身結(jié)構(gòu);優(yōu)化設(shè)計;客車

        1.引言

        汽車已經(jīng)成為當(dāng)前國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè),隨著社會對汽車的服務(wù)領(lǐng)域和多樣化要求越來越高,車身作為汽車外觀的直接表現(xiàn),成為吸引市場的重要因素,在汽車設(shè)計中已經(jīng)逐步處于主導(dǎo)的地位。據(jù)統(tǒng)計,客車、轎車和多數(shù)專用汽車的車身質(zhì)量約占整車質(zhì)量的40%以上,貨車的車身質(zhì)量約占整車質(zhì)量的20%以上,車身的設(shè)計及制造成本在汽車總成本中占有相當(dāng)大的份額。因此,僅從這個意義上來衡量汽車車身,其經(jīng)濟(jì)效益也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它方面。國內(nèi)外汽車生產(chǎn)的實(shí)踐一再表明:整車生產(chǎn)能力的發(fā)展取決于車身,在基本車型達(dá)到飽和的情況下,只有依賴車身改型或改裝才能打開銷路。輕量化設(shè)計可以提高車輛的動力性能,降低能源消耗,成為汽車設(shè)計需要考慮的主要因素之一。拓?fù)鋬?yōu)化方法是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中有力的工具,并在汽車優(yōu)化設(shè)計中大量應(yīng)用。客車車身在客車中不僅起覆蓋件的作用,還承擔(dān)了客車一部分的載荷,因此對客車的設(shè)計中有著重要的意義。

        2.拓?fù)鋬?yōu)化理論

        結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化是近20年來從結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究中演化出來的一個重要分支。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化研究在國內(nèi)起步較晚,而國外早在上個世紀(jì)初就已經(jīng)開始了,我們國家是從上個世紀(jì)八十年代才開始結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化領(lǐng)域的研究和探討工作。目前,國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)主要是連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計。在這一領(lǐng)域的研究方向主要有兩個,局部應(yīng)力約束下的強(qiáng)度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計在國內(nèi)研究較多,國外則是偏重于全局體積約束下結(jié)構(gòu)的剛度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計。從20世紀(jì)80年代末期以來,產(chǎn)生了許多拓?fù)鋬?yōu)化理論和方法。其中,較為流行的有均勻化方法和人工材料密度方法。

        2.1 均勻化方法

        均勻化方法是M.P.Bendsoe和N.Kikuchi于1988年提出的一種拓?fù)鋬?yōu)化方法,此方法求解拓?fù)鋬?yōu)化問題分為三個步驟:①以復(fù)合材料力學(xué)為基礎(chǔ),由最小勢能原理出發(fā)并結(jié)合均勻化理論的微元體假設(shè),求得結(jié)構(gòu)的均勻化彈性張量國品(z)。②采用一定的優(yōu)化方法更新設(shè)計變量,并保證計算過程的收斂性和穩(wěn)定性。③用有限元方法求解結(jié)構(gòu)位移場和其他性能指標(biāo)。其中尤以均勻化彈性張量的求解最為復(fù)雜。

        2.2 人工材料密度方法

        人工材料密度方法(如圖1所示)最初由M.P.Belldsoe、G.I.N.Rozvany等提出,后來經(jīng)過Osigmund等的努力得到了進(jìn)一步發(fā)展?;谌斯げ牧厦芏确椒ǖ乃枷牒颓疤崾牵孩僭陔x散單元內(nèi)部的材料屬性為常數(shù),設(shè)計變量定義為離散單元的相對密度,用r來表達(dá),設(shè)原始設(shè)計單元密度為島,優(yōu)化后單元密度為p,則存在關(guān)系式:p=xp。②單元材料屬性隨著單元相對密度的變化而變化,并且是與單元相對密度成指數(shù)變化關(guān)系。設(shè)E0和E分別為單元初始彈性模量和優(yōu)化后彈性模量,則存在關(guān)系式:E=xpE0,磊,同樣設(shè)k0和ke分別是結(jié)構(gòu)單元初始剛陣和優(yōu)化后的剛陣,則可推得關(guān)系式:ke=xpk0,p為懲罰權(quán)因子,選擇懲罰因子的目的是對中間密度單元項進(jìn)行懲罰,以盡量減少結(jié)構(gòu)中間密度單元的數(shù)目,使結(jié)構(gòu)單元密度盡可能為0或l。

        3.車身結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的一般流程

        3.1 問題的提出

        優(yōu)化問題貫穿在概念設(shè)計到細(xì)節(jié)設(shè)計整個過程的各個階段。其目標(biāo)是開發(fā)出一種新型的車身結(jié)構(gòu),在承受相同載荷的情況下,使用材料達(dá)到相對較少的水平。

        3.2 優(yōu)化問題的設(shè)定

        優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù):min mass。即,使車身重量達(dá)到最小化。當(dāng)車身重量最小時,其材料用量也為最小。

        約束條件為:1)能承受既定的扭轉(zhuǎn)和彎曲;2)剛度達(dá)到既定的要求;3)第一階到第四階固有頻率小于要求的值。

        約束條件的處理方法可采用具體位置位移的測量量小于規(guī)定的要求。具體的做法為:在受動態(tài)彎矩和扭矩的作用下,位移最大點(diǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)所要求的值。在靜載的狀態(tài)下,剛度所在的軸向位移小于標(biāo)準(zhǔn)所要求的值。在既定的約束情況下,固有頻率值小于既定的值。

        應(yīng)用的方法:設(shè)計空間范圍是整車輪廓以及固定的被包裹的子系統(tǒng)構(gòu)筑的空間,載荷由分析確定;結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化(topology optimization)技術(shù)用于創(chuàng)建初始的概念設(shè)計;概念設(shè)計中考慮可加工制造性;尺寸/形狀優(yōu)化(Size/Shape optimization)用于轉(zhuǎn)化概念設(shè)計。

        3.3 設(shè)計空間和載荷的確定

        依據(jù)已有的客車參數(shù)得到客車車身的CAD模型,并對車身幾何模型進(jìn)行簡化。對客車模型進(jìn)行有限元的建模,金屬板件之間的點(diǎn)焊連接、少數(shù)螺栓連接采用梁單元模擬;保留尺寸較大的孔,忽略細(xì)微局部結(jié)構(gòu)特征,如尺寸較小的孔、倒圓倒角、加強(qiáng)筋等。離散車身結(jié)構(gòu)幾何模型,得到白車身有限元模型(已隱藏網(wǎng)格)(如圖1所示)??蛙囓嚿淼妮d荷由ADAMS進(jìn)行多體動力學(xué)仿真得到,將仿真數(shù)據(jù)加載在有限元模型上。根據(jù)設(shè)計需要,將客車車身定義為優(yōu)化區(qū)域,其余位置,如底板等不作處理。

        圖1 離散車身結(jié)構(gòu)有限元模型

        3.4 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

        利用人工材料密度方法對客車車身進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,為下一步的優(yōu)化確定拓?fù)淇臻g。拓?fù)涞慕Y(jié)果如圖2所示。

        圖2 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

        3.5 概念設(shè)計

        提取拓?fù)湓O(shè)計后的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值,利用逆向工程得到CAD模型。并考慮工藝性等問題,修改客車車身的CAD模型。并將此模型劃分有限元網(wǎng)格。得到的CAD模型如圖3所示。有限元模型如圖4所示。

        圖3 CAD模型

        圖4 有限元模型

        3.6 尺寸和形狀優(yōu)化

        尺寸優(yōu)化的設(shè)計變量為殼單元的厚度以及梁管料的截面形狀。將個管件截面的長度和寬度、厚度設(shè)為設(shè)計變量后(如圖5所示),利用morphing技術(shù)和參數(shù)優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。并將得到的結(jié)果導(dǎo)出節(jié)點(diǎn)信息,利用逆向工程得到車身的具體形狀,得到的結(jié)果如圖6所示。

        圖5 尺寸優(yōu)化的設(shè)計變量為殼單元管件

        圖6 新車身結(jié)構(gòu)

        4.結(jié)語

        客車的輕量化對客車有著重要的意義,但由于成本、制造工藝、環(huán)保等方面的原因,對于大型客車等車輛較難實(shí)現(xiàn), 因此結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計將成為車輛輕量化最重要的手段, 具有廣泛的應(yīng)用前景。本文以某大客車車身的初步設(shè)計和總布置為依據(jù),以CAD等 軟件為平臺,建立了客車車身拓?fù)鋬?yōu)化模型。根據(jù)汽車車身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),參照拓?fù)鋬?yōu)化準(zhǔn)則法,提出客車車身的優(yōu)化流程,包括拓?fù)鋬?yōu)化及尺寸、形狀方法。經(jīng)有限元分析,優(yōu)化的結(jié)果均滿足實(shí)際需要。利用優(yōu)化算法縮短了客車車身開發(fā)的時間,節(jié)省了經(jīng)費(fèi),并設(shè)計出了較為合理的車身結(jié)構(gòu),為工程師的進(jìn)一步設(shè)計提供了新的思路和可靠的依據(jù)。拓?fù)鋬?yōu)化分析方法為車身結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一種可行的分析方法,不失為一種有效的方法。

        參考文獻(xiàn)

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        [2]張葒蔚,顧力強(qiáng).基于有限元分析技術(shù)的大客車車門結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計研究[J].機(jī)械設(shè)計與研究,2002,18 (5):46-47.

        [3]周偉,宋學(xué)偉.客車車身結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計[J].客車技術(shù)與研究,2012(6):9-10.

        [4]ROSSOW M P,TALOR J E. A finite element method for the optimal design of variable thickness sheets[J].AIAA Journal,1973,11(11):1566-1569.

        作者簡介:李禹琪(1992—),四川綿陽人,大學(xué)本科,現(xiàn)就讀于西華師范大學(xué),研究方向:CAD結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化。

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