车辆轻量化设计中的几个问题讲述.ppt

车辆轻量化设计中的几个问题 主要内容 1. 前言 2. 客车车身骨架结构的子结构拓扑优化 3. 自卸车举升机构的轻量化设计 4. 结构载荷辨识 主要内容 1. 前言 2. 客车车身骨架结构的子结构拓扑优化 3. 自卸车举升机构的轻量化设计 4. 结构载荷辨识 1. 前言 轻量化设计对于提高产品性能、降低材料和能源消耗、提升产品竞争力具有重要意义。 以有限元法、边界元法、有限体积法为核心的CAE技术在车辆轻量化设计中占有主导地位，可以在试制样机之前对产品设计的各种性能进行模拟计算和结构反复改进。 1. 前言 基于先进的三维CAD技术，一般都可以获得精度比较高的几何模型。 但准确确定CAE模型的边界条件、载荷条件，却不是一件容易的事情。 对于大型有限元模型进行一次线性求解比较容易实现，进行反复迭代优化却需要耗费大量的求解时间。 主要内容 1. 前言 2. 客车车身骨架结构的子结构拓扑优化 3. 自卸车举升机构的轻量化设计 4. 结构载荷辨识 平面连续体在病态载荷作用下拓扑优化 P = 200N， Q = 20000N 河北赵州桥拓扑优化数值模拟 净跨37.02m，矢高7.23m，腹拱净跨3.8m及 2.8m ，宽9m ，主跨为圆弧形，半径27.3m。 2. 客车车身骨架结构的子结构拓扑优化 在客车车身的概念设计阶段引入拓扑优化设计方法，可以获得车身骨架的最优材料布置方案。但是： 由于客车有限元模型的单元数量往往较为庞大，使得拓扑分析需要耗费大量的计算资源； 不同工况下悬架系统的超静定非线性耦合承载特性使得有限元边界条件建模异常复杂。 2. 客车车身骨架结构的子结构拓扑优化 将不需要进行拓扑优化的部分采用子结构法进行自由度凝聚缩减，可以达到达到节约计算资源的目的； 采用基于载荷等效法和辅助约束法相结合的边界条件设置方法，较为准确的模拟悬架系统的耦合承载特性。 主自由度的选择主要包括： 超单元与非超单元的边界自由度； 不同工况的载荷和位移约束施加自由度。 子结构 主结构 拓扑优化模型 2. 客车车身骨架结构的子结构拓扑优化 综合工况的拓扑优化分析中，需要根据各工况在客车实际运行过程中所占的比例设定不同的权重系数。 运行工况 顶棚 侧围 底架 弯曲工况 50% 50% 50% 制动工况 5% 15% 5% 起动工况 5% 15% 5% 转弯工况(左、右转) 5% 5% 15% 扭转工况(左、右侧悬空) 15% 5% 5% 主要内容 1. 前言 2. 客车车身骨架结构的子结构拓扑优化 3. 自卸车举升机构的轻量化设计 4. 结构载荷辨识 3. 自卸车举升机构的轻量化设计 自卸车是利用发动机动力驱动液压举升机构，将车厢倾斜一定角度从而达到自动卸货的目的，并依靠货箱自重使其复位的专用汽车。 举升机构是自卸汽车的重要工作系统之一,该机构的一个铰接点与车厢底部以铰链形式连接，在自卸车工作过程中举升机构在液压缸的推动下将自卸车的车厢举升到不小于所载货物安息角的角度以达到卸货的目的。 3. 自卸车举升机构的轻量化设计 工程自卸车在设计阶段很大的一部分开发时间被液压举升机构的选择与布置所占用: 反复移动机构铰接点，通过运动分析计算移动铰接点后机构的最大举升力、液压缸的行程是否满足要求、举升过程中是否存在干涉问题、是否能够达到给定的最大举升角等等，最终找到最合适的铰接点位置，以达到既满足举升高度的要求，又最省力最省材料。 2. 传统的设计计算方法 国内外以往的研究成果在分析计算举升机构建立数学模型时，一般采用的是解二元二次方程组或三角代数的计算方法，这两种方法的计算量都比较大，而且需要判根。 我们提出了一种自卸车举升机构分析的统一显式计算模型，只需进行简单的线性代数运算即可方便地实现几何和受力分析。 基于线性变换的举升机构统一模型 （1）求铰接点A的坐标： 其中： 显式计算 4. 基于线性变换的举升机构统一模型 求铰接点B的坐标： 显式计算 4. 基于线性变换的举升机构统一模型 求各杆件中的力： 对[1],[2]受力分析，得到矩阵方程（a）： 若不求三角臂中的力 ，可用矩阵方程（b）： 对[3],[4]受力分析，得到矩阵方程（c）： 若不求三角臂中的力 ，则可采用矩阵方程（d）： 基于线性变换的举升机构统一模型 主要特色： 几何分析为显式线性代数运算，无需解方程和判根。 静力平衡分析只需求解4阶或2阶线性方程组。 不同举升机构可以采用统一的数学模型，编制通用的计算程序。 举升机构优化设计模型 设计变量：以举升机构在初始位置时各铰接点的坐标为设计变量，共有12个参数，分别如下： 目标函数 一般来说，根据不同的性能要求，举升机构优化模型的目标函数可以是初始举升力、最大举升力、液压缸行程以及油压波动系数等