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机械 2006年第1期 总第33卷 计算机应用技术 33 收稿日期：20051025 作者简介：田建设，男，硕士研究生，车辆工程专业，主要研究方向特种车辆与物流系统研究。 基于 UG 的折叠翼式汽车车厢优化设计 田建设，鲁统利，郝洪涛，张建武 （上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200030） 摘要：折叠翼式厢式货车作为一种能适应现代物流发展需要的新型运输车型，将会有广阔的市场前景。本文立足于 UG设计平台，建立折叠翼式车厢参数化三维模型，并对模型进行运动仿真分析和关键部件的结构有限元分析，实施结构优化，建立出数字化虚拟样机，为制作折叠翼式车厢物理样机提供设计参数和依据。 关键词：折叠翼式车厢；UG；运动仿真；有限元分析；结构优化 中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：10060316(2006)01003303 Optimal design of wingfoldable sidedoors carriage based on UG Optimal design of wingfoldable sidedoors carriage based on UG TIAN Jian-she，LU Tong-li，HAO Hong-tao，ZHANG Jian-wu （School of Mechanical Engineering，SJTU，Shanghai，China） Abstract: （School of Mechanical Engineering，SJTU，Shanghai，China） Abstract: Wingfoldable sidedoors boxed vans, as a new kind of station transport wagon which fits to the development of the modern materials circulation, will have broad market prospect. In this paper, a parameterized 3D model for boxed vans with new wingfoldable sidedoors is built in UG environment. And the motion simulation for the model and structural FEA for key parts is carried out. For the purpose of manufacturing a physical prototype, real optimal design parameters of the wingfoldable sidedoors carriage are obtained by the system optimization。 Key words Key words：wingfoldable sidedoors carriage ；UG；motion simulation ；finite element analysis；structural optimization折叠翼式汽车车厢是一种能将两侧翼板提升折叠至车厢顶盖上的新式车厢，非常适合在低矮或狭窄的地方装卸货物，叉车能从两侧装卸集装箱及托盘，提高装卸载货物的效率。因此，折叠翼式厢式车作为一种符合现代人理念和现代物流发展需求的新型运输车型，将会得到快速发展。目前，这种厢式车在国内正处于设计开发阶段，如何利用现代设计理念及设计工具快速高效地设计出样机进行批量生产，对于减少产品设计成本，缩短产品开发周期，具有重要的现实意义。 本文运用 UG 三维实体造型软件建立参数化模型，并运用其提供的 CAE 模块对车厢的结构进行优化分析，为制作物理样机提供设计参数和依据。 1 折叠翼式车厢的基本结构介绍 折叠翼式车厢主要由厢体基体 1、摆动摇臂 2、滑块 3、带滑槽的翼板 4、连接杆（空气弹簧）5 及摆动油缸、液压站等组成，如图 1 所示。上翼板与厢体基体、上翼板与下翼板之间采用铰链联接，摆动摇臂一端与摆动油缸通过花键联接，一端与滑块轴联接，滑块可在上翼板滑槽间滑动。摆动摇臂在摆动油缸的作用下，旋转约 270 度，通过滑块将带有滑槽的翼板提升翻转折叠至厢体顶面。连接杆采用空气弹簧，其作用一方面是约束翼板在开启关闭过程中的自由摆动，另一方面是在翼板关闭时起锁紧作用。这里主要进行机械结构设计，液压动力系统另行匹配。 图 1 折叠翼式车厢基本结构 摆动摇臂 2 滑块 3翼板 4厢体基体 1连接杆 5 34 计算机应用技术 机械 2006年第1期 总第33卷 2 建模及仿真 本文采用 UG 软件对折叠翼式车厢进行三维实体造型建模、运动仿真和有限元强度分析。 2.1 模型的建立1 运用 UG 强大的参数化建模工具， 建立折叠翼式车厢的三维实体模型如图 2 所示。 图 2 折叠翼式车厢实体模型 2.2 运动仿真分析24 由于该车厢模型是左右对称的，故在分析时采用模型的一半进行分析即可。 2.2.1 运动仿真设置 进入运动分析模块，创建 6 个连杆：车厢基体、摆动摇臂、滑块、上侧翼板、下侧翼板、连接杆。依据机构的运动联结关系定义 7 个旋转副及 1 个滑动副：即除滑块对于上侧翼板滑槽的滑动副，车厢基体为固定旋转副（机架）外，其它连杆之间依照联结关系定义为旋转副，且定义摆动摇臂与摆动油缸联结端为恒定驱动的原动运动副。 为检查构件间最小距离、有无干涉及跟踪运动构件的运动规律，用封装的操作来实现。为此分别定义如下标记：滑块 A001、滑槽 A002（与滑块 A001位于同一坐标点） 、支撑杆 A003 。 2.2.2 运动仿真及规律求解 选择运动仿真（Animation）图标即启动运动仿真分析过程。分析完成后，运动仿真对话框自动弹出，可以选择全程或单步的方式来进行运动仿真，即以动画来表现机构的运动过程。仿真的结果也可以以图表（Graphing）的形式绘出，如图 3 所示，它反映了滑块从动件位移、速度、加速度的信息。动画比较直观，而图表则量化了运动过程。从动画和图表可判断机构的运动结果与设计是一致的，从而保证了折叠翼式车厢机构设计的准确性。 图 3 滑块的运动位移、速度、加速度 启动封装选项，可以观察标记的跟踪轨迹及构件间有无干涉实体的产生。 如图 4 所示， 标记 A002、A003的轨迹差异说明了滑块与滑槽之间存在相对运动。图 5 所示的放大部分的不规则六面体即为上翼板与连接杆产生的干涉实体。 图 4 标记的运动轨迹 图 5 产生的干涉实体 2.2.3 去除干涉，优化结构 回到建模界面，根据干涉检查分析出干涉情况对整个机构进行优化，去除干涉。 2.3 强度校核及结构优化35 本机构在运动中，摆动摇臂承受着来自侧翼板的压力及扭矩，是本机构中最为关注的部件，需要对其强度进行分析、评估和校核。 摆动摇臂一端与摆动油缸花键联接，一端与滑块轴联接。根据机械零件设计手册，设计花键副为：84667Hf541011Ha977Hf（GB/T 11441987） 本机构在运动中，摆动摇臂所承受的载荷是一种交变载荷，但考虑到该机构运动速度不高，可以简化为计算最大载荷位置时的静力强度。 （1）指定材料属性及添加载荷 材料选取为：40Cr，弹性模量为 206 GPa，泊松比为 0.3，屈服极限为 785 MPa，抗拉强度为 980 MPa。 300.000250.000200.000150.000100.00050.0000.0000 20 40 60 80 100 120Mechaniams Step Untitled J004 AMAG,Displacement(abs)J004 AMAG,Velocity(abs) J004 AMAG,Acceleration(abs) A003A002A001 运动轨迹 机械 2006年第1期 总第33卷 计算机应用技术 35 侧翼板的基本尺寸为长宽高=7.82.50.03（单位：m） ，采用轻型蜂窝板的复合材料，密度为 350 kg/m3 。通过前面的运动分析及手工计算，在摆动摇臂小圆柱轴面施加轴承载荷，大小为 2900 N，给摆动摇臂 8 个花键工作面进行全约束。 （2）单元选取及网格划分 设置有限元网格的单元类型为Tetra10(十节点四面体单元)，单元尺寸大小为 8，单元总数为19635，节点数为 30539。 （3）分析求解 当系统分析求解结束后，查看分析结果。构件的变形位计算结果如图 6 所示，应力分布如图 7 所示。由分析结果知：构件最大变形位移为 2.393 mm，最大应力为 203.6 MPa，花键工作面最大应力为149.9 MPa。 图 6 位移云图 图 7 应力云图 （4）强度校核 根据理论上的花键静连接的强度条件 2ppmTNhld=，计算得p=143.2 MPa，与软件分析结果相近，均小于许可应力p=200 MPa。而经分析得到的摇臂最大应力也远小于屈服强度s=785 MPa。可见参数的设计是合理可靠的。 （5）结构优化 以摇臂重量最小化为目标，定义约束为许可应力，将摇臂的厚度定义为设计变量，其最大值为 35 mm，最小为 28 mm。图 8、图 9 为经过 10 次迭代后的结果。 由图 8、图 9 可以看出，经 3 次连续迭代得到一个最优点，在摇臂厚度为 28.3 mm 时，摇臂的重量为 113 N，比初始设计减轻了 16 N，在满足强度的要求下节省了材料。 图 8 迭代重量变化曲线 图 9 迭代厚度变化曲线 3 结论 折叠翼式车厢从建模到装配到运动仿真，再到有限元分析进行强度校核及优化，都在同一个软件中进行,减少了物理样机的制造、试验等过程，提高了工作效率，降低了成本，缩短了产品的设计周期。 参考文献： 1张治. Unigraphics/NX 参数化设计实例教程M. 北京：清华大学出版社，2003. 2 美Unigraphics Solutions Ins. 运动分析培训教程M. 北京：清华大学出版社，2002. 3马秋成. UG CAE 篇M. 北京：机械工业出版社，2002. 4 曾谢华， 等. 基于 UG 的机械系统仿真分析. 机械， 2005, （增刊） ：61-63. 5羊玢， 等. 基于参数化的车辆驱动桥壳动态优化设计J. 汽车技术，2005，(5)：2325. 1600001