新材料与工艺手册

[轻量化半挂车] 自行式挂车车架结构的设计与优化

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发表于 2012-8-27 19:59:22 | 显示全部楼层 |阅读模式

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一 引言
目前,同内对汽车车架的设汁与研究已经从主要依靠传统的经验分析设汁方法逐渐发展到有限元等现代设计方法,但是尚未像汽车整车和主要零部件的参数确定那样广泛应用优化设计方法。所以汽车车架结构参数化设计与优化仍是近些年的重要研究领域[1]。本文运用有限元法结合参数化建模,实现了车架结构的整体刚度和应力分析及优化设计。首先,运用参数化建模得到四轴线自行式挂车车架的概念化设计,然后采用有限元法对车架进行静载荷工况的强度、刚度分析,计算出整个车架的载荷和应力分布,进而以车架的质量为目标,对车架进行了参数化模型的结构优化,得到了满足结构强度的最佳方案。

二 车架参数化模型

自行式挂车是目前国内外最先进的运输车辆。该车具有线控操作、全液压升降、自行式、可控全转向等功能。本文参考一些挂车车架的结构,并结合该车自身特点,综合考虑影响车架设计的因素,比如,载荷大小及其分布、各部件同车架的连接尺寸、各部件在车架上的布置情况、刚度情况、横梁与纵梁不同的连接方式对车架刚度和强度的影响、车架横向和纵向的可拼接性等等,初步建立车架参数化模型(如图1)。车架全长6 m,宽度3 m,它由主梁、横梁、支撑梁、前后边横梁、连接装置、支撑装置等组成。整车通过横梁间的支撑梁、悬架、轮轴和车轮传到地面。车架主梁、横梁、支撑梁和前后边横梁为箱形断面的焊接件,具有较大的抗扭刚度和较高的抗弯强度[2]。各支撑梁的下面连接转盘的悬架机构,以实现白行走挂车的全轮转向。横梁与纵梁的连接方式为分段焊接,横梁与纵梁上翼板和腹板连接如图2(a),支撑梁与横梁的连接方式为分段焊接,支撑梁与横梁上下翼板连接如图2(b)。
三 车架结构的有限元分析模型

3.1 模型的简化

由于整车的结构复杂,笔者根据具体情况对一些附属结构和工艺结构进行了简化:略去承受载荷比较小、对结构变形影响比较小的部件,如纵梁通孔上固定转向装置的结构件、纵向拼接的连接部件等。

3.2 结构离散化

车架主体是典型的薄壁结构,采用SHELL63板壳单元来离散整个车架结构,共得到38 913个板壳单元;支撑装置两端分别与纵梁和支撑梁连接的部件及平衡悬架的支座用SOI.ID45实体单元离散,共得到4 775个3D实体单元。



3.3 车架强度和刚度计算

车架的最大受载为其满足重量和自身及车架上各部件重量的总和。本车架最大承载按照100 t计算,载荷工况选取了两种[3]:弯曲工况,即汽车满载时在水平路面上行驶的情况,此时车架的变形主要发生在垂直方向;弯扭工况,即汽车满载在不平坦路面上行驶的情况,该工况下设第一桥左前轮悬空,其他各轮保持水平面状态不变。

图3是弯曲工况下车架的应力分布的计算结果,其最大应力发生在与车架边横梁相连的支撑梁上,最大应力σmax=100.458 MPa,车架材料为16Mn,屈服极限σs=340 MPa,如取安全系数n=2,则[σ]=170 MPa,故车架的强度是足够的。此时车架的最大位移数值为0.712 mm。
图4是弯扭飞:况下车架的应力分布的计算结果,其最大应力发生在与车架横梁与支撑梁的连接处,最大应力,,。=173.813 MPa,虽然drtna。>[,l但是除了局部应力较大外,其余部分应力水平并不高,结果还是合理的,局部需要改进。此时车架的最大位移数值为7.12 mm。
根据两种工况下车架的静力计算结果,车架整体的应力水平并不高,说明了设计的合理性,但有必要对车架结构的参数进行优化,从而达到节约材料、降低成本的目的。



四 车架优化设计模型

结合ANSYS所提供的优化设计方法及APDL。语言所具有的参数化分析功能,在强度分析的基础上可实现车架结构参数的优化设计。根据前面的静强度分析,由于支撑梁是相对比较薄弱的部分,所以将模型的纵梁和每段支撑梁之间都加了一块加强板,然后结合APDL。语言进行参数化建模与分析。

4.1 车架结构优化设计数学模型[4]

该优化模型以车架的总质量为目标函数,则优化设计的数学模型可表示为:
式中,n为车架不同板厚构件的总数;ti和Ai(i=1,2,…n)分别为第i个构件的板厚和相应的板面积;timin和timax为第i个板构件板厚的上下限值;W(x)为车架的总质量;ρ为材料密度;C1为强度约束,[σ]为最大应力限值;C2为刚度约束,[δ]为最大位移限值。

4.2 优化变量的选择

优化变量的选择就是选择设计变量、状态变量和目标函数。本文以纵梁、横梁、边横梁和支撑梁的厚度尺寸为设计变量,即x={t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,t8,t9,t10,t11,t12 }。各物理量所代表的具体含义见表1。状态变量是约束设计的数值,它是设计变量的函数,他们的函数关系通常不是显式的。在设计中有两个设计变量,强度状态变量和刚度状态变量。目标函数是要尽量减小的数值,他也是设计变量的函数,本设计以车架的质量为目标函数。

4.3 优化方法

ANSYS中有两种方法是可用的[5]:零阶方法和一阶方法。零阶方法是通用的方法,使用所有因变量(状态变量和目标函数)的逼近,可以有效地处理绝大多数的工程问题。一阶方法采用因变量的一阶偏导数,通过对目标函数逼近加罚函数的方法将问题转换为无约束的问题,在每次迭代中,计算梯度(用最大斜度法或共轭方向法)确定搜索方向,从而求得最小值,与零阶方法相比,优化精度更高,所以本文采用一阶方法。优化结果如表1所示。

五 优化结果与分析

由于ANSYS优化结果并不是整数,所以必须对其修改,修改同时也考虑了加工工艺的要求,最后结果如表l所示。

由表1可以看出:优化结果方案使车架的重量减轻了16.814%,达到了很好的轻量化效果;车架整体应力水平有所提高,但消除了局部应力,提高了材料的利用率;车架最大应力仍然小于16Mn的许用应力,优化是合理的。

六 车架的模态分析结果

前面仅仅对车架做了静态分析,但是优化以后,车架是否仍然满足动态的要求,我们对此有所怀疑。鉴于此对车架又做了动态的分析,结果如表2所示。
七 结论

采用壳单元和实体单元进行的车架有限元分析,不仅精度较高,而且可以有效的找到结构设计的薄弱环节,从而实现结构的改进,达到优化的目的。

通过优化设计使车架的质量减少了946.71kg,减重率达16.814%。优化后最大应力和最大位移均在许用值范围内,材料的潜力得到了发挥。动力分析表明,优化后结构的动力特性完全满足要求。

参考文献

1.赵 钱,钱德猛.基于ANSYS的汽车结构轻量化设计[J].农业机械学报,2005.6:12~15.
2.徐 达,蒋崇贤.专用汽车结构与设计[M].北京;北京理工大学出版社,1998.
3.刘齐茂.汽车车架的结构优化设计[J].机械设计与制造,2005.4(4):1~4.
4.刘惟信.机械最有化设计[M].北京:清华大学出版社,1994.
5.邵蕴秋.ANSYS 8.0有限元分析实例导航[M].北京;中国铁道出版社,2004.
6.廖伯瑜,周新民.现代机械动力学及其工程应用[M],北京:机械工业出版社,2003.8.
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