基于ANSYS的汽车结构轻量化设计概要.docx

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基于ANSYS的汽车结构轻量化设计概要

14农业’机械学报

型的简化。

1.2优化设计模型

结合ANSYS所提供的优化方法及APDL语言所具有的较强的参数化分析功能,在强度分析的基础上可实现车架结构参数的优化设计。

该型号半挂车车架的主要设计参数有:

型钢的剖面尺寸、局部的布置参数。

模型采用SHELL63单元,节点数11518,单元数为10518,采用满载时均布载荷作用在覆盖了花纹板的车架上的计算工况。

1.2.1目标函数

通过优化结构的体积来达到优化结构质量的目的,以质量最轻为目标函数,描述为

minF（z=W1（z+W2（o+W3（z+

Ⅳ4（z+Ⅳ5（z+Ⅳ6（z（1式中w,（z——车架上横梁的质量,包括车架内外横梁、边横梁、穿横梁、端横梁w。

（z——车架上纵梁的质量

Ⅳ。

（z——车架边梁的质量

彬。

（z——车架上U型梁的质量

彬。

（z——车架上内、外支撑梁的质量

Ⅳ。

（z——车架其余部件的质量总和,包括花纹板、牵引销板、加强杆、支撑梁等

1.2.2设计变量

根据设计要求,选择各构件的截面尺寸和局部的布置尺寸作为设计的对象。

车架由于组成构件较多而尺寸变量较多,太多的设计变量增大了收敛到局部最小而非全局最小的概率,必须尽量减少设计变量。

采用变量关联的方法,将车架结构上互相有联系的非独立尺寸按照比例关系确定。

通过处理,设计变量共16个（见表2,分别归纳为梁的厚度尺寸、截面宽度尺寸、截面高度尺寸和布置尺寸。

即

z2（￡1,f2,￡3,“,f5,f6,￡7,f8,f9,￡10,

f11,f12,￡13,￡14,￡15,￡16（2各物理量所代表的具体含义见表2。

除了利用变量关联的方法以外,在优化过程中,因为涉及的参数比较多,难于进行整体优化,本文采用了“分步优化”的思想达到优化多个参数的目的。

1.2.3状态变量及约束函数

根据设计要求,约束函数可以是结构的应力或位移,也可以是整个结构的固有频率。

为了得到尽可能符合实际需要的设计,必须选择足够多的状态变量。

但是为了加快优化进程,必须消除不必要或冗余的状态变量。

同样也必须确定合理的状态变量上下限。

表2优化前后各变量值对比

Tab.2COntrastofthevaluesofthevariabIes

beforeandafteroptimization

（1强度状态变量及约束函数:

限制车架结构的最大应力。

先对原始设计进行有限元分析,然后提取

最大应力盯一,车架用Q235钢制造,限制其最大应力不超过235MPa,从而构成完整的强度约束。

即

C1一盯。

。

一[以]≤O（3式中[吼]——最大应力限值

（2静刚度状态变量及约束函数:

限制车架结构的最大变形。

先对原始设计进行有限元分析,然后提取最大位移‰。

。

即

C2一‰。

一[文]≤O（4式中[文]——最大位移限值

按照上述抽象模型的形式,构造车架优化模型minF（z一Ⅳ1（z+Ⅳ2（z+彤3（z+Ⅳ4（z+Ⅳ5（z+Ⅳ6（z

z={￡1,屯,￡3,￡4,￡5,￡6,￡7,￡8,￡9,≠lo,

f11,￡12,f13,f14,￡15,芒16（5s.t.

c,一‰。

一瞳]≤o

C。

=‰。

一[文]≤o

2轻量化设计及结果分析

将设计参数分为4类:

梁的厚度、梁的截面宽度、梁的截面高度和布置尺寸。

采用“一阶方法”进行轻量化设计,一阶方法基于目标函数对设计变量的

第6期赵韩等:

基于ANSYS的汽车结构轻量化设计

敏感程度,因此更加适合于精确的优化分析。

通过对目标函数逼近加罚函数的方法将问题转换为无约束的问题,在每次迭代中,计算梯度（用最大斜度法或共轭方向法确定搜索方向,从而求解最小值口“]。

表2是经过“分步优化”得到的结果,首先取内横梁及边横梁壁厚、穿横梁壁厚、边梁壁厚、内外支撑梁壁厚、加强杆壁厚和支撑梁壁厚作为优化设计变量,优化结束后保持其不变。

再取牵引销板厚度、U型梁壁厚、支撑梁截面宽度、U型梁Ⅲ截面宽度和u

型梁Ⅱ截面高度作为优化设计变量,优化结束后再

保持其不变。

接着取U型梁Ⅳ截面高度、U型梁Ⅲ截面高度、花纹板厚度、纵梁翼板厚度和横梁数量作为优化设计变量,从而得到最终的优化结果。

分别以宽度尺寸变量、厚度尺寸变量、高度尺寸变量和混合尺寸变量作为设计变量,分4组进行优化设计,得到优化设计前、后车架的总质量及其变化率如表3所示。

表3优化前后车架的总质量及其变化率

Tab.3

TOtal

m嬲sOftheframeanddeclinemtio

priorandafter

Optimization

由表3可以看出,梁的厚度尺寸的优化结果使得车架质量由6.125t降低为4.563t,降幅较其余3种情况都要大得多,达25.5%。

而高度尺寸的优化结果对车架质量的影响最小,降幅仅1.8%。

从优化结果的进一步分析可以发现,当车架的质量降到4.563t时,车架的最大节点等效应力和总体变形分别高达224.54MPa和11.188mm（[吼]一

235

MPa,材料已经接近屈服极限。

所以,虽然厚

度尺寸的优化结果降幅最大,但并不是较为理想的

设计方案。

相比之下,混合变量的降幅虽然较小（18.4%,但是车架质量达到4.995t时,车架的节点等效应力和总体变形分别为166.54MPa和

4.195

mm,应力远小于[巩]一235MPa（见图5和

图6。

所以,比较而言混合尺寸变量的优化是一个

合理而又经济的设计方案。

图5带花纹板车架的节点等效应力云图

Fig.5

Nodeequivalent

stress

plotofthe

framewithflat

图6带花纹板车架的节点位移云图

Fig.6

Node

displacementplotoftheframewithflat

3结束语

该型半挂车车架用有限元法模拟分析后找到了结构设计的薄弱环节,基于此,用上述优化方法进行了轻量化设计,得到了较好的优化设计方案。

车架轻量化设计可为企业的生产起到一定的指导作用。

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6刘惟信编著.机械最优化设计.北京:

清华大学出版社,1994.

基于ANSYS的汽车结构轻量化设计

作者:

赵韩,钱德猛,ZhaoHan,QianDemeng作者单位:

合肥工业大学

刊名:

农业机械学报

英文刊名:

TRANSACTIONSOFTHECHINESESOCIETYOFAGRICULTURALMACHINERY年,卷（期:

2005,36（6被引用次数:

24次

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