李新君

基于ANSYS的半掛車某承力軸優(yōu)化設(shè)計分析

李新君

（安徽博微長安電子有限公司，安徽 六安 237000）

隨著社會需求的不斷發(fā)展，對特種車的承載能力要求越來越高，而機械結(jié)構(gòu)等的設(shè)計越來越輕型化，這對特種車的設(shè)計提出了更高的要求，因此需對特種車進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析與設(shè)計?；诖?，針對特種車某承力軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，文章以軸通孔直徑和承力面直徑為優(yōu)化參數(shù)，在ANSYS中進(jìn)行模型的建立與分析，得到了較合適的優(yōu)化參數(shù)，為設(shè)計人員進(jìn)行特種車零部件優(yōu)化設(shè)計提供參考。

智能算法；ANSYS；特種車；優(yōu)化設(shè)計

引言

特種車是一類重要的具有特殊功能用途的車輛工具，如半掛車、淋浴車、炊事車、綜合保障車、宿營車、高原制氧車、天線運輸車等。與普通車輛類似，特種車的整體組成包括四個部分：車身、底盤、發(fā)動機、電器系統(tǒng)[1-2]。隨著社會需求的不斷發(fā)展，對特種車的承載能力要求越來越高，而對其結(jié)構(gòu)及機構(gòu)等的設(shè)計卻要求更輕型化，這對特種車的設(shè)計提出了更高的要求[3]。徐家駿[4]分析了世界戰(zhàn)略局勢和戰(zhàn)場環(huán)境的變化，提出新型防護(hù)車身占據(jù)重要位置，并對某種越野車進(jìn)行了逆向建模，利用LS-DYNA對某些重要零部件進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明車身防護(hù)、造型以及動力性能三者協(xié)調(diào)對整體車身的設(shè)計具有積極意義。南海峰[5]等對某種特種車出現(xiàn)的制動氣室支架斷裂問題進(jìn)行了原因分析，采用ANSYS對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，結(jié)果表明滿足設(shè)計需求，提供了較好的解決方案。靳凱[6]等對某種特種車進(jìn)行了縱梁試驗，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向立軸支座存在肉眼可見位移，縱梁、墊板、螺栓均有較大變形，存在重大的安全隱患，通過三維CAD設(shè)計方法提取了支座處局部模型，對模型進(jìn)行了有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果提出了改進(jìn)方案，結(jié)果表明改進(jìn)后的方案具有更加優(yōu)良的支撐性能。

分析可知，當(dāng)前對特種車的設(shè)計階段可依靠一些三維數(shù)字化軟件及一些常用的動力學(xué)分析與優(yōu)化設(shè)計分析軟件，如ANSYS、ADAMS、ABOUQS等。由于對整車的分析量級過大，無法進(jìn)行全面整體的分析，但可對某些零部件進(jìn)行局部優(yōu)化設(shè)計。因此，可選擇ANSYS作為優(yōu)化設(shè)計分析軟件，對某特種車某承力軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

1 ANSYS有限元分析與優(yōu)化設(shè)計

有限單元法由力學(xué)和計算機技術(shù)相結(jié)合，將無窮自由度求解問題有限方程求解問題。機械結(jié)構(gòu)有限元分析的基本步驟是建立幾何模型、定義材料屬性、定義約束與邊界條件、離散幾何模型結(jié)構(gòu)、定義單元位移模式、剛度分析、求解節(jié)點力、建立結(jié)構(gòu)平衡方程、求解未知單元的應(yīng)力和應(yīng)變等結(jié)果。ANSYS可對結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格控制，在實際應(yīng)用中，需根據(jù)具體的應(yīng)用進(jìn)行網(wǎng)格劃分。ANSYS中包括了3D和2D兩大類網(wǎng)格。2D網(wǎng)格單元主要有四邊形網(wǎng)格和三角形網(wǎng)格，在某些場合可混合使用這兩種網(wǎng)格形式。四面體網(wǎng)格可快速、自動生成任意幾何體網(wǎng)格，在關(guān)鍵區(qū)域可使用曲度和近似尺寸功能進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，并對邊界層網(wǎng)格進(jìn)行識別，在某些結(jié)構(gòu)中可混合使用網(wǎng)格控制。

ANSYS集成有優(yōu)化設(shè)計模塊模塊，包括優(yōu)化空間填充設(shè)計、中心組合設(shè)計、自定義設(shè)計、自定義取樣設(shè)計。在軟件建模方面，可使用ANSYS Design Model環(huán)境進(jìn)行參數(shù)化建模，也可使用多種三維CAD設(shè)計軟件，如SolidWorks、UG NX、Creo、SolidEdge、3DSMax、CATIA等，建好的參數(shù)化模型可直接導(dǎo)入ANSYS中。選擇好的優(yōu)化參數(shù)后需要檢查模型中是否都包含這些優(yōu)化參數(shù)。

2 分析模型與優(yōu)化設(shè)計

特種車某承力軸結(jié)構(gòu)如圖1所示。軸為空心軸，空心直徑為D1，中間對稱最大軸直徑為D2。該承力軸由兩端進(jìn)行支撐，直徑為D2的板厚較大的圓柱結(jié)構(gòu)為主要承力面，用于支撐連接桿件的運動與動力輸入。由結(jié)構(gòu)特點，可將D1和D2作為ANSYS優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)化參數(shù)。承力軸的模型在ANSYS 的參數(shù)化建模環(huán)境中建立。在優(yōu)化設(shè)計模塊中，進(jìn)行優(yōu)化參數(shù)D1和D2的優(yōu)化參數(shù)范圍與水平的設(shè)置，設(shè)置D1和D2分別有8個優(yōu)化水平，更新模型可自動進(jìn)入計算模式，計算結(jié)果共有64組。

圖1 特種車某承力軸結(jié)構(gòu)

模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時可適當(dāng)?shù)剡\用網(wǎng)格控制功能，如掃掠、多體大小、映射面等控制，通過網(wǎng)格大小控制可進(jìn)一步細(xì)化網(wǎng)格單元大小，用戶可根據(jù)具體需求進(jìn)行操作。對于該承力軸，為了能夠更好地模擬承力軸的受力情況，通過Sizing網(wǎng)格控制方法，設(shè)置網(wǎng)格最小單元為1 mm。

ANSYS在計算好所有算例后，通過點擊某個算例的計算結(jié)果，可進(jìn)入該算例的后處理環(huán)境，在某優(yōu)化參數(shù)水平下，對模型進(jìn)行有限元求解得到應(yīng)力和應(yīng)云圖如圖2和圖3所示。

圖2 某優(yōu)化參數(shù)下的應(yīng)力云圖

圖3 某優(yōu)化參數(shù)下的位移云圖

根據(jù)計算結(jié)果可得模型在優(yōu)化參數(shù)的不同水平下的變化情況。承力軸的應(yīng)力、質(zhì)量、應(yīng)變、位移等隨優(yōu)化參數(shù)的變化而產(chǎn)生變化，但變化存在非線性，這與實際情況是相符合的，根據(jù)應(yīng)力、質(zhì)量和應(yīng)變最為優(yōu)化指標(biāo)，ANSYS給出了推薦方案，由于ANSYS推薦的方案的應(yīng)力及應(yīng)變均沒有達(dá)到材料的屈服強度且在質(zhì)量表現(xiàn)中較好，因此選擇ANSYS給出的推薦的方案即可。

在特種車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方面，利用大面積智能優(yōu)化搜索算法進(jìn)行優(yōu)化模型最優(yōu)解搜索的研究則更少，而智能搜索算法對基于目標(biāo)的優(yōu)化搜索具有收斂速度快，結(jié)果精確等特點，可應(yīng)用于對特種車的優(yōu)化設(shè)計方面。因此，可通過一些智能搜索算法如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、蝙蝠算法、布谷鳥算法、粒子群算法、模擬退火算法、蟻群算法等，對特種車優(yōu)化設(shè)計模型進(jìn)行智能搜索。

3 結(jié)束語

特種車是一類重要的具有特殊功能用途的工具，可選擇特種車零部件模型作為ANSYS優(yōu)化設(shè)計模型。對特種車某承力軸進(jìn)行的受力狀態(tài)分析，并在ANSYS中建立其分析模型，對承力軸進(jìn)行了優(yōu)化參數(shù)設(shè)置和網(wǎng)格劃分，通過ANSYS自動更新計算得到了應(yīng)力、應(yīng)變、質(zhì)量等參數(shù)的變化情況，根據(jù)ANSYS的推薦結(jié)果選擇了合適的參數(shù)值。提出可采用多種智能搜索算法的方式對特種車優(yōu)化設(shè)計提供新思路。

[1] 趙重年,楊聰,李紅勛.某特種車非圓齒輪無級變速器錐形離合器動力學(xué)仿真分析[J].專用汽車,2018(12):95-100.

[2] 郭貴平.某特種車駕駛室結(jié)構(gòu)設(shè)計分析及優(yōu)化[D].南京:南京理工 大學(xué),2015.

[3] 符耀民,羅衛(wèi)東,賀迪華,等.特種車排氣管消聲器優(yōu)化設(shè)計及溫度場數(shù)值分析[J].機床與液壓, 2019,47(08): 176-180.

[4] 徐家駿.某特種車防護(hù)車身設(shè)計研究[D].南京:南京理工大學(xué), 2016.

[5] 南海峰,郭帥.某重型特種車制動氣室支架優(yōu)化設(shè)計[J].汽車零部件,2019(05):57-60.

[6] 靳凱,郭文天,鄧克軍,等.基于optistruct的特種車立軸支座局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].汽車實用技術(shù), 2020(10):81-83.

Optimization Design and Analysis of a Load Bearing Shaft of Semi Trailer Based on ANSYS

Li Xinjun

( Anhui Bowei Changan Electronics Co., Ltd., Anhui Lu'an 237000 )

With the continuous development of social needs, the requirements for special vehicles are that their bearing capacity is increasing, and the design of mechanical structure is becoming more and more lightweight, which puts forward higher requirements for the design of special vehicles, so it is necessary to carry out structural optimization analysis and design. Based on this, the bearing shaft of a special vehicle is optimized. Taking the through-hole diameter and bearing surface diameter as the optimization parameters, the model is established and analyzed in ANSYS, and the more appropriate optimization parameters are obtained, which provides reference for designers to carry out the optimization design of special vehicles.

Intelligent algorithm; ANSYS; Special vehicle; Optimization design

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.020

U273

A

1671-7988(2021)07-60-03

U273

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1671-7988(2021)07-60-03

李新君（1986.11-），男，漢族，安徽阜陽人，碩士，工程師，就職于安徽博微長安電子有限公司，研究方向：特種車的設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、輕量化設(shè)計。