房車車架分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計 (共10頁)

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1、Vol 47 No. 2 Feb. 2019 第47卷第2期 林業(yè)機械與木工設備 2019 年 2 月 FORESTRY MACHINERY & WOODWORKING EQUIPMENT 研究與設計 房車車架分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計 何穎，王青春收稿日期:2018-11-12 第一作者簡介：何 穎(1994 -),女，碩士研究生，研究方向為汽車結(jié)構(gòu)輕量化,E-mail：heying@ bjfii. edu. cno 通訊作者：王青春(1969-),男，副教授，博士，主要研究方向為結(jié)構(gòu)力學性能分析與優(yōu)化設計，E-mail: wangqingchun@ bjfu. edu. cn

2、o ,王梓晴 (北京林業(yè)大學工學院?北京100083) 摘 要：以拖掛式房車為研究對象，利用Hyperworks系列軟件，建立其原始車架的有限元模型，并對其進 行了三種典型工況(彎曲工況、左輪懸空工況、右輪懸空工況)下的靜力學分析，發(fā)現(xiàn)原車架結(jié)構(gòu)有優(yōu)化的必 要。在概念設計階段重新對該房車車架進行設計，引入了拓撲優(yōu)化理論及方法，對其進行單工況和多工況的 拓撲優(yōu)化設計，得到了傳力路徑清晰、材料分布合理的拓撲優(yōu)化單元密度分布云圖。通過對拓撲優(yōu)化結(jié)果的 合理解讀以及對車架進行重構(gòu)和有限元分析，并將其與原始車架進行對比，顯示優(yōu)化后的車架性能有所提升， 滿足結(jié)構(gòu)剛強度要求，且質(zhì)量減輕13.4%,輕量

3、化效果明顯，可以為拖掛式房車車架的拓撲優(yōu)化設計提供 參考。 關(guān)鍵詞：拖掛式房車；車架；拓撲優(yōu)化；結(jié)構(gòu)優(yōu)化 中圖分類號：U463.32 文獻標識碼：A 文章編號：2095 -2953(2019)02-0035 -07 Analysis and Structural Optimization Design of a RV Frame HE Ying, WANG Qing-chun * , WANG Zi-qing (School of Technology, Beijing Forestry University, Beijingl000831China) Abstract: Tn t

4、his paper with towablc RVs as research object w a finite element model based on the original frame is established using Hyperworks series software,willi static analysis under three typical working conditions(bending condi? tion, left wheel hovering condition and right wheel hovering condition) carr

5、ied out, indicating the necessity to optimize the structure of the original frame. At the conceptual design stage, the frame was redesigned, with the theory and method of topological optimization introduced to optimize the frame under single and multiple working conditions. The topological optimiza

6、tion result,a contour plot of element density distribution of with a clear transmission path and obvious and reasonable material distribution, was obtained. By reasonably interpreting the results of topology optimization, the frame was reconstructed and analyzed with a finite element method? Compa

7、red with the original frame, the pcrfonnancc of the optimized frame was improved and met the structural stiffness and strength requirements, with the weight reduced by 13. 4% , noticeable lightweight effects obtained .which can provide reference for the topology optimization design of towable KV fr

8、ames. Key words: towable RV ； vehicle frame ； topology optimization ； structural optimization 第2期 何 穎,等:房車車架分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計 43 汽車輕址化不僅可以減少制造所需的材料以降 低制造成本，同時由丁?質(zhì)量的減輕還可以提高汽車 的經(jīng)濟性"卽。對于微型拖掛式房乍，輕址化還可 以更好地滿足發(fā)展和推廣的要求，增加允許托運的重址（如行李物品等）?有助于提升微型拖掛式房乍 的市場競爭力。隨著國內(nèi)房車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代化 房車的設計要求不斷提高⑷，利用現(xiàn)代的設計方法 進行車架的

9、輕量化設計尤為重要。 國內(nèi)生產(chǎn)的房車冇的是根據(jù)已冇乘用車車型的 底盤改裝而成?有的是根據(jù)經(jīng)驗設計而成，其往往會 導致車架局部剛度不足或部分結(jié)構(gòu)材料冗余。山于 房車內(nèi)部與普通車輛不同?通常有床、衣柜等家具.布 魁特殊，而且対已冇的車架進行改型往往會受限于冇 限的優(yōu)化空間?因此在尺寸、形狀上的優(yōu)化效果有限。 結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化的概念提出至今已有100多年. 近年來隨著計算機及軟件技術(shù)的發(fā)展?結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu) 化技術(shù)迅速應用丁各個工程領(lǐng)域?是輕址化的-種 行之冇效的方法‘ 61 o在汽車領(lǐng)域，當前國內(nèi)拓撲 優(yōu)化技術(shù)在客車、轎車、貨車車架上應用的較多。王 思祖等對全承載式客車車身進行了極限工況下的拓 撲優(yōu)化，

10、滿足強度和剛度要求,重構(gòu)后的新客車車身 結(jié)構(gòu)布局更加合理,輕量化效果顯著⑺；丁明亮等對 客車車身骨架先后進行了拓撲優(yōu)化和尺寸優(yōu)化?優(yōu) 化后的方案使骨架在質(zhì)戢減輕的同時保持了振動特 性，強度性能明顯改善⑻；解運等對某專用車輛進行 了單工況和多工況的拓撲優(yōu)化設計，設計出了一種 桁架式車架⑼；葛冬冬等基于Optistruct軟件對電動 汽車車身骨架進行拓撲優(yōu)化?得到的車身骨架結(jié)構(gòu) 優(yōu)化方案比優(yōu)化前的質(zhì)量減少18?96%3】；謝倫杰 等綜合考慮靜動態(tài)特性對電動汽車車身結(jié)構(gòu)進行了 多目標拓撲優(yōu)化;鄭文杰等采用拓撲優(yōu)化方法 對賽車車架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，重構(gòu)后進一步進行尺寸 優(yōu)化?優(yōu)化后的車架質(zhì)址減輕了 13.

11、5%,輕址化效果 明顯問，已在工程實車中應用;潘鋒等基于SIMP模 型和優(yōu)化準則的拓撲優(yōu)化方法對微型貨車車架的局 部結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化,減亞效果達到15. 63%*。在 房車車架方面，拓撲優(yōu)化技術(shù)應用較少。張櫓“對 某拖掛式房車車架進行了有限元分析?對原車架梁 的厚度進行了尺寸優(yōu)化?在滿足剛度、強度的條件下 比初始方案減輕&32%。在設計階段，引入拓撲優(yōu) 化理論和方法，可以適當提升車架力學性能?同時后 續(xù)可以進行尺寸優(yōu)化，達到更佳的輕址化效果。 本文以某型號的拖掛式房車為研究對象，對原 始車架進行了冇限元分析，發(fā)現(xiàn)原始車架的不足。 衣概念設計階段進行了單工況和多工況拓撲優(yōu)化設 計，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對

12、結(jié)構(gòu)傳力路徑做出評估，山此建 立滿足總體布置和實際行駛要求的車架結(jié)構(gòu)，并進 行了相應工況的有限元分析與原始乍架相對比。 1原始車架有限元分析 原車架由不同型號的矩形鋼管、方管、角鐵等薄 壁類冬件焊接而成?根據(jù)圖紙?建立原始車架的三維 模別?如圖1所示。車架主縱梁、前橫梁以及獨懸小梁 截面尺寸為70 mm x50 inm x3 mm,水箱懸吊橫梁、外 側(cè)橫縱梁等截面尺寸為40 min x20 inm x2 mm,前、 屮、后部橫梁等截面尺寸均為25 mm x25 mm x2 對各個結(jié)構(gòu)提取中面，并對一些對計算精度影響不大 的部分進行了簡化?并且不考慮懸架系統(tǒng)。 圖1原始車架三維模型 1

13、1車架網(wǎng)格劃分 在Hypermesh軟件中建立有限元模型。山于各 梁寬厚比大,因此采用殼單元建模,其在提高計算效 率的同時也能保證一定的精度用共節(jié)點的方 式模擬焊接?避免焊接部分因為剛性單元剛度過大 而導致應力失真引起的應力集中現(xiàn)象。乍架單元尺 寸約為20 mm,以四邊形單元為主，在局部難以實現(xiàn) 的地方可使用三角形單元總共得到47 017個單 元，經(jīng)單元質(zhì)鈕檢查?QI指數(shù)顯示單元質(zhì)量理想"網(wǎng) 格劃分局部如圖2所示。車架材料采用Q345,彈性 模量206 GPa,泊松比0.28,密度7. 85 g/cm3,屈服強 度為345 MPa?安全系數(shù)取1.5:,7J,計算出許用應力 值為 230 MP

14、ao 圖2網(wǎng)格劃分局部圖 圖3彎曲工況載荷和約束示意圖 對于彎曲工況，約束牽引架、乍架兩側(cè)懸架吊耳及乍 架與減震器連接處的6個自由度；對丁?左輪懸空工 況和右輪懸空T?況,約束牽引架的6個自由度，并分 別約束右側(cè)和左側(cè)懸架吊耳及車架減怠器連接處的 6個自由度，另一側(cè)約束x、y方向的平動白由度。 采用OptiStruct求解器進行分析,得到三種工況 下的應力云圖和變形云圖，如圖4 ~ 10所示。 Element SlresHes Analysis ylern Norcsult Displacemenl(Mag) Analysis system 12載荷和約束 在

15、房車實際拖掛行駛屮，主要承受彎曲工況和 扭轉(zhuǎn)工況。彎曲丄況模擬房車在滿載狀態(tài)下勻速行 駛的工況，扭轉(zhuǎn)工況模擬車輛滿載低速通過凹凸不 半路面時某輪懸空的工況”如。拖掛式房車僅有 三點支撐,在扭轉(zhuǎn)工況下，車身受到較大扭矩作用的 同時，乍身容易失穩(wěn)，這是最危險的工況之一。由于 房車內(nèi)布置不對稱，因此分開考慮左輪和右輪懸空 工況。 車架上承載的主要部件有水箱、床、木柜、工具 箱、乘客及車身等其他附件，采用均布載荷方式加于 車架相應位置上。同時在有限元模型上施加垂直方 向的重力加速度來模擬車架自重。彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種 典型工況下所承受的基本載荷一致，不同點在于對 于扭轉(zhuǎn)T.況，在懸空的一側(cè)額外施加懸架系統(tǒng)

16、的重 力。車架所受具體的載荷數(shù)值、加載方式以及對應 的工況見表1。 表1主要承載部件、加載方式 載荷名稱 質(zhì) #/kg 載荷/N 加載方式及位置 車架 99 970.2 重力卡片GRAV 水箱 82 804 均布載荷，水箱吊耳與橫梁連 （65 L滿載） 接處 床（包括 109 1 069 均布載荷，車架麗部相應橫、縱 床頭柜） 梁處 木柜 95 931 均布載荷?車架后部 工貝箱 及工具 35 340 均布載荷,車架前端縱梁連接處 乘客 65 *2 1 274 均布載荷?與床一起 附件及車 420 4 116 均布載荷

17、，與車身連接的縱梁、 身蒙皮等 主要橫梁處 輪胎和 獨立懸架 48 470 均布載荷，懸架吊耳及車架與 減震器連接處（左輪和右輪懸 空工況） E1.725E+O2 1.533E+02 1.34IE+02 -1.150E+02 —9.581E+01 —7.665E+01 町5.749E+01 t3?833E+()l 1.916E+01 7.033 E-08 Max=1.725E+02 2D 35184 Min=7.033E-0 2D 46878 圖4彎曲工況下應力云圖 E7.993E-F00 7.105E+00 6.217E400 —5.329E+OO —4.

18、441 E+00 汾 3.553E+OO 汾 2.664K+00 備、1.776E+00 參 8.882E-01 IL：0?000E+(X) Noresult Max=7.993E+00 Grids 38525 MinSOOOE+OO Grids 40788 圖5彎曲工況下變形云圖 圖6彎曲工況下局部應力云圖 對于彎曲工況，從應力分布來看,應力主要分布 在各橫梁與主縱梁的焊接處，大小在40 ~90 MPa之 間;在主縱梁的中部應力較人,最人應力在減壓器與 車架連接的橫梁,大小為172.5 MPa,在安全許用應 力范用內(nèi)；除上述位置?車架大部分位登的應

19、力都在 30 MPa以下。車架最大變形為7. 9 mm,位于車架右 后方，由于房車上主要的重物分布都在后部,口該位 置是車架尾部?離懸架支撐處較遠，因此變形較大. 此外其他位豐變形均在4 mm以下。 Corilour Plol Elemenl Stresses Analysis system E3.881E+02 3?45()E+()2 3.018E+02 —2.5B7E+02 i2」56E+()2 —1.725E+02 r 1.294E+02 f-8.624E+01 卜4.312E+0I * 6.440E-07 Noresull Contour Plol Displa

20、cernert(Mag) Analysis system .3141E+01 卜2.792 葉)1 纂2443E+01 —2.094E+0I 1.745E+0I 1.396E+01 1.047E+01 6.980E+00 3.490E+00 O.OOOE+OO NorcMull Max=3.881E+O2 2D 45771 Min=6.440E-07 2D 46880 圖10 右輪懸空工況下變形云圖 Max=3 ?⑷ E+01 Grids 39488 Min=0.000E+00 Grids 40788 圖7左輪懸空工況下應力云圖 Contour Plol Elem

21、enl Slresnes Analysis system E3.869E+02 3.439E+02 3.009E+02 2.579E+02 2.I45E+02 —1.719E+02 fl?290E+02 8.587E+01 4.299E+01 4.783E-07 Noresull Max=3.69E+()2 2D 43783 Min=4.783E-07 2D 46880 圖8左輪懸空工況下變形云圖 Contour Plol Displacernert(Mag) Analysis system E3.453E+01 3.069E+0I 2.868E+01 ^"2

22、.302E+01 1.918E+0I 1.535E+01 針1J51E+01 j*7.673E+00 |-3.837E+0() ■-0.000E+00 Noresull Max=3.453E+()1 Grids 38621 Min=0.0(X)E+00 Grids 41266 圖9右輪懸空工況下應力云圖 對于左輪懸空和右輪懸空工況?最大應力為 386.8 MPa和388. 0 MPa均岀現(xiàn)在懸架吊耳附近，超 出了車架材料的屈服強度，影響車架的使用壽命。 最大變形為31.4 nun和34.5 nmi?分別在乍架右后 部和左后部，比較危險。 總的來說，原車架應力分布不均勻

23、，在滿載時彎 曲工況的最大應力值未超過許用應力值?且大部分 結(jié)構(gòu)的應力水平相對于許用應力值還冇較人的安全 空間，車架結(jié)構(gòu)在彎曲工況下滿足強度要求?但扭轉(zhuǎn) 工況下較為危險?扭轉(zhuǎn)剛度需要提升?冇優(yōu)化的空間 和必要。 2房車車架拓撲優(yōu)化設計 2.1拓撲優(yōu)化數(shù)學模型 拓撲優(yōu)化方法是在給是的設計空間區(qū)域內(nèi)?在 一定的約束條件下尋找材料的最佳分布，從而達到 設計冃的的一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，其包含的三要素為 設計變量、約束條件以及目標函數(shù)⑺⑵。本文以單 元材料密度為設計變量，約朿條件為30%的休積分 數(shù)?即保證優(yōu)化的結(jié)果最多不得超過原始體積的 30%,冃標為柔度最小化。構(gòu)造單工況下的拓撲優(yōu) 化數(shù)學模型如下

24、： min （幾）=〃卩=工（P”）仏％od es 1 5.1. KU = F V N 即4W?3% OWQninW幾 W1 其中,C為結(jié)構(gòu)柔度4為單元材料密度，U為位 移矩陣?K為優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)總剛度矩陣?F為力列向 量?心為位移單元列向拭上0為結(jié)構(gòu)初始單元剛度矩 陣，玖為單元體積,N為單元總數(shù)。

25、 2.2車架拓撲優(yōu)化設計 在概念設計階段，根據(jù)已經(jīng)確定的房車總體布 置和車身造型，選取盡可能大的區(qū)域作為優(yōu)化空間, 充分挖掘優(yōu)化潛力。因此考慮房車的主要布置特點 和安裝等實際要求,將梯形牽引架、底面、車身側(cè)圍、 弧形頂面確定為設計空間，并去除懸架系統(tǒng)、車輪、 車窗、門框等安放位置。 在Hypcnncsh軟件中采用殼單元劃分網(wǎng)格，調(diào) 整網(wǎng)格疏密程度，將承載和安裝部位附近沒置單元 人小為10 mm,其余部位則設置為20 mm。經(jīng)quality index功能檢査無誤后得到的模型共冇單元99 310 個，節(jié)點99 731個。車身拓撲優(yōu)化空間如圖11 所示。 圖n車身拓

26、撲優(yōu)化空間 木柜 \ X I集屮載荷I 丁飜笄朋荷I 圖12拓撲優(yōu)化載荷和約束示意圖 2. 2. 1 優(yōu)化工況載荷和約束 考慮車架實際行駛工況，包括彎曲工況和扭轉(zhuǎn) 工況?由前一節(jié)可以看出，右輪懸空工況比左輪懸空 工況更為惡劣，因此扭轉(zhuǎn)工況僅考慮右輪懸空。根 據(jù)上一節(jié)中車架載荷，選擇主要承載部件，將工具箱 及T.具、水箱、吊柜以集中載荷的形式分別施丿川于牽 引架后部、車身底部，以及車身側(cè)圍對應的位臂，床、 木柜則以均布載荷的形式分別施加載于乍身底部、 前部和后部。 同時,在輪轂中心與車身以rbe2單元模擬連接 關(guān)系，約束輪轂中心的自由度。對于彎曲工況，約束 牽引架前

27、端、左輪、右輪的xyz平動白由度;對于右輪 懸空工況，約束牽引架麗端、左輪的xyz平動自由度, 放開右輪自山度，同時施加大小為470 N的簧下 載荷。 2. 2. 2優(yōu)化參數(shù) 優(yōu)化參數(shù)的設直是否合適對于能否獲得消晰能 辨的優(yōu)化方案十分重要，經(jīng)試算后，設垃最小成員尺 寸M1ND1M為60 mm,最大成員尺寸MAXDIM為 180 mg棋盤格參數(shù)CHECKER和離散參數(shù)DISCRETE 分別為1和2。 2. 2.3 單工況優(yōu)化結(jié)果 利用Oplislrucl求解器對房車進行彎曲工況和右 輪懸空工況下的拓撲優(yōu)化分析，經(jīng)過60次和49次 迭代計算后，冃標函數(shù)收斂。優(yōu)化后各單工況的單 元材料密度

28、分布云圖如圖13、圖14所示。 圖13彎曲工況(0?49) 圖14右輪懸空工況(0?54) 從圖中可以看出，材料密度分布云圖能夠清晰 地顯示出載荷的傳遞路徑，兩個工況的材料分布略 有差異，結(jié)果與實際情況也比較吻合。 2. 2.4 宵扭聯(lián)合工況優(yōu)化結(jié)果 在房車行駛過程中，通常會遇到多個復雜工況, 為了充分考慮到各個工況對應的結(jié)構(gòu)特點，構(gòu)建更 為合理的結(jié)構(gòu)，綜合彎曲和扭轉(zhuǎn)工況進行多工況拓 撲優(yōu)化分析。建立多工況拓撲優(yōu)化模型的載荷和約 束與各對應單工況-?致，采用折衷規(guī)劃法，將彎曲和 扭轉(zhuǎn)丁況取相同權(quán)吐,并根據(jù)各單工況拓撲優(yōu)化結(jié) 果設垃對應的柔度參考值。 經(jīng)57次迭代?

29、目標函數(shù)開始收斂，柔度與迭代 次數(shù)的關(guān)系曲線和材料密度分布云圖如圖15、圖16 所示。 以保證彎曲剛度，需要在牽引架處增加斜槨以及靠 近車架中部的區(qū)域增加若干橫梁以提高扭轉(zhuǎn)剛度, 拓撲優(yōu)化的結(jié)果町以為后期車架的巫新設計提供 參考。 3車架重構(gòu)設計與對比分析 3.1車架結(jié)構(gòu)設計與有限元建模 根據(jù)對多工況拓撲優(yōu)化的結(jié)果解讀?考慮加工 制造等條件，同時為了便于快速修改及對比，在Hy? permesh中用梁單元進行重構(gòu)，單元大小為10 mm, 單元數(shù)冃為2 931,節(jié)點數(shù)冃為2 915個,材料仍使用 Q345。新車架模型如圖17所示。橫縱梁矩形管型 號與原始車架一致，兩個主縱梁的截面尺寸為 7

30、0 mm x50 mm x3 mm,第一橫梁及牽引架斜撐的截 面尺寸為25 mmx25 mm x2 mm,其余橫梁及中部縱 梁的截面尺寸為40 mm x20 mm x 2 mrno 迭代次數(shù)/次 圖17新車架 圖15迭代優(yōu)化曲線 圖16彎扭聯(lián)合工況下材料密度分布云圖（0?49） 從圖中可以看出，多工況拓撲優(yōu)化后載荷傳遞 路徑明顯，較好地綜合了單工況拓撲優(yōu)化結(jié)果的特 點，但體現(xiàn)出扭轉(zhuǎn)工況主導型，整體結(jié)果較為合理C 材料主要分布在車身底部以及牽引架，車身麗部、側(cè) 圍和頂面材料分布不多。千架需要至少冇兩個縱

31、梁 3.2各工況有限元分析 對其進行彎曲工況、左輪懸空工況和右輪懸空 工況下的力學分析。各工況施加的載荷人小和約束 方式與原始車架一致。彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下新車架與 原車架的強度分析對比見表2。 表2新車架與原車架強度分析對比 工況 類別 新車架 原車架 對比 最大應力/MPa 156.7 172.5 -9.2% 彎曲工況 9.5 7.9 20.3% 最大應力/MPa 340.6 386.8 -11.9% 左輪懸空工況 最人儀移/mm 29.9 31.4 -4. 8% 圮大應力/MPd 345.5 38& 1

32、 -11.0% 右輪懸空工況 最大位移/mm 26.6 34.5 -22.9% 由表2可知，新車架各個工況下的最大應力都 有很大程度的降低，彎曲工況下的最大位移有所增 加,但總體來說性能得到了改善，且重構(gòu)后的新車架 遠世為7& 8kg,比原始乍架(對應同等情況下除懸架 吊耳、水箱吊耳、支撐架等91.0 kg)減重12.2 kg, 重效果約為13.4%,輕就化效果明顯。 4結(jié)論 本文以拖掛式房車為研究對象，采用Hyper- works系列軟件,對原始車架進行了三種典型工況下 的有限元分析。引入拓撲優(yōu)化方法對其進行了彎曲 工況、扭轉(zhuǎn)工況以及彎扭聯(lián)合工況的優(yōu)化設計，得到

33、 了傳力路徑清晰、材料分布合理的拓撲優(yōu)化單元密 度分布云圖，通過對拓撲優(yōu)化結(jié)果的合理解讀，對車 架進行了重構(gòu)和冇限元分析，在最大應力、最大變形 以及重址等方面與原始車架進行了對比，結(jié)果顯示, 優(yōu)化后的乍架性能冇所提升，質(zhì)戢減輕/ 13.4%,輕 量化效果明顯，為以后進一步設計承載式車身及尺 寸優(yōu)化更定了良好的基礎 參考文獻： [1]蘇瑞意，桂良進,吳章斌?等?大客車車身骨架多學科協(xié)同優(yōu)化 設計[J].機械工程學報,2010.46(18) ：128 - 133. 12]范子杰，桂良進,蘇瑞意?汽車輕帚化技術(shù)的研究與進展[J]?汽 車安全與節(jié)能學報,2014,5( 1)：1 -16. [3]

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