基于参数优化的自卸车货厢轻量化设计.pdf

2 7 文章编号 1 0 0 2 6 8 8 6 加0 9 晒一0 0 2 7 0 3 基于参数优化的自卸车货厢轻量化设计 周鹤 马力 高金玲 武汉理工大学汽车工程学院 湖北武汉4 3 0 0 7 0 摘要 以货厢骨架结构的壁厚为优化设计变量建立了自卸车货厢优化设计参数化模型 以货厢自重为目标函数进行了轻量化优 化设计 使货厢在总体强度刚度不低于原结构的情况下结构自重减轻了2 4 4k g 关键词 自卸车赁厢参数优亿轻量化 中图分类号 6 9 4 U 4 6 3 8 4 3 文献标识码 A R e s e a r c ho nW e i g h tL i g h t i n gf o rD u m pT r u c kC o m p a r t m e n tB a s e dO i lO l 砌m i z a t i o no fP a r a m e t e r Z l l O UH e M AL i G A OJ i n l m g A l 敏r a c t U s i n g s h e l l t h i c k n e s so fe o n o a a n e n t f r a m e d e s i 铲v a r i a b l e c o q 恤 t o b j e c t i v ev a r i a b l e t h eo p t i m i z a t i o n m o d e l o fp a r a m e t e ro fd u m pt r u c kc o m p a r t m e n ti se s t a b l i s h e da n da n a l y z e d n o u g It h ee n t i r es t 啪g I hs t i f f n e s so fc o m p a r t m e n ti sn o tr e d u c e d t h e n l a o fc o m p a r t m e n tr e d u c e s2 4 4 k gc o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a lo n e K e yw o r d s d I l r n pt r u c k c o m p a r t m e n t p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n l i g h t w e i g h t O 前言 车辆轻量化是降低车辆生产成本 减少原材料消耗 提 高车孵眭能的有效措施 尤其对于重型车辆企业 降低成本 提高材料利用率 提升企业竞争力显得更为重要 目前人们 已经开始重视对重型自卸车的轻量化研究 比如对举升机构 中的三角臂进行轻量化设计 已经取得了较好的轻量化效 果 但有关对自卸车货厢进行轻量化研究的文章目前国 内还未见报道 而且从货厢自身来看 其自重以及所占整车重 量的比例均较大 故白卸车货厢进行轻量化设计对自卸车轻 量化研究具有重要的意义 因此本文在对某典型自卸车货 厢进行局部调整并使其质量有所降低的基础上 以货厢骨架 构件壁厚为设计变量研究了其结构轻量化优化设计问题 给 出了参数优化数学模型及 般过程 并进行了优化i S t i t 在保 证原货厢承载能力的情况下使其重量减轻2 4 4k s 1 货厢结构参数优化设计数学模型及一般过程 自卸车货厢主体结构属于典型的板壳结构 载重量按 4 5t i t 算 根据企业要求 不改变货厢主体结构形式及拓扑 关系 这种情况下影响货厢重量和强度刚度的主要因素即为 构件的壁厚参数 而通过凋整各构件板厚参数可使结构质量 减轻 这属于尺寸参数优化设计 假设货厢共有n 个构件参 与优化计算 用t 表示第i 个构件的壁厚 以x k 而 毛 g 作为设计变量 以材料的许用应力作为约束条件 以货 厢的总重量最小即有效体积最小作为目标函数 建立尺寸优 化设计的数学模型 求 工 z l 也 x 3 1 使 m i n V K 2 月f x j 足鼍 石 W i 1 2 3 凡 S 矿 J 1 2 3 l 式中 茗 茁 分别为第i 个构件的壁厚允许下限及允许上 限 K 为参数不变构件的体积和 A 为第i 个构件的表面积 玷为优化设计变量的个数 m 为货厢结构中的材料种类个数 S 为第门砷材料构件的最大计算应力 o 为第 种材料的 许用应力 自卸车货厢参数优化设晤i 谣氮孬赢 计一般过程如图1 所示 首先 对结构中容易造成应力集中 的部位进行局部改进 消除因 结构自身设计造成的应力集 中 其次 定义优化设计变量 建立参数化模型并进行有限 元分析 而后 定义目标函数 约束条件以及设计变量的允 许变化区间 选择优化方法进 对货厢进 i 有限丁亡分析汁算 约束和日标甬教计算I 选择优化寿法艘索寻优I 吒 变量网整获得最优结果 图1 参数优化设计一般流程图 行搜索寻优 优化结果如不收敛则要调整设计变量 重新进 行计算 最后 对最优结果进行圆整 并重新建立有限元分析 模型进行验证计算 直到结果满足设计要求 2 典型自卸车货厢参数优化模型的建立 作者简介 周鹤 1 9 8 4 一 男 武汉理工大学汽车工程学院硕士研究生 研究方向 汽车C A D C A E 收稿日期 2 0 田一4 2 9 中国机械采购网 万方数据 2 8 z l 参数化模型的建立 所研究的重型自 卸车货厢为普通矩形货 厢 总体尺寸为61 4 6 I l l l n 23 9 0m m 21 7 0 砌 由底架总成 左右 侧板总成 前板总成和 后板总成组成 具体几 何模型如图2 所示 侧 图2 自卸车货厢几何模型 板总成与后板总成之间 通过铰链臂连接 底架总成主要由左右两根纵梁 2 9 根底架 横梁以及底板封板焊接而成 横梁与纵梁均采用槽钢 具体结 构布置如图3 所示 货厢侧板总成和前后板总成主要由上下 纵 横 梁 立柱以及封板焊接而成 其骨架结构如图4 所示 货厢各构件间均采用焊接进行连接 货厢由两种材料构成 底架总成左右纵梁为1 6M n 材料的槽钢 其余构件均为Q 2 3 5 材料 l S1 71 61 51 41 3 4 N 4 八 I F J 卅 r 一 L 一 7 1 旧J 1234567891 0 1 f I 第1 至帮s 边磺粱 9 辅助承蕈粱 l O 后边横梁 l l 后中横 粱 1 2 辅助叶 横粱 l 纵鲤2 1 4 1 8 奢驰至第5 中横梁 1 9 纵 鬃1 2 0 中横粱2 2 l 中横粱l 图3 货厢底架骨架示意图 1 2 1 1 l o9 IJ I r t lt I 1 侧板前蕾柱 2 6 第1 至第5 侧板中立柱 7 翻板F 纵紧 s 翎板后 寸 I 9 便I 扳上活动鼹 1 0 侧板下活动粱 1 I 侧板活动粱赶柱 1 2 侧板上纵梁 图4 货厢侧板骨榘示意图 采用A P D L 编程语言定义变量并进行初始化 在几何模 型与变量之间建立关联 使每个构件壁厚都相应地对应一个 参数 以各构件壁厚为参数建立货厢结构有限元模型 货厢 主体为典型的薄壁结构 以板壳单元对其进行离散 共得到 2 3 13 6 7 个板壳单元 前顶倾支座 后翻转支座以及后板总成 上端的铰链臂等采用实体单元进行离散 共得到2 05 5 3 个3 D 实体单元 模型中具有旋转相对运动分量的构件之间采用 l i n k l l 单元进行耦合模拟 共得到27 0 0 个l i n k 单元 整个结 构共2 5 09 1 6 个节点 2 2 优化设计工况的确定 受力分析和大量试算表明 在举升瞬间货厢结构受力情 况较差 以此时的状况为计算r 况 基本可以反应其它工况的 受力情况 因此以货厢举升离开副车架瞬间作为计算工况 该车额定载霞量为1 2t 考虑到趟载情况 车辆行驶时的 动载荷以及装载货物时的冲击载倚 计算时货厢载重量取 4 5t 边板载荷以货厢货物堆趸极限高度时简化计算 边板 载荷简化的程度偏恶劣 因此计算是偏安全的 约束模拟货 厢举升离开副车架瞬间的结构支撑状况来处理 同时消除刚 体位移 z3 优化变量的定义及目标函数 约束函数的选择 根据企业要求 保持货厢底板封板 侧板封板以及前后 板封板壁厚不变 为r 尽可能地拓宽计算空间 从已定义的参 数中选取4 8 个货厢骨架构件壁厚参数作为优化变量 其中 底架9 根中横梁 9 对边横梁 纵梁1 纵梁加强板1 纵梁2 以 及纵梁加强板2 共2 2 个变量 如图3 中所示 侧板前后立柱 5 根中立柱 上下纵梁 上下活动梁以及活动梁立柱共1 2 个 变量 如图4 中所示 前板中立柱 上下边横梁以及上下中横 梁共5 个变量 后板左右边立柱 中立柱 中间立柱 上下横 粱 上下活动梁以及活动梁立柱共9 个变量 在货厢骨架的 具体优化过程中 取构件原始擘厚为这4 8 个变量的初始值 优化设计的目标函数为货厢的体积最小 约束条件为强 度约束 即为结构的最大计算应力在满载举升工况下不超过 材料的许用极限 结构刚度通过优化后处理的验算加以保 证 以减少优化计算过程中的计算量 3 优化设计的实现及结果处理 优化设计时可以采用G U I 和A P D L 编写程序两种方法 来实现 前者操作比较简单 容易实现 但是工作量大 十分 繁琐 整个过程需要耗费大量的时问和精力 优化设计语言 A P D L 用智能分析手段为用户提供了自动完成所有循环的功 能 可以按需要调整程序以满足特定的设计和分析需要 使整 个程序发挥最大的效率口1 采用D e s i g no p t 优化模块中的零阶方法进行了1 0h 的 计算 迭代了2 5 轮 得到最优结果 由于优化得到的构件壁 厚不符合钢材的实际规格 需按实际规格对擘厚进行圆整 再 对货厢的强度刚度进行有限元分析 直到满足设计要求 处理 得到的部分设计变量初始值及圆整结果如表1 所示 表1参数优化结果单位 M P a 撇称竺鬈蝴幅舯貅篙鬈雠幅 侧板中立柱13 侧板前立柱4 侧板后立柱4 侧板活动梁立柱3 前板边横梁上3 前板中横梁上3 后板上活动梁4 2 9 5 底架纵梁l 3 1 7 底架纵梁2 5 一I 5 纵梁加强板2 2 一衢6 底架边横梁6 2 2 8 7 底架后边横粱 2 1 3 6 底架中横梁l 2 2 9 0 底架中横梁4 85 84 51 3l 42 43 66 7 O 3 5 8 3 0 O 7 1 O 6 2 一2 9 2 一6 4 万方数据 2 9 4 优化结构评价 利用圆整后 的最优结果 建 立自卸车货厢的 有限元模型 以 货厢举升离开副 车架瞬间作为计 算工况对结构的 强度进行计算分 析 货厢底架和 侧板骨架的应力 分布情况如图5 和图6 所示 从 图中可以看出 在材料许用极限 范围内 材料利 用不充分的构件 在优化后利用率 得到了明显的提 高 应力主要集 中在7 0M P a 一 圈5 货厢底架应力分布云图 图6 货厢倒板骨架应力分布云图 1 7 0M P a 范围内 货厢应力的分布也更加均匀 从表1 中数 据可见有些构件应力水平提升幅度较大 如纵梁加强板2 的 应力升幅为3 0 o 但是其原结构中应力水平较低 应力大 小为6 0M P a 同样的还有底架边横梁6 其应力由原来的1 0 0 M P a 增长到优化后的1 7 1M P a 增长了7 1 o 故增长后的应 力仍远小于材料的屈服擞限 这种增长提高了材料利用率 是 希望得到的结果 通过对结构强度的校验得知 改进后货厢结构的强度满 足原设汁要求 货厢的刚度经计算单侧最大胀厢位移由原 来的1 8 6 m m 变为改进后的1 7 1m m 减少了1 5 l l f f l 结构刚 度不但没有下降 反而有一定的增加 改进后货厢比原货厢重 量约降低2 4 4k g 5 结语 本次优化是在不改变结构形式和构件之间拓扑关系的 前提下进行的 如果能运用相关理论知识对货厢结构形式及 构件的截面参数进行优化设计 在较合理的结构形式上再进 行尺寸参数优化 会进一步减轻重量 达到更好的轻量化效 果 参考文献 1 赵永辉 马力 王元良 艟晓璐 自卸车举升机构三角臂拓扑优化设计 J 专用汽车 2 0 0 7 9 3 3 3 5 C 2 周旋 马力 王晓重型专用车车架的离散拓扑优化设计 J 农业机 械学报 2 0 0 7 3 3 2 3 4 争 寺 争 t 争 夺 夺 夺 夺 牵 夺 争 夺 牵 每 争 奇 夺 牵 夺 夺 争 夺 夺 争 牵 争 夺 夺 争 幸 牵 争 争 争 争 奇 争 争 上接第8 页 4 数控机床上的深孔加工 随着数控设备在企业的选用 使得深孔加工的设备保障 得到了进一步的发展 同时 枪钻在加工担咖 2 0m i l l 小径深孔的成熟使用 使得深孔加工精度和径长比上了一个 层次 目前以美国钻科公司 D R I L I M A S T E R S 产品最为可 靠 这里我主要谈谈对沧钻的一些认识 在使用时 必须根据尺寸选择适合的导套 导套与枪钻 头部的间隙保持在0 0 0 3 一0 0 1 3 8m m 之陌 枪钻机床要有 较高的轴向和径向刚性 导套和主轴要有较高的 可轴度 枪钻的切削液要选用专用的枪钻油 加工直径越小 切 削液的粘度就越低 枪钻的刃磨十分重要 枪钻的刀刃角度是一个重要参 数 刃磨的不好会导致很多问题的出现 比如 过扭 崩刀 刀 具寿命短 切削下降 因此 要使用专用的刃磨机 同时要定 期进行 不要等加工中感觉不好时 才进行刃磨 到那时就要 磨去很长一段硬质合金 造成不必要的浪费 一把刀一般可 以重磨2 0 次左右 这样才能综合降低成本 提高效率 每次只 需磨内外角的后刃面 用树脂金钢石砂轮进行刃孱 枪钻加工的范围 深孔加工中 枪钻只是其中的一种加 工方法 合理的加工范围在毋2 51 1 1 1 1 1 1 以下 长径比2 0 的孔径 加工 最小可加工 5l l l l i 可以根据需要加工到4 5 0i n l T i 对 于航空材料中的不锈钢 钛合金加工只是比较费刀 在加工 中心加工不如在镗床上加工那么方便 需要加工中心带有内 冷 压力足够 最好有3 0k g 压力 5 结束语 小直径深孔加工的发展经历从传统的双刃麻花钻到单 刃高速钢枪钻 到7 0 年代的焊接刀片硬质合金枪钻 之后又 出现了整体烧结硬质合金枪钻 9 0 年代研制了S E D 单管内 排屑喷吸钻 D F 钻 外进油内排屑 配备负压抽屑装置 特 种加工的方法如电火花 线切割 电化学方法加工 另外 更 加可喜的是随着振动加工技术的发展 一种更为有效的切削 方法正逐渐成熟 超声加工具有切削产生的铁屑为粉末状 不存在排屑问题等优点 现在已有研究机构将机械振动和 超声波加工应用在深孑L 加工上 相信 只要不断的创新 深孔 加工技术必将有天翻地覆的变化 参考文献 1 王世清 孔加工技术 石油工业出版社 1 9 9 3 2 王竣 现代深孔加工技术 哈尔滨工业大学出版祉 2 0 0 5 2 中国机械采购网 J r 1 k 万方数据 基于参数优化的自卸车货厢轻量化设计基于参数优化的自卸车货厢轻量化设计 作者 周鹤 马力 高金玲 作者单位 武汉理工大学汽车工程学院 湖北 武汉 430070 刊名 现代机械 英文刊名 MODERN MACHINERY 年 卷 期 2009 5 被引用次数 1次 参考文献 2条 参考文献 2条 1 赵永辉 马力 王元良 姚晓璐 自卸车举升机构三角臂拓扑优化设计 J 专用汽车 2007 9 33 35 2 周旋 马力 王皎 重型专用车车架的离散拓扑优化设计 J 农业机械学报 2007 3 32 34 相似文献 10条 相似文献 10条 1 期刊论文 严永攀 马力 范世斌 高金玲 Yan Yong pan Ma Li Fan Shi bin Gao Jin ling 大吨位自卸车货厢高 强度钢板强度等代设计 机械研究与应用2009 22 2 对大吨位自卸车货厢高强度钢板等代设计问题进行了研究 以弹性力学和板壳理论为基础 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 给出了具体的等代设计流程图 并对大吨位货厢进行了轻量化设计 在不改变货厢原结构情况下 实现了货厢减重1679 757l g 约32 95 取得了较好的 轻量化效果 2 期刊论文 周俊 马力 高金玲 Zhou Jun Ma Li Gao Jin ling 自卸车货厢胀厢问题研究 机械研究与应用 2009 22 6 研究重型自卸车货厢胀厢问题 推导出用货物密度和安息角表示的货厢侧板压力分布计算公式 在此基础上建立典型的重型货车整体结构胀厢分析有 限元模型 并进行货厢强度刚度计算 为解决胀厢问题提供了良好的参考 3 期刊论文 陈向东 闫士界 陈嵬 梁辉胜 尾气加热底板自卸车设计与研究 商用汽车2009 7 我国北方等较寒冷地区的自卸车在冬季运输易于冻结的物料时 如果物料在货厢内冻结 在举升倾卸时 因其不易下滑 造成货厢内存货 严重时还可能 由于重心偏移导致安全亭故 用户迫切需要解决物料与货厢冻结的问题 提高自卸车的冬季作业效率和安全性 4 期刊论文 王建胜 自卸车举升与制动联锁设计 汽车与配件2003 46 目前 国 内外自卸车的举升与行走装置尽管结构各式各样 但其原理与功能是一致的 货厢举升装置应有举升和下落的功能 行走时只须解除制动即 可以行驶 由于两者在功能上是相互独立的操作系统 有时会出现边行驶边举升或货厢没有完全下落就行走现象 这样容易造成事故 设计自卸车货厢不下 落就不能行驶的联锁功能从根本上解决了事故发生的根源 5 期刊论文 李彬 孙铁英 工程自卸车 溜缸 的故障原因及诊断方法 商用汽车2006 3 工程自卸车的液压举升机构把货厢举升到某一所需位置时 货厢发生下滑现象 北方多称此故障为 溜缸 南方个别服务站称之为 落顶 这种故障影 响了自卸系统的正常工作 笔者根据多年的售后维修经验 分析出故障产生原因 可快速诊断并进行维修 6 学位论文 高金玲 基于结构优化和高强度钢应用的重型自卸车轻量化研究 2010 本文主要研究了重型自卸车货厢和主 副车架的轻量化问题 通过对货厢进行结构优化设计以及对货厢与车架进行高强度钢板强度等代设计 取得 了很好的轻量化效果 并推导出了高强度钢板强度等代设计中的钢板壁厚替换计算公式 验证了该公式的实用性以及使用方便性 首先 对重型自卸车轻量化的研究背景进行了介绍 阐述了本课题的研究意义 并根据国内外轻量化发展概况以及研究现状 提出了采用有限元技术和 应用新型材料的轻量化研究方法 其次 在对重型自卸车货厢和主 副车架的结构特点进行分析后 以企业所提供的图纸为依据来建立货厢和主 副车架组合几何模型 采用板壳单元对 货厢和主 副车架主体结构划分网格 采用实体单元对它们的局部结构进行离散 考虑到货厢在举升瞬间即刚刚离开副车架时的受力状况是最恶劣的 因此 在利用ANSYS分析时选取举升瞬间工况来进行计算 该工况下的货厢整体应力分布和货厢的变形情况均可以通过计算分析求得 得出的结果可以 为项目委托企业在开发设计产品时提供一个参考 再次 由于货厢的整体应力水平不高 而且应力集中现象比较严重 本文分别对货厢底架 两边侧板结构进行了结构局部改进设计 不仅使应力集中现 象在很大程度上有所减弱 甚至消除了某些局部应力集中现象 而且也使得它们的应力分布变得更为合理 最后的优化结果让货厢重量得到大幅度下降 使货厢的质量减小了820 43kg 然后 在货厢结构改进后的基础上 再利用结构尺寸参数优化方法对货厢进行轻量化研究 在保证货厢装载能力不降低的前提下 使货厢整体质量又减 少了244kg 通过采用这两种结构优化轻量化方法 货厢重量下降了24 5 最后 采用结构改进后的货厢模型和建立的主 副车架模型进行高强钢强度等代设计 在过程中利用推导出的高强钢壁厚替换公式对其构件进行壁厚替 换 给货厢与主 副车架的高强钢强度等代设计带来很大方便 通过最后圆整后的数据计算 货厢质量减轻了1099 42kg 主副车架重量减少了 286 68kg 降幅为15 13 7 期刊论文 张文明 杨耀东 非公路自卸汽车 金属世界2003 6 非公路自卸汽车的发展现状和发展趋势 自卸汽车包括两大类 铰接式自卸汽车和刚性自卸汽车 刚性自卸汽车按传动方式又可分为液力机械传动自卸汽车和电力机械传动自卸汽车两种 装载量在 20t以上的自卸汽车 由于载重量大 外形尺寸宽 超过了公路对车辆的使用要求 一般不能在公路上运行 故称非公路自卸汽车 此类自卸车主要用于露天矿 山和地下采矿 有时也用于采石场和水利 建筑工程中 又称矿用汽车 刚性自卸汽车一般都采用后卸式货厢 但也有部分刚性自卸车采用侧卸式货厢 8 期刊论文 朱颜 柴山 ZHU Yan CHAI Shan 基于ANSYS的自卸车结构有限元分析 煤矿机械2010 31 2 利用ANSYS有限元分析软件建立了某自卸车车架 副车架 货厢 举升系统原始结构的应力分析有限元模型 并对其进行了弯曲 扭转 制动 转弯 举升5种工况的强度分析和模态分析 根据分析结果提出了改进设计方案 并对改进设计方案进行了校核 确定了合理的优化设计方案 9 期刊论文 王作函 泰安航天与玉柴结缘宽体矿用自卸车 商用汽车2009 10 随着我国经济的快速发展 能源需求与日俱增 各种矿藏开采规模也逐渐加大 目前 在我国大多数矿山运输现场 用于内部转运 外部运输的车辆 基 本上以 斯太尔 解放 东风 北奔等中重型自卸车为主 运输物料以煤炭 渣土和土石方为主 使用过程中 由于用户希望短期内收回购车成本并得到最 大利润 因此 车辆运营中私自加长加高货厢 超载严重 保养不及时等问题长期存在 10 学位论文 王兴宇 大吨位自卸车轻量化研究 2009 本文首先对大吨位自卸车轻量