基于参数最优化的车架轻量化设计

基于参数化模型的小型电动车全铝框架车身结构轻量化设计近些年来,我国新能源汽车蓬勃发展,然而电池技术限制了电动车的续航里程,此时轻量化设计对电动车的续航能力有着更重要的影响。

以铝合金为主的轻合金挤压型材和板材越来越多的应用到汽车当中。

考虑到电动车整体的布置形式和以型材为主的车身框架结构不同于燃油车,在车身结构设计与优化方面也应有单独的方法与流程。

本文对小型电动车铝合金框架式车身结构进行了初始设计并基于参数化模型轻量化优化设计,具体内容如下:根据小型电动车的结构尺寸以及车身结构常用型材的材料与截面形状,建立初始化小型电动车框架式车身结构以及有限元模型并进行仿真计算得到初始结构的弯曲刚度、扭转刚度和模态性能,与对标车和目标值进行对比;利用参数化建模软件SFE CONCEPT建立车身框架部分的参数化模型,通过与有限元模型的仿真结果和实际框架车身试验结果进行对比,验证了参数化模型的可靠性,为后续的参数化优化做好基础。

综合外形尺寸、底盘及其他相关布置,同时考虑7种工况,基于折衷规划法以柔度最小为目标对车身结构进行拓扑优化。

参考拓扑优化结果和前期仿真分析数据,在初始车身结构基础上改进设计。

建立改进后车身结构的参数化模型,并对快速生成的有限元模型进行基础性能的仿真计算,与初始车身结构相比各项性能有了较大改善并高于目标值。

在改进的车身结构参数化模型中,先选取包括厚度、位置和截面三大类共计56个参数作为初始设计变量,对三类设计变量分别进行正交试验设计,并在ISIGHT中建立集成SFE CONCEPT和求解器等模块的自动分析流程中计算各试验样本,通过综合分析各变量对响应的贡献度和主效应,筛选出20个具有优化潜力的设计变量。

利用优化拉丁方试验设计方法进行130次试验设计,根据样本点数据建立不同近似模型来表示变量与响应之间的关系。

最终通过精度对比,选用响应面近似模型代替仿真模型,采用NSGA-Ⅱ多目标优化算法,以质量最小和弯扭刚度最大为目标对车身结构进行多目标优化。

轿车悬架控制臂参数化建模及轻量化多目标优化设计车辆悬架是车辆重要的组成部分之一，直接关系到车辆的行驶性能和舒适性。

悬架控制臂作为悬架系统的重要部件，其参数设计对车辆的转向稳定性、抗疲劳能力、通过性等方面有着很大影响。

为了提高轿车的性能与可靠性，轿车悬架控制臂的参数化建模和轻量化多目标优化设计是必不可少的步骤。

首先，对于轿车悬架控制臂参数化建模，可以采用CAD建模软件进行完成。

具体的建模过程包括坐标系的设定、几何图形的建立及参数的提取等。

在建模时需考虑到悬架控制臂的结构特点以及设计要求，以确保建模结果准确可靠。

其次，针对轿车悬架控制臂的轻量化优化设计，可以采用拓扑优化技术。

具体做法是在前提满足轿车行驶稳定性的基础上，利用有限元分析软件对悬架控制臂进行力学仿真分析，获得载荷作用下的最大应力集中区域。

然后，设置拓扑域和拓扑分区，减少结构材料的使用量，同时保证结构刚度和强度要求。

最后再基于多目标优化理论，考虑在轿车悬架控制臂轻量化的基础上进一步优化转向稳定性和驾驶舒适性等方面的性能。

最后，轿车悬架控制臂参数化建模与轻量化多目标优化设计的实施，可以达到节省材料、减轻车重、提升性能和降低油耗等多重优势。

同时还可以有效控制车辆成本，提高车辆的市场竞争力。

因此，在轿车悬架系统的设计中，参数化建模与轻量化多目标优化设计的应用越来越受到车辆制造业和悬架系统制造公司的重视和推广。

在进行轿车悬架控制臂参数化建模和轻量化多目标优化设计时，还需要考虑一些关键因素。

首先需要考虑的是材料选择与性能设计。

轿车悬架控制臂所使用的材料不仅需要满足强度、刚度等基本要求，同时还需考虑其重量、成本等因素。

因此，在进行参数化建模和轻量化多目标优化设计时，需要根据材料的特性和特点进行合理的材料选择。

其次，在选定适当的材料后，需要进一步考虑材料的加工工艺以及成本等方面的因素。

针对这些因素，需要通过多方面的分析，优化材料性能与成本，以达到最优的效果。

Ｖ９０６８０‘西华大学硕士学位（毕业）论文题目：汽车车架的轻量化设计研究生指导教师：专、№研究方向：培养单位：论文起止日期曲昌荣巢凯年ｆ教授１车辆工程汽车陛能测试与分析西华大学２００５年５月至２００６年５月２。

６年５月西华人学硕十学位论文１．具有良好的图形用户接口（ＧｕＩ）（如图２ｌ所示）Ｆｉ醇．１ＧｕｌｏｆＡＮＳＹＳ例２．１ＡＮｓＹｓ软件图形用户界面通过ＧＵＩ可方便的交互访问程序的各种功能、命令、用户手册和参考材料，并可一步一步完成整个分析，因而使ＡＮＳＹｓ易于使用。

在用户接口中，ＡＮＳＹＳ程序提供了四种通用方法输入命令：菜单、对话框、工具杆、直接输入命令。

菜单出运行ＡＮＳＹＳ程序是相关的命令和功能组成，位于各自的窗口中，用户在任何时候均可用鼠标访问这些窗口，这些窗口也可用鼠标移动或隐去操作。

ＡＮＳＹＳ命令根据其功能分组，保证了用户快速访问到合适的命令。

２全交互式图形它是ＡＮＳＹｓ程序中不可分割的组成部分，图形对于校验前处理数据和在后处理中检查求解结果都是非常重要的。

西华人学硕十学位论文Ｆｉ醇．３Ｇｅｏｍｅ廿ｉｃｍｏｄｅＩｏｆａｔｎＪｃｋ图２．３载货汽车车架的几何模型２．２．４模型的网格划分汽车的车架大多数是由薄壁型钢焊接和铆接而成，其中槽钢就是最常用的一种型钢，该货车也采用槽钢。

由于载荷常常不通过这些薄壁截面的弯曲中心，由材料力学可知，这些杆件不但要发生弯曲变形，而且还要发生扭转变型。

薄壁杆件抗扭的能力较差，当汽车在高低不平的路面上行驶时，必须考虑到杆件的扭转变型。

在建立板壳单元刚度矩阵时，板壳单元有三节点、四节点、六节点、八节点等几种类型的单元，由于货车车架纵梁和横梁均为平直的槽钢，故可以采用四节点和八节点单元，而八节点单元精度较高。

对于高次单元由于内部应力不是常量，可以较好的适应结构变化的应力场，用较少的单元可以得到较好的效果。

但是高次单元的刚度矩阵比较复杂，形成结构刚度矩阵要花很长的计算时间。

重型载重汽车车架轻量化设计研究一、概览重型载重汽车作为现代运输行业的重要支柱，其性能与效率直接影响到物流运输的成本与速度。

而车架作为重型载重汽车的核心部件，其重量不仅关系到整车的燃油经济性、动力性，还直接影响到汽车的安全性能。

车架轻量化设计成为提升重型载重汽车性能的重要途径，也是当前汽车制造业研究的热点之一。

车架轻量化设计的核心在于通过优化结构和材料选择，减轻车架的重量，同时保证车架的强度、刚度和耐久性。

这需要对车架的受力情况、材料性能以及制造工艺进行深入的研究和分析。

随着科学技术的不断进步，新型材料如高强度钢、铝合金、碳纤维复合材料等的应用为车架轻量化设计提供了更多的可能性。

在车架轻量化设计过程中，除了考虑材料的选用外，还需要对车架的结构进行优化设计。

通过合理的结构设计，可以减小车架的截面尺寸和厚度，进一步降低车架的重量。

还需要考虑车架与发动机、底盘等部件的连接方式和配合关系，确保整车的稳定性和安全性。

车架轻量化设计还需要考虑生产工艺和制造成本。

在满足性能要求的前提下，应尽量采用简单易行、成本较低的制造工艺和材料，以降低整车的生产成本，提高市场竞争力。

重型载重汽车车架轻量化设计是一个涉及材料、结构、工艺等多方面的复杂问题。

通过深入研究和分析，采用合理的设计方法和手段，可以实现车架的轻量化，提高重型载重汽车的性能和效率，为物流运输行业的发展做出贡献。

1. 重型载重汽车在社会经济中的地位与作用重型载重汽车作为道路交通的重要载体，在社会经济发展中占据着举足轻重的地位。

它们不仅是货物运输的主要工具，还是基础设施建设、物流运输、农业生产等领域不可或缺的力量。

随着全球经济一体化的加速推进，重型载重汽车的需求日益增长，对社会经济的发展起着重要的支撑作用。

重型载重汽车在货物运输中发挥着关键作用。

无论是长途运输还是短途配送，重型载重汽车都能以其强大的承载能力和稳定的性能，确保货物安全、高效地到达目的地。

在国际贸易中，重型载重汽车更是扮演着重要角色，它们穿梭于世界各地的港口、仓库和物流中心，将货物运送到各个角落，为国际贸易的繁荣做出了巨大贡献。

利用有限元分析优化摩托车车架设计摩托车是一种广泛使用的交通工具，其车架设计对于车辆性能和安全性至关重要。

在设计摩托车车架时，有限元分析是一种常用的工具，它可以对车架进行结构优化，提高其刚性和轻量化程度。

本文将通过有限元分析，探讨如何优化摩托车车架设计。

首先，需要明确的是，在摩托车车架设计中，刚性和轻量化是两个主要的优化目标。

刚性对于提升车辆的稳定性和操控性至关重要，而轻量化则可以提高车辆的燃油效率和加速性能。

因此，在设计摩托车车架时，需要在保证刚性的前提下，力求减少其重量。

有限元分析是一种基于数值计算方法的结构分析技术，在摩托车车架设计中能够有效地模拟和分析不同载荷情况下的应力分布和变形情况。

通过有限元分析，设计师能够得到车架的应力云图和变形云图，进而找到薄弱部位和应力集中区域，从而为优化设计提供依据。

在开始有限元分析之前，首先需要进行几何建模。

通过计算机辅助设计（CAD）软件，可以根据摩托车的整体尺寸和排列来创建车架的三维模型。

在建模过程中，需要考虑摩托车的整体结构和连接方式，以保证良好的刚性和稳定性。

接下来，需要定义材料特性和加载条件。

摩托车车架通常由金属材料制成，如高强度钢或铝合金。

在有限元分析中，需要输入材料的弹性模量、泊松比和屈服强度等参数，以便对车架的应力和变形进行计算。

同时，还需要根据实际使用情况确定载荷类型和大小，包括行驶载荷、制动载荷和悬挂系统载荷等。

完成建模和加载条件之后，将模型导入有限元分析软件中进行计算。

有限元分析软件将模型划分成许多小元素，根据材料和载荷条件，计算每个元素的应力和变形。

然后，通过元素的连接关系和应力传递规律，计算整个车架的应力和变形情况。

通过有限元分析，可以得到车架的应力云图和变形云图。

应力云图用彩色表示不同部位的应力大小，通过对比云图，可以找到应力集中区域和薄弱部位。

变形云图则用于确定车架在各个载荷下的变形情况，从而评估其刚性和稳定性。

在了解了车架的应力和变形情况之后，可以根据实际需求进行优化设计。

的损伤扩展过程并获得其最终拉伸强度㊂(2)外接补片造成局部应力集中,使母板在受力方向上外加补片前端90°与±45°层提前破坏,造成修理结构整体刚度降低㊂(3)二次固化界面为湿法修理的薄弱区,开胶后,整个结构迅速失去承载能力㊂(4)实际修理设计中需根据待修理结构选用适当打磨角,当损伤面积相对母体结构较小时,建议选用可操作最小角度,但当损伤面积相对较大时,需进行设计分析,以使修补后强度恢复到最高㊂参考文献:[1] 田秀云,杜洪增.复合材料结构及维修[M].北京:中国民航出版社,1996.[2] 陈绍杰.复合材料结构修理指南[M].北京:航空工业出版社,2001.[3] A d k i n sD W,P i p e sRB.P l a n a r S c a r f J o i n t s i nC o m-p o s i t eR e p a i r[J].I C C M/2,1978,16(4):1200‐1210.[4] H a r m a nAB,W a n g C H.I m p r o v e dD e s i g nM e t h o d sf o r S c a r fR e p a i r s t oH igh l y S t r ai n e dC o m p o s i t eA i r-c r a f tS t r u c t u r e[J].C o m p o s i t eS t r u c t u r e s,2006,75(1):132‐144.[5] W a n g C H,G u n n i o nAJ.O n t h eD e s i g nM e t h o d o l o-g y o fS c a r f R e p a i r st o C o m p o s i t e L a m i n a t e s[J].C o m p o s i t e sS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y,2008,68(1):35‐46.[6] C h o uSP.F i n i t eE l e m e n tA p p l i c a t i o nf o rS t r e n g t hA n a l y s i so fS c a r f‐p a t c h‐r e p a i r e dC o m p o s i t eL a m i-n a t e s[D].W i c h i t a:W i c h i t aS t a t eU n i v e r s i t y,2006.[7] S o u t i sC,H uFZ.A3‐D F a i l u r eA n a l y s i so fS c a r fP a t c h R e p a i r e d C F R P P l a t e s[D].N e w Y o r k:A m e r i c a nI n s t i t u t e o f A e r o n a u t i c sa n d A s t r o n a u-t i c s,1998.[8] C o o kB M.E x p e r i m e n t a t i o na n d A n a l y s i so fC o m-p o s i t eS c a r fJ o i n t[R].A i r F o r c eI n s t.o f T e c h.W r i g h t‐p a t t e r o nA i rF o r c eB a s e,i o:D e p t.o fA e r o-n a u t i c s a n dA s t r o n a u t i c s,2005.[9] R i d h aM,T a nV BC,T a y T E.T r a c t i o n–s e p a r a-t i o nL a w sf o rP r o g r e s s i v eF a i l u r eo fB o n d e dS c a r fR e p a i ro f C o m p o s i t e P a n e l[J].C o m p o s i t e S t r u c-t u r e s,2011,93(4):1239‐1245.[10] 孟凡颢,陈绍杰,童小燕.层压板修理设计中的参数选择问题[J].复合材料学报,2001,18(4):28‐31.M e n g F a n h a o,C h e nS h a o j i e,T o n g X i a o y a n.S e l e c-t i o no f t h eD e s i g nP a r a m e t e r s i nL a m i n a t eR e p a i r[J].A c t a M a t e r i a e C o m p o s i t a e S i n i c a,2001,18(4):123‐127.[11] 孟凡颢,陈绍杰,董善艳,等.复合材料损伤结构胶接补强修补分析及设计[J].飞机设计,2002(1):18‐21.M e n g F a n g h a o,C h e nS h a o j i e,D o n g S h a n y a n.T h eA n a l y s i s a n dD e s i g no f t h eA d h e s i v eB o n d i n g R e-p a i r o f t h eD a m a g e d C o m p o s i t eC o m p o n e n t s[J].A i r c r a f tD e s i g n,2002(1):18‐21.[12] 喻梅,许希武.复合材料挖补修理结构的压缩强度分析[J].中国矿业大学学报,2008,37(5):709‐714.Y u M e i,X u X i w u.S t u d y o f t h e C o m p r e s s i o nS t r e n g t ho f S c a r f P a t c hR e p a i r e dC o m p o s i t e S t r u c-t u r e[J].J o u r n a l o fC h i n aU n i v e r s i t y o f M i n i n g&T e c h o n o l o g y,2008,37(5):711‐714. 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All Rights Reserved.基于多目标优化的钢铝混合轻量化车架设计辛 勇 叶 盛南昌大学,南昌,330031摘要:以国产某S U V 车架为研究对象,建立了车架有限元模型,对车架进行弯曲刚度㊁扭转刚度分析,并进行模态分析和模态试验,验证模型的有效性㊂利用正交试验法确定了材料轻量化部件,并将这些部件的钢材料替换成铝合金,得到钢铝混合轻量化车架㊂针对钢铝混合轻量化车架刚度和模态性能的减弱问题,采用基于折中规划法的多目标形貌优化方法对部件进行优化改进,提高了车架的刚度和模态性能㊂设计结果表明,使用钢㊁铝材料结合多目标优化方法设计的钢铝混合轻量化车架相比原钢质车架在保证一定的刚度和模态性能条件下,质量减轻了6.7k g㊂关键词:车架;正交试验;钢铝混合;多目标形貌优化;轻量化中图分类号:U 463 D O I :10.3969/j.i s s n .1004-132X.2014.17.024D e s i g no f S t e e l ‐a l u m i n u m H y b r i dL i g h t w e i g h t F r a m e b y M u l t i ‐o b j e c t i v eO pt i m i z a t i o n X i nY o n g Y eS h e n gN a n c h a n g U n i v e r s i t y ,N a n c h a n g,330031A b s t r a c t :T a k i n g a nS U Vf r a m ea s r e s e a r c hs u b j e c t ,a f i n i t ee l e m e n tm o d e lw a se s t a b l i s h e d ,i t s b e n d i n g ,t o r s i o n a l s t i f f n e s s a n dm o d a lw e r e a n a l y z e d ,a n d t h em o d a l v a l u ew a s c o m pa r e dw i t h t e s t o n e t o e n s u r et h e m o d e le f f e c t i v e n e s s .O r t h o g o n a l t e s t m e t h o d w a su s e dt od e t e r m i n et h el i g h t w e i gh t c o m p o n e n t s ,a n dt h e i r s t e e lm a t e r i a l sw e r e r e p l a c e db y a l u m i n u ma l l o y ,s oas t e e l ‐a l u m i n i u m h yb r i d l i g h t w e i g h t f r a m ew a s o b t a i n e d .T h e nc o m p r o m i s e p r o g r a mm i n g m u l t i ‐o b j e c t i v em o r p h o l o g y o p t i m i -z a t i o nde s i g nm e t h o dw a s a d o p t e d t o i m p r o v e i t s s t if f n e s s a n dm o d a l p r o p e r t y .R e s u l t so f t h ed e s i gn s h o wt h a t ,u s i n g s t e e l ,a l u m i n u ma n dm u l t i ‐o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o n ,t h e n e ws t e e l ‐a l u m i n u ml i g h t w e i gh t f r a m em a s sw i l l b e 6.7k g l i g h t e r t h a n t h e o r i g i n a l s t e e l o n ew i t h aw e l l g u a r a n t e e f o r t h e s t i f f n e s s a n d m o d a l pe rf o r m a n c e .K e y w o r d s :f r a m e ;o r t h og o n a l t e s t ;s t e e l ‐a l u m i n i u mh y b ri d ;m u l t i ‐o bj e c t i v em o r p h o l o g y o p t i m i z a -t i o n ;l i g h t w e i gh t 收稿日期:2013 04 01基金项目:国家自然科学基金资助项目(50645032);江西省科技攻关计划资助项目(C 0202400)0 引言车架不仅要承载来自各方向的力和力矩,保证有足够的刚度和强度,而且还应具有合适的固有模态频率,避免产生共振,保证良好的乘坐舒适性和足够的使用寿命[1]㊂文献[2]阐述了当整车的质量减轻10%时,可以节省燃油6%~8%㊂S U V 车架是连接车身与悬架的主要承载部件,其质量一般在150k g 左右,在整车质量中占有较大比重,因此对车架进行轻量化设计具有较大的研究空间㊂与汽车用钢铁材料相比,铝合金具有密度小㊁比强度和比刚度较高㊁弹性好㊁抗冲击性能好和再回收率㊁再生率高等一系列优良特征[3]㊂美国资深汽车工程师D a v i dS c h o l e s 曾预言,未来轿车上的每一个零件都有可能用铝合金生产[4]㊂超高强度铝合金主要是以A l ‐Z n ‐M g‐C u 系为主的合金,目前已开始广泛应用于飞机和火箭等军事领域[5]㊂由于车架结构及载荷的复杂性,研究者将轻量化优化设计与有限元分析和材料属性研究相结合,能够获得很好的效果[6]㊂目前对汽车车架的轻量化设计主要都是倾向于结构优化改进,很少注重新型轻量化材料的使用,因此,从新型轻量化材料入手并结合拓扑形貌结构优化设计对车架进行轻量化研究具有一定的探索意义㊂本研究以某国产S U V 车架为研究对象,对其进行刚度和模态仿真分析,使用铝合金材料,结合正交试验法确定材料轻量化目标;同时针对车架性能降低的问题,建立折中规划的多目标形貌优化数学模型进行优化设计,得到满足刚度和模态性能的钢铝混合轻量化车架模型㊂1 车架刚度及模态有限元分析1.1 车架有限元模型建立为确保计算精度高㊁计算时间短,选取10mm×10mm 的单元来离散车架所有部件㊂最终得到的车架网格模型中含有四边形单元64027个,三角形单元2004个㊂车架各零件之间的连接方式为点焊㊁缝焊和螺栓连接㊂本研究不考虑焊接或者螺栓失效的问题,故为了缩短分析㊃2042㊃中国机械工程第25卷第17期2014年9月上半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.时间,将所有的连接均采用刚性单元来模拟㊂车架的材料为高强度钢Q345,其弹性模量为210G P a,泊松比为0.3,密度为7.85×103k g/m3,车架总质量为143.0k g㊂建立的整个车架有限元模型如图1所示,图中数字标号1㊁2㊁3㊁4㊁5㊁6分别代表第1到第6横梁㊂图1 车架有限元模型1.2 车架弯曲刚度和扭转刚度分析弯曲工况边界条件为:约束车架后部螺旋簧支架支撑点X㊁Y㊁Z三个方向的平动自由度,约束前轮轴线对应的车架纵梁位置Y Z方向的平动自由度,在车架中间位置的左右纵梁上各施加1000N的垂直于Z轴的力,如图2所示㊂提取车架左右纵梁中间受力位置的Z向位移来评价车架弯曲刚度大小,Z向位移大小均为-1.50mm㊂计算得出车架的弯曲刚度K=1333N/mm,满足同类汽车车架弯曲刚度最低目标值为1200N/mm的要求[7]㊂图2 车架弯曲刚度扭转工况边界条件为:约束车架后部螺旋簧支架支撑点X㊁Y㊁Z三个方向的平动自由度,在前轴位置中点(通过建立R i g i d刚性单元与车架上前悬对应的位置连接)处约束Z方向的平动自由度,在前轮轴线对应的车架纵梁位置分别施加沿Z方向的一对反力,力的大小为1000N,如图3所示㊂采用左右纵梁前部受力位置的Z方向位移评价扭转刚度,左右纵梁Z向最大位移分别为4.62mm和-4.62mm,两受力点间距离为图3 车架扭转刚度710mm,计算得出车架的扭转角:φ=(π/180)a r c t a n((4.62+4.62)/710)=0.013(r a d)车架的扭转刚度:G J=M T/φ=(1000×0.71)/0.013=54615(N㊃m/r a d)满足同类汽车车架扭转刚度最低目标值为5×104N㊃m/r a d的要求[7]㊂1.3 车架模态分析及有限元模型验证车架的模态性能直接关系到车辆的安全性㊁舒适性和可靠性[8]㊂本文先对车架模型进行了自由模态分析,为了验证模型的可靠性,对车架整体结构进行了模态试验[9]㊂模态试验主要采用的仪器或设备有:S U V车架㊁L M S T e s t.L a b测试系统软件㊁L M SS C A D A SⅢ多通道数据采集前端㊁加速度传感器㊁力传感器㊁激振器和功率放大器等㊂用橡皮绳将车架自由地悬挂在空中来模拟车架 自由自由”的边界条件㊂根据车架几何模型自由模态振型分析结果选择车架测试点位置,为体现车架整体结构,最终在车架上确定了56个测试点,车架某段测试点分布如图4所示㊂对采集的数据进行集中处理并计算模态振型,其试验原理如图5所示㊂由于低阶模态频率和相应振型对结构的动态特性影响最大,因此这里只列出了车架前5阶模态频率㊂模态频率仿真结果与试验结果及振型对比见表1㊂由表1可以看出,计算得到的模态频率和试验值误差不大,说明本研究所建立的车架有限元模型及分析方法是可靠的㊂图4车架某段测试点分布图图5 车架模态试验原理㊃3042㊃基于多目标优化的钢铝混合轻量化车架设计 辛 勇 叶 盛Copyright©博看网. All Rights Reserved.表1 车架模态频率及振型阶数12345计算模态频率(H z)23.7127.1445.1248.6659.66试验模态频率(H z )24.8728.8646.5350.0461.84振型一阶扭转一阶弯曲弯扭组合一阶横摆弯扭横摆组合误差(%)4.665.963.032.763.532 钢铝混合车架设计本研究选用A l ‐Z n ‐M g‐C u 系(7系列)超高强度铝合金置换车架某些横梁和纵梁部件的钢材料,并采用正交试验法来确定置换部件,置换部件的弹性模量为71G P a ,泊松比为0.33,密度为2.81×103k g/m 3㊂建立正交试验表,选择车架的1~11号部件为参考因素,具体做法是:改变这些部件材料的弹性模量㊁泊松比和密度等参数,形成12组试验方案,进行软件模拟仿真试验,考核各参考部件对车架的弯曲㊁扭转刚度和一阶模态3个指标的影响㊂考虑到车架的对称性,内外各板相对称的部位统一标号,内外板标号分别见图6㊁图7所示㊂图6 车架内板标号图7 车架外板标号在此优化事件中,优化对象为图1㊁图6和图7中标号的11个部件,变量为部件的材料,11个部件构成样本空间,每个部件为影响事件的一个因素,每个因素设定钢和铝合金两个材料水平,这就构成了一个11因素2水平的优化问题㊂采用正交试验法进行仿真,构建正交试验表L 12(211)如表2所示㊂1~11代表影响刚度和模态性能的11个因素,L ㊁H 代表两种材料水平,L 代表铝合金,H 代表钢,s d 表示弯曲工况最大位移,s r 表示扭转工况最大位移,f1表示一阶模态频率,进行12次试验仿真计算㊂表2 L 12(211)正交试验表试验因素性能指标1234567891011s d (mm )s r (mm )f 1(H z )综合性能1L L L L L L L L LLL4.2411.3619.0534.652L L LLLHH H HH H 1.525.1923.29303L LH HHLLLHH H1.706.8621.1829.744L H L HHLHHLL H2.888.0620.5031.445L H H LHH L HLH L2.317.7321.0031.046LHH H L H H L HL L 3.839.1019.9432.877H L H H LL HHLHL2.276.5322.6731.478H L HL HHHLLL H 3.608.5819.5131.699HLL HHHLHHL L 3.379.7319.8232.9210H H HL LL LHHLH3.158.4020.1631.7111H H L HLHLL LHH1.737.5319.9929.2512HHLLHLHLHHL 2.066.6522.1630.87对各因素的显著性水平进行检验,方差分析见表3㊂由显著性水平可知,因素1㊁2㊁4㊁5㊁6对试验的结果影响不显著,故可得车架的1㊁2㊁4㊁5㊁6号部件材料的更换对车架总体性能的影响不大,因此,这里选择1㊁2㊁4㊁5㊁6号部件为材料替换对象㊂对钢铝混合车架弯曲㊁扭转工况和模态进行分析得出,s d 为1.52mm ,s r 为5.19mm ,f1为23.48H z㊂对比原车架与钢铝混合车架的刚度和模态性能可知,钢铝混合车架的弯曲㊁扭转刚度和一阶模态相比原车架均有所下降㊂为使得到的结构和尺寸更加合理,刚度与模态性能均不低于原车架的刚度与模态性能,笔者建立多目标优化数学模型对钢铝混合车架的以上11个主要部件进行形貌优化设计㊂3 钢铝混合车架的多目标形貌优化一般来说,不同的载荷工况将得到不同的结构拓扑㊂传统的多目标优化问题采用线性加权法将多目标问题转化为单目标问题进行求解,但对于非凸优化问题来说,该方法不能确保得到所有的P a r e t o 最优解[10]㊂现今研究多目标拓扑优化㊃4042㊃中国机械工程第25卷第17期2014年9月上半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.表3 方差分析表变异来源偏差平方和自由度均方F值Fα显著水平10.2810.281.27 20.80210.8023.6532.3212.3210.55 40.4310.431.95 50.42210.4221.92 60.3710.371.68 71.2811.285.82 81.2211.225.55 91.3711.376.23 1010.89110.8949.5 115.31715.31724.17F0.05(1,25)= 4.24F0.01(1,25)= 7.77*********误差e10.211重复误差e20.0124总误差e0.2225总变异24.92136问题一般采用折中规划法㊂形貌优化是一种形状最佳化方法,即在板形结构中寻找最优的加强筋分布的概念方法㊂利用折中规划法可以将车架多工况下的弯曲刚度和扭转刚度及低阶固有频率的多目标优化问题转化为单目标优化问题[11‐12]㊂本研究利用折中规划法结合平均频率法得到多目标优化的综合目标函数,该方法可以有效地求解出多目标函数的最优解,从而为多目标优化提供解决方案㊂在本研究中,对钢铝混合车架进行了柔度最小化㊁固有频率最大化以及多目标的形貌优化,其结果显示多目标形貌优化方法能够较大地提高车架的刚度和模态性能㊂3.1 弯曲和扭转工况刚度优化目标函数对于刚度提高问题,通常把刚度最大问题等效为柔度最小问题来研究,柔度则用应变能来定义[13]㊂于是由折中规划法结合平均频率法可得到多刚度优化的目标函数:m i nρC(ρ)=[∑m k=1w q k(C k(ρ)-C m i n kC m a x k-C m i n k)q]1q(1)式中,m为载荷工况数量;w k为第k个工况的权值;q为惩罚因子,q≥2,本研究中取值为2;C k(ρ)为第k个工况的柔度目标函数;C m a x k㊁C m i n k分别为第k个工况柔度目标函数的最大值与最小值㊂3.2 固有模态频率优化目标函数通过最大化结构的动态响应,使结构的基频高于结构可能的共振频率,减小由结构不合理导致的噪声,对提高乘员舒适性有重要意义,所以对振动频率的优化设计十分必要㊂在优化过程中经常会遇到如此情况:当其中一个阶次的频率达到最大时,其他阶次的频率可能降到一个较低的值,而且几阶频率之间可能会相互调换次序,这样就会出现目标函数振荡问题㊂为避免出现几阶频率目标函数振荡的现象,本研究用平均频率公式来定义固有频率优化的目标函数,如下式所示:m i nx={x1,x2, ,x n}Λ(ρ)=λ0+s(∑f i=1w iλi-λ0)-1(2)式中,Λ(ρ)为平均频率;λi为第i阶特征频率;λ0㊁s为给定的参数,用来调节目标函数;w i为第i阶频率的权重系数; f为优化的低阶频率的阶次㊂3.3 考虑刚度与频率要求的多目标优化函数结构多目标优化是同时考虑多刚度目标和振动频率目标的优化㊂由折中规划法结合平均频率法可得到多目标优化的综合优化函数,如下式所示:m i n F(ρ)=[w2(∑m k=1w k C k(ρ)-C m i n kC m a x k-C m i n k)2+(1-w)2(Λm a x-Λ(ρ)Λm a x-Λm i n)2]12(3)式中,F(ρ)为综合目标函数;w为柔度目标函数的权重;Λm a x㊁Λm i n分别为频率目标函数的最大值和最小值㊂当车架位于其中一个工况时:k=1,w k=1; C1(ρ)为柔度,是设置的变量;C m a x1为形貌优化前钢铝复合车架的柔度,其值最大,弯曲工况时其值为1450N㊃mm,扭转工况时其值为3196N㊃mm;C m i n1为形貌优化后钢铝混合车架的柔度,其值最小,弯曲工况时其值为1185N㊃mm,扭转工况时其值为2568N㊃mm;Λ(ρ)为一阶固有频率,是设置的变量;Λm a x为优化后模型的一阶固有频率,是经过优化得到的最大频率值,为26.04H z;Λm i n为优化前模型的一阶固有频率,该频率值最小,为23.48H z;w为加权值,在0~1之间㊂3.4 钢铝混合车架的多目标折中规划形貌优化设计多目标形貌优化与多目标拓扑优化方法类似,不同的是拓扑优化用单元密度变量,而形貌优化用形状变量㊂利用O p t i S t r u c t中提供的自定义函数来定义上文所提到的折中规划公式和平均频率公式,把定义好的函数设为响应,把响应作为目标函数进行优化㊂本研究中视弯曲和扭转工况同等重要,即取两工况的权值相等;同样在模态频率形貌优化中也将各阶频率的权值取为相等,取车架前5阶频率;在多目标形貌优化的综合目标函数中,取柔度权值w=0.4,频率权值为0.6[14‐15],其中弯曲和扭转工况柔度权值各为0.2,前5阶频率每阶权值各为0.12㊂经过分析计算,函数经过7次迭代达到收敛,优化过程结束㊂车架的弯曲柔度㊁扭转柔度㊁一阶模态频率以及总质量的收敛过程如图8~图11所示㊂优化前后得到的钢铝混合车架与原型钢质车㊃5042㊃基于多目标优化的钢铝混合轻量化车架设计 辛 勇 叶 盛Copyright©博看网. All Rights Reserved.架的质量及性能对比见表4㊂为了对比形貌优化后的钢铝混合车架与原型钢质车架结构上的区别,在此给出了1号㊁4号㊁10号及11号部件优化前后的部分结构变化图,见图12~图15㊂图8 弯曲柔度迭代曲线图9 扭转柔度迭代曲线图10 一阶模态频率迭代曲线图11 车架总质量迭代曲线表4 优化前后车架性能对比指标车架质量(k g )弯曲柔度(N ㊃mm )扭转柔度(N ㊃mm )一阶频率(H z)原型钢质车架143.01434296823.71优化前钢铝混合车架131.81450319623.48优化后钢铝混合车架136.31204258825.94图12 1号部件优化前后结构对比图13 4号部件优化前后结构对比图14 10号部件优化前后结构对比图15 11号部件优化前后结构对比由图8~图11可知,使用折中规划的多目标形貌优化法对钢铝混合车架进行优化设计,达到了提高车架性能的目的㊂表4表明,优化后的钢铝混合车架与优化前对比,虽然质量稍有增大,但是弯曲㊁扭转柔度下降明显,分别下降了246N ㊃mm 和608N ㊃mm ,且一阶频率提高了2.46H z,车架的刚度和模态性能得到明显提高;与原型钢质车架对比,总质量减轻了6.7k g,一阶频率提高了2.23H z ,弯曲和扭转刚度也均有明显提高㊂由图12~图15可知,形貌优化使得车架结构某些区域增加了加强筋,达到改变其结构提高其性能的目的㊂经过对比分析可知,优化后的钢铝混合轻量化车架结构满足同类汽车车架的设计目标值㊂激光对接焊热量集中㊁热源能准确控制㊁应力应变小㊁焊接接头强度高㊁耐腐蚀性好,与其他焊接方法相比,更适合钢㊁铝异种材料的焊接[16],因此,此车架中钢㊁铝不同材料间的连接在满足一定的强度下可考虑采用激光对接焊㊂文献[17]指出,喷射成形具有传统铸造㊁粉末冶金所不具备的优越特性,是目前工业化制备屈服强度800M P a 以上超高强度铝合金很好的途径,国内外对A l ‐Z n ‐M g‐C u 系铝合金坯料制备及变形加工的研究方法主要为O s p r e y 喷射成形工艺和挤压加工,故本研究选用的A l ‐Z n ‐M g ‐C u 系超高强度铝合金部件可采用喷射成形结合挤压加工工艺加工得到㊂4 结语采用正交试验法以及显著性水平分析可以简单快速地确定材料轻量化对象,经过材料轻量化(铝合金材料替换钢材料)后,车架质量减重显著㊂使用折中规划的多目标形貌优化法,对钢铝混合轻量化车架进行加强筋结构与布局设计,最终得到的优化车架模型与原型钢质车架相比,质量减小了6.7k g ,一阶频率提高了2.23H z ,且弯曲㊁扭转刚度均得到较大的提高㊂此研究达到了保证车架刚度和模态性能的同时,减轻车架质量的目的㊂㊃6042㊃中国机械工程第25卷第17期2014年9月上半月Copyright ©博看网. 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自行式C型旅居车前副车架轻量化设计方案摘要：自行式C型旅居车的前副车架是旅居车的重要组成部分，其重量对车辆性能和燃油经济性有着重要的影响。

本文基于轻量化设计的原则，采用材料选择、结构优化等手段，设计了一种前副车架轻量化方案。

该方案通过合理的材料搭配和结构优化，成功将前副车架的重量减轻了约15%，同时还能够保证其强度和刚度，提高旅居车的燃油经济性和行驶性能。

这表明，在未来的旅居车设计中，轻量化设计将会成为一个重要的研究方向，以提高车辆的性能和燃油经济性。

关键词：自行式C型旅居车；前副车架；轻量化；材料选择；结构优化引言：自行式C型旅居车因其独特的旅游体验和方便舒适的居住环境，成为现代旅游业中越来越受欢迎的选择。

然而，随着旅游车辆的不断发展和升级，其重量和能源消耗等问题也日益受到关注。

在旅居车的重要组成部分中，前副车架对于车辆的性能和燃油经济性都具有重要的影响。

因此，如何减轻前副车架的重量，提高旅居车的性能和燃油经济性，成为了一个重要的研究方向。

本文将通过轻量化设计的方法，研究如何减轻前副车架的重量，并探讨该方案对旅居车性能和燃油经济性的影响。

1 前副车架轻量化设计的原则轻量化设计是指在不影响产品性能和质量的前提下，尽可能减轻产品的重量。

在前副车架轻量化设计中，需要遵循以下原则：（1）保证强度和刚度。

在前副车架轻量化设计中，必须优先考虑保证其强度和刚度。

因为前副车架需要承受车辆的重量和各种复杂的道路环境，所以其强度和刚度是必须保证的[1]。

在设计前副车架时，需要根据所选材料的性质和前副车架的结构来进行合理的设计，以保证其强度和刚度。

（2）选择轻量化材料。

在前副车架轻量化设计中，选择轻量化材料是非常重要的一步。

轻量化材料可以有效地减轻前副车架的重量，同时还要满足强度和刚度的要求。

常用的轻量化材料包括铝合金、镁合金、碳纤维复合材料等。

选择合适的轻量化材料，可以在不影响前副车架强度和刚度的情况下，实现前副车架的轻量化设计[2]。