（机械制造及其自动化专业论文）垃圾车车厢结构动态优化设计.pdf

摘要 垃圾车车厢结构动态优化设计 硕士研究生：刘汉昕 导师：朱壮瑞 ( 东南大学) 捅要 本论文结合江苏省科技攻关项目“全密封后压缩环保璎5 立方米垃圾车1 项目号：b e 2 0 0 6 1 0 5 ) ， 对悦达公司y d 5 0 7 0 z y s 型压缩式垃圾车进行动力学仿真及结构优化设计。选题具有很强的j ：程背 景和应川价值。其土要内容包括： 1 建立了后压缩式垃圾车的三维c a d 模型并进行虚拟装配。 2 以壳单元为主，建立了后压缩式垃圾车5 个分总成和具有近6 万单元的整车结构有限元模 型。 3 设计了厢体、下刮板、上刮板的模态实验的悬挂系统，并进行了弹簧刚度标定实验，测得 了厢体、f 刮板、上刮板二个分总成的质鼍和动态特性。对实验测试数据进行了后处理分 析，并与有限元计算结果进行对比，有较高的符合程度，验证所建模型符合r ：程精度要求。 4 根据垃圾车结构的特点，对垃圾车的各个分总成进行了动、静态灵敏度分析，使得各个分 总成的动刚度和静刚度都有不同程度的提升，并降低了结构质鼙。 5 对垃圾车整车结构进行了五种典型i ：况的分析，在模拟每种j ：况的约束和载荷作用的情况 下，得出结构的晟大麻力值以及最大应力所在的区域，同时对车辆进行了瞬态动力学分析， 与改进后的新垃圾车结构的计算结果进行了对比，达到了优化设计的目的。 关键词：后压缩式垃圾车；灵敏度分析；模态试验；动态优化设计；瞬态分析 a b s t r a c t d y n a m i co p t i m i z a t i o nd e s i g no nt h e c o m p a r t m e n to fg a r b a g et r u c k c a n d i d a t ef o rm a s i e r ：l i uh a n - x i n a d v i s e r ：z h uz h u a n g - r u i s o u t h c m s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t b a s e do nt h ep r o j e c t “5 岔t y p ep r e s s u r i z e de n d - l o a d i n gc o m p a c t i n gg a r b a g et r u c k ，w h i c hi st h e t a c k l i n gk e yp r o b l e mo fj i a n g s up r o v i n c e t h ep a p e rh a sas t r o n ge n g i n e e r i n gb a c k g r o u n da n dp r a c t i c a l a p p l i c a t i o nv a l u e t h em a i nc o n t e n t si n c l u d e ： 1 b u i l dt h r e ed i m e n s i o ne n t i t ym o d e lo f t h ee n d l o a d i n gc o m p a c t i n gg a r b a g et r u c k 2 b u i l dt h ec a em o d e lw h i c hc o n t a i nn e a r l ys i x t yt h o u s a n ds h e l le l e m e n t s a n dt h em o d a lt e s t i l l u m i n a t et h a tb o t ht h ec a da n dc a em o d e lc a r lm e e tt h ep r o j e c td e m a n d 3 d e s i g nt h eh a n g i n gs y s t e mo ft h em o d a l t e s to ft h eg a r b a g et r u c k t h em a s sa n dd y n a m i c p r o p e r t i e so ft h e s t r u c t u r ei so b t a i n e db yt h et e s t t h ec o m p a r i s o nb e t w e e n * h et e s ta n d c o m p m e d z c dr e s u l t si s 西v e i la f t e rd e a l i n gw i t ht h et e s td a t a 4 b o t ht h ed y n a m i cs e n s i t i v i t ya n a l y s i sa n ds t a t i cs e n s i t i v i t ya n a l y s i so ft h es t r u c t u r ei sd o n eb y a n s y sa n ds a t i s f a c t o r yr e s u l ti so b t a i n e d 5 t b c r oa r ef i v er e p r e s e n t a t i v es t a t u sa n a l y s i sa n dt r a n s i e n ta n a l y s i si sa p p r o a c h e db ya n s y s t h e p r o p e r t yo f b o t ht h eo l da n dn e ws t r u c t u r es h o wt h a tt h eo p t i m i z a t i o ni ss u c c e s s f u l k e yw o r d s ：e n d l o a d i n gc o m p a c t i n gg a l b a g et r u c k ；s e n s i t i v i t ya n a l y s i s ；m o d a lt e s t ；d y n a m i co p t i m i z a t i o n d e s i g n ；t r a n s i e n ta n a l y f i s t i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 童基盈丘日期：卫星! ： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：习i 区旦红导师签名：辑 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的研究背景与课题来源 垃圾处理工作是城市建设和管理的重要内容，与人民生活密切相关。随着我国经济的发展和人 民生活水平的提高，环卫部fj 需处理的垃圾从数鼍到种类都日益增多。无疑，垃圾处理j ：作量将加 大，这样，垃圾处理的效率问题将是我们面对的一个重要问题。垃圾的处理包括垃圾的收集、运输 及晟终处理，其中垃圾运输是重要的一环，这不仅因为它的效率直接影响整个垃圾处理工作的效率， 而且如运输_ 具选择不慎，会在运输过程中产生泄漏、废气等污染，严重影响垃圾处理工作及城市 环境处理。 另外，我国申奥的成功使得环保逐渐成为一个热门话题，同时加速了中国环保产业的升温。当 大家憧憬环保市场的巨大份额时，环保方面存在的亟待解决的众多问题同时也明显的暴露出来，其 中垃圾的处理属丁- 重中之重，垃圾的运输问题更是中国环保产业的一大挑战。 截止2 0 0 4 年末全国有城市6 6 1 个，城市常驻人口3 4 0 8 8 万人，城市年生活垃圾已达1 4 9 亿吨， 并且还按s 一1 0 的速度激增，已经成为中国政府高度重视和致力解决的重火社会问题之一。 尽管目前中国专业从事垃圾处理设备生产的企业已有一百多家，但绝大部分规模很小，条件简 陋，年销售产值2 0 0 万元左右的企业有8 9 家，销售额1 0 0 0 万元以上的企业仅有少数几家。2 0 0 4 年 环卫垃圾车销售量居全国第一位的青海新路环卫设备制造有限公司销售鼍为5 2 5 辆，占同类产品的 市场份额为3 5 ，销售产值仅刚突破亿元。冈此，绝犬部分垃圾清运设备低档、简陋，自动化群度 低，致使城市大量垃圾无法及时有效地清理。目前，即使某些特人城市和少数重点旅游城市至今仍 然使用着比较落后的垃圾清运设备，更不用说中小城市了。 随着北京2 0 0 8 年奥运会及上海2 0 1 0 年世博会的临近，城市的净化二f ：程实施进度正在进一步加 快，各大城市都在拟定新的垃圾处理计划，安排资金逐年更新并添置高档垃圾运输车。随着国民经 济的发展和人民生活的提高，垃圾数晕日益增加、生活垃圾的容重减小、喂入装填器方便，因此， 具有压缩和破碎功能的后装压缩式垃圾车日益受到环保部fj 的普遍欢迎。随着城市环卫水平的不断 提高，后装压缩式垃圾车的需求量逐年上升，经过预测最终可达到整个垃圾车辆市场的7 5 - 9 0 。 本课题来源于江苏省科技攻关项目：“全密封后压缩环保型5 立方米垃圾车”，项目号：b e 2 0 0 6 1 0 5 。 1 2 国内外研究现状 当今，压缩式垃圾车在发达国家已广泛使用。德国是最甲- 进行垃圾焚烧技术研究的国家，随即 美国、日本、英国、法国等发达国家也相继积极开展了这方面的研究，并得到初步戍_ l i j 。 国外生产垃圾车的厂家主要有：戴姆勒一克莱斯勒公司( d a i m i e r c h r y s l e r ) m a n ) t 司、许凌 f s c h o d i n g ) 公司、依维柯( i v e c o ) 公司、法恩( f a u n ) 公司、海勒( h a l l e r ) 公司、s c a n i a 公司、t t e b e r g 公司等。 东南人学顽i ：学位论文 中国人口近十三亿，又处在国民经济持续快速增和城市化加速发展时期，然而垃圾处理技术 整体水平仍然较低，垃圾无害化水平与发达国家还有较人筹距。 我国生产垃圾车的主要生产厂家有：中国第一汽车集团四川专用汽车厂( 远达牌h 上海市环境工 程设计科学研究院、中日合资南京晨光航天应用技术股份有限公司( 晨光牌) 、徐州特种汽车总厂( 华 风牌) 、济南哈勒汽车制造有限公司( 哈勒牌) 、武汉九通汽车厂( 九通牌) 、南宁专用汽车厂( 象力牌) 等 三十多家。 由于国家法规的制约，敞开式、加盖式都不能免除购置附加费，使_ i j 成本高，密封性能差；集 装箱式装载利用率低，存在有滴漏污染、垃圾不可压缩的缺陷。新型的后装压缩式垃圾车适用性强， 它不仅对垃圾具有压缩能力，提高了单车装载质量和容积，而且配备了污水处理装置，避免了对城 市环境的- 二次污染，能从小街小巷居民手中直接收集袋装垃圾，是一种新型的环卫_ 具，有逐步替 代带侧面液压提升机构而无压缩机构、不能到门到户的厢式垃圾运输车的趋势。 我国从1 9 8 6 年开始，在引进的基础上开发的后装压缩式垃圾车市场分额迅速扩大，但国产化水 平仍很低，其发展、研究还处r 初级阶段，亟待发展和成熟。 目前我国后装压缩式垃圾车大部分为引进国外先进的产品技术和一【装技术而生产，部分关键件 为原装进口。因此，在消化、吸收国外先进技术的基础之上，尽快设计、制造出符合我国国情的后 装压缩式垃圾车，对城市建设、环境保护、发展和扶持国产专用汽车事业有着重要意义： ( 1 ) 掌握一批先进的设计理论、设计与试验方法，为后装压缩式垃圾车整体机构的方案设计、参 数选择等提供科学的依据。 ( 2 ) 提出具有一定实用价值的相关结论，推动我国高性能、高质量的后装压缩式垃圾车的发展。 ( 3 ) 产生良好的社会效益和经济效益，为我国的环保事业做出一定贡献。 从总的发展趋势来看，随着环保事业的发展，我国专用汽车工业水平和国内电气、液压元件性 能的提高，压缩式垃圾车必将逐步替代其他垃圾车辆，成为我国垃圾车的土要品种。 1 3 基于有限元法的结构优化设计 优化设计是6 0 年代随着电子计算机的广泛使用而迅速发展起来的一门学科。它是最优化技术和 计算机技术在计算领域中应用的结果。优化设计能为j ：程及产品设计提供一种重要的科学设计方法， 使得在解决复杂设计问题时，能从众多的设计方案中寻得尽可能完善的或最适宜的设计方案。因而 采用这种设计方法能大大提高设计质量和设计效率。目前优化设计方法在机械、电子、电器、化工、 纺织、冶金、石油、国防、航空、航天、造船、交通、建筑及管理等设计领域都得到了广泛的应用， 而且取得了显著的技术、经济效果。特别是在机械设计中，对。f 机构、零件、部件、一j ：艺设备等的 基本参数，以及系统的设计，都取得了良好的效果。实践证明，在机械设计中采用优化设计方法， 不仅可以减轻机械堤各自重，降低材料消耗与制造成本，而且可以提高产品的质鼍与i ：作性能，同 时还能大大缩短产品设计周期。因此，优化设计己成为现代设计理论和方法中的一个重要领域，并 且愈来愈受到广久设计人员和：亡程技术人员的重视。 2 第一章绪论 1 3 1 结构优化的概念及其发展 在优化设计领域中重点和难点是结构优化设计，它是一门集计算力学、数学规划、计算机科学 以及其他 ：程科学于一体的新型学科。现代结构优化，是以计算机为_ t 具，将最优化理论结合力学 分析方法，用于受各种条件限制的承载结构设计。具体来说，该方法将现代计算力学、数值分析与 数学规划理论相结合，以具有人存储量和高速处理能力的计算机为【= 具，系统地、自动地进行结构 设计，寻求满足各种性态约束( 如位移、应力、动力特性等约束) 的最佳结构。因此，结构优化设计就 是寻求满足各种约束条件下的最佳构件尺寸、结构形式设计方案。 传统的结构设计是设计人员按设计要求和自身的实践经验通过判断创造结构设计方案，随后用 力学理论对设计的方案进行力学分析、安全校核，若该方案不满足约束限制，则人j ：调整设计变量， 重新对设计方案进行分析、校核，直到找到一个可行方案。这个设计过程周期长、费用高、效率低， 得到的结果也往往仅是可行方案，很难取得最优设计，而且传统的设计方法无论是分析还是设计都 存在人餐的简化和经验，准确性差。 到了2 0 世纪中期，高速，大容量电子计算机的广泛使用和一些精度高的力学分析方法，如有限 元素法的建立和应_ 【 ；i ，使得高速度、高精度地完成复杂结构的数值分析】：作成为现实；而数学规划 和其他优化理论的建立与进步，则为设计参数调整的科学化奠定了理论基础。1 9 6 0 年，美国的 l a s c h m i t 教授首先提出了将力学中的有限元素法与数学规划法结合，以处理含不等式隐式约束条件 的结构优化问题和概念与方法，从而奠定了工程数值优化方法的基础。数值优化方法与电子计算机 结合，可显著提高一i ：程设计效率和品质、缩短设计周期、降低成本，并使设计j 二作自动化成为可能。 从那时开始，这种新的设计方法日益受到人们的重视，并得到迅速发展。数学规划中的许多方法都 曾被用来求解结构优化问题，其中复合形法、序列线性规划法、可行方向法、罚函数法都是采用得 较多的方法。数学规划法的本质是根据当前的设计方案所提供的信息，确定寻优方向币i 步k ，一步 一步地逼近最优点。数学规划法的优点是，它有较强的数学基础，一般都有严格的收敛性证明，而 且通用性好，可处理不同性质的优化问题。但由于结构优化问题大多是非线性规划问题，随着设计 变量与约束条件的增加，求解问题规模的加大采_ j 数学规划法需要的结构分析次数迅速增加，优化 效率低，经济性差，因而影响其在工程实际中的推广和应_ i j 。 在2 0 世纪6 0 年代后期，出现了优化准则法。它是依据问题的物理性质而设立的某种优化准则， 并在此基础上建立相应的迭代算式；或依据数学规划理论的k u h n - t u c k e r c j 件，建立优化迭代算式。 因而准则法可以分为两类，即感性准则法和l 理性准则法。感性准则法土要从数学极值理论和力学相 关结论出发，依据人的主观认识来评判是否达到最优解，主要代表是力学准则法。如：满应力准则 法、满约束准则法和满能量准则法。力学准则法的概念清楚，工程意义明确，很好的继承了传统的 设计思想，易被r ：程设计人员接受，而且程序简单，迭代收敛快，迭代次数与设计变晕的个数无关。 但力学准则法是感性准则，不可靠，得到的不一定是最优方案。理性准则法则是将k u h n - t u c k e r 条件 引入准则法，在建立准则过程中以k u h n - t u c k e r 条件作为最优结构应满足的准则。理性准则法是从数 学极值理论出发，给出优化准则，故义称数学准则法。早期的理性准则法以虚功准则法为代表，虚 功准则法特点是结构位移采用虚功表达，避免了灵敏度计算。国外加拉加尔大学、国内大连理工大 东南大学硕_ l 学位论文 学、上海科技大学等有关论著均为虚功准则法。虚功准则法对于不考虑惯性载荷的结构有较好的优 化效果。但虚功准则法在公式推导中忽略了惯性载荷随设计变量的变化，因此对白重及惯性载荷为 主要载荷的天线结构、航空航天结构、精密机械结构等进行优化时不能得到准确的最优解。 1 9 8 1 年，陈树勋教授提出了一种更有效的理性准则法一导重准则法，弥补了虚功准则法的这一 缺陷。导重准则法是从k u h n - t u c k e r 极值条件直接推导而得，数理关系明确、严密，表达简捷，其最 优准则是：晟优结构应按各组构件的导重正比分配结构重量。该准则法从位移的刚度方程入手推导 位移敏度，从而避免了位移的虚功表达，并通过约束线性化得到求解k u h n - t u e k e r 乘子的二次规划问 题，采埘线性互 b l e l e m k e 算法求解k u h n - t u c k e r 乘子，有效地区分了临界与非临界约束。由于考虑 了随设计变量变化的惯性载荷的导数，因此不但可以求解不考虑惯性载荷的一般，翻星结构优化问题， 而且尤其适用于白重等惯性载荷不可忽略的结构优化，比如天线结构、航空航天结构、精密机械结 构的优化。由于避免了位移的虚功表达，除可进行构件尺寸优化外还可进行几何形状优化及动、静 力多种目标的优化，导重法兼备准则法与规划法的优点，通用性与理论性都很强，人量工程应用实 例表明，导重法具有优化效果好，效率高，计算简便的明显优势。 2 0 世纪8 0 年代以来结构优化的理论和方法逐步趋于成熟，形状和拓扑优化开始用于求解实际 工程问题。拓扑优化是优化设计的最高层次，问题复杂、求解困难，但优化效率高。拓扑优化的理论 和应用研究是今后优化领域研究的重点之一。近年来，在拓扑优化的建模和求解等方面的关键问题 有了最新突破。例如，人连理： 大学程耿东教授，研究了应力奇异性问题。探讨了应力奇异性的本 质，提出了松弛算法等具有创新性的解决方式；f u c h 教授提出了以骨架结构为基结构的拓扑优化方 法，该方法可有利于获得类似桥梁式刚架结构；r o z v a n y 教授提出了改进的s e r a 算法，提高了拓扑 优化求解的效率。载荷与设计相关是实际结构背遍存在的问题，但考虑载荷与设计相关将增大问题 求解的难度。o l h o f 教授研究了载荷与设计有关的结构拓扑优化问题，提出了有效的求解方法，获得 了良好的效果。还有许多学者从微结构的选取、结构特点( 例如，二维、三维问题，板、壳，粱等结 构形式) 等各个方面研究了拓扑问题的提法和求解方法。幽数近似和基因，进化等智能算法的研究： 作仍受重视。一批学者，例如y a m a z a k i 、顾元宪、g r a n d h i 等，研究了基冈算法和近似方法及其在优 化求解中的应用，给出了求解拓扑优化、形状优化、尺寸优化等各个优化层次的问题。多学科优化 问题日益受到j “泛关注，设计结构时考虑了强度、可靠度、热性能、卢场等多物理性能和功能的要 求。模糊优化与基于可靠度的优化方面的一l 二作受到更广泛的关注，使结构设计更加符合实际。 1 3 2 结构优化的研究意义 现代结构优化设计的研究已进行了2 0 年，目前的状况是研究l = 作比较活跃，应用方面显然落后， 除了在航空结构方面之外优化设计技术还远不普及，比之结构分析中的有限元法差距较大，关键是 优化设计的理论性强，缺乏成熟软件，企业技术人员还存在一些传统的 作习惯，新的_ 下作方法又 不容易被人接受。随着数学规划理论的发展，有限元分析技术的成熟与计算机技术的飞速发展，结 构优化设计完成了从感性到理性的转变，现代结构优化设计技术从产生、发展逐渐走向成熟。虽然 初始设计方案的提出还要设计人员的参与，但优化设计过程是利用计算机自动完成设计方案的改进， 4 第一章绪论 设计中人的参与成分大大减少，从而减轻了设计人员的j ：作强度。同时因为设计的过程是利用计算 机上具，可充分借助计算机技术的优势，缩短设计周期，扩大 搜计问题的规模。由于优化迭代过程 是根据优化理论进行方案改进，寻找到的方案是最优解。结构优化思想一经提出立即得到了广人学 者与设计人员的重视，开展了广泛而深入研究，结构优化学科随之也飞速发展，目前被认为是计算 力学最活跃的分支之一。 优化研究可分为：( 1 ) 结构尺寸优化，( 2 ) 结构几何形状优化，( 3 ) 结构拓扑优化，( 4 ) 结构布局优化 等。目前对优化问题研究已经相对成熟，从解决问题的复杂程度上来看，已由简单的析架结构设计 发展到由粱板壳等组成的航空、航天e 行器以及船舶建筑等领域的复杂结构设计。所能考虑约束种 类由最初的戍力、位移约束发展剑稳定性、动力特性及颤振约束等。设计变量由连续性变量发展到 离散性变量的优化。 。 结构优化设计为人们长期所追求最优的j ：程结构设计提供了先进的工具，将设计人员从繁重的 计算：j ：作中解脱出来。当今社会市场竞争的日益激烈，不管是新产品的开发还是老产品的改进，提 高产品的设计质量，缩短投放市场的时间，减少全寿命成本，提高成品率，都可门结为寻求结构的 最佳设计方案，以完美解决结构刚度、强度等动静力特性与结构重量、造价等设计可用资源之间的 矛盾问题。这就必须依靠优化设计技术来加以解决。 随着优化设计研究的逐步深入，适用性更强的优化理论与方法不断地应用到工程实际中，优化 设计数学模型难以完全反映目隍设计实际的情况逐渐得以改善；功能更加强大的优化软件得以更多 地开发，在工程实际中的应用显示了结构优化设计所带来地巨大经济、技术效益，优化设计技术正 在为越来越多i ：程设计人员所认识与接受。结构优化设计技术必将越来越广泛的应坩于工程实践中， 为技术的进步、经济的发展做出更大的 贡献。 1 3 3 有限元概况 有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的数值计算方法。是：程方法和数学方法相结合的 产物，可以求解许多过去j j 解析方法无法解决的问题。对丁边界条件和结构形状都很不规则的复杂 机械结构，是一种非常有效的现代分析方法。 有限元法的基础是结构离散和分片插值。在结构分析中，就是要把一个本来是连续的弹性体划 分为通过节点相连的有限多个单元，把一个具有无限多个自由度的结构离散为有限自由度的系统。 对每个单元给出满足连续条件的假定位移模式，各个单元住相互连接的节点处有跨单元的连续性， 然后再从能筐原理出发建立起整体刚度方程，求解这一线性代数方程组就可以得到结构的位移场以 及应力场等。即每个单元的单元特征借助于其迮接点( 节点) 的位移和力来表示，将单元的性质按节点 逐一叠加，施加适当的负荷和边境条件，求解所得方程式得到节点位移，再网代求得结构内力和应 力。 有限元方法的应用极为广泛从弹性力学领域发展到塑性力学和流体力学领域，从平面问题发 展到空问二维问题和壳体问题。而且，其本身不断完善，从一般单元发展剑各种高质量和高效率的 5 东南大学硕l 学位论文 单元，如边界元、杂交元、拟协调元等。 1 9 5 4 年，有限元法首先是由t u r n e r 、c l o u g h 、m a r t i n 和t o p p 等在结构分析矩阵法的直观基础上 作为一个经验设想而提出来的。为了解决航空结构设计问题，他们在1 9 5 6 年采朋二角形单元和矩形 单元，成功地将结构力学中的位移法朋来求解平面应力问题。 1 9 6 0 年，c l o u g h 才引进了“有限元”这一名称。同体力学中的有限元法是建立在虚功原理和虽 小势能原理基础上的，可看作是r a y l e i g h r i t z 法的一种更为灵活的推广。六十年代中期b e s s e l i n g ， m e l o s h 、j o n e s 等人在此基础上引伸和推广了有限元法，并且导出了相应的一般计算格式。七十年代 初，z i e nk i e w i c z 、卞学璜、董平等人做了进一步的发展。从此，有限元法就以坚实的理论基础和比 较完美的计算格式而屹立r 数值方法之林。 我国有限元法理论研究始于5 0 年代末，冯康教授创立了一套现代化和系统化解微分方程的近似 方法，取名为基于变分原理的差分格式，其内容实质就是当时国际上称之为的有限元法，不同之处 是我国是从数学方面提出有限元法的。但是，我国有限元法应用比较晚，7 0 年代中期才开始推广和 使用，目前有限元法在我国：i ：程方面应用极为广泛，并且创造出巨大的经济效益。 随着计算机功能日益增加和有限元法显示出解决： 程实际问题的巨大威力，许多高等院校、研 究机构和软件公司得到各，l ：业部rj ( 如航空、航天、汽车、建筑等) 的大量资助，陆续研制出各种通用 的有限元程序，进一步推动了有限元法的理论研究和实际应用。到了8 0 年代初，国际上较人的结构 分析通用有限元程序发展到几百种，其中著名的有：n a s t r a n ( 大型综合有限元软件) ，a s k a ( 大型 通用有限元软件) ，m a r c ( 大型综合1 # 线性有限元软件) ，g t s t r u d l ( 大型综合土木建筑结构分析的 有限元件) ，s a p ( 线性有限元软作) ，a d i n a ( q 线性结构分析通埘有限元软件) ，a n s y s ( 有限元分析 统) ，a l g o rf e a s ( 大型结构分析通用有限元软件) 等。 上述有限元程序都有各自的优点，适用t - 各个方面。而且随着计算机图形软硬件技术的进一步 发展，有限元分析软件越来越成为c a d 软件不可缺少的一部分，例如大型：f 程c a d 软 i ：p r o e n g i n e e r 及u g ，均具有有限元分析模块，而且尽管有些有限元分析软件自身不带有c a d 模块，但它却留有与 c a d 通讯的接口。总的来讲，有限元分析软件将逐渐发展成为集有限元分析、设计与c a d 为一体的 软件。从软件技术上说，这种软件主要引入了数据库技术，即从c a d 数据库中直接取出数据进行有 限元模型化，以及将有限元分析验证结果传递给c a d 系统等技术。这种软件的前后处理功能，特别 是后处理功能得到进一步增强，使它具有能够自动生成单元网格等前处理功能以及显示和绘制结构 图、变形图、应力幽等后处理功能，这些功能使有限元法计算前的数据准备和查错，计算后的数据 处理都变的极为方便，用户使用更加方便，分析问题的效率进一步得剑提高，用户可以在这样的系 统支持下进行多种设计方案的分析比较，生成最优设计方案，并进行详细设计，直到输出设计图。 1 4 立题意义和研究内容 本论文的研究：【作主要结合江苏悦达专用车有限公司和东南大学合作的江苏省科技攻关项目 。全密封后压缩环保型5 立方米垃圾车”进行。以江苏悦达专川车有限公司生产的全密封后压缩环 保型垃圾车为结合对象，该车是江苏悦达集团在引进日本富+ 重j ：的压缩式垃圾车的相关技术的基 6 第一章绪论 础之上，进行了国产化试制，并投放市场，以其优越的性能和高性价比赢得了国内外客户的好评。 为进一步加快国产化进程，提高新产品的开发速度，悦达集团于2 0 0 5 年7 月成立了江苏悦达专用车 有限公司。独立高效的运作模式，使新成立的专用车公司迅速完成了8 m 和1 2 m 3 垃圾车的国产化， 并在此基础上，决定开发具有自主知识产权的、国际先进水平的全密封后压缩环保型5 m 3 垃圾车。 结合国内外发展研究现状和本项目的需要，确定本文的研究内容主要为： 1 在原有压缩式垃圾车二维图纸的基础上，使用二维制图软件p r o e 建立零部件以及整乍的 三维实体模型以及以壳单元为主，经过试验及实际验证符合工程精度要求、具有近6 万单 元的后压缩式垃圾车5 个分总成和整车结构的有限元模型，并通过软件专用接口导入有限 元分析软件，并建立垃圾车c a e ( 有限元) 模犁； 2 设计厢体、下刮板、上刮板的模态试验的悬挂系统，并进行了弹簧刚度标定试验，通过试 验测得了厢体、下刮板，上刮板二个分总成的质量和动态特性。对试验测试数据进行了后 处理分析，将试验结果和有限元计算结果进行对比： 3 根据垃圾车结构的特点，在a n s y s 软件中对垃圾车的各个分总成进行动、静态灵敏度分 析，使得各个分总成的动刚度和静刚度都有不同程度的提升，并降低结构质量； 4 利用a n s y s 软件对垃圾车整车结构进行五种典型。j ：况的分析，在模拟每种i ：况的约束和 载荷作用的情况下，得出结构的最大应力值以及最大应力所在的区域，与改进后的新垃圾 车结构的计算结果进行对比。 7 东南大学硕l 学位论文 2 1 引言 第二章垃圾车结构建模方法的研究 机械结构动态设计与优化的一般过程是：对满足t 作性能要求的产品作初步设计，或对需要改 进的产品结构进行动力学建模，并进行动态特性分析，然后根据l 程实际情况给出结构动态特性方 面的要求或预定的动态设计目标，按结构动力学“逆问题”方法直接求解设计参数或按“正问题” 分析法进行结构的改进设计与修改结构的性能预测( 结构动态优化的正、逆问题如图2 1 所示) 。其结 构的修改与性能预测过程往往要反复多次，直到满足既定的设计要求一得到一个具有良好动、静态 特性的产品设计方案。因此，结构动态设计与优化的主要内容包括如i - 两个方面： 1 ) 建立能反映结构实际动、静态特性的结构动力学模型； ( 2 ) 选择有效的动态优化设计方法。 逆问题 正问题 图2 1 结构动态优化的正、逆问题示意图 2 2 结构简化原则及车身焊点模拟的研究 2 2 1 结构简化原则在三维实体建模中的应用 对车身零件简化的原则目前普遍采用以下方法：忽略非承载件，简化曲杆为直杆，将临近的节 点合并处理，变截面粱可以简化为等截面梁。应用到三维实体建模过程中，- 具体做法如下： ( 1 ) 在c a d 造型时力求精确，以真实反映结构的动、静态特性； ( 2 ) 忽略c a d 模型中的所有小特征，包括倒角、倒圆、小孔以及凸台等： ( 3 ) 对c a d 模型中的小锥度、小曲率曲面进行直线化和平面化处理； ( 4 历考虑对整车动、静态特性影响小的零、部件结构。 2 2 2 车身焊点模拟的研究 车身零件的组装形式主要是焊接，焊点的有限元模型是否精确将直接影响整车模型的精度。目 8 第二章垃圾车结构建模方法的研究 前对焊点的模拟主要有以下方法：采用的单元形式有短梁、块、铰、扭转弹簧、拉伸弹簧、杆、节 点耦合、单层板等。 对单个焊点若_ e j 适当高度的块单元模拟时，可获得较高的精度。但局部网格需要很密，且计算 量大。而对人量均布、密集排列的焊点，在适当调整了焊点区板厚及材料参数后，则可用单层扳模 拟而建模效率高。为模拟点焊区相邻构件在振动时的局部分离与接触情况，则可州节点耦合法更为 适宜。若通过试验，在取得一定数据后，可用具有适当截面参数的粱单元做定量分析。 2 3 垃圾车零部件建模及装配 本文采用p t c 公司的p r o e 软件建立零、部件和整机的c a d 三维实体模型。c a d 模璀是几何 模型，要对它进行动、静力学模拟仿真计算，必须将其先转换为c a e 模型。目前将专业c a d 软件 生成的三维实体模1 4 转换为c a e 模裂还存在很多问题，许多复杂模型的直接传递会产生c a e 模型 无法生成的问题，因此必须对建立的结构c a d 模硝进行适当简化和修改。 这些简化和修改的目的是为了避免小特征和小结构件在进行有限元划分时，产生大量的有限元 单元，加大计算机的计算时间；并且小特征的会造成网格质鼙下降，影响结构的分析精度。 后装压缩式垃圾车主要总成有：厢体、f n 板、上刮板、填料机构、排出板。垃圾从车辆尾部 喂入填料机构，被自动破碎、压缩。挤入封闭的厢体；垃圾被运送到处理场后，填料机构被举起， 敞开厢体后部，厢体内的捧出扳动作，由前向后运动，推挤被压缩的垃圾，把垃圾推出车外。 各个分总成及整车c a d 模型如下图所示： 图2 2 厢体装配图图2 3 下刮板装配图 图2 4 上刮板装配圈 图2 5 填料机构装配图 9 东南大学硕十学位论文 图2 6 排出板装配图 图2 7 垃圾车璋4 车装配图 图2 8 垃圾车内部结构示意图 1 0 第二章垃圾车结构建模方法的研究 整车c a d 模犁的建立主要是通过三维建模软件p r o e n g i n e e rw i l d f i r e 2 0 米实现的。选该软 件，主要是因为该软件在目前得到广泛地应刚，方便交流；其单数据库的特点，可以方便地将零 件模型、装配体模型、，t 程图输出、c a m 程序输出等文件进行关联，方便对模型的修改。 在c a d 建模过程中，通过厂家提供的4 6 7 张详细二维上程图，共建立各零件的三维c a d 模 型4 8 1 个。这些模型严格参照一：程图的几何尺寸要求建立，尽可能完整地在计算机中再现垃圾车 各零件的几何特征。 建立起来的零作模型，依照装配图的要求，添加合适的约束就能装配成为部件。这些约束主 要是通过在不同零件的表面之问添加配合、对齐约束，在孔与轴之间添加插入约束等方法来实现 的。这些基本的约束能够模拟实际状态下，垃圾车各零件之间的焊接、螺纹紧固等连接方式。 整车装配模犁包括6 3 9 个零部件模型，其中零件4 8 1 个，组件1 5 8 个。 2 4 垃圾车零部件及整车有限元建模 通常将二维制幽软件中建立的c a d 模型通过特定的软件接口导入有限元分析软件中 ( a n s y ，并在c a e 软件中对模型进行适当的编辑，即可完成c a d 模霉! 向c a e 模型的转化，得到 的c a e 模型可以被用来进行有限元计算与分析，但是这种方法只能应用在模型不是非常复杂的情况 下，因为无论是利用c a d c a e 之间的软件接口还是基本图形转换规范i g e s 格式进行转化，都不能 避免复杂模型特征信息的丢失，因此导致模型不精确，使得有限元计算结果不准确甚至不能计算。 2 4 1 垃圾车有限元建模方法的研究 本项目中垃圾车的结构主要是由壁厚与面积相差较大的薄板结构组成，因此可以利用a n s y s 软件中的壳单元( s h e l l 6 3 ) 进行分析计算，但之前所建立的c a d 模型都是二维实体模型，不能_ h | 上 述壳单元进行计算。如果在a n s y s 软件中利用板壳建模的方法重新建立有限元模型，需要投入大 量的时间和精力，并且之前所建立的c a d 模型不再有进行分析计算的价值，那么前面所做的工作就 没有意义，这不是我们想要的结果。在这里，我们利刚了一款三方软f ：( h y p e r m e s h ) 来帮助c a d 模 型向c a e 模型的转化。 a l t a i r 公司开发了h y p e r w o r k s 成套工程软件环境，可应用于造型，可视化、模拟、自动化和制 造等领域，在世界范围内得到1 ：业界的认可和使用。h y p e r w o r l c s 系列产品众多，有h y p e r m e s h 、 h y p e r v i e w 、h y p e r g r a p h 、h y p e r v i e w _ p l a y “、m o t i o n v i e w 、o p t i s t r u c t 、h y p e r s t u d y 、h y 耐o r m 等， 其中，h y p e r m e s h 是a l t a i r 公司现在的旗舰产品。 h y p e t m e s h 是一个高效的有限元前后处理器，能够建立各种复杂模型的有限元和有限差分模型， 于多种c a d 和c a e 软件有良好的接口并具有高效的网格划分功能。h y p e r m e s h 是一个针对有限元 主流求解器的高性能有限元前后处理软件，一j ：程设计人员可以在一个极佳的交互式可是环境下对多 种设计条件进行分析。h y p e r m e s h 的图形用户接口易于学习，可以直接使_ jc a d 几何资料和现存的 有限元模型，从而减少附加的冗余数据。其先进的后处理下具可以很方便地显示复杂的模拟结果， 并使之易于理解。h y p e r m e s h 的速度、灵活性和用户化功能无与伦比。 东南大学颂上学位论文 本项i b 中h y p e r m e s h 软件的应用：将整车的c a d 模璎导入其中，在全局坐标系卜进行各个零 件中面的抽取，将抽取的每个零件的中面转存为i g e s 格式，逐一导入有限元分析软件a n s y s 中， 因为是在整车装配幽的全局坐标系f 抽取零件中面，冈此在相同坐标系卜，导入a n s y s 中的各个 零件中面的相对位置基本不变。 首先，在c a d 软件p r o e 中，将整车装配体模型转存为i g e s 格式。这样，就可以在h y p e r m e s h 中打开、编辑，并且各个部件在p r o e 中建立起来的几何位置信息也不会丢失。 在h y p e r m e s h 中打开的粘乍模犁以及抽取的中面模型如图2 9 ，2 1 0 所示： 图2 9h y p e t m e s h 中整车实体模型图2 1 0h y p e r m e s h 中抽取的整车中面模型 2 4 2 模型的简化和修正 经过h y p e r m e s h 抽取中性面之后，由c a d 实体模犁简化为面模型。但是，仍然有许多细部特 征存在。这些特征对于整体结构强度的影响很小，却会在进行有限元分析时消耗人晕的计算量，并 产生比较恶劣的网格，影响计算精度和速度。为了达到简化模埠! 、提高计算效率的目的，需要在c a e 模型中去除这些细部特征。这些细部特征主要包括：小圆角、小倒角、小孔等。 此外，由于中性面是在实体模型上抽取出来的，所以本应该连接在一起的面处，会留有半个板 厚间距的间隙。这个间隙的存在是不符合实际情况的，会在划分网格时造成网格不连续，影响正确 计算。故需要缝合，以使a n s y s 中的面模型准确描述实际情况。 在a n s y s 中，输入由h y p e r m e s h 创建的包含中性面信息的i g e s 格式文件时，会出现许多重复 定义的点、线、面，这是由于不同软件之间对文件保存格式的不同定义造成的。这些重复定义的特 征，需要经过合理的编辑，以保证各个面之间的公共边是由单一线组成，同时也要确保在同一位置 的关键点只有一个。 a n s y s 中整车面模型如图2 1 1 所示： 1 2 第一二章垃圾车结构建模方法的研究 这里，根据模型的实际特点，采用了a n s y s 中的s h e l l 6 3 单元，在此，对这个单元进行简单 介绍。 s h e l l 6 3 既具有弯曲能力又具有膜力，可以承受平面内荷载和法向荷载。本单元每个节点具有 6 个自由度：沿节点坐标系x 、y 、z 方向的平动和沿节点坐标系x 、y 、z 轴的转动。应力刚化和 大变形能力已经考虑在其中。在大变形分析( 有限转动) 中可以采用不变的切向刚度矩阵。 s h e l l 6 3 单元示意图如图2 1 2 所示，a n s y s 申整车网格模型如图2 1 3 所示： 一 z t ： 之 葡 图2 1图2 1 3 a n s y s 中整车网格模型 该有限元模型网格边界尺寸为4 0 r a m ，自由划分网格。在不同的面上，选用合适的实常数来划 分。此有限元模型包括3 8 5 1 0 个s h e l l 6 3 单元以及1 3 6 9 8 个s o l i d l 8 5 单元，4 1 4 1 4 个节点，共有 2 3 1 4 8 9 万自由度。所建有限元模硝的单元形状规整，各个面之间都连接在一起，少有出现退化的三 角形单元。从而保证进一步计算的精度要求。 良好的有限元模型是进行模型动力学分析和静力学分析的基础，下面介绍有限元分析的一般过 东南大学硕上学位论文 程。 2 5 有限元分析基本步骤0 2 有限元分析的主要步骤分为预处理、求解和后处理三个部分。 1 预处理阶段 ( 1 ) 建立求解域并将之离散化成有限元，即将问题分解成节点和单元。 有限元是一种离散化的数值计算方法。运用离散化的概念，有限元方法将连续介质或结构划分 成为许多个有限丈小的子区域的集合，把每一个子区域称为单元或元素，将单元的集台称为网格。 而实际的连续介质或结构可以看成是这些单元在它们节点上相互连接而组成的有效集合体。因此， 有限元方法是一种近似的数学计算方法，随着网格的加密，等效集合体将逼近于实际结构，或者说 有限元计算模型逼近实际求解域，收敛于精确。 ( 2 ) 假设代表单元物理行为的形函数，即假设代表单元解的近似连续函数。 在使用有限元方法对连续系统进行分析时，为了能用节点位移来表示单元体的