（机械电子工程专业论文）基于有限元法的搅拌车主副车架结构拓扑优化设计.pdf

中文摘要 结构优化技术已经逐渐发展成熟并应用于产品设计，它正以其独特的优势改变 传统的产品设计流程。结构优化设计分为结构的尺寸优化、形状优化、形貌优化和 拓扑优化。在概念设计这个决定8 0 最终产品成本的关键阶段，结构拓扑优化能考 虑产品所需的性能，得到材料布局最佳的结构方案，从而大大节省时间和费用，提 高产品性能，加快投放市场的速度，增强企业的竞争力。本文以某品牌1 0 m 3 搅拌 车为研究对象，对其主副车架的结构优化设计进行了探讨和研究，主要工作有： 1 消化吸收有限元分析理论，采用a n s y s 中结构静态分析、模态分析和拓扑优 化等工具进行结构优化。 2 根据原搅拌车主副车架的实际尺寸建立了结构拓扑优化初始模型，确定了搅 拌车的主要工况、各工况下的载荷情况和位移约束，以多工况变形能为目标函数， 体积比为约束函数，通过变密度法进行了结构拓扑优化设计，并结合工艺性和经济 性要求，根据拓扑优化结果提取出新的主副车架结构。 3 对拓扑优化后的结构进行静态特性分析，得出该结构在各种工况下的静态应 力分布和变形情况，并以此为依据对有关结构进行局部改进，得出满足静态特性的 新模型。 4 用分块兰索斯法对改进后的搅拌车主副车架结构进行动态特性分析，得出该 结构在各种工况下的固有频率和振型，结合车架动态特性指标对改进后的结构进行 了评价。 通过本文的研究，得到有关拓扑优化设计和车架结构材料布局的主要结论为： 1 以多工况最大变形能为目标函数，体积比为约束函数，对搅拌车主副车架进 行结构拓扑优化设计，能得到动静态特性较好的全新材料布局方案，起到一定轻量 化效果。 2 在副车架的设计空间内，靠近上表面的材料被大面积保留下来，后台前端 出现明显的斜拉梁结构，尾部出现圆弧形结构，缩短了底盘的总长度；前后台横向 和纵向出现空心结构，起到轻量化作用。 3 在车架的设计空间内，中间段底部出现明显的x 型材料布局，扭转工况下 的静态应力分布显示，x 型的材料布局在该工况下能发挥较好的轻量化作用。 关键词：搅拌车，车架，结构拓扑优化，a n s y s ，轻量化 a b s t r a c t s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nh a sb e e nd e v e l o p e dg r a d u a l l ya n da p p l i e df o rp r o d u c td e s i g n i ti sc h a n g i n gt r a d i t i o n a lp r o d u c td e s i g np r o c e s sw i t hi t su n i q u e p r e d o m i n a n c e s t r u c t u r e o p t i m i z a t i o ni n c l u d e so p t i m i z a t i o n so fi t ss i z e ，s h a p e ，t o p o g r a p h ya n dt o p o l o g y a m o n g t h e s eo p t i m i z a t i o n s ，t o p o l o g yo p t i m i z a t i o nc o n s i d e r st h em o s ti m p o r t a n ts t e po ft h e p r o d u c td e s i g ni nt h ec r i t i c a ls t a g eo fc o n c e p t u a ld e s i g n ，w h i c hd e t e r m i n e s8 0 c o s to f t h ef i n a lp r o d u c t b ym e a n so ft o p o l o g yo p t i m i z a t i o n ，t h eo p t i m a ls t r u c t u r es c h e m ec a n b eg o t t e n c o n s e q u e n t l y , p r o d u c t i o nt i m ea n dc o s tw i l lb es a v e dg r e a t l y t h ep e r f o r m a n c e o ft h e p r o d u c tw i l lb ei m p r o v e d ，t h em a r k e tc y c l ew i l lb es h o r t e n e da n dt h e c o m p e t i t i v e n e s so ft h ee n t e r p r i s ew i l lb ee n h a n c e d i nt h i st h e s i st h ea u t h o rt a k e ss o m eo f 10m 3m i x e ra st h er e s e a r c ho b j e c t ，a n ds t u d i e st h et o p o l o g yo p t i m i z a t i o no f i t sm a i na n d s u b - m a i nf r a m e t h ep r i n c i p l et a s k sa r ea sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st h e o r y , i t ss t a t i cs t r u c t u r ea n dm o d a la r e a n a l y s e d ，a n dt o p o l o g yo p t i m i z a t i o nt o o l so f a n s y sa r es t u d i e d 2 a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i z eo ft h em a i nf r a m ea n ds u b f r a m eo fs o m em i x e r t h e i n i t i a lm o d e lo ft o p o l o g yo p t i m i z a t i o ni sb u i l t m a i no p e r a t i n gc o n d i t i o n so ft h em i x e r ， i t sl o a d sa n dd i s p l a c e m e n tc o n s t r a i n t su n d e rv a r i o u so p e r a t i n gc o n d i t i o n sa r ec o n f i r m e d i t s t o p o l o g yo p t i m i z a t i o nd e s i g n i s c o m p l e t e db a s e do ns i m p ( s o l i di s o t r o p i c m i c r o s t r u c t u r e sw i t hp e n a l i z a t i o n ) ，w h i c ht a k e st h ed i s t o r t i o ne n e r g yo fs e v e r a ll o a d s t e p sa st h eo b j i e c t i v ef u n c t i o n ，a n dt h ev o l u m er a t i oa st h ec o n s t r a i n tf u n c t i o n t h u sa n e wm a i na n ds u b - f r a m es t r u c t u r ew i l lb eo b t a i n e db yc o m b i n i n gt h er e s u l to ft o p o l o g y o p t i m i z a t i o nw i t ht h em a n u f a c t u r a b i l i t ya n de c o n o m i c a lr e q u i r e m e n t s 3 b ym e a n so fs t a t i ca n a l y s i s ，t h ed i s t r i b u t i o no ft h es t a t i cs t r e s sa n dd e f o r m a t i o n u n d e rv a r i o u so p e r a t i n gc o n d i t i o n sw i l lb eo b t a i n e d b a s e do nt h e s er e s u l t s ，t h es t r u c t u r e w i l lb i m p r o v e dl o c a l l yi no r d e rt og e ts o m en e wm o d e lw h i c hm e e t st h er e q u i r e m e n t s o fi t ss t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s 4 t h r o u g hd y n a m i ca n a l y s i sb ym e a n so fb l o c kl a n c z o sm e t h o d ，t h en a t u r a l f r e q u e n c ya n dv i b r a t i o nm o d eo ft h es t r u c t u r eu n d e rv a r i o u so p e r a t i n gc o n d i t i o n sw i l lb e o b t a j n d ，a n dt h es t r u c t u r ei se v a l u a t e da c c o r d i n gt ot h ed y n a m i ci n d i c a t o ro ft h ef r a m e b a s e do nt h es t u d ya b o v e ，t h ea u t h o rc a ng e tt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sa b o u t t o p o l o g yo p t i m i z a t i o nd e s i g na n dt h es t r u c t u r eo fm i x e rf r a m e ： 1 b ym e a n so ft o p o l o g yo p t i m i z a t i o nd e s i g nf o rm a i nf r a m ea n ds u b f r a m eo f m i x e r , w h i c ht a k e st h em a x i m u ms t i f f n e s so fs e v e r a ll o a ds t e p sa st h eo b j e c t i v ef u n c t i o n ， a n dt h ev o l u m er a t i oa st h ec o n s t r a i n tf u n c t i o n ，an e ws t r u c t u r es c h e m ec a nb eo b t a i n e d i th a sb e t t e rs t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n di sl i g h t e n e d 2 t h et o ps u r f a c eo ft h es u b - f r a m eh a sb e e nl a r g e l yr e s e r v e d t h eb a c kb r a c e a p p e a r sac l e a rc a b l e - s t a y e d b e a ms t r u c t u r ea tt h ef r o n te n d t h et a i la p p e a r sa n a r c - s h a p e ds t r u c t u r ew h i c hs h o r t e n st h et o t a ll e n g t ho ft h ec h a s s i s f r o n tb r a c ea n db a c k b r a c ea p p e a rah o l l o ws t r u c t u r eh o r i z o n t a l l ya n dv e r t i c a l l y , w h i c hm a k e st h ef r a m e l i g h t e n e d 3 t h em i d d l e b o t t o ms e c t i o no ft h ef r a m eh a sa i lx t y p ea r u c t u r el a y o u t ，w h i c h i m p r o v e dt h ed i s t r i b u t i o no f t h es t a t i cs t r e s su n d e ro p e r a t i n gc o n d i t i o n s k e yw o r d s ：m i x e r , f r a m e ，t o p o l o g yo p t i m i z a t i o n ，a n s y s ，l i g h t e n i n g 1 i i 武汉理工大学学位论文独创性声明及使用授权书 独创性声明 本人声明，所呈交的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，也不包含为获得武汉理工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) ： 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) 研究生( 签名) ：霾星蹲 导师( 签名) ：日期丝：垒堑 注：此表经研究生及导师签名后，请装汀在学位论文摘要前页。 武汉理r 火学硕士学位论文 1 1研究背景 第1 章绪论 混凝土机械是基础建设的常用机械，需求量大，应用范围广。在工业发达国家， 混凝土机械生产企业的技术水平往往标志着一个国家的制造水平。经过几十年的发 展，特别是近几年我国经济建设的大力拉动，使混凝土机械得到了进一步普及。混 凝土搅拌运输车简称搅拌车是在汽车底盘上安置一个可以自行转动的搅拌筒，在 运输过程中或在施工场地上不断地对所装运的混凝土进行搅拌是具有运输和搅拌 双重功能的专用车辆，现代筑路和大型建筑工程中必不可少的工具。搅拌车不仅 能边运输边搅拌提高工作效率、保证混凝土运输途中的质量，又能起到减少环境污 染的作用。搅拌车的结构如图卜l 所示： 图1 - l 搅拌车结构 2 0 0 6 年1 2 月，商务部发布关于“十一五”期间加快散装水泥发展的指导意 见( 商改发 2 0 0 6 1 5 1 9 号) ，提出“十一五”期间加快散装水泥发展指导意见，具 体目标为到2 0 1 0 年全国散装水泥产量由2 0 0 5 年的38 亿吨增加到6 9 亿吨，水泥 散装率由3 6 提高到5 5 ，预拌混凝土产量达到7 亿立方米，预拌砂浆产量达到 2 0 0 0 万吨。可持续发展战略是我国进行经济建设的基本战略，其基本要求就是环境 保护与经济建设要同步进行、协调发展。在建设中采用预拌混凝土是这一战略的必 然要求。采用商品混凝土不仅能够获得高质量的产品，节省水泥综合费用i o ，降 武汉理工大学硕士学位论文 低工程成本5 左右，而且可以减少噪声、粉尘、残留物对环境的污染。基于商品 混凝土的诸多优势，搅拌车的发展机遇有了坚实的基础。当今，城市中运输预拌混 凝土唯一合理的运输工具就是搅拌车。当前，我国许多城市都在进行大规模旧城改 造。1 9 9 0 年至2 0 0 1 年间，中国的城市覆盖面积增加了2 1 9 2 万平方公里，城市化 水平已从1 9 9 0 年的1 8 9 增至2 0 0 1 年的3 7 6 5 ，每年将新增城市人口1 4 0 0 万。 其发展趋势一是逐渐向大中城市发展，另一趋势是以大城市为中心的城市群发展。 继续扩大城市范围，继续加大城市的建设将是不变的潮流。据全国7 个典型城市搅 拌车运量的统计，平均一辆车一年约能运输10 0 0 0m 3 ，按全国预拌混凝土总量每年 新增计1 亿m 3 计，今后每年也需要新增1 万辆搅拌车，这个市场无疑是巨大的。 有关2 0 0 3 年至2 0 0 8 年全国混凝土搅拌运输车销售量情况如图1 2 所示： 1 2 0 0 0 8 0 0 0 辽 删6 0 0 0 搬 嵇4 0 0 0 2 0 0 0 0 2 0 0 02 0 0l2 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 8 图1 2 近年来我国搅拌车销售量情况拉j 虽然我国搅拌车市场潜力极大，发展形势欣欣向荣，但缺乏自主创新、产品雷 同是一个极其严重的问题。目前很多企业缺乏自主创新能力，产品仿制和复制现象 屡屡皆是，不少企业的产品有明显的混凝土离析现象。这说明了三个问题： 1 企业缺乏自主研发能力、研发投入较少或技术手段不够先进； 2 没有形成自主产权的保护意识，对侵权行为保持默认； 3 适合于细分市场的产品缺乏，难以扩大市场。 虽然这一问题在目前市场行情好的情况下暂时被掩盖，但从长远的角度来看， 尤其随着对外开放步伐的加大，势必影响国产产品的核心竞争力，使企业在市场竞 争中难以有所作为。因此加大对搅拌车的研发力度十分有必要，尤其要运用先进的 设计理念、方法和工具，在原有知识积累的基础上不断取得创新和发展。事实证明： 只有不断生产出新的产品、具有自主知识产权的产品，企业才有活力，事实也证明 到目前为止，企业的生存与发展离不开这一规律【3 】。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2国内外研究现状 1 2 1 国内研究现状 国内大部分企业缺乏对搅拌车的自主研发，主要路线还停留在模仿设计一试 制一改进阶段。但近年来，我国对有限元理论和优化设计方法进行了一些研究和应 用，并初步取得了一批成果。 1 2 1 1 搅拌车结构研究 近年来对搅拌车方面的研究主要有青岛大学孙海霞综合运用h y p e r m e s h 、 m s c p a t r a n 等有限元分析软件建立了前排料混凝土搅拌车车架的有限元分析模 型，探索了平衡悬架机构建模方法并对搅拌车在五种典型工况下的静态强度及模 态特性进行了分析，得到该车架的应力分布特点和相关模态参数，最后通过和实 验获得的车架模态参数对比，验证了分析的正确性【4 】；内蒙古科技大学关丽坤等 用a n s y s 建立某搅拌车主、副车架的实体模型，通过静力分析和模态分析，得 到其应力、应变分布情况和固有频率及振型特征，并对结构做了改进，使最大应 力值降低了2 7 2 ，且其固有频率避开了发动机常见工作频率范围，有效地避免 发生共振，大大的改善了车架的动静态性能【5 】；内蒙古科技大学董志明从现有车 架出现的问题出发，对混凝土搅拌运输车副车架的的结构做了优化，在理论分析 的基础上设计出了二种新的结构，并采用实时状态监测分析系统和扭矩遥测系统 对新结构在实际使用过程中的受力状态做了实时监测，验证了设计的正确性和可 靠性【6 】；中集华俊车辆有限公司的韩月琴等在经验基础上对搅拌车副车架结构进 行了两项改进：改副车架平行式横梁为x 型横梁、通过车架连接装置改变搅拌车 副车架与搅拌筒之间焊接式联接为装配式的活动联接【7 1 ；福建农林大学陈铭年 对8 m 3 混凝土搅拌运输车在空车和重车状态下的稳定性进行了计算分析l 引。 以上对搅拌车的改进主要有两种方式，一种是是通过有限元分析得出原结构 的应力和变形分布、固有频率和振型，然后进行局部改进；另一种是建立在经验 基础上的改进。目前还没有出现对搅拌车主车架和副车架的整体拓扑优化研究。 1 2 1 2 结构拓扑优化 结构拓扑优化技术尚不如结构尺寸优化技术成熟，我国在汽车拓扑优化设计方 面取得的成果还较少，主要有： 重庆大学巢嫒对重型货车车架拓扑优化的方法及优化效果方面进行了初步的 探索，用h y p e r w o r k s 中的o p e r t i s t r u c t 优化模块对某货车车架进行了拓扑优化设计， 武汉理t 大学硕士学位论文 得出的新结构轻量化效果达到2 4 8 9 ，且抗疲劳破坏能力大有提高唧：南京理工大 学徐伟借助h y p e r w o r k s 、m s c n a s t r a n 软件对某重型载重汽车车架进行了结构分析 和拓扑优化设计研究，优化后的模型在质量减少近1 0 的情况下，工作区域位移最 大下降超过1 0 ，最大应力下降幅度超过2 0 f ”i ：张宇龙，马力，王元良提出了拓扑 优化和尺寸优化相结合的典型特种车车架轻量化研究思路并应用于实际中使某重 型特种车辆车架自重减少了约2 0 【l i 】；沈阳理工大学吕品以载货两吨的单排座轻卡 车架为研究对象，运用二维拓扑优化设计、三维拓扑优化设计和结构尺寸优化设计 相结合的方法，对车架进行了优化设计，新结构满足各种工况下的动静态特性要求， 且轻量化效果达到1 6 其优化初始结构和优化结果如图1 - 2 所示【l 目： l 一缄攫 卜撒架 3 一僦桨 4 横粱 5 一t o 轴6 诅接扳? 一磺谁 8 - - 横摧9 - - - 椭襞 1 一直拧1 1 - - 搬粜1 2 - - g i 地 图l 一2 两吨轻卡车架拓扑优化设计 台湾学者m i n g - h s i u h s uy e h - l i a n g h s u 提出了一种三维结构拓扑优化结果重 构的方法，过去拓扑优化结果只能用离散的灰度图像来表达，而且只能用于二维单 元，难以直观显示出优化结果，三维单元的表达则更难，文中从理论上分析了直观 显示三维拓扑优化结果的可行性，并用数个实例证明了其有效性，三维结构拓扑优 化结果经这种方法处理后显示的结果由离散状态变成连续状态，大大改善了结构的 视觉效果旧，如图1 3 所示： 武汉理i 人学硕十学何论文 9 如； j r 告产2 2 2 2 拦鼍= 7 i i 窝焉汐鹪冁 圈1 3 拓扑优化结果重构效果 2 13 结构尺寸优化 我国近年来在结构尺寸优化上进行的研究较多，各大高校和部分企业均取得了 一定的成果： 武汉理工大学王皎结合有限元法和数学规划法，对车架进行了拓扑优化设计和 尺寸优化设计，在车架满足强度和刚度的前提下使材料利用率得到了的提高，大 幅降低了车架自重。降幅达到2 0 2 3 【1 4 】：武汉理工大学朱容庆对某载重汽车车架 进行了有限元分析，以车架纵梁的轻量化设计为例，说明了车架轻量化设计的过程 及在a n s y s 中的优化步骤 l q ；西安建筑科技大学李福强对基于a n s y s 平台的遗 传算法在结构优化设计中的应用进行了研究l l6 l ；桂良进，周长路，范子杰对某型载货 车车架结构进行了轻量化设计，减轻重量5 7 08 k g i l 。 另外，武汉理工大学余良富、马力、王皎采用碳，环氧纤维增强复合材料对莱国 产重型专用车车架进行了轻置化设计和有限元分析，在保证强度和刚度不降低的前 提下，复合材料车架比原钢制车架重量减轻7 3 i l 目，取得了较好的效果为我国重 型专用车主要承载件采用新材料进行轻量化设计与研究提供了良好的参考。但复合 材料成本昂贵，目前使用复合材料实现轻量化设计还仅仅用于研究。 总体而言，我周在有限元分析方法和优化设计应用上还没有普及，尤其是拓扑 优化技术，丈部分研究成果由通过企业、学校合作取得，大部分企业自身没有掌握 这一方法和工具。为此，要在我国推广应用拓扑优化技术还有一段路需要走。 瓢 每v爪一丽孰 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 国外研究现状 1 2 2 1 国外轻量化研究方法介绍 国外的结构轻量化研究主要可分为五类： 1 提出先进的设计理念，发展先进的制造工艺，并通过尺寸参数优化而得 到新的轻量结构； 2 将拓扑优化和形状优化引入到结构轻量化过程中； 3 应用复合材料等高强度低密度的新材料达到减重目的； 4 利用硬件优势，大量考虑动态过程( 如碰撞、振动过程) 中的各种约束， 对尺寸参数进行优化而得到轻量结构，主要强调安全性； 5 提出和应用新的现代优化算法，并引入到结构轻量化过程中。 由于国外对有限元法应用较早，结构优化技术相对成熟，在发达国家已被普 遍应用。自拓扑优化提出以来，在航空航天、机械、船舶、微电子和新型材料设 计等领域得到了广泛的应用，通过计算机的数值计算，拓扑优化技术能从众多的 设计方案中找到尽可能完善的或最适宜的设计方案，采用这种设计方法能大大提 高设计效率和设计质量。 依靠采用轻金属、现代复合材料等高性能、低密度材料作为原材料，达到减 重的目的，轻量化设计已有厂家在大胆尝试并取得了一定成果。但在主要承载部 件上应用轻金属和复合材料的还不多见，主要由于这些新材料应用在主要承载部 件上的研发成本高、时间长、要求工艺条件高，因此在短时间内很难普及。 1 2 2 2 国外拓扑优化技术研究现状 早期的拓扑优化研究主要为对离散结构的优化，后期转入到对连续体进行结 构拓扑优化的阶段。f u k u s h i m a 和s h u z u k i 等人将均匀化法引入到三维壳体结构 并应用到汽车车体的优化中，d i a z 还研究了多工况条件下拓扑优化问题的均匀化 方法【19 1 。1 9 9 6 年y a n g 等人将变密度法推广到三维连续体结构，并在汽车结构设 计中得到应用【2 0 1 。f l e u r y 和b e c k e r 提出基于离散拓扑变量的对偶问题解法川； 近年来，叙利亚的g k h a m l a n d a 、丹麦n o l h o f f , 法国a m o h a m e d 和m l e m a i r e 四位作者发表了基于可靠性的拓扑优化( r b t o ) 研究，即将可靠性约束和 其它约束进行综合来进行拓扑优化，文中对这种方法进行了理论分析，并用数个实 例论证了这一研究成果的有效性【2 2 】。美国的t e b r u n s 提出了依靠惩罚函数自动确 定拓扑优化中单元耦合约束和单元属性的方法【23 。日本学者k a t s u y am o g a m i 等人 研究了基于可靠性多工况车架结构拓扑优化设计，有别于传统拓扑优化设计的是 6 武汉理j 大学硕+ 学位论文 考虑了不确定性因素，为深层次的拓扑优化提供了可借鉴的先例1 2 4 l 。s l y v y n s k y y 等人对呈蜂窝结构的拓扑优化设计进行了研究瞄j 。 在实际应用方面，f u k u s h i m a 等人对汽车车身在多工况下进行了拓扑优化研 究m i 。f r e d d c s o n 研究了基于惩罚法的车架连接结构及材料选择的拓扑优化及 车架在柔性连接情况下的拓扑结构1 2 7 。2 8 i 。f i c h e r a 等人对副车架安装结构进行了 拓扑优化研究i ”i 。t o r s t e n f e l t 对模块化的汽车系列同时应用尺寸优化、形貌优化 和拓扑优化技术研究i “i 。t o r s t e n f e l t 和h e i s e r e r 等研究了汽车空间优化技术1 ”删。 美国汽车钢铁联盟委托a l t a i r 公司以福特汽车公司一款非常成功的钢材料s u v 车架为原型，在不改变材料且不牺牲任何刚度的前提条件下实现该车架的轻量化 设计。最终通过拓扑优化设计出的新车架与原车架相比重量减轻了2 3 ，弯曲刚 度略有提高，扭转刚度提高了3 0 。且在优化设计过程中充分考虑了制造加工方 面的要求，新型车架的制造成本远低于采用铝合金材料所花费的高额成本。s u v 车架的整个优化设计过程经历了整体拓扑优化、局部拓扑优化、和详细设计优化 过程【3 3 】。其优化初始结构和整体拓扑优化结果如图l - 4 所示： ，矿 图1 4 福特s u v 车架优化初始结构和整体拓扑优化结果 近2 0 多年来随着计算机技术和数学上优化算法的发展，拓扑优化设计技术 得到了前所未有的发展。各大汽车巨头等都已广泛地把拓扑优化技术应用到产品 设计中，不断地提高汽车产品的性能。如福特、奥迪、宝马、沃尔沃、丰田和尼 桑等公司的产品已应用拓扑优化技术。奥迪a 8 车型在车声和发动机上多处使用 了拓扑优化技术。 由上述可见，结构优化技术在西方工业发达国家研究和应用较广，取得了一 大批有实际应用价值的成果，而我国在结构优化技术上的研究多停留在应用方 面，缺乏理论创新。对于车架等大型零部件的研究主要由学校等单位完成，缺乏 企业支助和参与，优化出的结构大多不具备实际应用价值。 武汉理t 大学硕士学位论文 1 3课题研究的主要内容 1 结构拓扑优化方法 在四种结构优化设计方法中，结构拓扑优化设计仍是非常具有挑战性的工作， 目前拓扑优化的应用大部分在结构简单的零部件设计上，对复杂结构的应用较少。 对搅拌车目前也只局限于用c a e 软件进行性能校核和局部改进，没有在拓扑优化 方面做过探索。本文将用a n s y s 中的拓扑优化模块，对搅拌车初始结构在不同工况 条件下进行拓扑优化，并将拓扑优化结果和工艺性、经济性要求相结合，提取出新 结构的模型。 2 静态特性分析技术 静态特性主要指研究对象在特定工作条件下的强度和刚度。优化后的最终结构 各部分应力值分布应趋于均匀，即既不出现大面积应力过小而浪费材料的现象，也 不出现应力值过大而牺牲安全性的区域。根据拓扑优化结果提炼出的基础模型难以 满足上述要求，需要在静态和动态特性分析后对局部结构进行改进。 3 动态特性分析技术 动态特性指研究对象的固有频率和振型。通过模态分析得到新结构的前几阶固 有频率和振型，如果固有频率与外激励相重合则需要进一步改进结构，以避免产生 共振导致影响车辆行驶的平顺性和出现较大噪音，通过改进后的车架应具备较好的 稳定性和安全性。 8 武汉理工人学硕士学位论文 1 4课题研究的路线 本课题研究的路线如图1 5 所示： 图1 5 技术路线 9 武汉理工大学硕士学位论文 1 5论文组织结构 本论文共有七章，组织结构如下： 第1 章：绪论主要介绍搅拌车的基本结构、市场行情、我国搅拌车的研发现 状、国内外在有限元分析和拓扑优化技术方面的发展和取得的成果，最后介绍本文 研究的主要内容和技术路线。 第2 章：介绍有限元分析的基本概念、发展历史、应用方法等，及介绍结构设 计方法的发展、举例说明各种优化方法的应用、结构拓扑优化的步骤。 第3 章：工况确定和载荷计算以某品牌搅拌车为例，介绍该车主副车架的结 构和基本载荷，确定搅拌车的主要使用工况，并计算各工况下的载荷，明确约束条 件。 第4 章：结构拓扑优化设计介绍拓扑优化的基本理论，以原车架外廓结构为 参照建立拓扑优化初始模型，并对该结构在多种工况下进行拓扑优化设计，最后以 拓扑优化结果为依据，结合工艺性和经济性要求提取出模型。 第5 章：静态特性分析介绍结构静态特性分析的理论和实际应用方法，对拓 扑优化后的结构在两种工况下的静态特性进行分析，最后对新结构的静态特性做出 评价。 第6 章：模态分析介绍了模态分析的基本理论和实际应用方法，分析拓扑优 化后的结构在两种工况下的动态特性，得出该结构的固有频率和振型，最后结合车 架的动态特性指标对新结构的动态性能做出评价。 第7 章：全文总结与展望总结课题的研究成果，并对研究中的不足和研究方 向作出展望。 l o 武汉理丁大学硕士学位论文 第2 章有限元分析及结构优化介绍 2 1 有限元分析介绍 2 1 1 有限元法的定义 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，简称f e m ) 是求解数理方程的一种数值计 算方法，是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机结合在一起的一种数值分析技 术，是解决工程实际问题的一种有力的数值计算工具。其数学理论基础主要是泛函 的变分原理，包括能量积分方程的变分原理、加权余量机制原理等，还包括单元插 值理论和矩阵代数学。由于这一方法灵活、快捷和有效，其迅速发展成为求解各领 域数理方程的一种通用的近似的计算方法。目前，有限元法在许多科学技术领域和 实际工程问题中都得到了广泛的应用，如机械制造、材料加工、航空航天、土木建 筑、电子电气、国防军工、船舶、铁道、汽车和石化能源等，并受到了普遍的重视。 有限元分析的基本思想是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域 看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的( 较简单 的) 近似解，然后推导求解这个域总的满足条件( 如结构的平衡条件) ，从而得到问 题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。 由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种 复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元方法与其他 求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。2 0 世纪 6 0 年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫( c l o u g h ) 教授形象地将其描 绘为：“有限元法= r a y l e i g hr i t z 法+ 分片函数 ，即有限元法是r a y l e i g hr i t z 法的一种局部化情况。不同于求解满足整个定义域边界条件的允许函数的r a y l e i g h r i t z 法，有限元法将函数定义在简单几何形状( 如二维问题中的三角形或任意四边 形) 的单元域上，且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近 似方法的原因之一。有限元方法的出现，不但使过去想分析而无法分析的问题得到 很好的解决，也使各类问题计算结果的精度大大提高，同时引发了计算数学的革命， 带动了其它学科的发展。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普 及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成 为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法口4 。 武汉理工人学硕士学位论文 2 1 2 有限元法的特点 1 分析对象的几何形状适应性强 有限单元法可以处理任意的几何形状和一般的边界条件，还可以处理非均匀的 和各向异性的材料，即可以处理由许多不同材料组成的、任意几何形状的对象。 2 适应范围广 有限单元法的常函数选择灵活，一般能适应于固体、流体、热传导、电磁学和 声学等多种场问题的分析。 3 有较好的稳定性和收敛性 有限单元法的数学基础是积分形式的变分原理或加权余量法，把数理方程的求 解等效成为定积分运算和线性代数方程组或常微分方程组的求解，只要保证数学模 型测正确性和方程组求解算法的稳定性和收敛性，并选择收敛的单元形式，其近似 解总能收敛于数学模型的精确解。 4 便于计算机进行处理 有限单元法采用矩阵形式和单元组装方法，每一个步骤都便于实现计算机软件 模块化，利于计算机软件的处理1 。 2 1 3 有限元求解问题的基本步骤 对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只 是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为： 第一步：问题及求解域定义根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何 区域。 第二步：求解域离散化将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连 的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小( 网络越 细) 则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因 此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。 第三步：确定状态变量及控制方法一个具体的物理问题通常可以用一组包含 问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化 为等价的泛函形式。 第四步：单元推导对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式， 其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变 量的离散关系，从而形成单元矩阵( 结构力学中称刚度阵或柔度阵) 。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。对工程应用而言，重 要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形 时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。 第五步：总装求解将单元总装形成离散域的总矩阵方程，反映对近似求解域 的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元 结点进行，状态变量及其导数连续性建立在结点处。 第六步：联立方程组求解和结果解释有限元法最终导致联立方程组。联立方 程组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似 值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否 需要重复计算。 “ 简言之，有限元分析可分成三个阶段，前处理、求解和后处理。前处理是建立 有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提 取信息，了解计算结果。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 结构优化介绍 2 2 1结构设计流程的发展 传统的产品设计流程是一个人工反复的过程，工程师借助c a d 工具进行产品 的设计，然后提交到工厂进行加工制造，接着对产品进行实物试验，如果产品不能 满足功能要求或者失效，就需要对产品设计进行修改，甚至重新设计，如此反复， 直到产品在实物试验中满足全部要求，如图2 - 1 所示。这是一个周期长，耗费高的 过程，已经完全不能满足现代产品设计的要求。 图2 1 传统产品设计流程 随着计算机软硬件技术的发展，c a e 技术同趋成熟，各种数值仿真方法，如 有限元、多体动力学、计算流体力学等技术在产品设计中得到大量的应用。产品在 初步设计完成后，可以基于c a d 模型进行产品性能的虚拟试验，初步考察其工作 应力、运动过程、产品寿命等。如果产品不能满足要求，可以立即反馈给设计人员 进行修改或重新设计，从而大大减少实物试验的周期和费用。改进后的的产品设计 流程如图2 - 2 所示： 图2 2c a e 技术改进了传统产品设计流程 然而，今天被众多企业所广泛应用的c a e 技术仍然有其局限性，其表现在于 c a e 技术仍然仅被用作在产品设计后期对设计方案的校核。不幸的是，如果在这一 阶段发现了问题，设计者已经没有足够的自由度对结构做出全面的改进，我们所能 做的仅仅是局部的调整并祈祷这种调整不会造成别的问题。根本问题在于，在设计 的早期即我们拥有最大的设计自由度的概念设计阶段我们所能凭借的完 全是经验和想象力，很难同时把产品的所有性能精确的考虑进来，并且往往由于经 验所限，不能给出创新的设计。 1 4 武汉理工大学硬士学位论文 今天，c a e 技术中一个非常重要的组成部分结构优化技术已经发展成熟 并成功地被用于产品的设计，它以其天生的优势正在改变传统的设计流程。在概念 设计阶段，优化技术可以把产品所需性能全部考虑进来，在给定的设计空自j 下找到 最佳的产品设计思路：在虚拟试验阶段发现问题后，优化技术可以直接给出产品改 进的方案，而不仅仅是对产品进行校核，从而真正帮助设计工程师设计出创新和可 靠的产品。这种全新的产品设计过程，就是优化驱动的产品设计过程( o d d p ) ， 如图2 3 所示： 图2 - 3 优化驱动的产品设计流程 可见，优化驱动的产品设计过程给了产品设计工程师最有效的设计帮助，在概 念设计这个决定8 0 0 屉终产品成本的关键阶段，在产品改进这个耗时费力的熏复阶 段提供了革命性的解决方案，从而大大节省了时间和费用，提高产品性能和投放 市场的速度p 。 2 22 结构优化设计分类 结构优化设计分为：拓扑优化技术( t o p o l o g yo p t i m i z a t i o n ) 、形貌优化技术 ( t o p o g r a p h y o p t i m i z a t i o n ) 、形状优化技术( s h a p e o p t i m i z a t i o n ) 、尺寸优化技术 ( s i z eo p t i m i z a t i o n ) 四种： 1 拓扑优化技术 拓扑优化是一种具有创新性的概念设计技术，在产品设计的最初阶段，设计人 员确定设计空间、设计目标、设计约束和制造工艺约束等，寻找出最佳的材料布局， 从而为设计人员提供非常关键的概念设计方案。图24 为搅拌车托轮支座拓扑优化 实例。 g 谩露蛳 武汉理l 尺学硕+ 学位论文 2 形貌优化技术 形貌优化是一种面向薄壁结构和钣金件的概念设计技术。设计人员可以确定设 计区域、筋的最大高度和起筋的角度等参数，寻找出最佳的加强筋布局。图2 5 为 形貌优化实例： 图2 - 5 形貌优化实例 3 形状优化技术 形状优化是一种对现有零部件的形状和位置进行优化的技术，适合于详细设计 阶段。图2 - 6 为形状优化实例