半挂液罐车轻量化研究.pdf

江苏大学 硕士学位论文 半挂液罐车轻量化研究 姓名 韦伟 申请学位级别 硕士 专业 车辆工程 指导教师 王若平 20120608 江苏大学工程硕士学位论文 摘要 随着全球能源危机的不断加剧 降低汽车的能源消耗 显得尤为重要 对汽 车进行轻量化设计 不但可以降低油耗 同时也能提高汽车生产企业的产品竞争 力 汽车轻量化设计技术已经成为目前汽车领域的研究热点之一 首先结合某款半挂液罐车结构特点 根据企业实际情况以及目前国内外汽车 轻量化研究方法 确定该半挂液罐车轻量化设计的研究方案 决定对罐体采用材 料替换 后支座采用结构优化设计的方法 从而实现半挂液罐车轻量化的目的 其次利用三维软件c a t i a 建立罐体 前支撑和后支座的三维板壳模型 将几 何模型导入有限元分析软件a n s y s 并进行预处理 根据g b l 8 5 6 4 1 2 0 0 6 道路 运输液体危险货物罐式车辆 第1 部分 金属常压罐体技术要求 确定罐体在运 输过程中的四种工况 对半挂液罐车结构进行有限元分析 随后选择了铝合金 5 0 8 3 h 1 1 2 替换原罐体材料1 6 m n r 再次对更换材料后半挂液罐车结构进行有限 元分析 得到其在四种工况下的应力 应变的大小及分布情况 最后对后支座进行结构优化设计 运用a n s y s 软件的优化设计功能 以后支 座总体积最小为目标函数 强度为约束条件 建立半挂液罐车后支座的参数化模 型 并对其进行结构优化 研究结果显示 在满足结构性能的前提下 轻量化后的罐体和后支座的质量 较原先有明显下降 取得了较好的轻量化效果 本文的轻量化研究 不但可以解决企业实际的问题 提高了企业的设计水平 和效率 而且可以为今后同类产品的设计提供参考 关键字 半挂液罐车 轻量化 有限元 优化设计 a n s y s 江苏大学工程硕士学位论文 w i t ht h eg r o w i n gg l o b a le n e r g yc r i s i s t or e d u c et h ev e h i c l e se n e r g yc o n s u m p t i o n o fa u t o m o t i v ei s p a r t i c u l a r l ys i g n i f i c a n t m o r e o v e r t h el i g h t w e i g h td e s i g n o f a u t o m o t i v e n o to n l yc a l lr e d u c ef u e lc o n s u m p t i o n b u ta l s oc a ni m p r o v et h ep r o d u c t c o m p e t i t i v e n e s s o fa u t o m o b i l e m a n u f a c t u r i n gc o m p a n i e s t h el i g h t w e i g h td e s i g n t e c h n o l o g yo fa u t o m o t i v eh a sb e c o m eo n e o ft h em a i ni s s u e si nt h ef i e l do fa u t o m o t i v e r e s e a r c h f i r s t l y d e t e r m i n et h el i g h t w e i g h td e s i g nr e s e a r c ha p p r o a c ho fap a r t i c u l a rl i q u i d t a n ks e m i t r a i l e r a c c o r d i n gt oe n t e r p r i s er e a l i t ya n dt h ec u r r e n tl i g h t w e i g h tr e s e a r c h m e t h o d sa th o m ea n da b r o a dc o m b i n a t i o n 析t ht h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft h el i q u i d t a n ks e m i t r a i l e r i no r d e rt oa c h i e v et h ep u r p o s eo fl i g h t w e i g h t d e c i d e dt ou s et h e m e t h o do fm a t e r i a ls u b s t i t u t i o nt ot h et a n kb o d y s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nd e s i g nt ot h e r e a rs u p p o r t n e x t u s et h e3 一ds o f t w a r ec a t i at os e tu pt h e3 一dg e o m e t r i cm o d e lo ft h et a n k b o d y f r o n ts u p p o r ta n dr e a rs u p p o r t l a t e r i n t r o d u c et h eg e o m e t r i cm o d e lt of i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s a n dp e r f o r mp r e p r o c e s s i n g m a k ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i so f t h el i q u i dt a n ks e m i t r a i l e ra c c o r d i n gt ot h ef o u rc o n d i t i o n sd u r i n gt r a n s p o r t w h i c hi sd e t e r m i n e db yg b l 8 5 6 4 1 2 0 0 6r o a dt a n k e rf o rd a n g e r o u sl i q u i d g o o d s t r a n s p o r t a t i o n p a r t1 t e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so fa t m o s p h e r i cp r e s s u r em e t a lt a n k a f t e r t h a t c h o o s ea l u m i n i u ma l l o y5 0 8 3 h 1 1 2t or e p l a c et h eo r i g i n a lt a n kb o d y sm a t e r i a l1 6 m n r a n dm a k ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h en e wl i q u i dt a n ks e m i t r a i l e r g e tt h ev a l u ea n d d i s t r i b u t i o no fs t r e s sa n ds t r a i no fi tu n d e re a c hc o n d i t i o n f i n a l l y m a k eo p t i m a ld e s i g no ft h er e a rs u p p o r t t oe s t a b l i s ht h ep a r a m e t r i cm o d e l o fr e a rs u p p o r to fl i q u i dt a n ks e m i t r a i l e r t a k et h et o t a lv o l u m eo fr e a rs u p p o r ta s o b j e c t i v ef u n c t i o n s t r e n g t ha sc o n s t r a i n tc o n d i t i o ni na n s y s a n dt h e no p t i m i z et h e m o d e l 硼1 er e s u l t ss h o w e dt h a t a f t e rt h el i g h t w e i g h td e s i g n t h ew e i g h to ft h el i g h t w e i g h t e dt a n ka n dr e a rs u p p o r td e c r e a s e de v i d e n t l yt h a nt h eo r i g i n a l c o m p l i e sw i t ht h e s t r u c t u r a lp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s a n da c h i e v e da p r e f e r a b l ee f f e c t t h es t u d yo i lt h el i g h t w e i g h td e s i g no ft h i sp a p e r n o to n l ys o l v e st h ef a c t u a l p r o b l e m so ft h ee n t e r p r i s e i m p r o v ed e s i g ns t a n d a r d sa n de f f i c i e n c y b u ta l s op r o v i d e sa m 半挂液罐车轻量化研究 r e f e r e n c ef o rt h ed e s i g no fs i m i l a rp r o d u c t si nt h ef u t u r e k e yw o r d l i q u i dt a n ks e m i t r a i l e r l i g h t w e i g h t f i n i t ee l e m e n t o p t i m a ld e s i g n a n s y s i v 江苏大学工程硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 自2 0 0 0 年以来 我国的汽车工业大约以每年2 1 的速度快速增长 2 0 1 1 年 我国的汽车产销量分别为1 8 4 1 8 9 万辆和1 8 5 0 5 1 万辆 创下历史新高 汽车工业 的快速发展 不仅对经济产生促进作用 而且给人们的生活出行带来极大的方便 但同时产生的能源危机和环保问题也愈加严重 据英国石油公司2 0 1 1 年6 月发布 的世界能源统计报告显示 世界蕴藏石油可开采年限约为4 6 2 年 而每年全球汽 车的石油消耗约占世界石油总产量的4 0 全球变暖及酸雨等环境问题 与汽车 排放的c 0 2 n o x 和硫化物有直接关系 这些问题的凸显 就迫切的需要降低汽 车的燃油消耗 以降低燃油消耗和尾气的排放 而轻量化是降低汽车燃油消耗的 一种有效方法 因此 研究汽车的轻量化就具有十分重要的现实意义 1 2 课题研究的目的和意义 随着我国经济快速发展 以及在 汽车产业调整和振兴规划 等一系列利好 政策的刺激下 我国专用车市场得到了快速的发展 据国家机动车合格证数据中 心的统计数据显示 2 0 1 1 年全年 我国专用汽车生产量为1 5 9 3 6 万辆 其中罐式 汽车约占6 7 随着罐式汽车生产的发展 其生产设计技术也在不断完善 罐式 汽车是指装有专用罐状容器的运货汽车 它具有运输效率高 保证运货质量 利 于安全运输 减轻劳动强度 降低运输成本等优点 1 1 随着我国各行业对物流运输 需求的不断增大 罐式汽车的作用愈加突出 在专用汽车中所占的比例也明显增 加 研究表明 汽车的燃油消耗与汽车的自身质量成正比 汽车质量每减轻1 0 燃油消耗将降低6 1 0 排放降低4 f 2 1 另外 我国在2 0 0 7 年颁布的道路安 全法规中规定 货车总重不得超过5 5 t 为了取得较好的经济效益 将罐式汽车轻 量化 增加有效的承载能力显得尤为重要 假如罐式汽车能增加5 t 的承载能力 每年按照6 0 0 0 0 k i n 的单向里程 运输费用为0 5 硒 t 则每年可增加1 5 万元 的收入 3 1 因此 有必要对罐式汽车进行轻量化设计 半挂液罐车轻量化研究 本课题为江苏大学与某专用汽车制造有限公司合作项目 内容是对该公司现 生产的某款半挂液罐车进行轻量化设计研究 在保证原有承载能力的前提下 降 低该车的重量 这不但有助于企业发现和解决设计生产中存在的实际问题 为其 产品的设计 验证和优化提供理论的参考和指导 而且能为企业降低制造成本 提高产品的设计水平和企业的竞争力 因此 课题的研究具有良好的现实意义和 经济价值 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 自上世纪6 0 年代 国外就开始进行结构轻量化方面的研究 在计算机科学 力学和应用数学的快速发展下 推动了对于复杂结构的求解 许多大型且复杂的 工程结构问题的解决变得越来越容易 在汽车的结构分析求解中 使用的方法主 要包括边界元法 差分法 有限元法和有限元体积法f 4 1 其中有限元法由于具有物 理概念清晰 适应复杂结构 适用各种物理问题和便于计算机实现等特点 使用 最广泛 5 1 m a t s u m o t 0 1 6 1 等 在1 9 9 1 年建立了摩托车车架的有限元模型 在原有车架刚度 不变的条件下 以梁的位置和截面尺寸作为设计变量 车架的总质量为优化目标 对车架进行优化设计 减轻了车架的质量 1 9 9 8 年3 月 国际钢协开始在全球实施u i s a b a v c 计划 从整体上研究开 发新一代钢铁材料汽车结构 如车身 覆盖件 悬挂系统 发动机支架及所有与 结构 安全相关的部件川 他们综合考虑结构 材料和制造工艺等因素来提高汽车 及零部件的性能 目的在于通过革新结构设计 优化制造技术和改变零部件的形 状等多种方法有效降低汽车的重量 例如采用复合钢板结构 激光焊接等工艺 使用有限元法对汽车结构进行分析及尺寸的优化 2 0 0 1 年 k r i s h n am m r 8 1 对汽车悬架系统中上控制臂的形状进行了优化设计 其优化结果使其重量降低1 5 最大应力降低2 9 l a n 9 等人在2 0 0 4 年对某客车车身骨架运用a n s y s 软件进行了有限元分析 并且对分析结果加以实验验证 最后在有限元分析的基础上对该结构进行轻量化 设计 使用尺寸优化设计的方法 以结构最轻作为优化目标 梁的板厚作为设计 2 江苏大学工程硕士学位论文 变量 并限定优化之后骨架的刚度和强度 取得了满意的轻量化效果 同年 日 本本田对该公司的某款轿车进行了轻量化设计1 1 0 l 该车的发动机罩 行李箱 翼 子板 保险杠等部件使用铝合金制造 后悬架采用高压铸造 挤压成型等加工方 法 使得该车总重减小了1 0 4 k g r r m a y e r l l l l 等人运用拓扑优化的方法 以碰撞过程中的最大吸收能量作为优 化目标 对汽车零部件进行优化 优化后该零件呈蜂窝状结构 并且在保证了安 全性的同时降低了结构的质量 2 0 0 6 年 w e nj 1 1 t 1 2 1 对多用途汽车和g o l f 轿车的有限元模型运用了拓扑优化的 方法进行了结构优化 同原结构模型相比 优化后的结构重量降低了3 0 北欧化工公司于2 0 1 0 年3 月1 7 日宣布 利用定制的玻璃长纤维增强聚丙烯 l c f p p 新品n e p o lp p 可帮助宝马汽车公司实现轻量化仪表板 仪表板减轻2 0 这种单一材料的仪表板承载体解决方案已应用于7 款车型 轻量化仪表板承载体 使宝马汽车简化了生产并降低了成本 从而也提高了其汽车燃油效率 1 3 1 综上所述 国外的轻量化研究 一方面是研究新材料 新工艺的应用 如铝 合金等轻型材料 并且在制造过程中采用激光焊接等新工艺 另一方面就是运用 如形貌优化 尺寸优化和拓扑优化等优化技术对结构进行轻量化设计 1 3 2 国内研究现状 我国的轻量化研究相比国外起步较晚 虽然近些年来也出现对汽车的结构轻 量化研究 但研究的深度相对滞后 1 9 9 4 年 唐述斌 1 4 等为实现e q l 0 9 0 e e q l 0 9 2 f 汽车后桥壳轻量化 在该车 后桥壳改进设计的初期 用有限元分析的方法选择较优设计方案 预测后桥壳最 高应力水平 后桥壳的应力集中区 后桥壳静强度断裂和疲劳损坏的可能位置 为该后桥壳减轻质量8 k g 提供了依据 1 9 9 6 年 周亚平f 1 5 1 通过改进车体结构设计和采用轻型材料的方法 对东风 1 1 型内燃机车车体进行了轻量化设计的研究 通过改进车体结构设计使得该车型 减小重量约2 7 t 采用轻型材料的方法使得该车型减小重量约0 5 t 同年 田葆拴 刘会英 1 6 1 利用卜 d e a s 软件对凹底平车建立了结构分析模型 并将结构分析模型 定义为一个设计 进行了静力优化 模态分析 动态优化 减轻了自重 改善了 其动态特性 3 半挂液罐车轻量化研究 2 0 0 2 年 马迅 1 7 1 等以某轻型客车的车架为例建立有限元模型 选弯曲刚度 扭转刚度和一阶扭转频率为约束条件 根据灵敏度分析结果 按高刚度 轻质量 的要求 选择车架上一些部件的截面尺寸作为设计变量进行了结构轻量化设计 最终使车架重量减轻1 3 3 2 0 0 3 年 王怀f 1 8 1 在对大客车骨架进行轻量化改进中 采用交互修改与正交试 验法相结合的方法在不同工况水平下进行多次计算 寻找轻量化设计的方案 最 后使客车的质量下降了4 3 4 5 k g 2 0 0 5 年 王皎1 1 9 1 等建立了某专用车车架的全板壳有限元计算模型 采用有限 元法结合数学规划法对车架进行了轻量化结构优化设计 首先在不改变车架拓扑 结构的基础上 对车架纵梁截面尺寸进行了优化 降低车架自重约1 2 9 4 随后 对横梁的安装位置进行了拓扑优化 拓扑优化提供了进一步降低车架自重的空间 在车架最优拓扑结构的基础上再对纵梁截面尺寸进行优化 最终得到的车架结构 在满足强度刚度要求的前提下 材料利用率得到了提高 与原结构相比 质量减 少2 0 2 3 2 0 0 6 年 杨富强i 刎运用m s c n a s t r a n 有限元分析软件 以壳单元为主建 立了y b l 6 1 1 5 型城市客车有限元分析模型 在弯曲工况 扭转工况和发动机最大 工况三种工况下 对客车车身进行静力有限元分析 之后结合客车结构的安全性 及有限元分析的结果确定轻量化方案 对客车的车架 中门立柱以及横梁进行了 拓扑优化 和原先客车车身重量相比减少了x 公斤 2 0 0 9 年 刘一蒙等 2 l 利用有限元软件h y p e r m e s h 建立了某特种车的驾驶室有 限元模型 按照驾驶室实际承载的负荷 利用o p t i s t r u t 模块在弯曲和扭转2 种典 型的工况下对该特种车驾驶室进行强度分析 然后以驾驶室的总重量最小为目标 函数 以板壳的厚度为设计变量 以驾驶室构件的强度作为约束条件 对驾驶室 进行了优化 最终在满足强度的前提下 新的驾驶室结构与原结构相比质量减轻 约3 6 奇瑞汽车公司的新车型中采用较为通用的车身轻量化系数作为车身重量控制 指标 整车通过零部件结构的优化设计 高强轻质材料及其成形技术的应用来实 现整车的轻量化与提高安全性能的统一 达到提高燃油经济性和节能减排的目标 高强度钢 铝镁合金和复合材料等新材料以及激光拼焊 液压成形 热压成形和 4 江苏大学工程硕士学位论文 滚压成形等材料成形应用技术将成为首选阎 综上所述 目前国内汽车轻量化研究的主要集中在汽车零部件 客车骨架等 方面 对于专用车 特别是的罐式汽车的承载结构轻量化研究较少 因此本课题 针对液罐车进行轻量化研究是有必要 有意义的 1 4 课题研究的主要内容 本课题是受企业委托的研究项目 因此课题研究的内容既要满足企业实际的 需要 同时又要具备实用性和先进性 主要的工作如下 1 半挂液罐车轻量化方案的研究 轻量化研究方案在整个课题研究的过程中起着关键作用 它影响着研究的可 实现性和效果 不但要具备良好的先进性 而且要结合企业的实际 从而满足现 实的技术水平和发展趋势 2 半挂液罐车结构有限元分析 首先参照企业的半挂液罐车的设计图纸 在三维设计软件c a t i a 中建立半挂 液罐车的三维板壳模型 然后将三维模型导入有限元分析软件a n s y s 进行划分网 格和施加约束 得到半挂液罐车的有限元模型 然后根据g b l 8 5 6 4 1 2 0 0 6 道路 运输液体危险货物罐式车辆 第1 部分 金属常压罐体技术要求 2 3 1 确定运输 过程中的四种工况 对半挂液罐车结构进行有限元分析 得到该罐车的应力 应 变大小及分布情况 为原结构的设计提供参考 3 罐体材料替换的轻量化分析 对罐体使用轻质材料替换的方法进行轻量化 重新建立半挂液罐车的有限元 模型 其中罐体的材料使用拟替换的轻质材料 再次根据确定的四种工况 对更 换材料后半挂液罐车结构进行强度刚度分析 以验证轻量化后的结构是否满足强 度的要求 4 后支座结构优化设计 在不改变后支座材料和拓扑结构的基础上 运用a n s y s 的优化设计功能 对 其进行轻量化设计 并分析优化的效果 5 半挂液罐车轻量化研究 第二章汽车轻量化研究方法 汽车轻量化 即在保证汽车的强度和安全性能的前提下 尽可能地降低汽车 的整备质量 从而提高汽车的动力性 减少燃料消耗 降低排气污染 汽车轻量 化后 加速性能提高 车辆控制稳定性 噪音 振动方面也均有改善 从安全性 考虑 碰撞时惯性小 制动距离减小 汽车轻量化对于节约能源 减少废气排放 十分重要 是汽车工业发展的方向之一 也是提高汽车的燃油经济性 减少排放 的重要技术途径 目前汽车行业实现汽车轻量化的主要途径是 汽车主流规格 车型持续优化 规格主参数尺寸保留的前提下 提升整车结构强度 降低耗材用 量 采用轻质材料 如铝 镁 陶瓷 塑料 玻璃纤维或碳纤维复合材料等 采用计算机进行结构设计 如采用有限元分析 局部加强设计等 采用承载 式车身 减薄车身板料厚度等 其中 就本课题而言 当前的轻量化措施主要是 材料的使用 新制造工艺和结构优化设计三种 2 1 轻量化材料的运用 轻量化材料是指可用来减轻汽车自重的材料 它有两大类 一类是高强度材 料 如高强度钢等 2 4 1 另一类是低密度的轻质材料 如铝合金 镁合金 钛合金 塑料和复合材料等 2 1 1 高强度钢的运用 根据国际上对超轻钢制汽车车身的研究 u l s a b 把屈服强度在2 7 0 一 7 0 0 m p a 范围内的钢板称为高强度钢 2 5 1 高强度钢是在低碳钢的基础上经过强化处 理得到的 抗拉强度得到大幅提升 利用高强度的特点 可以在减小钢板厚度的 情况下能满足汽车结构性能的要求 例如b h 钢板是在低强度时经过冲压成型后 再进行烤漆加工热处理 从而提高屈服强度 相比之下 原先强度为4 4 0 m p a 的钢 板 经过这种加工处理后强度可以达到5 0 0 m p a 之前用1 毫米厚的钢板 用高强 度钢板代替只需0 8 毫米 近几年 有的汽车开始采用超高强度钢 主要是指屈服 强度大于7 0 0m p a 的a h s s 钢 包括马氏体钢 m 复相钢 c p 相变诱导塑 性钢 t r i p 和双相钢 d p 它们的屈服强度为5 5 0 m p a 1 2 0 0 m p a t 2 6 1 超高强 6 江苏大学工程硕士学位论文 度钢具有较高的疲劳强度 碰撞吸能性 成型塑性等优点 使用高强度钢板替代普通钢板制造的车身 不但减轻车身质量3 0 4 0 而 且提高了汽车车身的抗冲击能力 防止汽车在行驶过程中由于沙石飞溅碰撞产生 的凹痕 延长了使用寿命 使用高强度钢制成的传动轴相比普通钢 质量可降低 约1 0 2 1 2 轻质材料的运用 铝是人类目前使用的第二大金属材料 在交通领域的用量约占其总消耗量的 2 8 且大部分应用于汽车制造业 近3 0 年来 汽车制造业开始广泛使用铝材 在纯铝中添加硅 铜 锰 锌等元素可制成铝合金材料 再通过强化处理提高强 度 硬度等综合性能 铝合金的具有如下特点阳 质量轻 与钢材相比 铝合金 的特点就是质量轻 铝合金的密度只有钢的1 3 在相等质量下的抗拉强度 6 n 0 1 铝合金的比强度 抗拉强度 相对体积质量 是s p a h 钢 高耐候性轧制钢 的1 6 倍 耐腐蚀性强 可挤压成形加工 可再生利用 铝合金几乎可以完全回收使用 用于汽车上的铝合金可以分为铸造铝合金 变形铝合金和铝基复合材料网 铸造铝合金主要用于制造发动机汽缸体 配气机构 活塞 汽缸盖 发动机悬置 支架 转向器壳体 离合器壳体 变速器 后桥壳 车轮毂 制动器零件等 变 形铝合金是指铝合金板带材 锻造材和挤压型材 主要用于车身骨架 车身面板 散热器 保险杠 发动机罩 车轮轮辐 车座 车厢底板等结构及仪表板等装饰 件 铝基复合材料密度低 比强度和比模量高 抗热疲劳性能好 但受价格及生 产质量控制等方面的制约 还未在汽车上广泛使用 目前 铝基复合材料在活塞 连杆 制动钳 制动盘等零件上的实验或使用已显示出卓越的性能 例如本田公 司的不锈钢增强铝基复合材料制造的连杆比钢制连杆减重3 0 对1 2 l 的汽油机 可提高燃油经济性5 镁合金的密度约为铝的2 乃 对汽车的轻量化效果明显 它具有比强度高 吸 振能力强 切削性能好及铸造性能好等特点 典型的镁合金汽车零部件如转向盘 骨架 仪表盘骨架 变速器壳体 座椅骨架 前端模块等f 2 9 已使用镁合金铸件 的汽车公司有福特 通用 大众 丰田等2 0 余家 国际上已经将单车镁合金用量 作为评价汽车先进性的标志之一 欧洲的单车镁合金使用量达9 2 0 k g 正使用和 研发的镁合金零部件有6 0 多种 与此相比 我国目前镁合金零件的生产和研发较 7 半挂液罐车轻量化研究 少 钛的密度是4 5 9 c m 3 具有高温强度高 比强度高和耐腐蚀等优点 由于钛的 价格昂贵 至今只在赛车和少数豪华车上有应用 尽管这样 钛合金在汽车上应 用的研究也不少 如使用叶d 系钛合金制造的发动机连杆 强度相当于调制4 5 钢 而质量降低3 0 p 系钛合金经过强冷加工和时效处理 强度能达2 0 0 0 m p a 可 用来制造气门弹簧 气门和弹簧悬架等 同拉伸强度2 1 0 0 m p a 的高强度钢比 钛 合金弹簧重量轻2 0 工程塑料具有密度小 耐腐蚀 成型性好 防振等优点 在汽车上的应用越 来越广 复合材料是由塑料和增强纤维复合而成 作为汽车材料 具有密度小 易设计成整体结构 抗振 耐冲击等特点 塑料及其复合材料作为轻质材料 可 以减轻汽车零部件约4 0 的重量 工程塑料在汽车上的应用正由内饰件向外饰 件 结构件及车身扩展 自2 0 世纪8 0 年代后期 复合材料开始在汽车上使用 例如发动机罩盖 车门 翼子板 导流罩等 2 2 新制造工艺 为进一步减小汽车质量及制造成本 除了使用高强度钢 铝合金 镁合金等 轻金属材料外 近年来 适应于这些新型材料的新制造工艺也随之产生 如液压 成形 激光拼焊板成形 t w b 喷射成形 半固态加工等技术 2 2 1 液压成形 液压成形是采用液态的水或油替代的凹模或凸模 使板料在传力介质的压力 作用下贴合凸模或凹模成形 是一种柔性成形技术 蚓 由于液体代替t n 性模具 不仅可以减少模具的数量 降低成本 成形后回弹小 提高了产品的质量和成形 精度 而且可以将原先需要分割成多个零件组合的部件 改成单一的零件替代从 而实现轻量化 液压成形是一种先进的生产工艺 在北美和欧洲的汽车制造业已得到广泛的 应用 目前 使用液压成形生产的汽车零部件主要有排放系统 t 型接头 后桥 发动机支架及各种结构样件等 福特公司m o n d e o 的发动机支架采用液压成形技术 后 大大减少了工序和零件 重量也由1 2 k g 降到8 k g 8 江苏大学工程硕士学位论文 2 2 2激光拼焊板成形 t w b 激光拼焊板技术是目前国际上最先进的轿车车身制造技术 可根据汽车零部 件设计的要求对不同厚度 强度 镀层 材质的钢板焊接成一块整体板后再进行 冲压的技术 主要是为了满足零部件对材料特性的不同要求 从而提高材料的利 用率 激光拼板焊技术改善了汽车零部件的使用性能 减小了汽车的质量 提高 了汽车的结构可靠和安全性 现在激光拼板焊成形技术已广泛用于超过1 5 家汽车 制造企业的5 0 多款车型上的不同零部件的生产 例如车门内板 车门内侧的a b c 柱 侧围 底板 前后纵梁 轮罩等 与传统焊接相比 激光拼板焊具有主要优势体现在 3 1 减少了汽车零部件的 数量 车身质量减轻 提高了车身的装配精度 产品质量和材料利用率 由于这 种车身能在静态复合 冲击负荷和变负荷下轻松地保持强度均衡 因此提高了车 身质量的稳定性和结构可靠性 2 2 3喷射成形 3 2 喷射成形又称雾化沉积或喷射铸造 是2 0 世纪8 0 年代以来在传统的快速凝 固 粉末冶金工艺基础上发展起来的一种全新的成形加工技术 其原理是采用高压 惰性气体将金属液流雾化破碎成大量细小的液滴 并使其沿喷嘴轴线方向高速飞 行 在这些液滴尚未完全凝固之前 将其沉淀收集到具有一定形状的接收基体上 并积累 通过合理设计接收基体的形状及控制其运动方式 便可以从液态金属直 接制取具有快速凝固组织特征和整体致密的圆锭 管坯 板坯 圆盘等形状的积 坯件 喷射成形过共晶 s i 系合金目前在国外主要用于制造发动机中的一些关键 零部件 2 2 4 固态成形 2 0 实际7 0 年代 美国麻省理工学院m c f l e m i n g s 等人首次提出半固态成形 技术 3 3 1 金属材料由固态向液态或从液态向固态的转变中 都会经过半固态 在 这个状态下 合金内既有固相又有液相存在 半固态成形技术是对金属在液相线 和固相线温度区间进行加工 从而形成近终产品的方法 半固态成形技术综合了铸造和锻造的优点嗍 既可以提高零件的力学性能 9 半挂液罐车轻量化研究 也可以形成形状复杂的零部件 具有高效 节能和近终成形等优点 3 5 1 该技术有 流变铸造和触变铸造两种工艺 流变铸造工艺是将半固态金属浆料直接送到压射 室进行压铸 触变铸造先将浆料凝固成坯 再按铸件的质量对其进行切割成块并 二次加热 等达到预定的温度后移至压射室成形的方法 2 3 结构优化设计 优化设计是2 0 世纪6 0 年代初发展起来的一门新学科 也是一项新技术和新 的设计方法 它是将最优化原理和计算机技术应用于设计领域 为工程设计提供 一种重要的科学设计方法闭 利用这种设计方法 人们就能从众多设计方案中寻 找到最优设计方法 从而提高设计效率和质量 结构优化设计是相对于传统的结构设计而言的 传统的结构设计的方法是 先根据设计要求和实践经验 参照类似的设计去创造设计方案 然后进行刚度 强度及稳定性等方面的校合 以验证设计方案的可行性 受到时间和设计者的经 验等方面的限制 传统结构设计的最终方案一般不是最优方案 仅仅是一个可行 方案 在结构优化设计中 设计者可以通过对多个方案的分析比较 对设计结构 的空间布局 材料选择 尺寸 外形等进行修改 从而得到更为合理的设计方案 结构优化设计和传统的结构设计使用的基本理论和公式是相同的 它们遵循相同 的设计规范和设计过程 但是传统的结构设计的经济性 安全性没有衡量标准 而结构优化设计是在明确的指标下 如 结构的体积最小 重量最轻等来说明结 构的经济性和安全性 2 3 1 结构优化设计的数学模型 对结构进行优化设计 首先要将设计问题转化为数学模型 即使用数学表达 式来描述问题 然后再根据数学模型的特点来选择合理的计算程序和优化方法 用计算机进行求解 从而获得最优设计方案 数学模型一般由设计变量 目标函 数和约束条件三个要素组成 可描述为 求设计变量向量 石 五 屯 r 使目标函数 x 专r a i n 或m a x 满足约束条件 g l x 0 z 1 2 m 1 0 江苏大学工程硕士学位论文 h j x 0 j 1 2 z 2 3 1 1设计变量 优化设计过程中那些需要不断进行修改 调整 一直处于变化状态的基本参 数 称为设计变量 在结构优化设计中 一般将零部件的几何尺寸作为设计变量 例如零部件的长度 横截面积 厚度等 设计变量的全体实际上是一组变量 可 以用一个列向量x 西 x z 垓y 表示 称为设计变量向量 向量中分量的次序 是任意的 一旦规定了设计向量的组成 则其中任意一个特定的向量都可认为是 一个 设计 以n 个设计变量为坐标组成的是空间称为设计空间 选择设计变量时 要选取能实现优化的变量 这些变量要能明显影响目标函 数 一般来说 设计变量的数目越多 优化设计的效果会越好 同时设计向量和 设计空间的维数 目标函数的元数及可行的设计方案也会越多 会导致计算求解 越复杂 计算量随之增大 因而要尽可能减少设计变量的数量 并且给定每个设 计变量一个合理的范围 以降低迭代的次数 提高优化效率 2 3 1 2 目标函数 在优化设计中 将所要达到的设计目标以设计变量来表达的函数表达式称为 目标函数 记为 弘 f x a x 2 毛 用来强调它对设计变量的依赖性 结 构优化中常见的目标函数有结构重量 体积或其他性能指标 如形变 应力 等 结构优化设计的过程是选择设计变量使目标函数达到最优 或者找出目标函 数的最小值 优化过程中 可以只有一个目标函数 也可以同时存在多个目标函 数 目标函数越多 优化的综合效果会越好 但问题的求解会变得复杂 增加计 算时间 在解决实际结构优化问题时 应尽量集中要达到的目标 2 3 1 3 约束条件 结构优化设计中 不断改变设计变量的取值 使目标函数达到最优或最小值 设计变量的取值范围必须要有一定的限制 设计本身对设计变量的一些限制条件 就构成了约束条件 根据约束的性质可将其分为性能约束和边界约束两类 针对性能要求提出的 约束条件称为性能约束 如结构必须满足强度 刚度或稳定性等要求 只对设计 变量的取值范围加以限定的约束称为边界约束 约束又可以按照数学表达式分为 等式约束和不等式约束 分别表示为 1 1 半挂液罐车轻量化研究 h j x 0 j l2 z g f f o f 1 2 m 在实际结构优化设计时 研究约束条件是非常重要的 必要的约束条件可以 得出正确的设计方案 过多的约束 将加大寻找可行方案的难度 2 3 2 结构优化设计的种类 按照发展的先后顺序及难易度 结构优化一般可以分为拓扑优化 形貌优化 尺寸优化和形状优化阳 2 3 2 1 拓扑优化 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及材料分 布 3 8 结构拓扑优化是在指定的设计区域内 在设置约束和载荷 满足加工工艺 的条件下 确定最佳的结构单元 节点与内部边界空间连接 使结构的性能最优 该方法的思想是将寻找结构最优拓扑问题转为在给定设计区间内寻求最优材料分 布 从而实现结构的性能优化和重量减轻的目的 3 9 1 拓扑优化可以分为连续拓扑 优化和离散拓扑优化两种 离散拓扑优化设计 一般首先选择一个基结构 然后再通过优化搜索方法来 确定基结构中构件的最佳布置 或者确定哪些构架需要保留 哪些构件可以去掉 再次基础上那个还可以使用尺寸优化对结构进一步优化 柏 同连续拓扑优化相比 该方法有一定的局限性 连续拓扑优化设计的过程是先建立结构拓扑优化的设计空间 即确定参与优 化和不参与优化的结构区域 并施加上载荷与边界条件 再选择拓扑优化算法进 行优化设计 优化过程中将低效或无效的材料通过某种措施逐渐去除 剩余的结 构将趋于最优结构 结构拓扑优化的方法较灵活 效果好 但计算规模相对较大 且在对初步初 始的拓扑优化整理结果时 需要设计人员具备较丰富的设计经验 另外 为确保 设计结构的效果 需要对整理后的结果进行形状和尺寸优化 以得到更好的设计 效果 拓扑优化一般用于研发过程 不适于对现有结构的改进设计 2 3 2 2 尺寸优化 尺寸优化是对已确定材料 类型 布局和外形的结构 通过优化算法设计结 江苏大学工程硕士学位论文 构的截面尺寸 使结构的体积 重量或造价最小 尺寸优化是结构优化中最基本 的优化方法 已广泛使用于各种结构的设计过程f 4 1 1 尺寸优化设计中的设计变量一般是结构单元的属性 例如梁单元的横截面积 壳单元的厚度 质量单元的质量和弹簧单元的刚度等 因此尺寸优化设计过程中 结构的布局和拓扑关系不会改变 只是改变结构的尺寸 在利用有限元方法时 结构的有限元模型不需要变化 约束条件可以是应力约束 频率约束或动态响应 约束等 尺寸优化不仅可以确定经过拓扑优化后的结构构件的尺寸 最重要的是可以 对现有的结构进行轻量化设计 在满足技术要求的前提下 选择最优的尺寸参数 降低结构重量 2 3 2 3 形状优化 形状优化设计是对结构模型具有一定的形状设计思路之后所进行的细节设 计 其目的是通过改变结构模型的一些形状参数后使得模型的力学性能达到某些 要求 如应力 应变等 形状优化设计一般可以分为两类 一类是由设计边界的 控制点来改变结构形状 控制点的坐标是优化过程的设计变量 另一类是使用某 种函数来描述结构的边界 常采用基函数附加上自由参数来描述 这时可以选择 自由参数作为设计变量 形状优化的过程是在满足设计要求的条件下 通过控制 点或基函数的自由参数的修改来改变结构的边界形状 从而达到改善结构性能和 轻量化的目的 对于杆系结构的形状优化 设计变量一般选择边界的节点坐标 由于单独使 用形状优化对结构优化的效果有限 通常需要考虑截面尺寸和结构形状的组合优 化 此时存在结构尺寸和几何形状两种设计变量 它们的解空间有着尺度上的差 异 一般有两种方法来处理这类问题 一是同时处理两种设计变量 该方法可以 同时考虑两种设计变量的耦合效应 但是设计变量的数量较多 计算量较大 另 外由于形状优化设计的设计空间可能不是连通的 在优化两种设计变量的求解时 可能无法找到全局最优解 另一个方法是将尺寸变量和几何变量分为两个设计空 间 分别对两种变量进行交替优化 这种方法避免了两种不同变量可能出现的数 值病态 且每一步计算规模小 便于求解 但对两种变量的耦合关系的考虑不足 对优化结果有一定的影响 半挂液罐车轻量化研究 对于连续体结构 结构边界形状常使用适当的曲线或曲面方程来描述 也可 以用一组基函数加上自由参数描述 此时这些自由参数就可作为形状优化的设计 变量 连续体结构的形状优化方法可归为两类 数值法和解析法 也有将两种方 法结合 先用解析法将所要优化的问题公式化 再用数值法进行搜索寻优 2 3 3 结构优化的算法 结构优化设计在确定求解思路和方法后 最后要和具体的算法结合进行优化 计算 常用的寻找最优解的算法可归为三种 最优准则法 数学归纳法及仿生学 法 4 2 2 3 3 1 最优准则法 最优准则法是根据工程经验 力学概念和数学规划的最优条件 先建立某种 准则 再通过迭代法得到符合该准则的设计方案 作为最优解或近似最优解 例 如满应力准则法 所谓满应力就是指结构中应力达到材料的许用应力 材料能得到充分地利用 若结构承受多个工况载荷的作用 满应力设计的目的就是要使结构的每个构件至 少要在一个工况下达到满应力 以钢桁架为例 若取各杆件横截面积x 五 x 2 矗厂 似 a a 作为设计变量 那么结构的重量和满应力准则就可表示为 厂 x 硝辟 2 1 1 q z 似 以 两i o 蜘 z 2 2 式中 a 肛和五分别是杆件的横截面积 比重和长度 z 是杆件的个数 互和 q 分别是第i 根杆的最大轴向力和材料的许用应力 满应力法的迭代次序如下 a 选择初始横截面积x o 耳 冀 饼 群 群 b 按照下面公式求出第k 1 次迭代时各杆件的截面积 群 群高 沼2 1 4 江苏大学工程硕士学位论文 式中耐是第f 根杆件在第k 次时的计算应力 f 1 2 n c 当x 七 1 和x 七充分接近时停止迭代 除了满应力法之外 还有以能量作为准则的方法 最优准则法的优点在于计 算量小 收敛快 适合大型结构的优化设计 但是由于不同性质的约束具有不同 的准则 且最优准则法一般缺少严格的数学理论依据 获得的解不一定是最优解 因此最优准则法的应用上存在局限性 2 3 3 2 数学归纳法 数学归纳法是采用数值分析法寻找最迅速的下降方向及最优极值点 它可以 分为两类 搜索型方法和序列规划法 搜索型方法包含直接和解析搜索法两种 前者无需计算约束和目标函数的导 数值 例如可行方向法 使用于难以计算函数导数的问题 但收敛快 不适于设 计变量较多的优化问题 解析搜索法收敛快 效率高 但是对隐函数进行分析较 难 限制了它的应用 所以 搜索型方法不适于拓扑优化的求解 序列规划法是使用简单的优化问题来逐渐逼近复杂的优化问题 将非线性度 较高的优化问题经过变换 转为由低阶函数组成的优化问题来求解 适合复杂的 结构优化求解 使用序列规划法来求解优化问题时 由于变量多 计算量较大 计算效率不如最优准则法 2 3 3 3 仿生学法 为克服常规优化算法的不足 近2 0 年来人们开始将仿生学的思想运用到结构 优化设计问题的求解中 4 3 目前 这些方法主要有遗传算法 g a 4 4 1 和神经网络 法 a n n 遗传算法是模仿d a r w i n 和m e n d e l 的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的 算法 是一种模拟自然进化过程搜索最优解的方法 4 5 1 该算法是对设计变量进行 编码 以组成称为染色体的数串 将一批设计点作设计种群 优化目标定义成种 群的适应性 经过遗传算子随机交换信息来重新组合得到适应性更好的数串 从 而获得具有最好适应性的个体 也就是最优解 遗传算法主要的优点在于求解能 力强 适应性广 有较强的全局优化能力 但是它的随机性较大 增加了结构重 分析的次数 且收敛慢 因此不适用于大型结构的优化计算 人工神经网络是由许多简单神经元按照不同的拓扑结构形式连接成的智能网 半挂液罐车轻量化研究 络系统 可以实现各种复杂的功能 基于神经网络算法的结构优化设计可以分为 两种 一种是将结构优化问题的目标函数和神经网络中的某种能量函数相对应 结构优化问题的初始解与神经网络系统初始状态对应 最优解对应神经网络系统 的