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电动自行车主车架结构的优化设计.pdf

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电动自行车主车架结构的优化设计.pdf

JournalofMechanicalStrength2012,34230831120100315收到初稿,20100618收到修改稿。江西省自然科学基金2008GZC0040、江西省教育厅科学技术研究项目GJJ08204资助。**董洪波,男,1972年3月生,山东省定陶县人,汉族。南昌航空大学航空制造工程学院副教授,主要研究方向为金属塑性加工及计算机辅助技术,发表论文30余篇。通信地址南昌市丰和南大道696号南昌航空大学航空制造工程学院。●研究简报●电动自行车主车架结构的优化设计OPTIMIZATIONDESIGNOFMAINFRAMESTRUCTUREOFELECTRICBICYCLE董洪波**王高潮章威南昌航空大学航空制造工程学院,南昌330063DONGHongBoWANGGaoChaoZHANGWeiSchoolofAeronauticalManufacturingEngineering,NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China摘要对某电动自行车钢结构主车架进行计算机优化设计,并选用镁合金材料来减轻质量。利用拓扑优化和尺寸优化技术获得新的车架结构和管件尺寸,并进行静力分析和模态分析。与原钢架相比,优化后的镁合金主车架质量减少60,固有频率提高。结果表明,新结构的强度和刚度达到设计要求。关键词电动自行车拓扑优化尺寸优化有限元分析中图分类号U463AbstractThemainframeofsteelstructurewasredesignedviacomputersimulationoptimization,andmagnesiumalloywasusedtoreducetheweightofelectricbicycle.Thenewframestructureandtubethicknesswereobtainedbyusingtopologyoptimizationandsizeoptimizationrespectively.Atthesametime,staticanalysisandmodeanalysisofthemainframewerecarriedout.Comparedwiththeoriginalsteelframe,themagnesiumalloymainframeafteroptimizationhasreducedthemassby60,thenaturalfrequencyimprovesgreatly.Theresultsshowthatthestrengthandtherigidityofthenewstructurecanmeetdesigneddemand.KeywordsElectricbicycleTopologyoptimizationSizeoptimizationFiniteelementanalysisCorrespondingauthorDONGHongBo,Emaildonghbo163.com,Tel867913863032,Fax867913863735TheprojectsupportedbytheNaturalScienceFoundationofJiangxiProvinceNo.2008GZC0040,andtheScienceandTechnologyResearchProjectFoundationoftheEducationalDepartmentofJiangxiProvinceNo.GJJ08204,China.Manuscriptreceived20100315,inrevisedform20100618.引言高强度、轻量化已经成为当前车辆设计中的主题之一,但结构轻量化对车辆强度和刚度将产生重要的影响,所以在这两个方面需要协调处理。目前,优化技术已应用于结构设计的初始阶段,而不是仅凭经验来设计或改造结构。结构优化设计中有拓扑优化以及形状和尺寸优化[16]。另外,采用高强度的轻金属来大幅度减轻结构质量。由于镁合金具有质量轻、强度高的优良性能,广泛应用于航空航天、汽车工业、通讯电子等领域[79]。近年来,自行车已越来越多地使用镁合金构件,取得了很好的效果[10]。目前,市场上电动自行车普遍存在质量大、续航里程短的问题。为了开拓中高端市场,拟针对某型号电动自行车进行轻量化设计。原车架为钢结构,拟选用镁合金材料。简单更换材料可以达到减重的目的,但是为了进一步提高产品的综合性能,有必要对原结构重新进行优化设计。本文利用有限元分析软件Hyperworks的优化模块,针对车架进行拓扑优化和尺寸优化,同时开展强度和模态分析,得到满足设计要求的结构尺寸。1原车架结构分析电动自行车原车架总装图见图1,其承载结构即主车架是由1.5mm厚的钢管焊接而成,立管直径40mm,其他管件直径32mm。材料是45钢,屈服强度355MPa,密度7.85g/cm3,弹性模量210GPa,泊松比0.3。主车架的质量为4.5kg,主要载荷来自乘员和座椅下的电池,设计最大载荷为2000N。图2为电动自行车主车架的有限元模型。静力分析发现最大等效应力发生在立管与底盘U型管连接处,为274MPa图3,载荷作用点的最大位移为5.2mm。采用Lanczos第34卷第2期董洪波等电动自行车主车架结构的优化设计309图1车架总装图Fig.1Generaldrawingoftheframe图2主车架的有限元模型Fig.2Finiteelementmodelofthemainframe图3优化前连接处的等效应力分布MPaFig.3Distributionofequivalentstressinthejointbeforeoptimization图4主车架第1阶模态振型Fig.4Thefirstordervibrationmodeofthemainframe法求解自由模态,其一阶固有频率为489Hz,一阶模态的振型如图4所示。2优化设计2.1拓扑优化由强度分析可见,在立管与U型管连接处的应力虽未达到材料屈服强度,但仍远高于其他部位。为了减小应力集中,采用拓扑优化的方法重新设计主车架的结构。将底盘管件包围的部分作为优化设计区域,用壳单元构建模型,并施加载荷及边界条件如图5图5拓扑优化区域Fig.5Designdomainfortopologyoptimization所示。设计目标为结构刚度最大,约束为优化后体积小于原体积的0.25倍。采用基于密度法的连续体结构优化技术,其优化目标函数和约束函数为目标函数minCx约束函数s.t.Vx-VU≤0式中,目标函数Cx为结构的柔度约束函数Vx为结构的体积VU为总体积的上限值,即原体积的0.25倍设计变量x为单元的密度,在微结构上它代表单元的存在或删除,即每个单元的密度值应取为0或1,因此其下限为0,上限为1.0[1112]。本文采用密度法,单元密度在0~1之间连续变化。优化结果见图6,可以看到该结构在设定条件下的最优材料分布。根据拓扑优化结果,并考虑加工条件,设计出图7所示的结构。仍然使用壁厚1.5mm的45钢钢管焊接而成,质量4.4kg,略小于原结构。对新设计的车架进行有限元分析,载荷和边界条件与原车架一样。最大等效应力仍处于立管与U型管连接处,但位置从立管内侧转移到外侧图8,数值降低到212MPa,比原结构降低了22.6,载荷作用点最大图6拓扑优化后材料密度分布Fig.6Distributionofmaterialdensityaftertopologyoptimization图7优化后的主车架结构Fig.7Mainframeaftertopologyoptimization310机械强度2012年图8连接处的等效应力分布MPaFig.8Distributionofequivalentstressinthejointafteroptimization位移为5.4mm。新结构的一阶固有频率为1138Hz,比原结构提高133,一阶模态的振型也由原来的横向摆动变为纵向弯曲。2.2尺寸优化拓扑优化后的车架强度及固有频率均有很大提高。为了能大幅度降低质量,采用镁合金AZ91材料替代钢铁材料。AZ91合金的密度为1.80g/cm3,弹性模量45GPa,泊松比0.35,屈服强度180MPa所有管材的厚度仍取1.5mm。静力分析发现,最大等效应力为209MPa,最大位移25.4mm。车架的强度、刚度均较差。为了快速确定各部位管件的合适厚度尺寸,采用尺寸优化进行分析。设计目标为体积最小约束为最大等效应力、最大位移小于设定值。尺寸优化的目标函数和约束函数为目标函数minVx约束条件s.t.gx-gU≤0设计变量xL≤xi≤xU式中,目标函数Vx为结构的总体积,约束函数gx是从结构分析中得到的响应,这里的约束函数为材料的等效应力及加载点位移,gU则相应地分别为最大等效应力和最大位移的上限值,设计变量x为管件的厚度,xL、xU分别为下限值和上限值。为了安全起见,材料的许用应力为镁合金屈服应力的80,即144MPa,加载点的最大位移不超过10mm。优化的对象为立管、U型管和两根横管。优化后的管材的厚度为,立管1.9mm,U型管3.3mm,两根横管1.0mm。最大等效应力为131MPa,最大位移为9.7mm。将每次分析的结果总结在表1中。主车架的质量由4.5kg减少到1.8kg,减重60。最大等效应力由274MPa减小到131MPa,固有频率由489Hz提高到1302Hz。虽然质量大幅度减小,但结构强度满足设计要求。最大位移由5.2mm增大到9.7mm,说明结构刚度略有降低。在主车架基础上设计配套结构,并在薄弱区域焊接加强筋板,以进一步提高其刚度和强度。试制生产表1有限元分析结果Tab.1Resultsoffiniteelementanalysis设计方案Designschemes材料Materials质量Massm/kg最大位移Maximumdisplacementd/mm最大等效应力Maximumequivalentstressσ/MPa一阶频率Thefirstorderfrequencyf/Hz原结构Originalstructure钢Steel4.55.2274489拓扑优化钢Steel4.45.42121138Topologyoptimization镁合金Magnesiumalloys1.025.42091103尺寸优化Sizeoptimization镁合金Magnesiumalloys1.89.71311302的车架结构紧凑、质量轻便。对组装后的产品进行行驶试验,刚强度及行驶可靠性表现良好。表明有限元优化技术是车辆结构设计的有效方法。3结论1采用镁合金替代原钢铁材料,电动自行车主车架质量仅为1.8kg,减重60,实现了大幅度减重的目的。在更换材料的同时,利用有限元分析技术对主车架进行重新设计。设计后的镁合金主车架与原钢结构相比,一阶固有频率提高了166,结构强度和刚度满足设计要求。2采用拓扑优化技术获得了更为合理的力学承载结构,使结构的强度提高在满足刚度或强度设计要求的前提下,利用尺寸优化技术快速得到各构件的最小厚度尺寸,有效地提高了设计效率。在机械结构和零部件轻量化设计中,该设计方法具有参考价值。参考文献References[1]高云凯,孟德建,姜欣.电动改装轿车车身结构拓扑优化分析[J].中国机械工程,2006,172325222525.GAOYunKai,MENGDeJan,JIANGXin.Topologyoptimizationanalysisformodifyingbodystructureofelectriccar[J].ChinaMechanicalEngineering,2006,172325222525InChinese.[2]王伟,杨伟,赵美英.大展弦比飞翼结构拓扑、形状与尺寸综合优化设计[J].机械强度,2008,304596600.WANGWei,YANGWei,ZHAOMe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