重载车辆的有限元分析

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南 京 理 工 大 学

毕业设计说明书(论文)

作

者: XXX 学 号： 0901560104

学院(系): 机械工程学院

专

业: 车辆工程

题

目: 重型车辆车架结构优化设计

指导者：

(姓 名) (专业技术职务)

评阅者：

(姓 名) (专业技术职务)

XXX 讲师

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希望能帮到你 2013 年 5 月可编辑修改

希望能帮到你 毕业设计说明书（论文）中文摘要

拓扑优化是在改善或保持结构性能的同时使材料分布得到最优化。本文就对车架的拓扑优化设计做了研究，利用HyperWorks的优化模块，根据宝钢126吨重型汽车车架的设计要求,建立了拓扑优化的基础模型，并且目标函数是不同工况的变形能，约束函数是体积比，通过变密度法对同一模型进行多次拓扑计算，得到了一组相似的拓扑结构。最后，根据不同拓扑结果，选取了约束函数取值最小的一个拓扑结果来进行静力学分析。通过理论分析，该重载车辆的车架刚强度满足设计要求，其设计基本合理。

关键词 拓扑优化 有限单元法 车架 HyperWorks 静力学分析 可编辑修改

希望能帮到你 毕业设计说明书（论文）外文摘要

Title Structure Optimization on Heavy Vehicle

Frame

Abstract

Topology optimization can acquire the best distribution of material while

containing or improving the performances. This paper discusses its

application vehicle frame. 3D topology optimization model was built

according to the design requirements on the 126 tons of heavy vehicle frame

by HyperWorks, objective function is the distortion energy under several

load steps, and the constraint function volume is fraction, using the

method of changing density, carry out several topology optimizations on

a same model, then get a set of results. Finally, according to the different

of result, I selected one topology structure of the lowest constraint

function for statics analysis. It is proper to use as the theoretical

analysis.

Keywords Topology Optimization Finite Elements Method

Chassis Frame HyperWorks Static Analysis 可编辑修改

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目 次

1 绪论…………………………………………………………………………………………… 1

1.1 车架结构优化方法 …………………………………………………………… 1

1.2 国内外研究现状 ……………………………………………………………… 1

1.3 本课题研究内容 ……………………………………………………………… 3

2 拓扑优化…………………………………………………………………………… 4

2.1 结构优化分类…………………………………………………………………… 4

2.2 拓扑优化………………………………………………………………………… 5

2.3 本章小结………………………………………………………………………… 7

3 HyperMesh的拓扑优化设计……………………………………………………… 8

3.1 HyperMesh软件简介…………………………………………………………… 8

3.2 设计要求………………………………………………………………………… 9

3.3 车架拓扑优化的参数设定…………………………………………………… 14

3.4 拓扑优化设计及结果分析…………………………………………………… 16

3.5 车架的结构分析……………………………………………………………… 19

3.6 本章小结……………………………………………………………………… 19

4 车架静力学分析………………………………………………………………… 21

4.1 有限元法的基本思想和流程………………………………………………… 21

4.2 车架静力学分析……………………………………………………………… 21

4.3 结果显示与分析……………………………………………………………… 24

4.4 本章小结……………………………………………………………………… 26

结论 ……………………………………………………………………………… 27

致谢 ………………………………………………………………………………… 28

参考文献…………………………………………………………………………… 29可编辑修改

希望能帮到你 1 绪论

1. 1 车架结构优化方法

早期，车架的结构优化方法采用的是试验方法，设计和试验交叉进行[1]，它们是串行组织的。在上个世纪60年代以前，汽车结构设计师面临着许多采用传统方法所不能解决的问题，由于对结构的技术要求增加了，所以就使得汽车结构更加的多样化了，如果继续采用实车试验来确定需要设计的部位，不仅会加大产品开发周期，并且会加大成本消耗。当时已有的分析工具仅仅限用于各种零部件的材料强度计算，而对于结构整体的性状只有在做车实车后进行试验才能预测[2]。因此，现在汽车工业迫切需要一种新的结构分析方法。

随着计算机技术的快速发展，在汽车结构分析中，有限元分析法因为具有解决结构形状和边界都非常任意的力学问题的特点而成为一种常用的工程分析法，各种汽车结构件都可以利用有限元进行静态分析、固有特性分析和动态分析，并且从原来以对工程实际问题的静态分析为主要任务转化为以模态分析和动态分析为主要任务，也可以根据工程结构的设计要求进行非线性分析[3]。

在汽车总成中，车架是主要承载件，它不仅支承连接汽车的各个零部件，而且还承受各种随机载荷[4]。车架刚度的好坏会直接影响车架的可靠性等关键性能指标。本课题某重载车辆不仅负担发动机、传动系统、悬架系统等负载，装载大吨钢材或其他材料时所受到的集中载荷作用，所以重载车辆需要足够的强度和刚度。

汽车在运输材料时，由于放置的位置不同，装卸的质量不同，可以产生弯曲变形或者扭转变形。通过有线元分析，可以对产品设计初期对车架的集中应力点进行预测，找到结构的薄弱环节，提出合理的改进方案，进行尺寸优化，以减轻车架重量和降低成本等预期效果[5]。

1. 2 国内外研究现状

结构拓扑优化包括在离散结构上和在连续变量结构上的两种拓扑优化。

1854年，Maxwell首次进行了应力约束下最小重量桁架的基本拓扑分析[6]。然后在1904年Michell提出的桁架理论被认为是结构拓扑优化设计理论研究的一个里程碑[7]。1960年后相继提出并建立了尺寸优化和形状优化等理论体系，且得到相对成熟的发展，同时由于连续变量结构的拓扑优化有其特有的难度，即使结构优化理论是从拓扑布局优化中提出，但几乎没有什么发展，直到最近10几年才得到了飞速发展。可编辑修改

希望能帮到你 除此以外，Mlejnek的变密度模型，Xie和Steven的“进化算法”，Eschenauer的“泡泡法”，Fleury和Becker的基于离散拓扑变量的对偶问题解法等等都是一些具有价值的工作。

自从拓扑优化技术提出以来，广泛的应用到了航空航天、车辆运输等各种行业。德国大众、美国三大汽车巨头通过拓扑优化的利用，不断地提高其产品性能。图1.1为汽车某支架的拓扑优化设计实例；图1.2为美国汽车钢铁联盟对SUV车架的拓扑优化设计流程。

图1.1 汽车某支架零件的拓扑优化设计

图1.2 SUV车架的拓扑流程可编辑修改

希望能帮到你 目前，国内对车架进行了许多拓扑优化研究，但相对于国外而言，起步要晚，如白修山对CXQ9260TJZP型集装箱半挂车的车架结构的有限元析[8]，刘齐茂对某载货车车架在弯曲和弯扭联合工况下的拓扑优化[9]等。

与国外相比，国内对拓扑的研究存有两个不足：1）大多只进行了二维静力学拓扑优化（如图1.3），只有材料平面分布情况，而没有材料立体分布；2）大多只就行了单一工况的拓扑优化，研究单一。

图1.3 国内对车车架拓扑优化的研究

1. 3 本课题研究内容

本课题针对某重载车辆的设要求，通过拓扑优化寻找该车架材料在已知条件的最优解，然后验证了其计算结果。主要内容:

1）学习HyperWorks软件，为其后期工作奠定基础；

2）根据设计要求建立车架的拓扑优化模型，定义设计区域与非设计区域，施加载荷和边界条件，以不同工况的变形量为目标函数，体积比为约束函数，通过变密度法对同一模型进行多次拓扑优化计算。

3）用HyperWorks通过静力学分析，验证拓扑结果的可行性。 可编辑修改

希望能帮到你 2 拓扑优化

2. 1 结构优化的分类

根据优化问题的初始设计条件，结构优化设计大致可以分为3种，即拓扑优化（topology optimization）、尺寸优化(size optimization)和形状优化(shape

optimization)[10、11]。在本次毕业设计中，主要运用的是拓扑优化。

尺寸优化是指在其结构的类型、材料和几何外形确定的前提下，去优化各个组成构件的界面尺寸，使整体的结构到达我们所要期望的目标（即降低成本、提高刚度或控制振动等）。但由于结构最初拓扑形态和边界条件是有设计者根据经验或实验确定，不能够保证其最初的设计师最优的，所以最后得到的并不是全局最优结果。其设计过程如图2.1所示。

图2.1 尺寸优化设计流程

形状优化是在给定的结构拓扑前提下，对结构的边界形状以及其内部的几何结构形状进行修改，以此来达到改善结构的应力特性。形状优化的目的是降低应力集中，改善应力分布状况，它和尺寸优化相比，因为一定性的放宽了它的初始条件，所以也可以进一步延伸了它的应用范围。