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重型货车车架结构的拓扑优化设计
| 论文题名： | 重型货车车架结构的拓扑优化设计 |
| 关键词： | 结构优化;拓扑结构;重型汽车;车架;强度 |
| 摘要： | 结构拓扑优化是近年来国际上优化研究热点问题之一，可在改善或保持结构性能的基础上得到材料的最优分布，它使复杂结构在概念设计阶段即可灵活、理性地进行方案优选。本文就其在重型汽车车架结构优化设计领域的应用进行了初步探讨，主要研究工作有： 首先，利用HyperWorks的优化模块，根据某重型汽车主车架的实际尺寸、载荷情况，以及边界条件建立了三维拓扑优化基础模型，以多工况变形能为目标函数，体积比为约束函数，通过变密度法，针对同一模型进行了多次拓扑优化计算，得到了一组相似的拓扑结构。 其次，根据不同拓扑结构的静力学分析结果，选择了约束函数取值最小的一个拓扑布局，并将它转换为密度一致、厚度均匀，并且方便加工的板壳材料，进行了尺寸优化和形状优化，最终得到该主车架的概念性结构，该结构比原来主车架的结构轻630斤。 最后，对拓扑优化后的主车架结构进行了刚度和强度分析，计算结果显示其弯曲刚度和扭转刚度都有所提高，特别是扭转刚度提高近一倍；弯曲模态频率和扭转模态频率也有所提高；结构在典型极限工况下的静强度足够；以5.4km/h的速度越过含160mm深坑的不平路面瞬态响应仿真分析表明，车架在该路面上行驶规定里程(6000km)不会产生疲劳破坏。 通过本文的研究，得到关于拓扑优化设计和车架结构材料布局的主要结论： ①以多工况变形能最小为目标函数，体积比为约束函数对重型汽车车架进行三维拓扑优化设计，能够在尽可能减小车架质量的基础上，得到整体刚度和结构强度比较好的材料拓扑布局； ②在车架设计空间内，越靠近车架上下表面的材料利用率越高，且在车架一阶扭转的节线区域，也就是车架的中间部分，上下表面被大面积保留了下来，而上下表面之间的材料却被挖空。说明对于施加到车架上的扭转载荷来说，上下表面的材料是非常有用的，能够有效地提高车架的抗扭刚度； ③材料的布局与车架前后悬架的位置和悬架本身的负荷有很大关系。车架前面部分的结构由于负荷小，横梁的尺寸也小、纵梁上分布了很多孔洞，而车架中后部分的结构由于负荷大，横梁的面积也大，纵梁上没有布置孔洞； ④由自由模态计算结果来看，在频率比较低的范围产生了车架前后纵梁摆动的局部模态，这是拓扑布局删除了前后端横梁而产生的，说明前后端的横梁或许对提高车架的刚度影响不大，但是为了保证车架前后端不自由摆动，它们在车架结构中是必要的；⑤在进行优化的迭代计算过程中，约束函数设置越小，拓扑结构中被删除的材料越多，迭代收敛越困难。因此，合理设置约束函数值是确保优化计算与迭代效率的一个关键。 |
| 作者： | 巢媛 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 胡玉梅 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 重庆大学 |
| 学位年度： | 2007 |
| 正文语种： | 中文 |
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