基于ANSYS的汽車結構輕量化設計

1、 14農業(yè)機械學報型的簡化。1.2優(yōu)化設計模型結合ANSYS所提供的優(yōu)化方法及APDL語 言所具有的較強的參數化分析功能,在強度分析的 基礎上可實現(xiàn)車架結構參數的優(yōu)化設計。該型號半 掛車車架的主要設計參數有:型鋼的剖面尺寸、局部 的布置參數。模型采用SHELL63單元,節(jié)點數 11518,單元數為10518,采用滿載時均布載荷作用 在覆蓋了花紋板的車架上的計算工況。通過優(yōu)化結構的體積來達到優(yōu)化結構質量的目 的,以質量最輕為目標函數,描述為minF(z=W1(z+W2(o+W3(z+4(z+5(z+6(z (1 式中w,(z車架上橫梁的質量,包括車架內 外橫梁、邊橫梁、穿橫梁、端橫梁 w。(z車

2、架上縱梁的質量。(z車架邊梁的質量彬。(z車架上U型梁的質量彬。(z車架上內、外支撐梁的質量。(z車架其余部件的質量總和,包括 花紋板、牽引銷板、加強桿、支撐 梁等根據設計要求,選擇各構件的截面尺寸和局部 的布置尺寸作為設計的對象。車架由于組成構件較 多而尺寸變量較多,太多的設計變量增大了收斂到 局部最小而非全局最小的概率,必須盡量減少設計 變量。采用變量關聯(lián)的方法,將車架結構上互相有聯(lián) 系的非獨立尺寸按照比例關系確定。通過處理,設計 變量共16個(見表2,分別歸納為梁的厚度尺寸、 截面寬度尺寸、截面高度尺寸和布置尺寸。即z2(1,f2,3,“,f5,f6,7,f8,f9,10,f11,f12

3、,13,14,15,16 (2 各物理量所代表的具體含義見表2。根據設計要求,約束函數可以是結構的應力或 位移,也可以是整個結構的固有頻率。為了得到盡可 能符合實際需要的設計,必須選擇足夠多的狀態(tài)變 量。但是為了加快優(yōu)化進程,必須消除不必要或冗余 的狀態(tài)變量。同樣也必須確定合理的狀態(tài)變量上下 限。表2優(yōu)化前后各變量值對比Tab.2COntrast of the values of the variabIesbefore and after optimization(1強度狀態(tài)變量及約束函數:限制車架結構的 最大應力。先對原始設計進行有限元分析,然后提取最大應力盯一,車架用Q235鋼制造,限制其

4、最大應 力不超過235MPa,從而構成完整的強度約束。即C1一盯。一以O (3 式中 吼最大應力限值(2靜剛度狀態(tài)變量及約束函數:限制車架結構 的最大變形。先對原始設計進行有限元分析,然后提 取最大位移。即C2一。一文O (4 式中文最大位移限值按照上述抽象模型的形式,構造車架優(yōu)化模型 minF(z一1(z+2(z+彤3(z+4(z+5(z+6(zz=1,屯,3,4,5,6,7,8,9,lo,f11,12,f13,f14,15,芒16 (5 s.t.c,一。一瞳oC。=。一文o2輕量化設計及結果分析將設計參數分為4類:梁的厚度、梁的截面寬 度、梁的截面高度和布置尺寸。采用“一階方法”進行 輕量

5、化設計,一階方法基于目標函數對設計變量的第6期 趙韓等:基于ANSYS的汽車結構輕量化設計敏感程度,因此更加適合于精確的優(yōu)化分析。通過對 目標函數逼近加罰函數的方法將問題轉換為無約束 的問題,在每次迭代中,計算梯度(用最大斜度法或 共軛方向法確定搜索方向,從而求解最小值口“。表2是經過“分步優(yōu)化”得到的結果,首先取內橫梁 及邊橫梁壁厚、穿橫梁壁厚、邊梁壁厚、內外支撐梁 壁厚、加強桿壁厚和支撐梁壁厚作為優(yōu)化設計變量, 優(yōu)化結束后保持其不變。再取牽引銷板厚度、U型 梁壁厚、支撐梁截面寬度、U型梁截面寬度和u 型梁截面高度作為優(yōu)化設計變量,優(yōu)化結束后再保持其不變。接著取U型梁截面高度、U型梁 截面高

6、度、花紋板厚度、縱梁翼板厚度和橫梁數量作 為優(yōu)化設計變量,從而得到最終的優(yōu)化結果。分別以寬度尺寸變量、厚度尺寸變量、高度尺寸 變量和混合尺寸變量作為設計變量,分4組進行優(yōu) 化設計,得到優(yōu)化設計前、后車架的總質量及其變化 率如表3所示。表3優(yōu)化前后車架的總質量及其變化率Tab.3TOtalm嬲s Of the frame and decline mtio prior and afterOptimization235MPa,材料已經接近屈服極限。所以,雖然厚度尺寸的優(yōu)化結果降幅最大,但并不是較為理想的設計方案。相比之下,混合變量的降幅雖然較小 (18.4%,但是車架質量達到4.995t時,車架的節(jié)

7、 點等效應力和總體變形分別為166.54MPa和4.195mm,應力遠小于鞏一235MPa(見圖5和圖6。所以,比較而言混合尺寸變量的優(yōu)化是一個合理而又經濟的設計方案。圖5帶花紋板車架的節(jié)點等效應力云圖Fig.5Node equivalentstressplot of theframe with flat圖6帶花紋板車架的節(jié)點位移云圖Fig.6Nodedisplacement plot of the frame with flat3結束語該型半掛車車架用有限元法模擬分析后找到了 結構設計的薄弱環(huán)節(jié),基于此,用上述優(yōu)化方法進行 了輕量化設計,得到了較好的優(yōu)化設計方案。車架輕 量化設計可為企業(yè)的生

8、產起到一定的指導作用。參考文獻 基于ANSYS的汽車結構輕量化設計作者:趙韓 , 錢德猛 , Zhao Han, Qian Demeng作者單位:合肥工業(yè)大學刊名:農業(yè)機械學報 英文刊名:TRANSACTIONS OF THE CHINESE SOCIETY OF AGRICULTURAL MACHINERY年,卷(期:2005,36(6被引用次數:24次參考文獻(6條1. 劉惟信 機械最優(yōu)化設計 19942. 劉夏石 工程結構優(yōu)化設計-原理、方法和應用 19843. 吳宗岱;袁禮平 應變電測原理及技術 19824. 龔培康 汽車拖拉機有限元法基礎 19945. 馮國勝 汽車車架結構參數的優(yōu)化

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