某型三輪汽車車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

朱訓(xùn)棟，張 鑫

(山東科技大學(xué)，山東 青島 271000)

0 引 言

三輪汽車是我國(guó)交通運(yùn)輸工具的重要組成，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、物料運(yùn)輸、礦石開(kāi)采等行業(yè)中發(fā)揮著重要作用。車架是底盤的重要組件，起著承受車身、地面載荷及聯(lián)接車身三大總成的重要作用。車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)改善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、降低生產(chǎn)成本、提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。

目前，車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)通常利用有限元分析技術(shù)和智能優(yōu)化算法，以實(shí)現(xiàn)車架性能、整車性能的提升或在保證性能的前提下降低車架重量為目的。相比國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究起步較晚，但發(fā)展迅速，已取得諸多研究成果[1-2]。

筆者利用有限元分析技術(shù)和多島遺傳算法對(duì)某型三輪汽車的車架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證其剛、強(qiáng)度等性能指標(biāo)的同時(shí)，取得了較好的減重效果。

1 車架優(yōu)化模型的建立

1.1 車架實(shí)體模型

該車架由型鋼和鋼板焊接而成，采用邊梁式結(jié)構(gòu)，主體分上下兩層，上層用于固定后橋和車廂，下層安裝發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系部件，前梁用于安裝前懸架和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。其實(shí)體模型如圖1所示。

圖1 車架實(shí)體模型

1.2 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

為實(shí)現(xiàn)在保證剛、強(qiáng)度等性能前提下，達(dá)到車架輕量化的優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)件如下數(shù)學(xué)模型：

minM=∑Mi

s.t.σmax≤[σ],δmax≤[δ]

Xj∈[XjU,XjL]

式中：M、Mi分別為結(jié)構(gòu)總質(zhì)量及各組件質(zhì)量；σmax、[σ]分別為節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力及其許用應(yīng)力；δmax、[δ]分別為節(jié)點(diǎn)最大位移及其許用位移；Xj、XjU、XjL分別為各設(shè)計(jì)參數(shù)及其取值上、下限。

1.3 設(shè)計(jì)變量的選取

根據(jù)車架結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，初步選取12個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，各參數(shù)含義及取值空間如表1所列。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)及取值空間

1.4 參數(shù)化有限元模型

利用MSC.PATRAN軟件的PCL語(yǔ)言編程建立車架的參數(shù)化有限元模型[3]，用上述12個(gè)設(shè)計(jì)變量驅(qū)動(dòng)改變車架結(jié)構(gòu)形狀。因車架主要由型鋼焊接而成，為節(jié)省計(jì)算資源，采用梁?jiǎn)卧鳛殡x散單元，構(gòu)建參數(shù)化有限元模型。如圖2所示。

圖2 車架參數(shù)化有限元模型

2 優(yōu)化過(guò)程的實(shí)施

2.1 基于正交試驗(yàn)的參數(shù)選取

為控制優(yōu)化問(wèn)題規(guī)模，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，采用正交試驗(yàn)法對(duì)各設(shè)計(jì)參數(shù)的靈敏度進(jìn)行分析，進(jìn)一步篩選出對(duì)目標(biāo)函數(shù)和性能約束影響大的參數(shù)作為優(yōu)化過(guò)程的設(shè)計(jì)變量。

使用iSIGHT軟件集成PATRAN/NASTRAN軟件和編制的CSZH.EXE程序，解析輸入、輸出文件，并應(yīng)用其正交試驗(yàn)功能，選取上述12個(gè)參數(shù)為控制因子，進(jìn)行三水平因子正交試驗(yàn)，其運(yùn)行流程圖及試驗(yàn)結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 iSIGHT正交試驗(yàn)流程圖

由圖4可知，ZL、XL、CYJ、HL3W、XHL2五個(gè)參數(shù)對(duì)總重、應(yīng)力和位移的影響均很小。因此，選用其余7個(gè)參數(shù)作為優(yōu)化過(guò)程的設(shè)計(jì)變量。

圖4 各設(shè)計(jì)參數(shù)的靈敏度

2.2 多島遺傳算法的實(shí)施

多島遺傳算法利用并行遺傳算法的原理，將群體劃分為多個(gè)子群體(“島”)，各子群體獨(dú)立進(jìn)化，并在適當(dāng)時(shí)進(jìn)行信息交換，該算法可有效抑制遺傳算法的早熟現(xiàn)象[4]。

使用iSIGHT軟件提供的多島遺傳算法對(duì)車架參數(shù)化有限元模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其主要參數(shù)設(shè)計(jì)如下：①編碼：染色體采用浮點(diǎn)數(shù)方法編碼；②初始群體：島嶼數(shù)設(shè)為3，各子群包含個(gè)體數(shù)目設(shè)為10；③適應(yīng)度函數(shù)：采用罰函數(shù)法將約束優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為無(wú)約束問(wèn)題；④選擇算子：采取比例選擇與最優(yōu)保存相結(jié)合的方法；⑤交叉算子：交叉概率設(shè)為0.6；⑥變異算子：變異概率設(shè)為0.1；⑦終止條件：條件一，最大遺傳代數(shù)為50代；條件二，連續(xù)5代群體的平均適應(yīng)度差值小于正數(shù)ε。

2.3 實(shí)施結(jié)果

進(jìn)化歷程如圖5所示，可見(jiàn)，30代前進(jìn)化較快，而后進(jìn)化速度趨緩。優(yōu)化前后車架的性能指標(biāo)和各設(shè)計(jì)變量的值如表2所列，可見(jiàn)，在保證剛、強(qiáng)度的前提下，優(yōu)化后車架重量減輕20 kg，減重11.6%。

表2 設(shè)計(jì)變量及優(yōu)化結(jié)果

圖5 進(jìn)化歷程圖

3 仿真分析

與梁?jiǎn)卧啾?，板單元能更好的模擬各薄壁梁的彎曲、扭轉(zhuǎn)變形及接頭處的應(yīng)力狀況，計(jì)算精度更高。為更準(zhǔn)確的分析優(yōu)化車架的結(jié)構(gòu)性能，進(jìn)一步采用板單元構(gòu)建車架有限元分析模型，并針對(duì)實(shí)車制動(dòng)工況對(duì)優(yōu)化前后車架進(jìn)行了靜力學(xué)分析，分析結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 原車架應(yīng)力及變形圖 圖7 優(yōu)化后車架應(yīng)力及變形圖

分析結(jié)果表明，優(yōu)化后車架相比原車架，整體應(yīng)力水平略有提高，最大應(yīng)力略有下降，應(yīng)力分布更為合理，部分應(yīng)力集中有所緩解；車架中部變形略有增加、最大變形略有減小，整體變形趨于均勻。

4 結(jié) 語(yǔ)

在車架結(jié)構(gòu)性能分析、并構(gòu)建參數(shù)化有限元模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用正交試驗(yàn)法篩選設(shè)計(jì)變量，并利用多島遺傳算法進(jìn)行車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)是可行的。該方法在保證剛、強(qiáng)度的前提下，使其減重11.6%，輕量化效果明顯，有效節(jié)約了的車架生產(chǎn)成本。該結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)于其它類型車架的輕量化研究具也有一定的參考價(jià)值。