基于最優(yōu)強(qiáng)度的SUV車架輕量化設(shè)計(jì)

敬揚(yáng)名

(瀘天化弘旭工程建設(shè)公司，四川 瀘州 646300)

傳統(tǒng)的車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于采用經(jīng)驗(yàn)及類比法，車架質(zhì)量過重且應(yīng)力分布不均勻［1］。因此，有必要對車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以提高車架材料的使用率。本文以某型SUV車架為研究對象，以應(yīng)力強(qiáng)度為約束條件，利用APDL語言對車身結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的建立

優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型是實(shí)際優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的數(shù)學(xué)抽象，建立近似車架優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型有的數(shù)學(xué)途徑有一階 Taylor展式等［2］。

以結(jié)構(gòu)重量為目標(biāo)函數(shù)，包含車架應(yīng)力強(qiáng)度約束的優(yōu)化問題可以描述為:

2 車架模型原設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

表1 車架各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)

該型SUV車架由2根縱梁，5根橫梁，1根扭桿梁，1根變速箱梁和前后副杠組成，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。該車架材料為16 Mn鋼，機(jī)械性能為:最小屈服強(qiáng)度 360 MPa;最大抗拉強(qiáng)度 610 MPa［3］。

由于車架結(jié)構(gòu)的體積與重量成正比，因此車架輕量化問題可以轉(zhuǎn)化為求解車架體積最小化問題。整個車架體積是通過各梁的截面積及各梁長度確定，由于安裝的需要，車架各梁的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不能改變，因此，只能通過對各梁的截面積優(yōu)化來達(dá)到減輕車架重量的目的。

3 車架各梁截面參數(shù)化表示及優(yōu)化部分程序

借助ANSYS軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，需先對車架進(jìn)行參數(shù)化建模［4］。車架梁的最大厚度為4 mm(車架第1縱梁)，厚度最小為2.5 mm(為第7梁)，其他梁的厚度為3 mm。因此，本文僅對車架橫、縱截面的長、寬進(jìn)行優(yōu)化。各截面的參數(shù)化表示見圖1。圖1中B、H為縱梁截面的長和寬;R1、R2、R3為第1橫梁、第5橫梁、第 6 橫梁截面半徑;B1、H1、B2、H2、B3、H3、B4、H4為 2 橫梁、變速箱梁、扭桿梁、第 7 橫梁截面的長和寬。

生成循環(huán)所用的分析文件并求解，提取并指定狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)。然后進(jìn)入OPT處理器指定分析文件及優(yōu)化變量、指定優(yōu)化循環(huán)控制方式后進(jìn)行優(yōu)化分析。部分程序［5］為:

圖1 各梁截面的參數(shù)化表示

4 車架優(yōu)化的結(jié)果

車架優(yōu)化的結(jié)果如圖2～5所示，限于篇幅，不再列出B4與H4、R1、R2、R3的變化曲線。

圖2 B與H的變化曲線

圖3 B1與H1的變化曲線

圖4 B2與H2的變化曲線

圖5 B3與H3的變化曲線

圖6 體積收斂曲線

圖7 ANSYS計(jì)算后各步參數(shù)列表

圖6為目標(biāo)函數(shù)即車架總體積隨計(jì)算迭代次數(shù)的變化曲線，可以看出車架的總體積在1～13步之間大幅振蕩，隨著迭代次數(shù)的增加在第14步后開始收斂，到第18步達(dá)到最優(yōu)值。圖7為軟件計(jì)算后給出的各步參數(shù)的最優(yōu)值，其中*號為程序選擇的最優(yōu)步。優(yōu)化后車架的體積為10.932 dm3，車架的最大變形量為236.49 m。

將車架結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化后結(jié)果對比，結(jié)果如表2所示。

表2 優(yōu)化結(jié)果對比

從表2可知優(yōu)化結(jié)果很明顯，車架的總體積減少了26.5%，采用同一材料，則重量減輕了26.5%;Y方向的最大位移增加了26.3% ，彎曲時最大應(yīng)力增加了19.5%。位移和彎曲應(yīng)力有所增加但仍在車架材料及車架使用要求范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

本文對該SUV型車架進(jìn)行了參數(shù)化建模，利用ANSYS13.0軟件中的APDL語言編寫了車架的優(yōu)化程序，以車架各梁的截面尺寸為設(shè)計(jì)變量，以車架的應(yīng)力為約束條件，以車架的體積為目標(biāo)函數(shù)對車架進(jìn)行了優(yōu)化分析。車架重量減輕了26.5%，其優(yōu)化效果非常明顯。通過將該優(yōu)化后的車架生產(chǎn)試驗(yàn)，結(jié)果表明其最大應(yīng)力與計(jì)算相符，完全能滿足車輛開發(fā)的驗(yàn)證試驗(yàn)。

［1］孫蕾，任曉琳，孟輝.基于ANSYS的橋梁結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2009(20):38－39.

［2］ZHOU M.Difficulties in truss topology optimization with stress and local bucking constraints［J］.Structural Optimization，2006(11):134 －136.

［3］溫秉權(quán).金屬材料手冊［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009:103－105.

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