集装箱半挂车车架结构拓扑优化设计(1)

车架优化

!""#年$月

农业机械学报

第%&卷第$期

集装箱半挂车车架结构拓扑优化设计!

石"琴"姚"成"马恒永

摘要"基+6+软件对某集装箱半挂车车架进行了结构拓扑优化设计!探讨了拓扑优化设计过程中"""!"用$S本结构建立#优化过程控制及优化结果分析与应用等问题"分析了$S+6+软件中有关拓扑优化函数的应用方法!实现了拓扑优化方法在汽车结构的初始设计过程中的应用!

关键词#集装箱半挂车"车架"结构分析"拓扑优化中图分类号#!!C"(!

文献标识码#$

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员的重视!连续体结构拓扑优化的优点是能在不知道结构拓扑形状的前提下"根据已知边界条件和载荷条件确定出较合理的结构形式"从而提出最佳形即选型状设计方案!因此在工程设计的初始阶段$设计%具有较大意义!

""引言

结构优化分为结构尺寸优化#结构形状优化和结构拓扑优化$布局优化%!结构尺寸优化技术已基本成熟"结构形状优化比结构尺寸优化困难一些"仍处于发展阶段"而结构拓扑优化在工程设计中尚处在探索性阶段!

由于结构拓扑优化在设计的初始阶段即被引与结构尺寸优化和形状优化相比可以获得更大入"

的经济效益"因此该优化方法日益得到工程技术人

收稿日期&!""%#O

项目编号&N$#"%!%!原机械部教育司青年基金资助项目$

>"拓扑优化设计数学模型

>J>"优化方法的选择

目前常用的连续体结构的拓扑优化方法有&变厚度法#变密度法及均匀化方法!变厚度法的数学

石"琴"合肥工业大学机械与汽车工程学院"副教授"!%""&O"合肥市姚"成"合肥工业大学机械与汽车工程学院"硕士生马恒永"合肥工业大学机械与汽车工程学院"教授

万方数据　

车架优化

"第$期

石琴等*

集装箱半挂车车架结构拓扑优化设计

UU

模型简单!但优化对象受到很大的限制"变密度法是人为建立一种材料密度与材料特性之间的关系!拓拓扑优化计算以后得到单元的密度值为"或$!

$!!$

扑优化结构比较清晰#"均匀化方法是假设一种微结构单胞!在这一微结构基础上建立材料密度与材料特性之间的关系"拓扑优化后!单元的密度值得到的是一种比较模是介于"+$之间的连续值!

糊的拓扑结构"最优拓扑结构形式只考虑到结构的强度!结构的设计还需要满足制造工艺%装配关系等设计要求!人们需要在拓扑优化的基础上进行结构((结构初始体积P(

((有体积力作用的体积域.(

((有面积力作用的边界域/(

在上述优化模型中!式&以结构的总柔顺性%’最小作为优化目标!以微结构的单胞尺寸*为优化根据虚功原理!以结构的设计变量)约束条件式&’’静力平衡作为约束条件)约束条件式&考虑到优#’化后的体积一定不大于初始体积"

?"车架结构拓扑优化设计

设计!模糊的拓扑结构提供一个取值范围!更利于后续设计"

J?"均匀化方法的数学模型

均匀化方法的基本思想是在组成拓扑结构的材料中引入微结构的单胞&图$’!优化过程中以微结构的单胞尺寸*为拓扑设计变量!以单胞尺寸的消长实现微结构的增删!并产生由中间尺图$"微结构的单胞

寸单胞构成的复合材料!&单位细胞’

以拓展设计空间!从而实)/(

H$"!’/=A*BB,@*4/’现结构拓扑优化模型与

=D*D&J&(

*’/e-=/&’J*=D&4尺寸优化模型的统一和连续化#

%$"微结构单胞的密度为

-D!

*F*!

&$’假设材料的特性为

^+I[;&*’D-!^"

&!’

式中"^"(((实际使用材料的材料特性

!(((待定系数!!2$

均匀化方法的优化模型为#

%$

J/’;&-’D’>-4.E4-4/

’

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&%/

约束条件为

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^+I[;&*’&+I&

-’&[;&0’4.&’’.

和

’

-4.1P&#’

.

式中";&-’

(((结构柔顺度;&0’

(((结构所受到的等效体积力和边界载荷在虚位移0上所作的虚功>%4(((结构受到的等效体积力和边界载荷-%0(((节点位移和虚位移&+I&

-’%&[;&0’(((节点位移-引起的应变和万　方数据虚位移0引起的虚应变

一般集装箱运输车的类型有以下’种*普通载货汽车%半挂汽车列车%全挂汽车列车%双挂组合汽车列车等"本文研究半挂汽车列车形式的结构设计问题!考虑到该产品不仅仅从事集装箱运输!必要时还作为平板车使用!因此!在基本结构的基础上!需要添加必要的横梁和边梁!并铺上钢板"在满足装配和使用性能要求的基础上!合理选择横梁的数量%布置横梁的位置!则是拓扑优化的目的和任务"?J>"基本结构

所谓基本结构就是优化前的初始结构"基本结

构应该既符合受力%支撑等特点!又便于优化计算"通过对集装箱半挂车车架的结构分析!根据产品的结构特点!将以下部件定为非优化部分*前%后横梁!中间锁固梁!悬架吊耳位置的横梁!主纵梁!边梁及牵引销板"将拓扑优化的基本结构选为图!的形式!其中黑色区域在拓扑优化时将被指定为不优化

区域!灰色为优化区域"

图!"拓扑优化基本结构

)/(H!"#C/(/’-B@=C,A=,C*>&C=&7&B&(14*@/(

’?J?"车架结构拓扑优化设计有限元模型

?J?J>"单元类型的选择

根据$S+6+中对拓扑优化设计的单元性质的设定!采用壳单元作为基本结构!其优点如下*0采用壳单元!比采用实体单元的节点数有明显的减少!将大大缩短计算时间"1为了使得到的拓扑优化结果便于抽象出清晰明确的结构!必须不断地调整初始优化基本结构!采用壳单元比采用实体单元方便得多"2采用壳单元!拓扑结果云图观察比较直观和清晰"

基于此!选用$S+6+提供的+IL88

O%单元&如图%所示’"该单元是一种N节点&’个角节点和’个中节点’的曲壳单元!单元的每个节点具有&

>

车架优化

UR

农"业"机"械"学"报!""#年

"

个自由度!即%个位移自由度和%个转动自由度"?J?J?"拓扑优化单元常

数及设定基于$S+6+程序的缺省规定!只有类型号被

O%单元模型IL88指定为$的单元才能做拓图%"+

时出现错误信息"在明确优化问题和定义了拓扑优化函数之后!需要为优化计算过程选择合适的求解方法"$S即选+6+为用户提供了两种优化算法!择优化判据法&和序贯凸函数寻优法&"#0’+0:’选择方法的原则是(以体积作为约束的问题选择#0方法#+0:方法用于所有合法的目标函数和约

束条件的组合"如在第二步中将函数Q定义为拓扑优化目标函数!将函数M#8!2L定义为约束条件!应选择#即执行命令(0方法!5#56:L!#0"

&5#%L)!5#8##:’’’执行优化迭代&

扑优化"这样!在进行优化计算时可以运用此规则

)/H%"!’/=J&4-B(

O%&>+IL88

来控制模型中的优化与不优化部分"对于不参加优化的结构部分!将其单元类型号指定为!或更大数值#而需要通过拓扑优化计算来确定布置形式的区域!将其单元号指定为$"同时为忠实于实际结构和功能!还应把一些实常数赋给单元!见表$"

表>"拓扑优化特性参数

@#;A>"O#1#+0/01&)(1/(,($(-%20&’-"单元类型单元实常数弹性模量材料密度$JJ$泊松比2:-$G(

%JcYU号单元dRWUgUQd

QWYbWVgUQY

R号单元

XQ

RWUgUQ

dQWY

bWVgUQ

YJ?JD"拓扑优化边界条件

&$’位移边界条件(在前’个吊耳位置各选取一个节点约束其H向自由度!

在!个后吊耳位置各选取一个节点约束其%个位移方向自由度!在牵引销板位置选取一个节点约束其H向自由度"

&!’载荷边界条件(

通过计算发现!各种配件和护栏对结果的影响甚微!因此不考虑它们的作用"这样只考虑集装箱的作用!并将其重量按均布面载荷加在车架的上表面"

JD"拓扑优化定义和拓扑优化过程控制

拓扑优化过程包括(定义优化函数)定义目标函数和约束条件)初始优化过程以及执行拓扑优化"

&$’定义优化函数&

5#)PL‘!5#0#2:’$S+6+提供两种类型的拓扑优化!即以线性静力结构分析为基础的拓扑优化和以结构固有频率分析为基础的拓扑优化"本文采用的是以线性静力结构分析为基础的拓扑优化"

&!’定义目标函数和约束条件&

5#M$P’在优化前必须先定义拓扑优化的目标函数!再定义约束条件"$S+6+为用户缺省定义了一个拓扑函数M#8!2L&表示总体积函数’!这样加上自定义的函数Q!

就得到两个拓扑函数"&%’求解和优化过程初始化&

5#56:L’在定义了优化问题之后!必须在拓扑优化之前

对问题进行求解万　方数据!否则可能在进行第一次优化迭代

在完成以上%个步骤以后!

就可以执行优化迭代计算"实际操作中既可以先执行一次迭代&如5#L.L!$("%F’’

!也可以自动执行多次迭代&如5#8##:!%"!$’"两者的区别是(5#L.L命令允许用户设计自己的优化迭代宏进行自动优化循环和绘图!而5#8##:命令实际上是一个$S+6+缺省的优化迭代宏!不便于用户控制"优化迭代的收敛公差设定为"("""$&缺省值’!优化迭代次数指定为%"次"

JE"拓扑优化结果的处理及分析

JEJ>"优化结果的处理

$S+6+拓扑优化的结果输出为密度云图和节点密度值!因此可以通过两种方法对拓扑优化结果进行处理!即对节点密度值进行数值处理和对密度云图进行数字图像处理"本文采用对节点密度值进行数值处理的方法"

密度云图的右边给出了拓扑优化设计变量密度值的对比尺度!密度值为$的位置对应密度图上的红色区域!表示进行结构设计时该处应该布置结构!密度值为"(""$的位置对应密度图上的蓝色区域!表示进行结构设计时该处不需布置结构"以上是两类极限情况!还有一些介于两值之间的颜色区域!应当进行一些必要的处理!将其归入到两类之中去"本文采取的方法是取一个阈值[!在进行密度云图显示时!当密度值-3[处不显示!只有当-2[处的密度云图才显示!这种方法是一种比较简单的方法!也是比较容易实现的!但这种方法的阈值选取的人为性较大"还有一种比较可行的办法就是先对结果密度值进行线性变换!然后再对变换的结果进行以上的归类处理"JEJ?"车架拓扑优化结果分析

取阈值[]"(!"密度值小于"(!的区域为以后抽象新结构时的无材料分布区域!密度值大于

(!的区域为有材料区域!

处理后的结果如图’所示"黑色部分为有材料区域!白色部分为无材料区域"

最优拓扑结构形式只考虑到结构的强度!结构

!下转第>P页"

???"??

车架优化

"第$期张泰等+汽车液力变矩器与$25

共同工作时的换挡规律

Ub

%

击度很小#相同条件下冲击度ID’#远远$(#’&J@

小于$25换挡过程产生的冲击度(同时在正常行驶过程中还能吸收因发动机节气门抖动和路面状况变化引起的振动和冲击#这样不但有利于提高车辆上各零部件的使用寿命#而且还提高了乘车舒适性#因而50与$25共同工作的平顺性比$25汽车的平顺性要好得多’

E"结束语

根据对50"$25换挡规律的研究和所建立的发动机与液力变矩器共同工作合理匹配且液力变

图O"$25与50"$25换挡冲击度曲线

O"+D/>=@D&AG4*C**&>$25-’450"$25)/H((

!""-$25"!E50"$25

%

时#冲击度IDO#满足小于许用冲击度$("!!J@

%

%要求’$D$"J@I&

矩器最大效率时$25的换挡规律#以冲击度为约束条件#以发动机与液力变矩器最佳匹配和离合器结合速度最快为优化目标#对汽车起步)换挡过程进行综合控制#所进行的试验证明#对于具有50"

按液力变矩器最$25自动变速性能的汽车而言#

大效率工况时换挡规律进行换挡#不仅满足了乘车舒适性的要求#而且在满足最佳燃油经济性条件下#使得不同挡位时的驱动力达到最大***即良好的动力性’

文

献

与5由于液0"$25共同工作换挡过程相比#力变矩器具有自动适应性#能自动适应$25换挡

前后因速比的改变而引起的涡轮轴上阻力及转速的变化#因而吸收了$25换挡引起的冲击#产生的冲"""

参

考

车辆自动变速理论与设计H北京+机械工业出版社#$"葛安林H$OO%H

刘瑞桢#杨祖樱H掌握和精通2$北京+北京航空航天大学出版社#!"张志涌#$OOOH58$_H

+葛安林#郭立书等H改善车辆起步换挡品质提高乘车舒适性的研究H农业机械学报#%"张泰#!""%#%’!$"$N+!’微型计算机控制技术H北京+机械工业出版社#’"赖寿宏H$OOCH

444444444444444444444444444444444444444444444

!上接第>?页"

的设计还需要满足制造工艺)装配关系等设计要求#需要在拓扑优化的基础上进行结构设计’在满足设计要求的基础上#根据密度云图#尽可能将横梁布置在密度值高的范围内’在得到结构的初步设计参数

’&

’模型后#还需要进行进一步的结构参数优化%

D"结论

!$"半挂车上的横梁应当集中布置的区域为+

牵引销板后部附近区域以及悬架后吊耳后部区域’悬架前吊!!"半挂车车架上应加强的区域为+

耳前部的附近区域的纵梁应当进行加强#中间锁固梁前的纵梁应当加强’

!%"牵引销板之后与中间锁固梁之前区域的边横梁对结构起到了加强作用(中横梁的数量应当比边横梁数多#或不布置中横梁的位置均需布置边横

图’"拓扑优化处理后的结构

梁’

参

考

文

献

’"+)/H=C,A=,C*&>=D*=&&B&*@/’(7(14(

%硕士学位论文&合肥工业大学#$"姚成H专用汽车结构拓扑优化设计及其强度分析+!""!HH合肥+%博士学位论文&大连理工大学#!"张东旭H连续体结构拓扑优化及形状优化若干问题+$OO!HH大连+

#@##%"2-C=/’:_*’4@&*H#=/J/e-=/&’&>@=C,A=,C-B=&&B&D-*-’4J-=*C/-BH+C/’*CFM*CB-_*CB/’I*/4*BE*C77(177(((

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%硕士学位论文&合肥工业大学#’"钱德猛!""!HH汽车结构参数优化设计的初步研究+H合肥+万方数据　

车架优化

集装箱半挂车车架结构拓扑优化设计

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

石琴， 姚成， 马恒永

石琴(合肥工业大学机械与汽车工程学院,副教授,230069,合肥市)， 姚成(合肥工业大学机械与汽车工程学院,硕士生)， 马恒永(合肥工业大学机械与汽车工程学院,教授)农业机械学报

TRANSACTIONS OF THE CHINESE SOCIETY FOR AGRICULTURAL MACHINERY2005,36(1)12次

参考文献(4条)

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3.Martin P Bendsoe Optimization of structural topology 19954.钱德猛 汽车结构参数优化设计的初步研究[学位论文] 2002

引证文献(12条)

1.赵红伟.陈潇凯.林逸 电动汽车动力电池仓拓扑优化[期刊论文]-吉林大学学报（工学版） 2009(4)2.范文杰.范子杰.苏瑞意 汽车车架结构多目标拓扑优化方法研究[期刊论文]-中国机械工程 2008(12)3.周向阳.陈立平.黄正东 基于SIMP和SSV的结构与支撑拓扑优化设计[期刊论文]-农业机械学报 2008(6)4.龙凯.左正兴 基于拓扑优化和形状优化方法的主轴承盖结构设计[期刊论文]-农业机械学报 2008(4)5.周向阳.陈立平.黄正东 连续体结构与支撑综合拓扑优化设计方法[期刊论文]-农业机械学报 2008(4)6.张向宇.熊计.郝锌.赖人铭 基于ANSYS的加工中心滑座的拓扑优化设计[期刊论文]-现代制造工程 2008(2)7.王学文.杨兆建.段雷 ANSYS优化设计若干问题探讨[期刊论文]-塑性工程学报 2007(6)8.龙凯.覃文洁.左正兴 基于拓扑优化方法的牵引车车架优化设计[期刊论文]-机械设计 2007(6)9.刘玉春 协同优化在矿用自卸车总体设计中的应用[学位论文]博士 200710.孙德新.游敏.李智 单搭接胶接接头的拓扑优化[期刊论文]-弹性体 2006(1)

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本文链接：/Periodical_nyjxxb200501003.aspx

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