（光学工程专业论文）大吨位自卸车轻量化研究.pdf

武汉理工大学硕士毕业论文 摘要 本文首先对大吨位自卸车轻量化研究的课题背景进行了介绍，并结合项目委 托企业的实际要求，阐述了课题研究的目的和意义。在详细分析了大吨位自卸车 国内外研究现状的基础上，提出了本文研究的主要内容。 接着，本文分析了自卸车轻量化研究的基本方法，分别介绍了拓扑优化设计、 形状优化设计和尺寸参数优化设计方法，并对典型有限元软件中的优化设计模块 和优化算法进行了介绍。通过对大吨位自卸车货厢和主副车架的结构特点进行分 析，最终选用结构轻量化改进设计对货厢进行轻量化研究，选用尺寸参数优化方 法对副车架进行轻量化研究，确立了自卸车整体结构轻量化研究方案。 随后，根据企业提供的图纸，建立了货厢和主副车架组合几何模型。货厢和 主副车架主体结构采用板壳单元，局部结构采用实体单元。接着，在兼顾计算时 间、计算精度和计算规模的基础上，根据大吨位自卸车的实际工作状况选取不同 的工况，建立了货厢和车架有限元计算模型。 建立了货厢有限元计算模型之后，在举升初始工况下，对货厢进行了有限元 分析，求得了该工况下的整体应力分布和变形情况，为项目委托企业的产品设计 提供了可靠的参考数据。同时，针对货厢整体应力水平不高和应力集中现象严重 状况，对货厢底架、侧板、前板和后板分别进行了结构轻量化改进，不仅很好的 消除了应力集中现象，而且使应力分布更加合理，货厢质量也有明显减轻，总共 减轻了3 4 2 8 k g ，占货厢质量的1 1 1 。 接下来，在车架计算模型的基础之上，针对弯曲工况、弯扭六种工况、举升 三种工况对车架结构进行了有限元分析，得到了各工况下的整体应力分布和变形 情况，为车架轻量化设计提供了参考数据。并针对局部应力集中明显区域进行了 改进设计，使应力集中现象得到了消除。 最后，考虑到车架整体应力水平不高，具有很大的轻量化空间，并结合企业 具体要求，以副车架主体构件板厚为设计变量，以弯曲工况、弯扭工况和举升工 况下的最大应力为状态变量，以主副车架总体积为目标函数，针对副车架部分进 行了尺寸参数优化设计。最终在满足副车架强度和刚度的前提下，提高了材料的 利用率，使副车架总质量下降了1 8 0 5 k g ，占副车架质量的2 0 3 5 。 经过货厢及副车架的轻量化设计，使大吨位自卸车在承载能力不变的情况下 总质量下降了5 2 3 3 k g ，降幅为1 3 2 。 关键词：自卸车有限元轻量化优化设计 武汉理工大学硕士毕业论文 a b s t r a c t f i r s t l y , t h eb a c k g r o u n do fs t r u c t u r a ll i g h t w e i g h tr e s e a r c ho ft h eg r e a tt o n n a g e d u m pt r u c kw a si n t r o d u c e di n t h ep a p e r a f t e rt h a t ，c o n s i d e r i n gt h ed e v e l o p i n g t e n d e n c ya n da c t u a lr e q u e s t so ft h ee n t e r p r i s e ，t h em a i ng o a la n ds i g n i f i c a t i o no f r e s e a r c ho nt h i ss u b j e c tw e r ee l a b o r a t e d b a s e do na n a l y z i n gt h ep r e s e n tr e s e a r c h s i t u a t i o na th o m ea n da b r o a d ，t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e rw a sp r o p o s e d t h e n ，t h eb a s i cr e s e a r c hm e t h o d so ft h et i g h t w e i g h to ft h ed u m pt r u c kw a s a n a l y z e d i n t h e p a p e r s h a p eo p t i m i z a t i o n , t o p o l o g yo p t i m i z a t i o n a n ds i z e o p t i m i z a t i o nw e r ei n t r o d u c e d a tt h es a m et i m e ，t h eo p t i m i z a t i o nm o d u l ea n dm e t h o d o ft o p i c a lf e as o f t w a r ew e r ei n t r o d u c e d b ya n a l y z i n gt h ef e a t u r eo ft h ed u m pt r u c k b o xa n df r a m e ，t h em e t h o do fs t r u c t u r ei m p r o v i n gd e s i g na n ds i z eo p t i m i z a t i o nw e r e c h o s e nt ol i g h t w e i g h tt h ed u m pt r u c kb o xa n df r a m es e p a r a t e l y , t h ef i n a ll i g h t w e i g h t p r o g r a mw a se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h ed r a w i n gp r o v i d e db yt h ec l i e n t ，b o xa n df r a m eg e o m e t r i c m o d e lw e r eb u i l t t h em a i ns t r u c t u r eo ft h eb o xa n df r a m ew a sm e s h e db ys h e l l e l e m e n t s ，a n do t h e rs t r u c t u r ew a sm e s h e db ys o l i de l e m e n t s t h e n , c o n s i d e r i n gt h e c o m p u t i n gt i m e ，a c c u r a c ya n ds c a l e ，t h ef e ac o m p u t i n gm o d e lw a sb u i l ta c c o r d i n gt o t h ea c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o no ft h ed u m pt r u c k a f t e rb u i l d i n gt h ec o m p u t i n gm o d e lo ft h eb o x ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sw a s c a r r i e du n d e rt h el o a d i n gc a s eo fi n i t i a ll i f t i n gc o n d i t i o n s t r e s sa n dd i s p l a c e m e n to f t h eb o xw e r eo b t a i n e d ，w h i c hp r o v i d e sar e l i a b l er e f e r e n c et ot h ep r o d u c td e s i g n i n g p r o c e s so ft h ee n t e r p r i s e a tt h es a m et i m e ，a c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o no fl o ws t r e s s l e v e la n dt h es e r i o u ss t r e s sc o n c e n t r a t i o np h e n o m e n a ,as e r i e so fs t r u c t u r a l i m p r o v e m e n tm e a s u r e sw e r et a k e nt ot h eb o t t o m ，s i d e ，f o r m e ra n db a c kb o a r d a f t e r t h a t ，n o to n l yt h es e r i o u ss 廿e s sc o n c e n t r a t i o np h e n o m e n aw a se l i m i n a t e d ，b u ta l s ot h e d i s t r i b u t i o no fs t r e s sb e c o m em u c hm o r er e a s o n a b l e ，t h eq u a l i t yo ft h eb o xh a s r e d u c e ds i g n i f i c a n t l y , t o t a l l yr e d u c e dm a s sw a s 3 4 2 8 k g ，w h i c hw a s11 1 o f t h eb o x t h e n ，o nt h eb a s i so fb u i l tt h ef r a m ec o m p u t i n gm o d e l ，t h ef r a m ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sw a sc a r r i e du n d e rt h ec o n d i t i o no fb e n d i n g ，s i xk i n d so fb e n d i n ga n dt o r s i o n c o n d i t i o n ，a n dt h r e ek i n d so fl i f t i n gc o n d i t i o n s t r e s sa n dd i s p l a c e m e n to ft h ef r a m e w e r eo b t a i n e du n d e re v e r yl o a d i n gc o n d i t i o n ，w h i c hp r o v i d e dr e l i a b l er e f e r e n c et ot h e 武汉理工大学硕士毕业论文 f r a m el i g h t w e i g h td e s i g n t h e n ，as t r u c t u r a li m p r o v e m e n td e s i g nw a sc a r r i e dt os o m e s t r e s sc o n c e n t r a t i o na r e a sa n da c h i e v e dg o o dr e s u l t s f i n a l l y , c o n s i d e r i n gt h el o wl e v e lo ff r a m es t r e s sa n dc o m b i n e dw i t ht h ea c t u a l r e q u e s t so ft h ee n t e r p r i s e ，as i z eo p t i m i z a t i o nr e s e a r c hw a sc a r r i e dt ot h es u b f r a m e ， w h i c hs e t t i n gt h et h i c k n e s so fs o m ec o m p o n e n t sa sd e s i g nv a r i a b l e s ，t h ee l e m e n t m a x i m u ms t r e s su n d e re v e r yl o a dc a s e sa ss t a t ev a r i a b l e sa n dt h ew h o l ef r a m e v o l u m ea so b j e c t i v ef u n c t i o n a f t e rt h a t ，t h ef r a m ew e i g h tw a sr e d u c e d18 0 5 k g , w h i c hw a s2 0 3 5 o ft h ev i c e f r a m e a f t e rt h el i g h t w e i g h td e s i g no ft h eb o xa n ds u b f r a m e ，t h em a s so ft o n n a g e d u m pt r u c kw a sr e d u c e d5 3 2 3 k g ( w h i c hi s 13 2 ) u n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h e b e a r i n gc a p a c i t yw a s n o td e c l i n e d k e y w o r d s ：d u m pt r u c k ，f e l i g h t w e i g h t ，o p t i m i z a t i o n 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。据我所知，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，也不包括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。 研究生签名：啦日期：半沪 关于论文使用授权的说明 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 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容， 可以采用复印、缩印或其他复制手段保存论文。 一躲毋磐吼 武汉理工大学硕士毕业论文 1 1 课题背景 第1 章引言 随着铁矿石和石油价格的持续上涨，2 0 0 7 年国际钢材市场价格大部分时间 保持上涨态势【8 】。在国内，由于中国经济的持续增长，2 0 0 8 钢材需求量在进一步 加大，钢材价格也有很大幅度的上涨。同2 0 0 7 年1 2 月份相比，国内综合钢材价 格指数上涨了近4 0 ，长材价格指数上涨了4 5 ，扁平材指数上升了3 7 t 9 1 。对 主要使用钢材的汽车工业来讲，钢材价格的持续上涨给中国汽车生产厂家带来了 很大的压力。 在此背景下，国内许多专用车生产企业积极寻求技术合作，希望通过先进的 技术和设计方法来减少材料的消耗，最大程度的降低制造成本。我国某专用车生 产企业采用传统的设计方法进行大吨位自卸车结构设计，其产品经常出现整车质 量过大、局部结构设计不合理的情况，从而导致材料浪费和产品早期破坏。该企 业为了使产品符合国家“十一五 期间我国专用汽车产品的发展趋势和国家产业 结构的调整，同时进一步拓展国内外专用汽车市场，提高该公司在同类产品中的 竞争力，积极寻求与高等院校和研究机构进行“产学研 合作，并与武汉理工大 学汽车工程学院签订合作项目，对所生产的两种重型自卸车和半挂车进行轻量化 设计。本课题针对两种重型自卸车中吨位较大的重型自卸车进行轻量化研究，及 进行所谓的大吨位自卸车进行轻量化研究。本课题属于该项目的一部分。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 汽车轻量化是汽车产业发展过程中的一项关键性研究课题。早在上世纪 6 0 年代，国外就开始从事结构轻量化方面的研究，到目前为止，轻量化方面 的研究一直以来就没有停止过。 1 9 9 1 年，m a t s u l n o t 等人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，随后在保持原刚度的情况下，选取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，车架质量明显减 轻，效果显著【1 0 1 。同年，s a r e e n 等人建立了b e l la h 一1 g 直升机的车身结构 的有限元模型，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， 取得了良好的减重效果【】。 武汉理工大学硕士毕业论文 1 9 9 4 年5 月，国际钢铁协会成立了由来自全世界1 8 个国家的3 5 个钢铁 生产企业组成的u l s a b 项目组，旨在以钢铁为基本材料，在保持性能和不提 高成本的同时，通过对结构设计的革新、制造技术的改进及零部件形状的优 化等多种手段，制造出超轻量化的钢制车体，并向全世界的汽车生产商提供 讯息和技术帮助。u l s a b 项目于1 9 9 8 年5 月完成，其成果是显著的。u l s a b 试制的车身总质量与对比车的平均值相比降低了2 5 ，同时扭转刚度提高 8 0 ，弯曲刚度提高5 2 ，一阶模态频率提高5 8 ，满足碰撞安全性要求，同 时成本比对比车身造价降低1 5 1 1 2 】。 随后美国钢铁协会和国际钢铁协会又启动了u l s a c ( u l t r al i g h ts t e e l a u t oc l o s u r e s ) 项目和u l s a s ( u l t r al i g h ts t e e la u t os u s p e n s i o n ) 项目。u l s a c 项目主要目标是在不降低车身抗冲击安全性的情况下对高强度刚制造的车身 和车门的覆盖件进行轻量化设计，结果质量降低了3 3 列1 3 l 。u l s a s 项目的主 要目的是以汽车的悬挂件为对象进行轻量化研究。通过铸造件的锻造化、实 心部件的钢管化等加工方法的改变及部件结构的最佳化，实现了高强度与高 耐久性，与对比车的钢制悬挂件相比，在同等成本下可减轻2 0 3 0 ，与铝 制悬挂件相比，在同等重量下可削减成本3 0 【1 4 】。 除此之外，全世界范围内对基于结构优化的轻量化技术也进行了大量的研 究。韩国汉阳大学的j k s h i n 等人应用u l s a b 的设计理念和组合钢板的工 艺，对轿车前车门内板进行了结构优化。他们采用了拓扑优化与尺寸优化、 形状优化相结合的优化策略，成功地使前车门内板的质量减重8 7 2 t 1 5 】。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 t 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1 1 6 1 。 在有关优化算法方面，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，并取得了良好的效果，所提供的方法为 汽车轻量化设计提供有益的参考【l7 1 。同年，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【l 引。他们对机车车身计算处理方法也为对汽车进行 分析提供了借鉴。还有人从生物骨骼生长过程中得到启发，提出新的结构优 化方法应力优化法，并使用这一方法使发动机支架质量降低4 0 。还有 人分析了树木生长过程自身的优化机理，并针对工程提出了新的优化方法。 从上面的文献中可以看到国外的结构轻量化研究可以大致分为四类： ( 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 武汉理工大学硕士毕业论文 ( 2 ) 将拓扑优化和形状优化引入到结构轻量化过程中： ( 3 ) 利用硬件优势，大量考虑动态过程中的各种约束，对尺寸参数进行 优化而得到轻量结构，主要强调安全性； ( 4 ) 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。 1 2 2 国内研究概况 与国外相比，我国车辆结构轻量化研究起步比较晚，最初主要集中在铁路 车辆的轻量化方面，而在公路车辆的轻量化研究方面比较少，近年来在公路 车辆轻量化方面的研究才大量出现。 文献 2 0 】【2 5 】对我国汽车轻量化的现状进行了分析，并指出汽车轻量化 可通过两种方法来完成，一种是采用轻量材料，另一种是应用c a d c a e 技术 对整车及其零部件进行优化设计，以达到减轻整车质量的目的。其中采用轻 量化材料可以很大程度上减轻汽车质量，文献 2 6 【3 2 】对汽车用轻量化材料 做了详细阐述，但是由于部分轻型材料价格昂贵，同时受到加工工艺的限制， 目前在汽车上的应用还是很有限的。而c a d c a e 技术在汽车轻量化中的应用 非常多【3 3 】，而且前景非常广阔，使得汽车轻量化还有很大的发展空间，因此 目前的轻量化研究也主要采用这种方式。 有限元技术已经广泛的应用于汽车及其零部件的设计之中。自卸车由于工 作环境恶劣，长期使用后车架易出现疲劳裂纹甚至断裂的情况，还有可能出 现举升失效，引发举升事故等，因此对其结构强度刚度分析及轻量化的要求 也比较高。文献 3 4 卜【3 7 】分别对7 5 b 自卸车大梁断裂、b j z 3 3 6 4 型自卸车车架 开裂、s x 3 6 0 自卸车车架异常断裂以及某重型自卸车车架早期断裂的原因进行了 分析，分析结果表明这些问题均是由于设计不合理造成的，因此国内在车架， 举升机构、货厢以及其它重要部件的结构刚度强度分析及轻量化设计方面已 经做了许多研究。 文献 3 6 卜 5 2 】对不同车型的车架运用有限元软件进行了轻量化方面的研 究。在早期的车架有限元研究中大多采用梁单元模型【3 8 】，应用梁单元模型的 优点在于建模简单，单元和节点数目少，计算速度快，可以得到较好的变形 结果，但其应力分析的能力却是有限的。梁单元不能很好的反映横梁与纵梁 接头区域的应力分布，且忽略了扭转时截面的翘曲变型，因而其分析结果是 粗糙的。基于这一原因，有人就单纯采用板单元或者采用梁单元与板单元相 结合的方法来建模，文献【3 6 】中就采用板单元建立了s x 3 6 0 自卸车车架的有限 元模型，对其异常断裂原因进行了分析。文献【3 9 】中采用板单元建立了s h 6 6 0 6 车架有限元模型，对其进行模态分析。文献 4 0 】分别采用板单元和梁单元建立 3 武汉理工大学硕士毕业论文 了电动轮自卸车车架模型，对其进行了模态分析。文献 4 1 采用梁单元与板单 元相结合的方法建模，对重型运输车车架进行了动力学分析。板单元在其节 点处只有三个自由度，是用来模拟板件受垂直、平行于板平面的载荷产生弯 曲的情况，但在实际工况中，车架横梁和纵梁的腹板等结构除了承受以上力 外，还存在扭转、剪切等状况，所以使用板单元也不能有效的模拟车架受载 时的各种变形。而板壳单元除了有弯扭变形外，还能处理中面的拉、压和剪 切变形，更接近于车架受力的真实状态。最初由于采用板壳单元前处理工作 量太大，计算时间太长而很少采用，但是随着计算机技术的不断发展，这个 问题已经得到了很好的解决，因此在此后的研究中大量出现了以板壳单元建 立车架有限元模型进行研究的例子。2 0 0 5 年4 月，吉林大学的余传文等采用 板壳单元对某重型载货汽车车架结构建立有限元模型，对车架结构的静、动 态特性分析进行了研究。在建立简单的车架梁单元优化模型的基础上，以车 架纵梁截面尺寸为设计变量对车架进行优化分析，从车架体积和最大变形随 着迭代过程的变化曲线可以看到车架的自重明显降低】。同年，武汉理工大 学王皎等建立了特种专用车车架的全板壳有限元计算模型，并应用有限元分 析软件a n s y s 对其进行了尺寸优化，随后在保证车架自重不增加的条件下， 对横梁的安装位置进行了离散拓扑优化，使得车架前部的扭转刚度大幅提高， 优化后车架质量减少了2 0 2 3 t 4 7 】。2 0 0 6 年l o 月，孙海霞、刘大维等人建立 了工矿自卸车车架板壳单元有限元分析模型，针对其在使用过程中的异常断 裂问题，应用n a s t r a n 有限元分析软件对车架结构强度进行了静态分析1 4 9 1 。 国内在自卸车举升机构的仿真分析及优化设计方面也做了许多研究。 2 0 0 4 年8 月，韦志林等人利用a d a m s 软件建立虚拟样机模型并对其仿真分 析，对机构的关键点作参数化处理，进行优化分析并得到最优结构f 5 3 】。2 0 0 5 年3 月，张毅等人以举升过程中工作油缸最大推力最小为优化目标，对举升机 构的各铰接点布置位置进行了优化设计，使油缸最大推力下降了2 7 ，为举 升机构布置位置的设计提供了参考【5 4 1 。2 0 0 6 年7 月，朱品昌等人在考虑前后 悬架刚度和阻尼，以及整车质量参数的情况下研究了在举升过程中车辆自激 震动时油缸推力的变化规律，为举升机构的动态设计提供了参考f 5 5 】。同年， 赵永辉等采用拓扑优化技术对某自卸车举升机构三角臂进行了拓扑优化设 计，使得优化后结构相对于原结构质量减轻约2 0 ，同时刚度大大增强，为 三角臂的优化设计提供了参考【5 4 】。 货厢的轻量化研究方面国内所做的研究相对较少。2 0 0 7 年2 月，许春雷 等人针对轻型载货汽车垂直振动大的问题，运用了有限元方法和模态分析技 术，对车架及货厢进行有限元建模和模态分析，得到其固有频率和振型特征， 4 武汉理工大学硕士毕业论文 找出了原车型振动大的主要原因，提出了增设衬梁的改进方案，最大限度地 避免了共振现象的发生，为相应车型的研发提供了参考依据1 57 1 。同年3 月， 于庆豪等人应用计算机辅助设计和有限元网格划分的技巧和方法建立了 s g a 3 7 2 3 矿用汽车货厢三维实体单元有限元模型，有效地解决了货厢结构和 尺寸庞大的问题，对矿用汽车货厢进行了强度分析【5 引。 其它零部件的轻量化研究方面，唐述斌和谷莉在e q l 0 9 0 e 汽车后桥壳改 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域以及后桥壳静强度断裂和疲劳损坏的可能位置， 为该后桥壳质量减轻8 k g 提供了依据【5 9 1 。杨锁望等人建立了s g a 3 5 5 0 型矿用 汽车驱动桥壳及a 形架的有限元模型，选择极限工况对其进行了结构强度和 刚度分析，对该桥壳的相应结构提出了改进方案。改进后的桥壳质量更小，最 大应力也大幅减小，且应力分布更为合理唧l 。 与国外相比，国内目前轻量化研究在产品设计阶段研究的比较少，引入新 的现代优化算法的研究也比较缺乏，轻量化设计过程中的分析规模较小， c a d c a e 一体化在产品设计开发阶段的应用还不成熟以至于汽车生产厂家应 用的比较少，尤其是在专用车领域。虽然国内在汽车轻量化方面已经做了很 多研究，但是针对大吨位自卸车的轻量化研究还未见报道，因此本课题对大 吨位自卸车进行轻量化研究具有很大意义。 1 3 研究的目的和意义 1 3 1 研究目的 随着现代科学技术的发展，许多新的设计方法和设计手段已经应用到了汽车 设计和生产之中，尤其是在需求量大的轿车和客车领域。在专用车领域，先进设 计方法和设计手段的应用程度较低，大多还是采用传统设计，设计水平不高。因 此，结合国内外研究现状和企业的具体要求，本课题研究的主要目的有： ( 1 ) 运用目前行业内比较先进的研究方法对现有产品自身质量过重的原因 进行分析，为轻量化改进设计提供参考： ( 2 ) 对大吨位自卸车轻量化方案进行研究，提出合理的轻量化研究方案， 方案要求具有良好的先进性和实用性； ( 3 ) 通过对轻量化结果的分析，为企业提出可行的轻量化改进措施： ( 4 ) 通过轻量化设计，使大吨位自卸车质量明显降低，降幅不低于1 0 ： ( 5 ) 提高企业自卸车设计水平和自主研发能力，以降低生产成本，提高产 品市场占有率，使企业在同行业中更具竞争力。 武汉理工大学硕士毕业论文 1 3 2 研究意义 本课题的研究不仅对企业自身发展具有重要意义，而且对用户以及整个社会 都具有重要意义。 ( 1 ) 通过研究，可以减少原材料的消耗，降低企业的生产成本。普遍认为， 轿车白车身占整车质量的2 5 左右，客车、货车的车架骨架占整车质量的6 0 左右。对于大吨位自卸车而言，车身及车架部分质量所占比例达到7 0 左右，因 此大吨位自卸车轻量化设计具有更大的潜力，它可以更大程度的利用钢材的强度 和刚度，发挥钢材价格便宜的优点，减少原材料的消耗，降低企业的生产成本， 提高企业利润。 ( 2 ) 对于提高企业的设计水平和研发能力具有促进作用。多年来汽车生产 企业和许多高等院校一直在努力探索先进的设计方法，最初主要采用材料力学的 方法对零部件的强度刚度进行理论计算，进而指导设计，这样的设计方法计算精 度差，很难满足设计需求。随着计算机技术的发展，大规模的计算可以在计算机 上完成，大大节约了研发的成本和时间。目前c a d c a e 技术被广泛的应用于汽 车设计之中，优化设计模块已经被集成于许多大型商业软件之中，运用大型商业 软件对产品进行设计是一个非常先进的方法。通过本课题的研究，不仅可以满足 企业的现实需求，解决企业的实际问题，为企业的产品设计、改造和优化提供实 际的参考和帮助，而且可以提高企业的设计水平和研发能力，提高企业的竞争力。 ( 3 ) 对用户提高运输效率，降低运输成本具有重要意义。近年来由于石油 价格的迅速上涨，运输成本急剧上升，用户迫切需要提高运输的效率，降低运输 成本。车辆自身质量越轻，油耗就越低。实验表明，汽车质量每下降1 0 ，油耗 约下降3 - - - 5 。在同等运输能力的前提下，质量越轻、油耗越低的车辆能够给 用户带来更大的利润，经过轻量化设计的自卸车能更好的满足用户的要求。 ( 4 ) 本课题的研究对于节能和环保具有现实意义。在世界汽车工业飞速发 展的今天，汽车保有量已经超过6 亿辆，年产量超过5 0 0 0 万辆。汽车每年的石 油消耗量约占世界每年石油产量的一半以上，在消耗大量石油资源的同时，也产 生极大的气体污染。随着全球能源消耗的增加，地球的矿物能源正面临枯竭，环 境问题也日益突出，节能与环保已经成为了现代汽车工业发展的主题，车辆轻量 化是降低能源消耗，减少排放的最有效措施之一。有关资料表明，车重减轻1 0 ， 可节省燃油6 一8 ，同时还能相应降低排放。本课题的研究对于缓解目前的能 源紧缺、建立环保型社会和节约型社会具有积极的作用。 ( 5 ) 对提高企业使用先进设计方法的意识具有推动作用。个别企业在设计 中采用先进的设计方法，提高产品的市场占有率，进而获得巨大的经济效益，其 它企业就会学习这种先进的设计方法来提高本企业的效益，这对于整个行业具有 6 武汉理工大学硕士毕业论文 带动作用，可以提高行业中使用先进技术的意识。 ( 6 ) 有利于追赶国外先进的研究水平。国外在结构轻量化方面的研究起步 较早，目前已达到很高的研究水平，而国内轻量化研究起步比较晚，虽然近些年 来发展比较快，但仍然与国外存在很大差距。本课题研究对国内追赶国外先进设 计水平起到重要作用。 1 4 研究内容 根据项目的具体要求、国内外研究现状和现有条件，本文开展以下几个方 面的研究工作： ( 1 ) 大吨位自卸车轻量化总体方案的研究。 轻量化总体研究方案在整个研究过程中起着关键性作用，它指导着整个研究 过程，因此确定先进和易于实现的总体方案对整个研究过程具有决定性的意义。 ( 2 ) 分析自卸车结构特点，建立大吨位自卸车分析模型。 在先进有效的整体研究方案确定之后，建立良好的分析模型就显得十分重 要。分析模型不仅要能够很好的反映实际结构和工作状况，而且要保证计算规模、 计算精度和计算时间的协调。 ( 3 ) 对原结构进行强度刚度分析。 轻量化研究之前，必须对原结构的强度和刚度状况有清楚的认识。通过对原 结构的强度和刚度分析，不但可以找到自卸车质量过大的原因，而且可以为轻量 化设计提供可靠的参考数据，以便有针对性的进行轻量化设计。 ( 4 ) 建立大吨位自卸车轻量化模型。 轻量化研究必须建立轻量化模型，轻量化模型不仅要注意计算规模、计算精 度和计算时间的协调，而且还要注意其有效性和实用性。只有建立了合理的轻量 化模型，才可以在此基础上进一步对大吨位自卸车进行轻量化设计。 ( 5 ) 对自卸车进行轻量化设计，提出轻量化设计方案。 通过自卸车轻量化设计得出的设计方案应该能够明显降低现有产品的质量， 为企业提高大吨位自卸车的设计水平提供参考。 7 武汉理工大学硕士毕业论文 第2 章自卸车轻量化研究方法分析 自卸车的轻量化是指在满足一定性能要求的前提下，使自卸车的重量最轻， 达到降低材料成本的目的。实现自卸车的轻量化可以有多种方法，每一种方法都 有其各自的特点。 2 1 自卸车轻量化研究的途径 实现汽车轻量化一般有三种途径，第一是从材料的角度出发，采用轻型材料； 第二是从结构入手，采用合理的结构设计；第三是采用合理结构设计的同时，应 用轻质材料或高强度材料来替换原结构材料，以达到轻量化的目的。 世界汽车用材趋势表明，轻质材料对汽车轻量化的发展贡献很大。汽车材料 是汽车设计、品质、质量及竞争力的基础，汽车技术的发展在很大程度上取决于 汽车材料的发展。轻量化的要求使汽车材料构成有了明显变化。目前，在国内外 汽车上应用较多的轻量化材料有铝合金、镁合金、高强度钢、塑料及复合材料等。 其中铝合金、镁合金、塑料及复合材料的密度相对钢材来说很低，大多应用于汽 车内饰件和其它非主要承载件上；而由于高强度钢屈服强度是普通冷轧钢板的 1 5 倍到4 倍，因此可以用更薄的高强度钢板代替普通钢板，其减重效果可以达 到2 5 【19 1 。虽然汽车新材料可以很大程度上降低汽车自重，但是由于部分新材料 价格比较贵，加工工艺还不够成熟，所以在汽车上的应用还不是很广泛，目前主 要集中在轿车领域，而在专用车领域，尤其是在大吨位自卸车上则应用较少。 合理的结构设计不仅可以提高车辆的性能，而且可以降低自重。结构的合理 设计可以通过三种方法来实现：一是采用传统经验设计方法对结构进行改进，这 是专用汽车领域目前常用的手段，它需要设计者具有一定的理论基础和设计经 验，否则很难提出合理的改进措施。二是采用交互式设计方法，首先通过理论分 析提出改进方案，然后借助现代分析软件，对改进后的结构进行校核分析。这些 过程都可以在计算机上完成，因此可以大大缩减研发周期，节约研究成本。但是 这种方法并不能保证改进方案是最优方案，具有一定的局限性。三是通过结构优 化设计，采用先进的优化设计手段，通过定义优化变量、状态变量和目标函数来 得到设定条件下的最优解，保证汽车在满足强度刚度要求的前提下降低自重，实 现汽车轻量化。目前，结构优化的方法在汽车设计上的应用已经很广泛，而且技 术很成熟，它不仅可以继续使用钢材，发挥其价格便宜、工艺成熟的优势，而且 可以使汽车结构设计更加合理，性能得到改善。 采用合理结构优化设计的同时，再用轻质材料或高强度材料替换原普通钢板 武汉理工大学硕士毕业论文 可以得到更理想的轻量化效果，它可以充分发挥结构优化设计和轻型材料的优 势。但是由于在专用车领域，部分价格昂贵的轻质材料的应用会给企业带来很大 的成本压力，因此目前这种方法应用很少。 2 2 结构优化设计的基本方法 优化设计是以数学规划为理论基础，将设计问题的物理模型转化为数学模 型，运用最优化数学理论，以计算机和应用软件为工具，在充分考虑多种设计约 束的前提下寻求满足预定目标的最佳设计。结构优化的目的是以最少的材料，最 低的造价，最简单的工艺来实现结构的最优性能，包括强度、刚度、稳定性等目 标。实践表明，将优化方法应用于设计，不仅可以大大地缩短设计周期，显著地 提高设计质量，而且还可以解决传统设计方法无法解决的复杂设计问题。因此， 在工程设计领域，结构的优化占据着越来越重要的地位。 在轻量化设计中，影响优化结果的设计变量为x = “，x ：，石。 r ，优化目标函 数为，( x ) ，则轻量化优化设计一般数学模型可以描述为： 求x = j r l ，工2 ，工。 7 ( 2 1 ) 使n a n )( 2 - 2 ) i i l l n f ( x 2 便) ( 满足g ，( 脚s0i = 1 , 2 ，m ( 2 3 ) h y ( x ) = 0 _ ，= 1 , 2 ， ( 2 4 ) 其中，g ，( x ) 0 为不等式约束函数， ，( x ) = o 为等式约束函数。目标函数 f ( x ) 为结构的重量，也可以是反映重量的其它结构间接量；约束函数可以是强 度约束、刚度约束以及其它一些必须满足的约束关系。 对于上述通用轻量化优化设计数学模型，有许多设计变量的选取方法和不同 的优化算法，由它们可以构成不同的优化设计方法。目前，用于自卸车的结构轻 量化研究方法可以有形状优化设计、拓扑优化设计和尺寸参数优化设计，它们对 应于三个不同的产品设计阶段，即概念设计、基本设计及详细设计三个阶段，如 图2 1 所示。结构优化的三个层次在优化过程中分别承担着不同的任务，对产品 结构优化 尺寸参数优化k = = = 爿详细设计阶段 图2 1 结构优化的三个阶段 9 武汉理工大学硕士毕业论文 的设计研发过程起着重要作用，可根据具体的设计要求、设计目的和设计约束限 制加以选择。 拓扑优化、形状优化和尺寸参数优化实际上也不是完全孤立的，它们之间往 往互相渗透和互相关联。在承认拓扑优化和形状优化结果的基础之上，尺寸参数 优化可以单独进行，它不需要对研究对象的形状和整体结构做出改变，只需要重 新选择新的尺寸参数就可以使研究对象达到更优的设计状态。 2 2 1 拓扑优化设计 拓扑优化即在一个确定的连续区域内寻求结构内部非实体区域位置和数量 的最佳配置，寻求结构中的构件布局及节点联接方式最优化，使结构在满足有关 强度、刚度和稳定性等约束条件下，某种性能指标( 如刚度最大、质量最小) 达 到最优。拓扑优化可分为离散拓扑优化设计和连续拓扑优化设计两大类。 ( 1 ) 离散拓扑优化设计 如果结构中有n 个构件需要通过优化来确定存在状态，并用变量 工，o = 1 , 2 ，万) 来表示，当第f 个构件在最优结构中存在时毛取l ，不存在( 优化 计算表明该构件可以取消) 时取0 。若取x = “，工：，工。 r 为优化设计变量，则 式( 2 1 ) 至式( 2 4 ) 所示通用优化设计数学模型就变为离散结构拓扑优化的数 学模型。离散拓扑优化设计过程中，通常首先选择一个基结构，然后通过优化搜 索方法确定基结构中构件的最佳布置位置，或确定哪些构件是需要保留的，哪些 构件是可以去掉的。离散拓扑优化设计只能对基结构中已有构件的布置位置和存 在状态做出判断，而无法改变每个构件的具体形状。 ( 2 ) 连续拓扑优化设计 离散拓扑优化只针对已有的基结构进行优化设计，如果在连续空间内将材料 的密度作为设计变量，即 x = p l ，p 2 p 。j 。= 石l ，x 2 ，工。) 2 ( 2 - 5 ) 那么，离散拓扑优化设计的数学模型则变成了连续拓扑优化设计数学模型。 连续拓扑优化设计过程首先必须建立结构的拓扑优化设计空间和非拓扑优 化设计空间，即确定哪些结构区域参与优化，哪些结构区域不参与优化，并施加 上相应的载荷和边界条件，接着选择种有效的拓扑优化算法进行优化设计，优 化设计过程中将无效或低效的材料通过采取某种措施使其逐渐去掉，剩下的结构 将逐渐趋于最优结构。 对于连续体结构拓扑优化而言，不仅要使结构的边界形状发生改变，而且对 结构中的空洞个数及形状的分布也要进行优化。对于拓扑优化后的结果，工程技 l o 武汉理t 大学硕士毕业论文 术人员还需要进行整理使其更接近可制造的方案嘟】。如图2 2 所示的举升机构 三角臂，选取多种工况拓扑优化后结果如图2 3 所示，通过可制造化处理后结构 如图2 4 所示。该方法比较灵活，效果比较好，但相对计算规模比较大，而且 在对初步的拓扑优化结果进行整理过 程中需要工程师具有较丰富的设计经 验。另外，为了保证设计结果更好，需 要对整理后的结果进一步进行形状优 化和尺寸优化，从而得到更好的设计结 果。该方法一般用于结构的研发过程 不适用于对现有结构进行改进设计。 图2 2 三角臂原结构 铷踟 图2 3 三角臂拓扑优化后结构图2 4 三角臂可制遗化处理后结构 2 22 形状优化设计 结构优化设计中，如果设计变量为结构边界控制点的坐标值或控制边界函数 的变量，需要通过n 个参数来确定，并用变量葺( f = 1 , 2 ，一) 来表示，则优化设 计变量可表示为： x = ，屯， 7 此时，式( 2 1 ) 至式( 2 - 4 ) 所示通用优化设计数学模型又可以变为形状优化设 计数学模型。 在形状优化过程中既可改变结构单元的尺寸，又可改变结构的形状。常用的 形状优化设计有两类，一是通过设计边界控制点来改变结构的形状，在优化过程 中，设计变量是控制点的坐标；另一类是用某种函数描述结构的边界，常常采用 一组适当的基函数并附加一些可以自由变化的参数来描述，此时，形状优化的设 计变量就可以选择这些自由参数为设计变量优化过程中在满足工程设计要求的 前提下，通过修改这些控制点或者基函数的参数来改变结构的边界形状，从而改 善结构性能和达到节省材料的目的。 如图2 5 所示的悬臂梁结构，在b 端受集中载荷f ，其外形尺寸由五个参数 巩、口：、q 、a 。和如确定，则设计变量为x = k ，：，吼，d ， 7 ，通过形状优 化后得到的最优结构如图2 6 所示咿j 。 武汉理工大学硕士毕业论文 y 图2 5 典型悬臂梁结构 图2 6 悬臂梁形状优化后结构 2 2 3 尺寸参数优化设计 y ( x