基于多工况模式拓扑优化的车架设计-论文.pdf

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1、第31卷第9期机械设计VoIJ3lNo．92014年9月JOURNALOFMACHINEDESIGNSep．2014基于多工况模式拓扑优化的车架设计木宁磊．张晓钟(西安建筑科技大学机电工程学院，陕西西安710055)摘要：利用载荷模式与约束模式表达工况模式，从车架性能入手，if,1用ANSYS多工况拓扑优化功能，对车架的结构进行设计及优化。同时在静态弯曲和制动两种基本工况模式下，通过一体式抽象车架模型进行拓扑优化性能设计。用伪密度分布图将小密度区域切除，得到车架的基本构造模式。再经过车架在多种不同工况模式下的力学性能分析，循环改进，最终得到合理的车架构造。在满足车架强度、刚度的情况下，进行

2、车架固有频率的控制和轻量化设计，以提高车架的整体性能和节省材料关键词：工况模式；拓扑优化；强度与刚度；固有频率；轻量化设计中图分类号：TH12文献标识码：A文章编号：1001—2354(2014)09—0058—05车架设计一般是从构造设计出发．通过性能的校文中利用ANSYS拓扑优化方法从性能设计出发进核分析，经过多次修改，实现构造和性能的综合平衡。行车架的结构设计，从而达到性能和结构的综合平衡。对于这种多因素综合设计来说，上述步骤的顺序并不是一个固定的模式，也可以逆向，从车架性能设计人1设计过程手，根据性能分析结果进行车架的结构设计与优化。对于现有计算机辅助设计软件的现状来说，这种选择具

3、车架的一体式抽象模型出发，同时在静态弯曲和有合理性和优势。后者将前者的性能校核分析提前，作制动两种工况模式下进行拓扑优化性能设计，建立材为结构设计依据，具有性能与结构优化及耗时少的优料密度与特性之间的关系。实现材料的最优分布，这点。对于车架这种载荷及结构几何特性等复杂多样的实际上与应力分布相对应。通过材料的分布情况实现结构体的力学性能分析来说。利用有限元分析软件车架的构造设计——根据伪密度分布图将小密度区ANSYS的荷载与约束处理特性．通过工况模式下的荷域切除，得到车架初步构造模式。再对车架在制动、不载模式与约束模式的分类设置，将构造设计与力学性对称及转弯工况下进行力学性能分析．提出不足．

4、循能分析有机地整合为一个设计过程。通过将计算机的环改进，得到合理的构造模式。最后再进行控制车架强大功能和辅助软件的优秀功能相融合，可获得一种固有频率的轻量化设计，提高车架的整体性能且节省新的设计思路和方法。材料拓扑优化已经成为结构创新设计的关键技术。通过拓扑优化性能分析，全面了解结构和性能，为设计2车架有限元模型的建立人员提供全新的构造与性能设计方案。目前，拓扑优化设计已经应用于车架结构设计领域El-41。但大多局限2．1车架模型的抽象于静态弯曲工况下。或是对已有的车架进行校核分析梁式车架形式可以抽象成一块方形板材上挖掉了后进行局部的拓扑优化等，并没涉及动力学研究。而部分材料，再通过适当变

5、形，衍生出各种形式的车架。实际中对于车架设计要综合考虑多种工况下的力学文中将模型沿轴方向进行切片，形成平行于平面性能，并且对已有结构进行局部拓扑优化设计并不能的单位厚度纤维层，对纤维层进行拓扑优化设计。为不设计出最优化的结构。同时，所设计车架各梁之间有同厚度车架构造的设计做概念指导，同时简化计算。过多的连接(焊接及铆接等)必然会带来结构强度及设计车架长为3000mm，宽为1000mm，轴距为刚度问题。1800mm。将各力等效地施加到一个具有单位厚度的$收稿日翘：2013—03—25；修订日期：2014—03—25作者简介：宁磊(1989一)，男，陕西汉中人，硕士研究生，研究方向：车辆底盘构

6、造与设计的CAD／CAE。宁磊．等：基于多工况模式拓扑优化的车架设计61少了45％。车架刚度大幅提高。变量取值范围：(2)制动工况下最大应力降低了30．6％；转弯工况／14．4mm≤≤25mm下最大位移降低了16．8％；不对称工况下最大位移减{0≤～≤345MPa1少了35．4％。各工况下各个区域应力也相应降低。车架．0≤D≤10mm目标函数：强度也大幅提高，远远低于屈服极限。81)=min(M)车架强度和刚度已经得到了保证。通过拓扑优化{>27Hz得到了车架比较合理的的结构．下来就要进一步优化【<60H设计，确定车架的最优设计方案。表3二次拓扑优化后各工况下应力分布情况工况最大位移／位置

7、最大应力／位鼹mmMPa应力／MPa图ll5模块示恿图工况前桥前段前桥处前后桥之间后桥处后桥后段5-3优化结果分析优化后各变量的取值如表4所示，各项指标均满足优化函数。优化后质量为233．67kg，相比轻量化设计前的265．28kg减少了12％，达到了优化的目的。5控制固有频率的轻量化设计表4优化设计后各变量取值蕾鲁882／8oDM

8、FF一一mmmmmmmmmmMPammkgHzHz5．1优化目标取值20．920．412