（车辆工程专业论文）轿车手制动臂总成轻量化设计及非线性分析.pdf

武汉理工人学硕士学位论文 摘要 本文首先论述了课题研究的目的和意义，分析了国内外汽车轻量化以及非线性 问题研究的发展概况。在此基础上，对常用的轻量化研究的理论及方法进行了讨论， 同时也对非线性问题的研究理论及方法进行了探讨，之后着重研究了非线性方程组 的常用求解方法以及各自的优势。 有关手制动臂总成的结构方面，重点对总成下的各零部件及其之间的力学特点 做了阐述，详细叙述了手制动臂总成的规范设计要求，其具体要求主要体现在八个 不同的计算工况。依据对轻量化和非线性理论及方法的研究，在分析了总成及总成 部件力学特征的基础上，最终确定了手制动臂总成轻量化研究的总体方案。该方案 以总成为研究对象，以线性优化理论和非线性计算分析理论为基础，对手制动臂总 成进行轻量化设计研究。 非线性有限元模型的建模过程较复杂，而且计算非常耗时、耗资源，所以既要 保证模型的计算精度，又要在现有计算资源条件下保时保量顺利完成计算任务。因 此，对模型的简化、单元的选择、接触及接触方式的设置、材料模型的选取和加载 工况的确定进行了研究，为典型手制动臂总成非线性有限元模型的建立提供了重要 参考。 根据企业提供的规范要求中的八个计算工况对手制动臂总成进行了非线性分 析，得到了总成的应力分布和变形情况。综合考虑各部件的强度余量、结构特点以 及轻量化价值，选择进行改进设计的最佳部件，并对其轻量化方法及手段进行研究。 最终，确定了使用拓扑优化方法、利用现代有限元优化设计软件对总成支座进行优 化设计。优化模型的合适与否直接关系着优化结果的质量，所以重点对模型的简化、 优化区域的选取对计算结果的影响、加载工况的确定以及优化参数的设置进行了讨 论，最终的拓扑优化模型以结构的柔度最小即刚度最大作为目标函数，以优化后剩 余材料的体积作为约束。其中，由于优化区域选择的不同得到了两个不同的优化结 果，综合优化效果、可制造性以及加工制造工艺等方面因素，对优化结果的最终选 取进行了分析，并对最终结果进行了可制造化处理。 重新建立改进后的手制动臂总成非线性有限元分析模型，再次进行分析计算， 得到总成的应力分布和变形情况，重点关注总成支座的应力和变形情况是否符合规 范要求。最后，在总成结构强度和刚度不降低的情况下，优化后支座比原支座重量 减少了4 0 6 ，取得了较好的轻量化效果。 关键词：手制动轻量化非线性有限元拓扑优化 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h eo b j e c t i v ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c ha r ei n t r o d u c e d t h e g e n e r a ld e v e l o p m e n to fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ll i g h t w e i g h tr e s e a r c ha r ea n a l y z e d ， a l s ot h e r ei sa ni n t r o d u c t i o no ft h er e c e n tr e s e a r c ho fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l n o n - l i n e a rm e c h a n i c a lt h e o r y t h e nt h em a i ns u b j e c ti sh i g h l i g h t e db a s e do nt h ea b o v e a n a l y s i s ，a n dt h ec o m m o ns o l u t i o no fs y s t e mo fn o n l i n e a re q u a t i o n s i sa n a l y z e d ，a l s ot h e p a p e rh a ss h o w nt h ev a l i d i t yo ft h i sm e t h o d ，t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e s e m e t h o d st os o l v en o n - l i n e a rn u m e r i c a lp r o b l e m sa r ec o m p a r e d u s i n gt h e3 ds o f t w a r e ，t h en o n l i n e a rf e am o d e lo ft h ea s s e m b l yo ft h eh a n db r a k e i se s t a b l i s h e d ；t h e nv a r i o u sc o m p o n e n t so fa s s e m b l ya n dt h e i rm e c h a n i c a lc h a r a c t e r sa r e i l l u s t r a t e di nd e t a i l ；b a s e do i lt h ed e s i g nc r i t e r i o nr e q u i r e m e n t so ft h ea s s e m b l yo ft h e h a n db r a k e ，n o n l i n e a rf e am o d e lo ft h ea s s e m b l yo ft h eh a n db r a k ei se s t a b l i s h e d ，t h e s i m u l a t i o no ft h ee i g h tt e s t sa r ed o n e ；f i n a l l yt h em e t h o da n dm e a s u r et oi m p r o v et h e q u a l i t yo ft h eh a n d b r a k ea r ep r o p o s e d b a s e do nt h el i n e a ro p t i m i z a t i o nt h e o r ya n d n o n l i n e a rc a l c u l a t i o nt h e o r y ，t h es t u d yo fa s s e m b l yi sg i v e n ，a n dt h el i g h t w e i g h td e s i g n r e s e a r c ho ft h ea s s e m b l yo ft h eh a n db r a k ei sp r e s e n t e d t h en o n l i n e a rf e am o d e lo ft h ea s s e m b l yo ft h eh a n db r a k et h em o d e li si m p o r t e d i nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r eo fa b a q u st os e tu pt h en o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sm o d e lf o rt h ea s s e m b l yo ft h eh a n db r a k e i nt h i sp r o c e s s ，f i r s ts i m p l i f yt h e m o d e lt on e g l e c ts o m es m a l lc o m p o n e n t s ，w h i c hh a v el i t t l ec o n t r i b u t i o nt ot h ea s s e m b l y s t r e n g t hs t i f f n e s s ；t h e ns e l e c tt h eu n i tt y p ea n dm a t e r i a lt y p e ，m a k es o m ea n a l y s i s ；f i n a l l y i n s t a l ll o a ds t e p sw i t hs o m en o n l i n e a rf a c t o r s ，c o m p l e t et h en o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n t m o d e l w i t ht h ec o m p u t a t i o n a la n a l y s i s ，t h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o no ft h ea s s e m b l yi s p r e s e n t e d w i t ht h e c o n s i d e r a t i o no ft h es t r e n g t hm a r g i n ，s t m c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e o p t i m i z a t i o np o t e n t i a l ，t h eo p t i m u md e s i g no ft h ec o m p o n e n t so fa s s e m b l yi sd e t e r m i n e d t h e nt h el i g h t w e i g h ta n a l y s i so fs t e a d i e ro fa s s e m b l yi sd o n eb yu s i n gt o p o l o g y o p t i m i z a t i o n i ne s t a b l i s h i n gt h et o p o l o g yo p t i m i z a t i o nm o d e l ，t h es i m p l i f i c a t i o no ft h e m o d e l ，t h es e l e c t i o no ft h eo p t i m i z e dr e g i o n s ，t h ed e t e r m i n a t i o no fl o a dc o n d i t i o na n dt h e s e t t i n g so fo p t i m i z a t i o np a r a m e t e ra r ei n c l u d e d i nt h i st o p o l o g yo p t i m i z a t i o nm o d e l ，t h e s t r u c t u r eo fi t sm i n i m u mf l e x i b i l i t y ( a l s ot h em a x i m u ms t i f f n e s s ) i su s e da st h eo b j e c t i v e f u n c t i o na n dt h ev o l u m eo fs u r p l u sm a t e r i a la f t e ro p t i m a l i t ya n a l y s i si sc o n s i d e r e da st h e c o n s t r a i n t ，f i n a l l yt h em o d e li sc o m p l e t e d b e s i d e s ，a st h es e l e c t i o no ft h eo p t i m i z e d r e g i o ni sg i v e nt w i c e ，a n dt h e r ea r et w od i f f e r e n to p t i m i z a t i o nr e s u l t s t h e r e f o r e ，t h ef i n a l i i 武汉理工大学硕士学位论文 s e l e c t i o no fo p t i m i z a t i o nr e s u l ti s a n a l y z e dw i t ht h e s ef o l l o w i n gf a c t o r st oo p t i m i z e ： l i g h t e n i n ge f f e c t ，m a n u f a c t u r a b i l i t y ，m a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n dt r e a t m e n tf o r m a n u f a c t u r ei sd o n e n en o n l i n e a rf e am o d e lo ft h es t e a d i e ra n do t h e rc o m p o n e n t so fa s s e m b l ya r e r e - e s t a b l i s h e da f t e rt h ea b o v et r e a t m e n t w i t hs o m ec a l c u l a t i o na g a i n ，t h es t r e s sa n d d e f o r m a t i o no fa s s e m b l yi sa v a i l a b l e t h ec h a n g eo fs t r e s sa n dd i s p l a c e m e n to ft h e a s s e m b l ya r ep a i dm u c hm o r ea t t e n t i o nc o m p a r e dw i t ht h ef i r s tt i m e t h r o u g ht h e c h e c k i n gc o m p u t a t i o n s ，t h en e wf r a m ew o r ko fb o d yr e d u c e s4 0 7 o fi t sw e i g h tu n d e r t h ep r e c o n d i t i o no fr i g i d i t ya n di n t e n s i o n ，a n dt h e ni tp r o v e st h et r e a t m e n ti sf e a s i b l ea n d t h el i g h t e n i n ge f f e c ti sm u c hb e r e r ，t h i sr e s e a r c hh a saf i n ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：h a n d b r a k ea s s e m b l y , o p t i m i z a t i o n l i g h tw e i g h t ，n o n l i n e a rf e a ，t o p o l o g y i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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 武汉理工大学或其他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。 签名： 啦 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 愀雠) i q 的翩c 签幻醐矿工办 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题提出 第1 章绪论 汽车轻量化对当今汽车工业可持续发展具有重要的意义，它不仅关系到节能、 减排，而且是汽车技术的主导发展方向。它一方面可以降低企业的生产成本，另一 方面可以提高产品的技术水平、增强企业的竞争力，所以越来越多的厂家开始关注 汽车轻量化的研究。 随着现代计算机技术和数值计算方法的高速发展，越来越多的复杂工程问题可 以借助计算机的计算分析来解决。有限元法是一种有效的数值计算方法，最早可上 溯到2 0 世纪4 0 年代，经过近7 0 年的发展和完善，其理论已逐渐成熟，并且已经在 专用邻域和通用领域开发了一批有限元分析软件，分别涉及汽车，飞机，机械，生 物工程，建筑及桥梁，能源与化工设备等领域。有限元法已经成为各领域中线性、 非线性仿真分析、产品开发、计算研究的重要力量，在经济效益和社会效益方面做 出了巨大的贡献。因此，利用有限元方法进行结构轻量化设计和线性、非线性仿真 分析已经成为当今汽车零部件产品设计开发的发展趋势。 手制动器是汽车上使用频率较高的装置，同时也是较重要的安全装置。它使汽 车在停放时不至溜滑，在汽车斜坡起步时保障行车起动安全，在特殊情况下与脚配 合进行紧急制动或脚制动失灵时代用。手制动器是汽车上的重要部件，往往是零部 件国产化的重头，其设计及生产严格受制于整机厂的法规要求。然而，国内的生产 厂家往往只注重生产制造和经济效益，在产品技术和研发设计方面的投入非常少， 这也是近些年国内零部件产品研发技术发展缓慢的重要原因。某汽车零部件生产企 业就是处于这样的状况，最终迫于生产成本及仿真分析技术上的压力，该企业与武 汉理工大学汽车工程学院签订合作合同，对其生产的典型手制动器产品进行轻量化 研究，以便有效地控制产品的成本、提升产品的竞争力；另一方面，企业希望通过 对手制动臂总成产品的建模、优化设计和非线性分析，形成可行有效的面向非线性 分析的轻量化方案，并拟建手制动臂总成设计方案，且形成规范化流程，为新产品 的设计提供依据。 现如今，人们往往比较关注汽车上较大型部件的轻量化研究，因为针对大型部 件的轻量化研究带来的是较大的下降绝对值，单位产品升值较高，经济效益提高较 快。而针对一些像手制动臂总成这样比较小的总成结构，虽然单位改进设计所带来 的重量绝对值下降不高，但是下降幅度较大，而且厂家生产的数量都非常大，如果 能对所有的小型零部件都进行轻量化，则其累积效果也是不可忽视的。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 课题的目的和意义 本课题按照企业委托要求对其生产的某型轿车手制动臂总成进行轻量化研究， 研究目的为：在满足强度、刚度和其它要求的条件下，减轻某型手制动臂总成的重 量；为企业进行手制动臂总成轻量化研究提供切实可行的方法和手段；为形成规范 化的手制动臂总成设计参考流程提供数据和参考。 近年来，随着汽车工业的快速发展以及资源能源危机的日趋严重，严峻的形势 和汽车设计的新要求使汽车部件轻量化设计具有更突出的重要意义。本课题研究不 仅可以解决企业的实际问题，为企业的产品设计、优化和改造提供实际的参考和指 导，而且可以获得一种结构部件由传统的经验设计向现代的数字设计转化的设计方 法，将这种方法成功应用在企业产品中，降低企业产品制造成本，提高产品质量， 增强企业的竞争力。 由于手制动臂加载过程中构件可能产生塑性变形，而且手制动臂的各零部件间 是装配关系，具有较复杂的接触关系，故需利用非线性计算理论和方法对手制动臂 总成进行计算分析，常规的线性计算无法满足实际结构需要，得到结构应力分布和 变形情况。 轿车手制动臂总成轻量化在国内研究的还不多，主要是由于轻量化技术比较难， 工厂直接应用比较麻烦，所以各整车厂以及零部件生产厂均倾向于对较大结构部件 进行轻量化研究，以实现单次轻量化设计所取得的质量下降绝对值最大。但是，随 着计算机技术的不断进步以及轻量化水平的提高，越来越多的人开始关注小型零部 件的轻量化问题，虽然小型部件质量绝对值下降不大，但其下降幅度并不小，如果 能对所有小型部件都进行轻量化设计，那将取得的累积效益也是相当可观的。例如： 某手制动器生产厂预计在2 0 1 0 年生产量达到4 5 万套，按每套手制动器可以减重 0 2 k g ，而使用的钢材q 2 3 5 按每吨4 0 0 0 元计算，该厂2 0 1 0 年即可节省材料成本3 6 万元，这仅仅是只对一个零部件生产厂家的一种产品进行轻量化所取得的效益。国 内至少有上万家大大小小的零部件生产厂，而且他们的产品都是多型号的，这样算 来，如果能对所有的零部件产品都进行轻量化设计，那所获得的经济效益和社会效 益的非常巨大的。 1 3 国内外汽车零部件轻量化研究概况 着眼于可持续发展，节约资源和减少环境污染成为世界汽车工业界亟待解决的 两大问题。据统计，汽车每减重10 ，油耗可降低6 8 ，因此减轻汽车重 量是节约能源和提高燃料经济性的最基本途径之n 3 。中国有句古话： “不以善小 而不为”。虽然对小型零部件进行轻量化所取得的单个产品质量下降值不大，但是 2 武汉理工大学硕士学位论文 数量非常大，而且这种改进具有较高的附加值。因此，改进后的产品定会在一定程 度上缓解社会和企业在资源与环境上的压力。 对轿车手制动臂总成进行轻量化设计的外文文献虽然不多见，但是国外学者对 汽车其他零部件轻量化研究已经很普遍，有限元理论得到了广泛的推广。 m a t s u m o t o 位3 等人于1 9 9 1 年建立了摩托车车架的有限元模型，并对其进行了灵 敏度分析，在保持原刚度的情况下，以梁的截面尺寸和梁的位置为设计变量，以车 架总质量为优化目标对其进行了优化设计，车架重量明显得到降低。 同年，s a r e e l l 和a s h i s h k 口1 等人建立了b e l l a h i g 直升机的车身结构的有限元模 型，并选取机身构件尺寸为优化设计变量，以机身的振动和疲劳为状态变量，应用 基于非线性规划技术编制的优化程序对机身进行了轻量化研究，主要目的是减轻机 身重量、减小机身振动和提高结构的疲劳寿命，结果取得了良好的减重效果 美国钢铁协会和国际钢铁协会在1 9 9 4 年联合启动了u l s a b 计划，其主要是通 过改变结构的拓扑构形和工艺等，借助有限元法对结构进行计算分析，并且通过形 状优化和尺寸优化来增强钢的强度和刚度，从而降低汽车车身的重量，与传统车相 比，其重量要减轻2 5 且结构性能有所提高h 】。 1 9 9 5 年，k a n e 等人分别用遗传算法和蚁群优化算法对金属平板进行了拓扑优 化设计隋1 ，其基本原理是以生物进化理论为背景，经过数学抽象建立算法模型，编 制相应的优化程序，借助计算机来求解最优化问题。 在1 9 9 9 年，l e u n g 和k e n tk 应用有限元法对焊接管状法兰进行了应力分析和 轻量化设计嘲，结果在相同的承载情况下，优化后模型的重量减轻了4 0 ，并且最 大应力有所降低，从而大大减少了企业的生产成本。 s u z u k i 等人应用传递矩阵的方法对高速运行的火车车身的弯曲振动进行了分 析，研究了车身刚度、损耗因子和轴距对车身振动的影响，结果分析显示在高于1 0 h z 在的激励下对车身进行振动分析时，计算车架刚度是非常必要的，因为高于5 h z 的 弯曲振动往往会导致车身的乘坐舒适性变坏，对机车车身计算处理方法也为对客车 进行分析提供了借鉴h 1 。 通用汽车公司的r r m a y e r 、密西根大学的n k i k u c h i 和r a s c o t r 应用 拓扑优化技术以碰撞过程中最大吸收能量为目标对零部件进行优化设计。优化后使 零件呈蜂窝结构，在提高安全性的同时也减轻了结构重量陋1 。 相比国外，国内对结构的轻量化研究相对较晚，而且主要是针对铁路车辆的研 究，近些年对轿车和客车车架等主体结构的轻量化研究也逐渐开始，但研究的深度 和广度相对滞后嘲。与轿车手制动臂总成轻量化研究相关的报道更是很少见到，主 要集中在工作原理、使用方法和维修方法等方面的研究。1 9 9 9 年，刘一平对事故机 车进行了勘查，发现事故是由手制动机断裂引起，然而断裂为新痕，无疲劳和塑性 3 武汉理工大学硕士学位论文 变形n0 | 。事故原因：加强筋突变处有较大拉力；手制动机在制动缓解时受到较大的 反制动力而产生瞬间断裂。2 0 0 1 年，罗运康，宋国文对n s w 型手制动机的主要结构、 技术参数、试验情况和使用说明等进行了介绍n 。2 0 0 2 年，蒋慧平，朱向阳介绍了 电力机车手制动装置链轮箱部分的几种改进方案，分析了各自的特点，提出采用滚 动轴承方案最优，可消除磨损，提高手制动的操作性能n 羽。2 0 0 5 年，张杰、刘建民、 刘书学、范文明介绍了n s w 型手制动机的基本工作原理，而后对其无缓解作用进 行了原因故障分析，提出了消除故障的建议n 引。2 0 0 6 年，王庆安，胡小秋提出了一 种测量汽车手制动操纵机构位移的简便方法，用较简单的工具，根据点在平面上的投 影确定机构的位置，给出了测量步骤，推导了位移量的数学模型，并将该法所得测试结 果与三坐标测试仪的方法进行了比较，结果表明该测试方法结果较为准确，方法简单 可行n 劓。2 0 0 8 年，窦春雨对j y l 2 0 0 g 型挖掘机手制动器抱死的故障进行了检查、分 析，找出了手制动器抱死的一般原因，并提出了排除故障的办法n 射。作者在文献n 町n 刀 n 田中对不同类型的手制动臂总成进行了设计研究，介绍了总成结构的结构特点、装 配和功能。刘欣、朱旗和苟毅彤等研究了手制动机构的疲劳试验装置n 9 1 ，对手制动 机构的往复拉杆试验进行模拟，以考察拉杆、拉杆锁止及解锁装置、拉索及拉索导管 的疲劳寿命。 国内对轿车手制动臂总成轻量化的研究文献不多，但是已经有越来越多的人开 始关注汽车制动器以及汽车其他构件的轻量化研究。 2 0 0 3 年，李峻等建立某全承载式客车骨架有限元模型，并以客车车架重量作为 优化目标，以梁的横截面尺寸为优化变量，以强度约束和刚度约束作为状态变量， 对其进行了优化，减重4 2 啪1 ，由于采用的是梁单元，根据梁理论公式可知，梁理 论只关注梁的横截面惯性和截面面积，对截面具体形状对计算结果的影响考虑不充 分，这会放大计算模型与真实结构的差异，影响应力分布的计算结果且不易计算出 纵梁与横梁接头处的应力集中。 2 0 0 5 年4 月，浙江大学的杨晓明等基于广义优化理论，通过对盘式制动器的深入 分析，以制动减速度、热衰退率、热恢复率差、材料成本、加工成本为优化目标，建立 了盘式制动器设计方案全性能优化模型乜，以实际制动器设计参数作为初始方案，采 用改进了的差分进化算法进行优化设计，在保持热衰退率和热恢复率性能不减弱的 情况下，制动器的制动性能和经济性能得到了显著提高。 2 0 0 6 年，黄其柏以制动效能因数为目标函数建立了制动器优化数学模型，并运 用m a t l a b 编写遗传算法优化计算程序，结果表明采用遗传算法的优化方法是有效的 乜羽。2 0 0 7 年1 月，米洁以摩擦副温升最低和制动器尺寸最小为目标，对鼓式制动器 进行了多目标优化设计，减小了制动器尺寸并提高7 n 动器工作的可靠性 2 3 o 所采用 的优化搜索策略是基于方向的遗传算法，能实现自适应变异，并能保证变异产生的后 代直接落在给定的设计变量搜索区间内，算法稳定且收敛速度快。 4 武汉理工人学硕士学位论文 2 0 0 6 年1 月，余良富、马力、王皎以复合材料车架重量为目标函数，分别建立了 以车架纵梁复合材料铺层厚度为设计变量的优化模型和以复合材料铺层角度及厚度 为设计变量的优化模型，优化结果表明同时应用现代复合材料和结构优化设计两种 方法对汽车进行轻量化研究，是非常有效的乜引。2 0 0 6 年2 月，成耀龙、马力和王皎采 用有限元法结合数学规划法对重型专用车车架进行了轻量化结构优化设计，以车架 的总重量最小为优化目标，以纵梁各段的板厚为优化设计变量，最终得到的车架结构 在满足强度和刚度要求的前提下，与原结构相比重量减轻约1 3 瞳5 l 。2 0 0 7 年3 月， 周旋、马力和王皎提出了对专用车车架进行离散拓扑优化的方法，并对典型重型专 用车车架进行了离散拓扑优化，在不增加车架质量的前提下，提高了车架的扭转刚 度。降低了车架应力水平汹1 。 2 0 0 8 年4 月，陆志成对制动器的性能要求、在某一附着条件下所需的制动器制 动力、在制动过程中的能量负荷及约束条件进行了描述，并运用遗传算法对摩擦制动 器进行了计算和轻量化设计1 。同年2 月，成林为了提高矿用汽车钳盘式制动器的 工作效率，将优化计算方法应用到矿用汽车钳盘式制动器设计中，建立了钳盘式制动 器的优化数学模型啪1 。通过m a t l a b 优化寻求最优设计参数，从而缩短了制动时间， 减少了制动器的外型尺寸。2 0 0 8 年9 月，宋发宝建立了高空作业半挂车优化设计参 数化模型，选择了合理的优化设计方法及优化变量，对其进行了尺寸参数优化设计，在 满足强度刚度的前提下使其重量减轻了1 2 ，达到了良好的效果汹1 。 2 0 0 9 年1 月，范世斌、马力和高金玲对专用车构件高强度钢板等代设计问题进 行了研究，根据弹性力学和板壳理论推导出利用高强度钢板进行强度等代设计时板 厚的计算公式，并用有限元法和所推导的公式对典型的货车车架进行了强度等代设 计踟。2 0 1 0 年，叶爱凤、徐彪等分析了国内外汽车轻量化的现状，介绍了东风汽车 有限公司商用车轻量化开发的实践情况和效果，提出了商用车轻量化开发的思路和 原则口。2 0 1 0 年1 月，施颐、朱平、张宇和章斯亮等针对车身结构耐撞性能响应具 有强非线性的特点，在利用支持向量回归建立近似模型阶段，对车身前部结构进行 了优化设计，在保证耐撞性能的前提下，达到减重2 6 1k g ，实现6 5 1 轻量化的效 果【3 2 】。 总的看来，国外的结构轻量化研究主要有以下三个方面： 1 ) 应用高性能新型材料的同时，注重从结构上着手进行轻量化研究； 2 ) 在产品开发阶段就引入有限元法对汽车结构进行轻量化研究； 3 ) 提出先进的设计理念、新的优化算法，发展先进的制造工艺从而得到新的轻 量化结构。 相比之下，国内轻量化可归纳为以下几方面： 1 ) 与国外相比，现阶段我国结构轻量化研究更侧重于采用新型高性能材料替换 普通钢材，通过改进结构构形达到轻量化效果的较少。 5 武汉理i 大学硕士学位论文 2 ) 髓着计算机技术的高速发展，在结构设计方面，国内已从主要依靠经验设计 遂渐发展到应用有限元等现代设计方法进行静强度计算和分析阶段。在不久的将来， c a e 技术在轻量化研究方面会得到更加长足的发展。 3 ) 轻量化研究主要集中在大型结构部件的改进，小型零部件轻量化的优势没有 体现出来。 14 国内外国体力学非线性问题研究概况 近些年，非线性理论及应用的进步速度也非常快，无论是桥梁、工程、机械还 是汽车等领域都得到了充分的发展，国内外学者对非线性有限元方法的理论及应用 研究得非常广泛。 2 0 0 8 年6 月，m o h d m a h b u b u r r a s h i d 、m o h d a z a l a n h u s s a i n 、n a s r u d i na b d r a h i m 和m o h d s a p u a n s a l i t 描述了利用四分之一汽车模型系统来分析主动悬架自动 控制器的发展情况，其研究目的主要是在保证拉特尔空间及其有限范围内悬挂系统 的运动关系的基础上尽量减少车身位移，速度和加速度批1 。2 0 0 9 年1 月b b a d j i 、 ef e n a u x ，m 、e l b a g d o u r i 和a m i r a o u i 以v o l t e r r a 级数理论为基础对非线性单轨模 型进行了分析，描述了车辆在非线性区域内的动力学行为，用多项式逼近p a c e j k a 公 式，以充分地描述了轮胎三阶行为，分析主要关注体现车辆稳定性的一阶频率响应 函数和转向不足曲线的提取1 。2 0 0 5 年，k o n g h u ig u o 、d a n gl u 、s h i h k e n c f i e n 、w i l l i a m c l i n 和x 1 a o p e i l u 建立了在轮胎转动情况下的轮胎模型 这个模型是一种模拟和控制非线性和非稳定状态下车辆动力学状态的模型，涉及到 大量复杂的横向滑移、纵向滑移、外倾角等，井在此基础上，利用有效滑移宰和准 稳态的概念表述了轮胎瞬态和大滑移率情况下的性质1 。 国内在非线性有限元领域也做了大量的应用 研究。2 0 0 6 年，张毅在考虑客车碰撞过程中大变 形和接触的影响，采用有限元软件对客车碰撞进 行了几何非线性和接触非线性仿真模拟3 。同年， 姚晓璐、马力和张毅等建立了大客车车身骨架正 面碰撞有限元计算模型，并进行了碰撞仿真分析， 分析了车身骨架的耐撞性问题1 。2 0 0 8 年1 0 月， 赵红伟、陈潇凯等在国家标准g b ，r 1 7 9 2 2 1 9 9 9 实验室静态试验方法基础上，分析了农用车翻车 保护结构的变形过程，在加载过程中出现了材料 图1 - i 农用车座椅有限元模型 ( 此图来源于文献1 3 8 1 ) 非线性和几何非线性璺过有限元计算，模型圈如图1 - 1 所示，模型试验与计算结果 吻合”。 武汉理工大学硕士学位论文 2 0 0 9 年9 月，周北岳、周韧等对传统弹簧在外载下的应力水平进行了分析，分 析结果表明在同等位移负载条件下，由于弹簧簧圈间的接触作用，非线性弹簧的力一 位移曲线呈现出了明显的非线性，并且其内部的应力分布水平比普通弹簧要小得多， 分析结果为其它非线性弹簧的设计和应用提供了参考口9 1 。同年1 2 月，葛东晓、熊立 红等简述了基于性能的抗震设计在国内外的发展和研究过程，分析了静力非线性分 析方法在评估结构抗震性能中的不足，讨论了高阶振型对结构的影响，指出了静力 非线性分析方法尚需要进一步研究的若干问题m ， 2 0 0 9 年2 月，李冰、马力和李媛在试验和使用过程中发现手制动臂铆钉的变形 对手制动臂端部的残余变形影响较大，甚至出现铆钉开裂失效的情况，所以对基于 总成的手制动臂铆钉进行了仿真分析，讨论了如何在设计之初防止铆钉在使用中发 生失效或开裂h 。同年9 月，李冰、马力和李媛建立了汽车手制动臂总成有限元模 态分析模型，并进行了工作模态分析，得到了手制动臂总成模型的固有频率和相应 的振型，并与发动机、路面的激励频率进行了对比分析h 副。 2 0 0 8 年6 月，李嫒、马力等建立了手制动臂总成的非线性计算模型，考虑材料 非线性和状态非线性因素，得到整体结构的残余变形、残余应力分布及接触应力分 布h 引。但他们没有考虑几何非线性问题对这个手制动臂总成的影响，尤其是在侧向 力工况下，操纵臂的变形尤为明显，较大的变形很可能对结构材料的力学特征产生 影响，所以，对总成进行计算分析时考虑几何非线性显得很有必要。 综合以上所述可以发现： 1 ) 国外非线性理论及应用起步较早，并且发展迅速，在汽车总成和零部件的开 发设计过程中发挥着巨大的作用。 2 ) 国外非线性有限元方法在许多高度非线性领域如动力学和轮胎仿真等已经得 到了很大的发展，较重视非线性计算理论、方法及公式的研究。 3 ) 国内的非线性领域研究主要集中在桥梁、房屋及建筑等工程领域，在汽车领 域内的非线性研究所为车身结构碰撞或单一的非线性仿真。 4 ) 国内对汽车总成或零部件进行仿真分析时综合考虑材料非线性、接触非线性 及几何非线性的较少，而且对手制动臂总成的研究大多数都还停留在结构介绍、使 用及维修等阶段，近些年才刚有些学者对其进行高水平的技术研究，对手制动臂总 成的轻量化研究还没见到。 1 5 研究内容 本课题研究的具体内容包括以下方面： 1 ) 进行理论分析、结构工作状况和非线性特征分析，形成总体研究方案。 分析结构的优化设计理论，探讨不同设计方法的数值求法，研究形貌优化、尺 寸优化和拓扑优化等结构优化方法；分析手制动臂总成的结构及工作原理，进而研 7 武汉理工大学硕士学位论文 究其非线性力学特征，主要包括材料非线性、状态非线性和几何非线性；确定手制 动臂总成轻量化总体研究方案。 2 ) 建立轻量化设计模型并进行轻量化设计。 针对不同构件自身的结构特点以及力学性能，研究利用c a d c a e 方法建立手制 动臂总成优化模型的建模问题，主要包括：几何模型的建立、加载方式的确定、优 化区域的设置、优化结果离散度和目标函数的收敛度等。 3 ) 轻量化结果的可制造化研究，形成可制造化方案。 有限元法中的单元具有较强的不规则性，通过优化方法得到的优化结果只能从 宏观上反映了结构的最优形式，很有可能不规则。因此，需要以计算结果为依据， 利用c a d 方法对计算结果进行重构，得到便于直接进行加工制造的构件模型。 4 ) 可制造化方案的非线性验证性分析 针对可制造化方案，建立材料非线性、状态非线性和几何非线性分析模型，对 可制造化方案进行全面非线性分析以满足设计规范要求。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章手制动臂总成轻量化与非线性分析的方法研究 分析了国内外轻量化和非线性的研究概况之后，在确定研究内容和目的的基础 上，需要对常用的轻量化和非线性分析基本方法进行探讨研究，为确定总成轻量化 设计和非线性有限元分析做准备。 2 1 手制动臂总成轻量化研究基本方法 手制动臂总成的轻量化是在满足一定性能要求的前提下，使总成的重量最轻或 者材料成本最低。实现手制动臂总成轻量化一般有两种途径，一种是采用现代复合 材料或轻金属等低密度材料，以减轻结构重量；还有一种是从优化设计入手，对现 有结构进行结构优化设计，在保证强度刚度不降低的前提下减轻其质量。钢铁材料 相比其他材料具有价格便宜、工艺成熟等优势，通过优化措施可充分发挥结构强度 和刚度的潜力，而且可以回收循环利用，因此第二种方法更适用。 目前，可用于手制动臂总成优化设计的研究方法主要有形貌优化设计、尺寸优 化设计和拓扑优化设计等，具体使用哪种方法要根据具体的研究目的、设计要求和 结构特点加以选择。 2 1 1 形貌优化设计 形貌优化是形状优化的一种高级形式，它是一种形状最佳化的方法。它通过改 变结构的外部形貌特征来使结构在重量下降的同时又能满足强度、刚度及频率方面 的要求。 设板壳模型的原始形貌为s ，而 位于原始形貌附近邻域的最佳形貌结 构为s 。，图2 1 为该板壳模型原结构 与优化结构示意图。如果将原结构板 壳模型进行网格划分，并对其进行有 限元计算，则会得到其最佳计算结果 s ，而假如s 处于未知状态，则可以 利用优化设计的原理和方法调整原结 图2 - 1 原结构与优化结构示意图 ( 此图来源于文献【4 4 】) 构s 上的节点位置坐标，利用获得的最佳节点位置重构曲面即可得到结构最佳形 貌的近似解，这就是有限元形貌优化设计的一般原理h 钔。 在实际优化设计中，若将模型中所有节点的位置坐标都设为设计变量，则其计 算量会非常大，有时甚至难以在可控时间内完成。所以，在定义模型时将一部分结 构保持不变的区域定为非设计区域，该区域下的节点位置在优化设计的过程中保持 9 武汉理工大学硕士学位论文 不变；将其剩余区域设为设计区域，即在优化设计过程中设计变量通过一系列的计 算和优化迭代过程找到对优化设计目标函数最有利的位置。 2 1 2 尺寸优化设计 结构的尺寸优化以结构的截面尺寸作为设计变量，可能是杆的横截面积、惯性 矩、板壳结构的厚度或者是复合材料各个分层的厚度和材料方向角度，以有限元分 析方法为手段，以降低结构重量、充分发挥材料的机械性能为优化设计目标通过有 限元的迭代计算达到优化效果。 在结构强度刚度等约束下的寻优过程中，设计变量与刚度矩阵一般为线性关系， 因此，在结构分析与优化算法的连接中，由于设计参数均是以有限元中诸如杆单元 或梁单元的截面尺寸、板壳单元厚度等为变量，最优解的搜索过程并不改变结构的 有限元网格模型，所以，它是一种很有效的方法阻5 1 。在应用有限元计算结构的应力 和位移时，尺寸优化不改变单元的形状以及结构的拓扑关系，只改变参与计算的截 面尺寸，因此直接利用灵敏度分析以及合适的优化算法就可以进行优化设计。 目前构件尺寸优化的理论成熟，应用也很广泛。8 0 年代中期，e s p i n gm 。等开 始试着用集成化软件系统进行优化设计。同期国内，钱令希等h 7 1 提出了基于序列二 次规划的结构优化算法及d d d u 程序系统。顾元宪、程耿东等h 踟吸收了结构优化理 论研究的成果并采用面向工程结构设计的实用化技术，编制了m c a d s 计算机辅助 结构优化设计软件，其中的优化算法在序列二次规划和序列线性规划基础上进行了 改造。叶元列等h 明对薄壁覆盖件结构优化设计做了研究，选择了序n - 次规划法进 行优化，并编制o p t s h e e t 程序，以汽车车身为例进行了计算。 2 1 3 拓扑优化设计 通过形貌优化和尺寸参数优化可以得到结构形貌特征的最优形式以及构件参数 的最优数值，但却改变不了结构的拓扑构形，在一定程度上限制了优化的范围。拓 扑优化设计不但重视结构的拓扑形状，而且关注结构的拓扑关系，如结构中有无孔 洞、孔洞的大小及形状数量等拓扑形式，使结构在满足相关刚度强度及稳定性等约 束条件下，达到某种性能最优。 拓扑优化是一种数学方法，能在给定的空间结构中生成优化的形状与材料分布。 通过将区域离散成有限元网格 在给定的约束条件下，利用近似与优化算法更改材 料的分布，以优化用户给定的设计目标，当目标函数在任意三次迭代中的改变量低 于给定公差时，即得到收敛结果咖1 。 结构拓扑优化的基本思想是将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的区域内 寻求最优材料分布问题。在拓扑优化中，每个单元的密