拓?fù)鋬?yōu)化方法在輕卡車身結(jié)構(gòu)改進(jìn)中的應(yīng)用

裘大志

摘 要 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化是一種數(shù)學(xué)研究方法，該方法在汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用十分廣泛。拓?fù)浼夹g(shù)通過構(gòu)造模型的方法，對(duì)輕型卡車不合理的外形進(jìn)行改進(jìn)，提高卡車的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。本文具體研究了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，對(duì)該方法在輕卡車身改進(jìn)應(yīng)用中的細(xì)節(jié)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞 輕型卡車 拓?fù)鋬?yōu)化 結(jié)構(gòu)性能

2004年P(guān)edreson將拓?fù)淅砟顟?yīng)用在了汽車安全系統(tǒng)中，完成了對(duì)汽車功能部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在2005年，A.I.Chande和R.J.Yan利用拓?fù)滠浖?duì)車門、車架、曲軸進(jìn)行了優(yōu)化改造，進(jìn)一步擴(kuò)大了拓?fù)浼夹g(shù)的應(yīng)用范圍。2011年以來，拓?fù)浼夹g(shù)在汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的應(yīng)用越來越廣泛，使輕型卡車車身的結(jié)構(gòu)功能越來越合理。

一、拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的基本原理

拓?fù)湓碇饕菫榱藢で髤^(qū)域中的最優(yōu)解，使汽車結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到最合理狀態(tài)。常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究方法有厚度變化方法、密度變化法、均勻變化法三種。拓?fù)溲芯繑?shù)據(jù)具有連續(xù)性，該方法最早應(yīng)用于水利工程中的堤壩重力優(yōu)化問題。

研究區(qū)域是由很多孔洞微單元組成，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，微單元的孔洞大小會(huì)發(fā)生變化。如果某研究區(qū)域的微單元全部變成孔洞，那么整個(gè)研究區(qū)域就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)大孔洞；如果研究區(qū)域的微單元全部消失，那么研究區(qū)域就會(huì)變成一個(gè)實(shí)體結(jié)構(gòu)。初始材料在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了重新分配，形成了新的結(jié)構(gòu)模式，該條件下的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就是最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

二、拓?fù)淅碚撛谳p型卡車車身優(yōu)化中的應(yīng)用

1、輕卡車身的拓?fù)鋬?yōu)化有限元模型

首先應(yīng)該建立輕卡車身的結(jié)構(gòu)模型，要根據(jù)模型中的具體參數(shù)，進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化。在建立拓?fù)鋬?yōu)化有限模型的時(shí)候，應(yīng)該多考慮輕卡車身的實(shí)際情況，留出車身、車窗和車門的空間。由于車身的材料都是鋼制的，在進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化的時(shí)候，應(yīng)該多分析車身不同區(qū)域的密度變化狀況。拓?fù)鋬?yōu)化的有限元結(jié)構(gòu)模型如圖1所示：

2、輕卡車身拓?fù)涞膬?yōu)化實(shí)現(xiàn)

（1）車身在彎曲情況下的負(fù)載約束。為了反映出車身在負(fù)載情況下的實(shí)際受力情況，假設(shè)司機(jī)、乘員和座椅的總重量為300kg，然后再往座椅位置上增加1500N的重物。拓?fù)淠Ｐ腿际且詺罱Y(jié)構(gòu)為主，由于沒有強(qiáng)筋支撐，如果重物負(fù)載的位置靠近駕駛室中央，就會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)模板塌陷，使拓?fù)溆?jì)算難以進(jìn)行。通常會(huì)將負(fù)載的位置放在座椅直線的四周、駕駛室的四角上，以減少重物對(duì)中心的負(fù)載壓力。以駕駛室的4個(gè)對(duì)角為研究對(duì)象，建立拓?fù)溲芯磕Ｐ汀?/p>

（2）車身在扭轉(zhuǎn)情況下的負(fù)載約束。在車身模型的前端選擇2個(gè)豎直向上的支撐點(diǎn)，用大小相等、方向相反的兩個(gè)力作用支撐點(diǎn)，觀察此時(shí)車身的受力扭轉(zhuǎn)情況，作用力的大小為1000N，如果觀察效果不明顯，還可以繼續(xù)增加作用力。以車身前端受力點(diǎn)為研究對(duì)象，建立拓?fù)溲芯磕Ｐ停鐖D2所示：

對(duì)這兩種狀況下的車身變化情況進(jìn)行分析，會(huì)發(fā)現(xiàn)彎曲撓度為0.6mm，其中扭轉(zhuǎn)狀況下車身的最大變形為3mm，彎曲狀況和扭轉(zhuǎn)狀況的變形云圖。

本次拓?fù)鋬?yōu)化是研究車身在彎曲、扭轉(zhuǎn)狀況下的變形情況，在車身剛度確定的情況下，通過使車身體積最小化，確定加強(qiáng)筋的合理位置。拓?fù)鋯栴}主要是研究彎曲、扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下的車身位移。對(duì)車身的形變量進(jìn)行計(jì)算后，就會(huì)探索出車身空間結(jié)構(gòu)的內(nèi)部密度分布狀況。

在每次拓?fù)鋬?yōu)化的時(shí)候，應(yīng)該先進(jìn)行一次迭代，根據(jù)數(shù)據(jù)的收斂狀況繪出拓?fù)淠Ｐ偷男螤?。拓?fù)涞奈灰萍s束不能比初次計(jì)算相差太多，選取初始計(jì)算80%的位移，這時(shí)候得到的優(yōu)化結(jié)果最好，收斂時(shí)間最短；將拓?fù)淠繕?biāo)設(shè)置為最小化，對(duì)最小化的模型進(jìn)行空間拓?fù)鋬?yōu)化，就可以得到車身的密度的分布規(guī)律。

3、對(duì)輕卡車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)果

運(yùn)用Optsruct軟件對(duì)輕卡車身進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，從最終的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果可以看出，車身頂部逐漸形成“人”字形，底部模板變成了“X”字形。拓?fù)鋬?yōu)化科學(xué)合理，在實(shí)際生產(chǎn)生活中應(yīng)用十分廣泛。地板的拓?fù)渚€條朝著兩側(cè)和負(fù)載線聚集，拓?fù)湫螤詈蛙嚿斫Y(jié)構(gòu)強(qiáng)筋位置一致。

三、結(jié)束語

在對(duì)汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化之前，應(yīng)該先為汽車建立拓?fù)淠Ｐ?，通過將拓?fù)淅碚?、拓?fù)鋬?yōu)化方法運(yùn)用在汽車模型中，能夠簡(jiǎn)化汽車的外形設(shè)計(jì)。拓?fù)鋬?yōu)化理念早在20世紀(jì)60年代就被提了出來。在20世紀(jì)80年代，拓?fù)浼夹g(shù)主要用于飛機(jī)外形設(shè)計(jì)領(lǐng)域。利用拓?fù)浼夹g(shù)對(duì)輕卡車身的彎曲狀態(tài)、扭轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行形變位移研究，在最終拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)中可以發(fā)現(xiàn)：彎曲狀態(tài)下的車身拓線條和結(jié)構(gòu)強(qiáng)筋位置相同，而扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下的拓?fù)湫螤顒t呈現(xiàn)“人”字行、“X”字形。

參考文獻(xiàn)：

[1]李學(xué)修，黃虎.拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)方法在輕卡車身結(jié)構(gòu)改進(jìn)中的應(yīng)用[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（03）

[2]劉長虹.拓?fù)浼夹g(shù)在車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012（10）

（作者單位：沈陽金杯車輛制造有限公司）