（机械电子工程专业论文）冲击载荷下结构分析与优化方法及应用.pdf

摘要摘要现代结构优化设计方法以结构动力学为基础，计算机辅助工程( c a e ) 为手段，采用虚拟样机技术，高效快速地完成产品结构设计工作。相比于传统设计的经验设计样机实验修改设计多次反复的过程，现代结构优化设计方法在保证产品结构可靠性、缩短开发周期、寻求结构的最优设计方案以及降低成本等方面具有十分重要的作用。结构承受冲击载荷在工程领域十分普遍，其分析与优化涉及非线性特性受到研究者的关注而成为研究热点。本文结合相关课题，依据结构优化设计方法与跌落冲击理论，以有限元分析软件为主要工具，对几类产品结构设计方法进行了创新研究工作，文中主要内容包括：( 1 ) 针对客车侧翻碰撞问题，引入整车模型，依据相关法规，采用全壳单元，完成车身骨架侧翻仿真。根据仿真结果，对车身吸收碰撞冲击性能及安全性能进行评估，并对若干能够有效减小客车侧围立柱弯曲变形的措施进行讨论。采用仿真替代前期部分实车试验可大大减少客车设计过程耗时，对检验客车车身上部强度、优化车身骨架结构具有实际意义，为客车设计、生产与安全性能评价提供参考。( 2 ) 结合3 2 时大屏幕液晶显示器纸浆模衬垫结构设计课题，提出3 2 时大平面液晶显示器纸浆模缓冲衬垫结构的设计方法。以脆值理论为依据，基于产品极限冲击力、单个凸台缓冲能力与缓冲凸台数量之间关系，充分考虑制造可行性，提出了一种新型的折叠嵌套式纸浆模缓冲衬垫结构。通过仿真分析对结构进行优化，并验证所设计的衬垫结构的缓冲性能。文中所述设计方法为大尺寸产品特别是同类大型平面显示器纸浆模衬垫设计提供参考。( 3 ) 结合装载机防落物保护结构( f o p s ) 结构设计课题，提出了一种基于拓扑优化思想的f o p s 设计方法。在冲击载荷条件下，依据s i m p 理论，针对f o p s设计区域确定合适的设计变量、约束条件以及优化目标，通过迭代计算获取f o p s最优拓扑结构。经数值分析确认，所设计f o p s 具备吸收规定冲击能量的变形能力，且完成缓冲过程后结构不侵入d l v 所在区域，满足性能要求。这一设计方法冲击载荷下结构分析与优化方法及应用可作为其他工程机械驾驶室防落物保护装置结构设计的参考依据。关键词：结构优化设计、跌落冲击、有限元方法、仿真分析i ia b s t r a c ta b s t i 鼍c td u et 0t l l es p e e d yd e v e l o p m e n t 讹n d so fs t n l c t u 】融d e s i g i l ，c o i n p u t e r 氲d e de n g i l l e e r i n g ( c a e ) 锄dv i m l a lp r o t 0 够p et e c h n o l o g yh a v ei i 脚ear e v 0 1 u t i o m 巧a d v a i l c ei nd e s i g l l i n ga n dm a i l i l f 砧t i l r i n gp r o d u c t s c o m p a r e dt 0t h ci n e 伍c i e n t印p r o a c ho ft r a d i t i o m lp r o c e s s ，m o d e ms t m c t u r a l0 p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t l l o db a s e do nm es 咖c t u r a ld y n 锄i c sh a sm a d ec o n s i d e r a b l ec o 枷b u t i o ni n 母l a 瑚l i l t e e i n gm er e l i a b i l i 锣o fp r o d u 以s e a r c h i n gf o rt h eo p t i m u ms 乜：t i l r ea i 】l dr e d u c i i 培c o s t i i le n g i n e e r i i l gf i e l d s ，t 1 1 es t m c t u r e su s u a l l y 、o r ku n d e rm ei m p a u c tl o a dc o n d i t i o n f o c u s i n go nt 量l i sp r o b i e m ，m ec o n e l a t i o nm e t l l o d so fa n a l y s i s 龇l do p t i i i l i z a t i o nc o n c e m i l l gn o m i n e a rc h a r a c t e r i s t i c sl l a v eb e c o m et h er e s e a r c hh o t s p o t s t l l i sp a p e rp r e s e n t st l l ei i l n c v a t i o nr e s e a r c hp r o c e s s e so fi i l d u g t r i a lp r o d u c t su s i i 培t l l eo p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o da n dd r o pi i i l p a c tt h e o r y t h em a i nc o m e n ti l l c l u d e s ：( 1 ) f o c u s e d0 nr o l l 一0 v e rp r o b l e m ，w ea d o p t 龀幽姗l l 劬u l a r 盘锄e so f b u st os i m u l a t et h ep r o c e s sb a s e do n l es e c 嘶够r e g u l a t i o l l s t h es i m u l a t i o nc o u l db eu s e da tt h ee a r l ys 魄e so fb u sd e s i g l ls ot h a to r i g i i “d e s i g l lc 锄b eq u i c k l ye v a h l a t e dt oj u d g e 、v h e t h e rt h es u p e r s t m c n l r em e e t st h ep r o t e c t i o nr e q u i r e m e n t sf o rr o l l o v e ra c c i d e n t s a c c o r d i n gt 0t h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，w ep u tf o n a r ds o m ee a e c t i v em e a s u r e st or e d u c et l l ed e f o 吼a t i o no f 角m l ep i l l 2 u r s t h ec o n c l u s i o n sc o u l dp r o v i d et h er e f e r e n c ef o rt h es t n j c t u r a ld e s i g no fb u sf r a m e s ( 2 ) s t n l c t u r a ld e s i g nm e t h o do fc u s h i o n sf o rl a 唱es i z e dl c dw a si n 蚋d u c e db a s e do nt h es t u d yo ft h ec u s h i o i l i i 培m e c h a m s mo fm o l d e dp u l pc u s h i o ns n u c t l l r e an e w 锣p ef o l d i n ga n dn e s t i i 培m o l d e dp u i pc u s h i o ns t m c m r ew a sp u tf o n 】l ，a r dw i t hc o n s i d e m t i o no fm a i l u f a c t u r i n gf b a l s i b i l i 够n l es t m c t u r ew 硒o p t i m i z e da i l dt 1 1 ec u s h i o n i n gp e r f o r m a n c eo ft l l ec u s l l i o n i n gs t n l c t u r ew a sv e r i f i e db ys i m u l a t i o n孤a l y s i s t h ep u 印a s ew a st op r 0 v i d er e f e 】嘲1 c ef o rs t n l c t u l 阻1d e s i g i lo fc u s l l i o n sf o rl a r g es i z e dp r o d u c t s ，e s p e c i a l l yf o rl a r g es i z e dl c d ( 3 ) w i t ht l l es t r u c n l r a ld e s i g no ft h ef a l l i n 分o b j e c tp r o t e c t i v es t r u c t u r e ( f o p s )i i it h ea p p l i c a t i o no fs t m c t u r ea n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nu n d e r i m p a c tl o a do fn l ew h e e l i o a d e rc a b ，g e t e dt h ef o p sd e s i g i lm e t h o db a s e do n 吐屺t o p o l o 影o p t i “z a t i o n w ed i s c u s st h et o p o l o 科o p t i 向z a t i o n 谢ls i m pt t l e o r y 咖d e ri l n p a c tc o n d i t i o na n dn l ed e s i 咖n gp 嬲i i n e 瞬s ，r e s p o i l s e 觚c 廿o n 觚dc o i l s t r 2 l i i lc o n d i t i o na r ec o n 而m e d ，m e no b t a i nt h eo p t i m a lt o p o l o 西c a ls 饥l c t l 】r et h r o u g hi t e r a ：t i v ec a l c u l a t i o n t h e 姗m e r i c a la i l a l y s i si n d i c a t e sn l a tt h e0 p t i m i z e dd e s i 驴o fh 硒l i g h tw e i g h ta n dc 锄p r o v i d es u 伍c i e n tp r o t e c tf o rt h e0 p e r a t o r t h ed e s i g nm e t l l o db 嬲e do nt h es i m p 廿l e o 巧c o u l dp r o v i d em er e f e r e n c ef o ro t l l e re n g i n e e r i n gm a c h i n e 巧p r o t e c t i v e 姗嘶s k 呵w o r d s ：s n u c t u r a lo p t i 础z a t i o nd e s i 印；d r o pi m p a c t ；f i l l i t ee l e m e n tm e 曲d ；s i i i l l l l a t i o na m l y s i s第一章绪论1 1 本文研究背景与意义第一章绪论传统结构设计方法由设计人员根据经验提出设计方案，应用力学理论对初始方案进行分析、校核。若方案不满足约束条件限制，人工调整设计变量，重新进行分析、校核，直至完成可行方案【i 】。传统结构设计方法缺陷显而易见：设计过程必须采用“物理样机验证”方式，如图1 1 所示，即每次方案调整后必须重新制作对应样机进行试验，设计流程时间历程长、研发成本高；测试过程中人员操作失误将造成实验数据的遗漏，实验可重复性差；设计方案以设计人员经验为导向，缺乏完整理论体系。经由传统结构设计方法得出的方案大多数满足可行性的要求，但难以获得最优设计。在当前产品更新换代极快的环境下，对缩减产品设计周期、提高产品设计效率的要求越来越高，传统结构设计方法己不能满足需求。、否厣方寰图1 1 传统“物理样机验证”设计流程冲击载荷下结构分析与优化方法及应用工作产品开发过程图1 2 产品开发过程工作量分布对比图时间传统设计的盲目性与采用样机“试错”的方法成为制约设计效率的最重要原因。如图1 2 所示，传统设计过程中大量成本消耗于调整设计方案后样机的制造。计算机辅助工程( c a e ) 技术的出现与高速发展，为结构设计带来了新思路和新方法。当前c a e 技术经过长期发展，采用“虚拟样机”技术代替传统设计中资源消耗极大的物理样机验证方法：具有了强大的设计功能，采用优化设计的理论，寻求产品设计最佳方案，确保产品设计的合理性，减少设计成本；借助计算机分析计算能力，模拟各种试验方案，减少试验时问和经费。c a e 与计算机辅助设计( c a d ) 技术相结合，使结构设计流程从建立模型到工作过程动态分析均可在计算机平台上完成，在指导设计、提高质量、降低开发成本和缩短开发周期上发挥着显著的作用，犬人提i 苗了设计效率。因此，采用c a e 软件进行结构优化设计己成为工、i 业产品设计的重要手段。1 2 结构优化理论现代结构优化，主要指数值结构优化或计算机结构优化，其研究内容是把数学规划理论与力学分析方法结合起来，以计算机为工具，建立一套科学的、系统的、可靠而高效的方法和软佴：，自动地改进和优化受各种条件限制的承载结构设计。1 9 6 0 年，s c h m i t f 2 】首先引入数学规划理论并与有限元方法结合求解多种载荷情况下弹性结构的最小重量设计问题，形成了全新的结构优化的基本思想，第一章绪论意味着现代结构优化技术的开始。当前，结构优化已成为计算力学最活跃的分支之一f 孓4 】。计算机技术、结构分析方法与数学规划理论构成结构优化的三大基础【5 】。计算机技术经过几十年的发展，为结构分析与优化提供了越来越好的实现环境；结构分析主要采用有限元分析方法，有限元方法相当完美的变分原理理论基础及其良好的数值性质使其很快地被工程界所接受，现已成为结构力学等领域的主要分析工具；数学规划理论则为结构优化奠定了良好的数学基础，一个优化问题的完整数学模型由目标函数、设计变量和约束条件三个要素构成，其数学模型描述如下： 蕃夥，= l ，2 ，3 ( 1 一1 )= l ，2 ，3 式中以力为目标函数，z 为设计变量，蟛和夥分别为z 的上、下限，箩，( 为约束函数。根据研究层次，可将结构优化划分为尺寸优化、形状优化和拓扑优化三个层次，分别对应完整产品的详细设计、基本设计及概念设计阶段。其中尺寸优化是在保持结构的形状和拓扑结构不变的情况下，通过优化截面面积，选择最佳厚度等，寻求结构组件的最佳截面尺寸与最佳材料性能的组合关系 6 】。形状优化是在拓扑结构保持不变的基础上，研究如何确定结构的边界形状或者内部的几何形状，从而达到改善应力分布的目的，避免出现应力集中现象。拓扑优化是将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域内寻求最优材料分布问题。其目的是寻求结构的刚度在设计空间内最佳的分布形式或结构的最佳传力线路，以优化结构的某些性能或减轻结构的重量 7 】。在实际的产品设计过程中，首先使用拓扑优化在设计区域内寻求最优的材料分布，得出产品概念性方案；之后通过形状优化，确定优化区域的具体边界问题；最后利用尺寸优化确定设计方案的各个具体参数。结构优化完整流程如图1 3 所示：冲击载荷下结构分析与优化方法及应用拓扑优化、r 。l 尺寸优化臼图1 3 结构优化设计流程图1 3 有限元方法发展及现状1 3 1 有限元方法在1 9 世纪末及2 0 世纪初，数学家瑞利和里兹首先提出可对全定义域运用展开函数来表达其上的未知函数。1 9 1 5 年，数学家伽辽金提出了选择展开函数中形函数的伽辽金法，该方法被广泛地用于有限元。有限单元法的基本思想是r c o u r a n t 【8 j 在1 9 4 3 年首先提出的。他第一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连续函数和最小势能原理相结合来求解s t v e n a n t 扭转问题。有限单元法第一个成功应用于弹性力学平面问题的是t u m e r 、c l o u 曲、m a r t i n 和n p p f 9 等人1 9 5 6年在分析飞机结构时所获得的成果，他们把结构划分成一个个三角形和矩形的“单元”，每一单元的特性用单元刚度矩阵来表示，他们的研究为利用电子计算机求解复杂平面问题开创，新局面。1 9 6 0 年c l o u g h 进一步处理了弹性力学平面问题，并第一次提出了“有限单元法”的名称。1 9 6 3 1 9 6 4 年，b e s s e l i n g 、m e l o s h和j o n e s 【l l 】等人证明了有限元法是基于变分原理的里兹法的另种形式，确认了有限元法是处理连续介质问题的一种普遍方法，扩大了有限元法的应用范围。2 0世纪6 0 年代后期开始，加权余量法被进一步利用，主要是伽辽金法，来确定单元4第一章绪论特性和建立有限元求解方程，使之应用于己知问题的微分方程和边界条件，该方法在建立有限元方程时不需要变分原理，扩大了有限元的应用范围。有限元方法( f e m ) 的基础是变分原理和加权余量法，其基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。采用不同的权函数和插值函数形式，便构成不同的有限元方法。有限元方法最早应用于结构力学，后来随着计算机的发展慢慢用于流体力学的数值模拟。在有限元方法中，把计算域离散剖分为有限个互不重叠且相互连接的单元，在每个单元内选择基函数，用单元基函数的线形组合来逼近单元中的真解，整个计算域上总体的基函数可以看为由每个单元基函数组成的，则整个计算域内的解可以看作是由所有单元上的近似解构成。4 0 多年来，有限单元法理论日趋完善，应用得到迅速发展，几乎遍布所有工程领域【1 2 】：在力学领域已由二维平面问题拓展至三维空间问题、板壳问题；由静力问题拓展至动力问题、稳定问题和波动问题，由弹性力学拓展至塑性力学；由线弹性材料拓展至塑性、粘弹性和复合材料。可求解的范围由线性问题拓展至非线性问题；由结构力学拓展至流体力学、电磁学、声学等学科；从航空领域拓展到土木工程、电子、机械等领域；并能够对多物理场进行耦合等。随着当前科学和工程技术研究的深入，有限元方法中有待解决的问题会不断显现，因此有限元方法仍面临着不小的挑战。1 3 2 非线性有限元方法发展在实际中，绝大多数工程问题都存在不同程度的非线性特征。解决这类问题时，常常将非线性问题进行简化，在工程实际允许范围内将非线性条件近似为线性后求解。采用线性有限元法求解问题，最终都能够将问题归结为求解一个线性方程组。只要力学建模过程处理合理，其解不仅唯一，而且具有很高的可靠性【1 2 】。然而并非所有工程问题中的非线性特征都适合采用线性近似描述，强行采用线性方法进行求解必然造成结果偏差，因此非线性有限元是目前进行非线性问题数值计算中最有效的方法之一。5冲击载荷下结构分析与优化方法及应用非线性有限元法是在线性有限元法的基础上，作为计算非线性结构问题的一种数值方法提出来的，非线性有限元问题与线性有限元问题之间存在很大不同，主要有以下三方面【1 3 】：( 1 ) 非线性问题的方程为非线性，一般需要进行迭代求解；( 2 ) 非线性问题不能采用叠加原理；( 3 ) 非线性问题不总有一致解，尽管问题的定义都是正确的，但有时可能没有解。自非线性有限元法创始以来，许多学者发表了文章和著作，对非线性有限元的发展做出了贡献。其中论述非线性有限元分析著作作者，国际上包括o d e n( 1 9 7 2 ) ，c r i s f i e l d ( 1 9 9 1 ) ，e i b e r ( 1 9 8 9 ) 和z h o n g ( 1 9 9 3 ) 。其中o d e n 的书是固体和结构非线性有限元分析的先驱著作。最近的著作的作者有s i i n 0 和h u g h e s( 1 9 9 8 ) ，b o i l e t 和w b o d ( 1 9 9 7 ) 。其他一些作者也对非线性有限元分析做出了贡献，分别是b e l ) 哇s c l l k o 和h u g h e s ( 1 9 8 3 ) ，z i e 尚e 、i c z 和1 a y l o r ( 1 9 9 1 ) ，b 州k( 1 9 9 6 ) ，c 0 0 k 、m 2 l i k u s 和p l e s h a ( 1 9 8 9 ) 。在非线性有限元分析中，软件往往比文献更能代表其最新的进展。最早的非线性有限元是由b e r k e l e y 完成的n o n s a p ，主要采用隐式积分进行平衡叠代解和瞬时问题的求解。p e d r om a r c a l 完成了第一个非线性商业有限元程序m a r c 。同一时期，j o l l i ls w a n s o n 开发了a n s y s 。这两款软件仍是目前国内主流的非线性有限元软件。之后h i b b i t t 使a b a q u s 商用软件进入了市场，该软件新增了增加单元和材料的性能模块，极大扩充了软件的功能。而a d i n a 作为n o n s a p的派生产品最早为我国研究人员所使用。当代非线性软件的另一个分支是采用显式积分的非线性有限元程序。显式有限元程序发展的里程碑来自于l 抓肥n c el i v e n n o r e 实验室的j o l l i lh a l l q u i s t 所开发的d 、i a 程序。1 9 8 9 年o l u lh a i i q u i s t拓展了l s d 、a 商业版的d 妊程序。非线性有限元分析软件出现和发展给结构优化设计带来了根本性的变革。有限元商用软件的发展，为c a e 的实现提供了载体。尤其是非线性有限元软件，在工程设计中已被广泛采用。初始阶段仅用于对工程结构进行模拟计算，对应力、变形等结果进行精确分析。但这些分析只能够单纯的对工程结构进行检验，找出结构中的危险位置，却不能完成结构优化。随着计算机技术的发展，非6第一章绪论线性有限元软件不仅能够完成分析计算、分析仿真的功能，并将传统的c a e 技术和优化理论及优化算法集成于一体，使其具有了结构优化设计功能，为寻找工程结构的最优设计方案提供指引。1 3 3 非线性有限元三类基本问题非线性有限元存在三种基本类型的问题，即材料非线性、几何非线性以及边界非线性。本文所分析工程实例中，产品结构由非线性材料组成，并且在实际工况中均发生了大位移、大变形、接触和冲击，三种非线性问题互相耦合，产生综合作用，十分复杂。因此在工程实例的动力学分析过程中必须对几类非线性同时加以考虑。( a ) 材料非线性材料非线性中存在两类问题：一类表现为某个存在着缺口、裂纹等形状上的不连续变化、初始材料特性为弹性的结构所承受的外部载荷达到一定值时，结构上的不连续部位首先进入塑性状态，材料不再具有弹性特征，称为弹塑性，如图1 4 所示，碳钢应力一应变关系具有典型的弹塑性特征；fp基曼葛6 ( ) 一图1 4 碳钢应力应变曲线或者一些材料的应力一应变物理特性本身就是非线性的，称为非线性弹性，如橡胶、高分子聚合材料等。这一类材料非线性问题的特征在于表征材料应力一应变关系的本构方程是非线性的，即仃= 庞中刃以函数矩阵形式表示。材料非7冲击载荷下结构分析与优化方法及应用线性有限元在求解方法上与线性问题相同，仍为厨= ，( 1 1 )不同点在于方程中的刚度矩阵f 不再是常数，而以包含节点位移矢量一的函数形式表示鲰砷= f 以神励少( 1 2 )另一类材料非线性问题是材料保持应力不变条件下，由于载荷长时间作用引发蠕变应变增大。这类应变随时间变化的特性称为粘性。综上所述，用于描述材料非线性的力学模型有弹性元件、粘性元件和塑性元件三种基本形式。三者之间进行组合能够用于描述各种具有非线性特征材料的力学特性。如将粘性元件与弹性元件进行串联，可得麦克斯韦模型；进行并联则可得开尔文模型，如图1 5 所示。牯性冠件弹性冗件囊羹克斯书捷型b 开率文糗燮图1 5 粘弹性元件组合材料模型惦缝咒俘林冬鸣等通过三种基本元件组合建立了纸浆模材料弹粘塑性模型【1 4 】，如图1 6 所示，用以表征纸浆模材料的非线性特征。8第一章绪论h图1 6 纸浆模材料弹粘塑性模型【1 4 】纸浆模材料弹粘塑性模型在第1 阶段以一个独立的弹性元件描述材料进入屈服前的线弹性特征，第阶段采用塑性元件、粘性元件与弹性元件并联的方式以表征材料屈服阶段的非线性特征，较好地匹配了纸浆模材料特性。( b ) 几何非线性在分析线弹性问题时，通常需要作出小变形假设，即：结构在外载作用下产生的位移相对于结构自身是微小的，并且不会对结构响应造成影响。这样的假设实质是将问题做了线性近似，主要包含两方面内容：一是应变与位移之间作了线性化处理，忽略高阶应变小量，即占= b u 中的应变矩阵b 为线性；二是把结构变形后的平衡状态用变形前初始结构平衡状态表示而不做修改。工程问题中的结构变形问题并不能都采用小变形假设进行近似后求解，如板壳等薄壁结构在载荷作用下常发生大变形。此时结构的位移大小必然对结构的响应造成影响，属于几何非线性范畴。大变形与大转动是几何非线性的两种典型形式。图1 7 所示为悬臂梁发生大变形的情况。悬臂梁在外载作用下弯曲，端部产生相对自身几何尺寸较大的挠度，使悬臂梁结构形状甚至刚度发生变化。随着弯曲程度不断增加，载荷方向不再与悬臂梁垂直且力臂逐渐减小，导致梁端刚度逐渐增大，悬臂梁整体对外载的响应呈现非线性。9冲击载荷下结构分析与优化方法及应用图1 7 悬臂梁大变形示意图图1 8 所示为薄板发生大转动的情况。一块平面面积较大的小曲率薄板在外载作用下发生翻转。整个过程中薄板位移量值相对于板的尺寸很小，未出现大变形，但发生突然翻转时，薄板刚度发生剧烈变化，成为负值，具有典型的几何非线性特征。突然翻转”后形状力图1 8 薄板大转动示意图( c ) 边界非线性边界非线性最常见的形式是接触非线性。两个物体互相接触后，随着接触合力的变化，二者间的接触面大小、接触处的应力均发生变化，结构响应体现出高度非线性特征。图1 9 所示为悬臂梁受外载作用发生挠动过程中与障碍物接触的情况。假设小变形前提下，纵向挠度与外载成线性关系。一旦悬臂梁自由端与障碍物相接触，障碍物将阻碍悬臂梁自由端纵向运动，梁的响应瞬时发生剧烈变化，不再为线性情况。i o第一章绪论图1 9 悬臂梁自由端与障碍物接触示意图实际工程问题中，三类非线性问题通常相互耦合，必须借助当前发达的计算机技术，结合实践经验，求出工程问题的非线性解。1 4 大客车侧翻问题研究现状当前，大客车已成为我国公路客运中最主要的交通工具。2 0 1 0 年，客车销售4 1 4 5 万辆，同比增长2 7 6 6 ，产销率9 9 2 8 。在客车主要品种中，大型客车销量增速最为明显，共销售7 5 8 万辆，同比增长4 3 1 5 。大客车使用量与日俱增的同时，其安全性也极受关注。大客车通常高速运行，且载客量大，一旦发生事故，常造成车毁人亡的严重后果。在各类客车事故中，侧翻最为严重，极易发生群死群伤。所谓侧翻，是指汽车在行驶过程中绕其纵轴线转动9 0 度或更大的角度，以至车身与地面相接触的一种极其危险的侧向运动f 1 5 1 。从近年统计来看，大客车侧翻事故频发【l6 】。依据我国重大安全生产事故统计( 2 0 1 0 年1 6 月) ，大客车侧翻事故部分列举如下：3 月1 3 日，广东惠州市一辆大客车发生侧翻，造成1 5 人死亡，8 人受伤；4 月1 8 日，江西吉安市一辆大客车与一辆小轿车发生碰撞，大客车冲出右侧护栏，翻出路外，1 0 人死亡，1 5 人重伤；5 月3 1 日，浙江乍嘉苏高速一辆山东牌照大客车与一辆轿车相撞发生侧翻，造成8 人死亡，7 人重伤。冲击载荷下结构分析与优化方法及应用图1 1 0 客车侧翻事故大客车发生侧翻时产生剧烈冲击，造成车身上部严重变形，压缩乘员生存空间，从而威胁乘员生命。因此大客车车身上部结构必须具备足够强度与抵抗冲击的能力，以保证乘员安全。针对客车车身上部结构强度要求，欧美分别提出了相应的侧翻安全法规一e c er 6 6 【1 7 】和f m v s s2 1 6 ，以保障客车安全性能。我国在e c er 6 6 基础上提出了g b t1 7 5 7 8 1 9 9 8 一客车上部结构强度的规定 1 8 】。计算机技术的广泛使用，使欧美各国对于车辆的被动安全性能研究由最初单一的正面碰撞逐步发展侧翻安全性能 1 9 2 0 j 。国际上对于重型车辆的侧翻工况，无论静态、准静态和动态的计算机模拟，还是大型车辆侧倾试验台的试验验证，都已进行了深入研究【1 5 】。国内许多客车生产厂家也逐渐开始重视侧翻安全性能的研究，投入经费建立侧翻实验平台，进行车辆的侧翻性能研究与验证。各高校也开始对大客车侧翻试验进行计算机仿真：中国农业大学邰永刚【2 一 等对大客车静态及动态性能进行j ，计算机仿真；吉林大学杨昆【2 ，1 、吴平【1 5 l 等分别选用梁单元与梁壳混合单元建模后对大客车进行侧翻性能分析。在侧翻仿真中完全采用壳单元对大客车模型进行有限元网格划分，虽然计算时占用资源较多，但精度极高，可以媲美实车实验的结果，具有最高的真实度。1 5 纸浆模包装研究现状在当前工业现代化趋势下，产品包装的种类己逐渐丰富，分别采用塑料、泡沫、金属、纸、玻璃、陶瓷、纤维等材料。塑料、泡沫、纸包装在各行业中备受第一章绪论青睐，不但质轻价低，且材料来源广泛，因而被选用来包装产品。相比于塑料与泡沫包装在使用过后处理上的困难，纸包装可以方便地回收再利用，绿色环保，具有更加广阔的应用前景。纸浆模制品( p u l pm o l d e dp r o d u c t s ) 是以一定浓度的纸浆，加入适量化学助剂在带有滤网的模具成型机中通过真空或加压的方法使纤维均匀分布在模具表面，从而形成具有拟定几何形状与尺寸的湿纸模坯，经过进一步脱水脱模，干燥整饰而成的制品【2 3 】。纸浆模制品现已运用于工业包装、食品、医疗器具、家电等各种行业。图1 1 1 纸浆模包装在各类产品中应用在一些发达国家，纸浆模工业发展已有数十年历史，如美国、英国、日本、月麦等国，其纸浆模制造产业已具备了相当的规模。在美国，纸浆模制品用纸基本为废纸，每年大约为4 5 万吨，从1 9 9 4 年开始每年以4 0 的速度增长，2 0 0 0年已经增长到8 1 万吨。纸浆模包装的巨大需求量，己使其成为回收纸张的第三大消费行业【2 4 j 。相比于国外，我国的纸浆模工业起步较晚，2 0 世纪8 0 年代，我国从国外引进了第一条纸浆模生产线。1 9 9 3 年开始，由于世界加工业的东移，来华外企出冲击载荷下结构分析与优化方法及应用口产品要求使用环保包装，纸浆模在国内才开始被广泛应用于各领域产品包装。时至今日我国的纸浆模包装在包装行业所占比例仍然很低，具有很大的发展空间。国内一些企业与高校进行合作，针对纸浆模包装进行了相应理论研究，并应用于实际生产：林冬鸣【1 4 】等建立了表征纸浆模材料的弹黏塑性流变模型，研究了纸模结构参数与承载能力的关联性；康永刚【2 5 】等采用纸浆模缓冲结构参数分析方法，研究了模体结构形状特征与缓冲包装性能之间的关系；张业鹏【2 6 】等对纸浆模塑类缓冲包装结构的缓冲性能及其包装动力可靠性进行了系统研究：王高升【2 7 】等根据纸浆模缓冲结构单元的静态压缩曲线，研究了纸浆模缓冲包装的设计方法。当前条件下，国内已有大量纸浆模包装应用于小型产品的缓冲防护。由于小型产品自身质量较轻，缓冲要求不高，通常能够顺利设计出满足产品防护需求的纸浆模缓冲包装。然而由于纸浆模材料自身缓冲机理的限制，如何设计缓冲防护要求高的大尺寸、大质量产品的纸浆模缓冲结构，成为了纸浆模包装设计中亟待解决的问题。1 6 装载机防落物保护装置研究现状装载机被广泛应用于建设工程的土石方施工机械，它主要用于铲装散状物料，也可对矿石、硬土等做轻度铲挖作业。在道路、特别是在高等级公路施工中，装载机用于路基工程的填挖、沥青混合料和水泥混凝土料场的集料与装料等作业。由于装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点，因此它成为：i ：程建设中土石方施工的主要机种之一。图1 1 2 厦工9 5 3 型装载机1 4第一章绪论由于装载机通常在户外环境中进行工作，常常遭遇石块、树木、混凝土等高空坠物的情况。坠物一旦击中装载机驾驶室，容易造成驾驶室发生严重变形，从而威胁驾驶员生命安全。为避免施工过程中的人员伤亡，危险环境下工作的装载机必须搭载防落物保护装置。图1 1 3 装载机驾驶室1 9 6 9 年，美国工程与工业机械技术协会( c i m t c ) 将发生落物事故时保护司机安全的结构称为防落物保护装置( f a l l i n go b j e c tp r o t e c t i v es t n l c t u r e ，简称f o p s ) 。1 9 7 2 年c i m t c 提出评价f o p s 性能的实验室静态检测方法，并定义r挠曲极限量( 简称d l v 【2 8 】) 。之后国际标准化组织制定j ，i s o3 4 4 9 ：1 9 9 2 一土方机械一落物和翻车保护结构实验室鉴定一挠曲极限量的规定，提出了f o p s 实验室鉴定的合格标准。国内也提出了对f o p s 试验的规范标准。1 9 9 9 年，国家质量技术监督局基丁：i s o3 4 4 9 ：1 9 9 2 【2 9 】，发布了g b t1 7 7 7 1 1 9 9 9 一土方机械一落物保护结构实验室试验和性能要求【3 0 1 。装载机被落物击中的事故过程是一个瞬态的复杂物理过程，它包含以材料弹塑性变形为典型特征的材料非线性问题，大位移、大转动和大应变为特征的几何非线性问题和以接触摩擦为特征的边界非线性问题，l 类非线性物理现象的综合作用结果使过程的精确描述和求解十分困难【3 l j 。国外对f o p s 性能的实验室测试冲击载荷下结构分析与优化方法及应用方法进行了讨论，并对测试过程进行模拟【2 2 】。吉林大学邵明亮教授对工程车辆f o p s 受冲击的动态响应进行了理论研究【3 3 - 3 4 】；吉林大学王继新教授等也采用了有限元方法对装载机f o p s 落物冲击过程进行了动力学模拟【3 5 】，并针对实验中标准落锤与f o p s 变形之间的关系进行了分析【3 6 】。f o p s 的结构设计没有完整的理论体系，设计过程依赖人员设计经验。通常设计方案满足产品防护要求，却难以获取最优设计。因此，寻求设计防落物保护装置最优结构的方法成为装载机设计中一个研究目标。1 7 本文研究内容本文主要可分为六章，具体内容如下：第一章介绍了结构优化设计的概念，有限元、非线性有限元发展状况，若干行业产品结构设计中研究现状及本文研究的背景和意义。第二章对跌落冲击理论进行了研究，分别对无阻尼跌落与有阻尼跌落情况下位移、速度、加速度等响应进行推导，并基于能量法对线弹性条件下冲击造成的应力与变形的计算方法进行叙述。第三章采用壳单元对大客车整车模型进行有限元建模，并对客车侧翻碰撞过程进行仿真计算，通过观察客车上部结构受损状况判定乘员生存空间是否受侵入，分析客车安全性能，同时针对有效减小上部结构变形措施进行了探讨。第四章在纸浆模衬垫结构的缓冲机理研究基础上，提出了3 2 时大平面液晶显示器纸浆模缓冲衬垫结构设计方法，通过仿真分析对结构进行优化，并验证其缓冲性能。第五章提出一套基于拓扑优化理论的f o p s 设计方法，依据s i m p 理论对装载机驾驶室f o p s 设计空间进行拓扑优化，根据拓扑结果对f o p s 骨架结构进行设计，并通过冲击仿真对设计方案进行调整。第六章对本文研究内容进行概括，列举本文创新点与不足，并对结构优化设计领域发展方向进行展望。1 6第二章跌落冲击理论研究第二章跌落冲击理论研究冲击是指物体在极短时间内速度或能量产生突然的变化。物体发生冲击时，主要有以下三个特点：冲击力作用时间极短、冲击力极大、产生极大的冲击加速度。在产品发生冲击的实际工程问题中，冲击通常主要以水平冲击与垂直冲击两种形式出现，其中以跌落冲击最为剧烈。文中所涉及研究内容中，客车侧翻碰撞过程以垂直方向冲击为主，纸浆模衬垫包装产品跌落过程以及装载机防落物保护结构承载过程均为跌落冲击的动力学过程，因此需对跌落冲击理论进行研究。根据动量定理，：型二竺堡l( 2 - 1 )式中尸为冲击过程中的平均冲击力，、嵋分别为冲击前后的速度，为冲击时间。由式( 2 - 1 ) 可知，冲击时间，越长，冲击力，越小，则产生的冲击力与冲击加速度就越小。因此，在垂直冲击过程中，冲击持续时间和响应加速度是产品冲击理论的两个重要参数。2 1 无阻尼情况下跌落冲击针对产品受跌落冲击情况，建立如图2 1 力学模型进行分析。审图2 1 无阻尼跌落冲击模型1 7冲击载荷下结构分析与优化方法及应用( a ) 运动方程与位移方程如图2 1 所示，选取产品落地后平衡位置为原点，竖直向上为x 轴正方向。产品在平衡位置时受自身重力= 馏与弹性力尸= 鼠z 一6 盯) 的作用，根据牛顿第二定律，产品的运动微分方程为朋石= 一尸一= 一般z 一6 硝) 一刀笞( 2 2 )其中6 = 华，2 = 鱼宠珑可得产品的运动微分方程为肿2 z = o( 2 3 )由产品落地前瞬间初始条件p ) ( 2 - 4 ) = 一厨“求得产品位移方程为z ：一丝s i n ，( 2 5 )用f 表示冲击过程持续时间，取冲击结束时刻，此时有z o ) = o ，代入位移方程巫s i l l 国f ：o( 2 6 )可得f ：三。由于冲击持续时间短，仅有半个正弦波，因此弘三：三：上( 2 7 )f = 一= 一= 一k z 。，国j 2j 2 m式中7 与石分别为产品的固有周期与固有频率。式( 2 7 ) 表明产品固有频率越大，跌落冲击时间越短。令，：三= 兰代入位移方程可得跌落冲击过程中产品的最大位移zz 而：譬：浮协8 ，由式( 2 8 ) 可知，跌落冲击过程中高度越大，产品固有频率越低，产品受冲击1 8第二章跌落冲击理论研究后变形越大。( b ) 速度与加速度对式( 2 5 ) 进行一次与二次求导，分别可得产品速度与加速度随时间变化函数z = 一2 髟日c o s 国，( o ，s f )( 2 - 9 )z = 国2 髟s i n ，( o ，f )( 2 1 0 )同样在，= 三时刻，产品加速度为跌落冲击过程中的最大值为二渤= 2 ( 2 1 1 )可见产品固有频率与跌落高度是影响最大加速度砌的主要因素。在实际工程问题中，跌落高度日通常为由标准确定的给定值，因此降低产品固有频率成为减小最大冲击加速度的主要方法。2 2 有阻尼情况下跌落冲击实际工程中产品所用材料通常具有典型的材料非线性特性，引入具有阻尼的模型对其进行描述，如图2 2 所示。根据图示模型建立方程，对冲击持续时间和产品响应加速度进行求解。图2 2 包装件冲击阻尼模型( a ) 冲击持续时间求解当包装件受冲击时，产品所受到的冲击力包含弹性部分尸= 后( z 一屯) 与阻尼1 9冲击载荷下结构分析与优化方法及应用部分刀= 口z 。根据牛顿第二定律，产品的运动微分方程为m x = 一m g p r = 一h c x令= 层一寺，代入式( 2 - 1 2 ) 有肿2 疗肿2 z ：0当刀 时，产品的位移的位移方程为z = q n ( 厅磊+ 口)冲击初始条件与无阻尼情况相同，为f z ( o ) = o1 二( o ) ：一莎【z ( o ) = 一拉历设善：兰，可求得卜羼一丢辱i 口= o代入方程( 2 1 4 ) ，产品的位移方程变为一去辱 t n ( 厨，)( 2 1 2 )( 2 1 3 )( 2 1 4 )( 2 1 5 )( 2 - 1 6 )用f 表示跌落冲击过程的持续时间，由初始条件有z ( f ) = o ，代入位移方程，可求得产品冲击持续时间为r = 1 二( 2 1 7 )1 一考2 ( b ) 产品响应加速度求解将位移方程对时间求二次导数，得到产品的加速度方程为；= 国脬嘲 ( 1 - 2 冲n ( 廊忙丹c o s ( 厕俨令s i n a ：2 善再，c o s a = 1 一鸳2 ，可将方程变为第二章跌落冲击理论研究z = 蜘s 访( 乒面舢)笱l 一善2t a n 口= 二三1 一篮2为求最大加速度乙，令窖：o ，得为求最大加速度勘，令等= o ，得& t再c 。s ( 乒再舢) 由洫( 乒再舢) = o令s i i l y = e 了，c o s ) ，= 吾，将式( 2 2 0 ) 改写为s i n ( 厨，+ 口一y ) = o由此可知z 取最大值的时间为厶2 i 畚专将乙代入式( 2 _ 1 8 ) ，求得、f l 一亡。( 2 1 9 )( 2 2 0 )( 2 2 1 )，一厂了_ 锄= 国2 l 咖、1 2( 2 - 2 2 根据式( 2 2 2 ) ，可以看出影响产品最大加速度的三个因素：1 如乃，即跌落高度越大，产品最大加速度越大；2 勘，即衬垫固有频率或弹性系数越大，产品最大加速度越大；。3 当善o 5 时，勘减小，阻尼具有缓冲作用，当善在o 2 o 3 之间时缓冲效果最好；善0 5 时，砌增加，阻尼反而起到增加产品最大加速度作用。2 3 能量法求解冲击应力与变形在垂直冲击过程中，产品的应力与变形响应情况是判定产品是否失效的重要标准，因此需要对应力与变形的计算理论进行研究。因为冲击物与受冲构件的接触