飞机除冰车专用车架拓扑优化及强度分析

1、飞机除冰车专用车架拓扑优化及强度分析袁敏，陈翀（西华大学 交通与汽车工程学院，四川 成都610039）摘要：本文简要介绍了拓扑优化技术，对除冰车车架建立有限元模型，进行了强度分析和拓扑优化设计。在此基础上对车架进行二次设计并进行验算，对优化前后的相关数据进行了对比分析。分析结果表明经过拓扑优化，车架强度满足要求，同时轻量化效果明显。关键词：车架；拓扑优化；强度分析；轻量化Topology optimization and strength analysis of aircraft deicing vehicles frameYuan Min,Chen Chong（School of Trans

2、portation and Automotive Engineering,Xihua University,Chengdu 610039 China）Abstract: After a briefly introduction of the basic theory of topology optimization, the finite element model of the initial frame was established. Then strength analysis and topology optimization design about the model is do

3、ne. Based on the previous work, the frame is designed again and checked. After that, the comparative analysis of the relevant data is made out. The analysis shows that the strength of the frame is met the requirements after topology optimization and the effect of lightweight is obvious.Key words: Fr

4、ame; Topology optimization; Strength analysis; Lightweight引言飞机除冰车是一种机场地面专用设备，它的主要作用是向飞机表面喷射特殊液体，清除飞机表面堆积的冰层，同时还可以满足飞机清洁和维护的需要。目前国内厂家生产的飞机除冰车基本采用二类货车底盘改装,没有针对飞机除冰车的实际工况设计专用车架，因此设计出满足强度要求并且轻量化的飞机除冰车专用车架有重要意义。1 拓扑优化技术目前拓扑优化技术运用比较广泛的有均质化方法(homogenization method)、 相对密度法(artificial materials) 和进化结构优化方法( e

5、volutionary structural optimization) 1。拓扑优化技术的核心思想都是在给定的设计空间和材料内寻求最佳的材料分布，从而使得到的结构能够同时满足给定的约束条件和目标函数。近年来随着计算机技术的快速发展，拓扑优化技术的研究也比较广泛和深入，并且开始和有限元法结合起来，用以解决产品开发过程中的实际问题2。拓扑优化技术理论上的研究已经日渐成熟，但拓扑优化技术在实际工程中的应用还需要进一步的探索。另外，将拓扑优化技术与CAD系统进行有机的集成，也是一个值得研究的问题。2 车架静力学分析2.1 车架的受力分析及有限元模型的建立车架的静力学分析一般考虑纯弯曲工况和弯扭联合工

6、况3。飞机除冰车作业时行走的机场路面非常平整,作业速度在5km/h左右，车架处于纯弯曲工况，因此本文选用车架处于满载纯弯曲工况进行静力学分析和拓扑优化。车架材料选用16Mn4，其材料属性见表1所示。纯弯曲工况时约束四个车轮垂直方向的自由度，约束左前轮的横向和纵向自由度，约束右前轮的纵向自由度，约束左后轮的横向自由度，释放其它所有自由度。车架有限元模型加载质量分布见表2所示，除冰车工作时大臂举起并脱离前支架，此时上装部分模拟为一个垂直力24500N和一个等效力矩62400N.m，发动机按集中载荷进行加载，其余部分的质量均匀加载。重力加速度取9.8m2/s。表1. 16Mn材料属性Tab1 .Ma

7、terial properties密度弹性模量泊松比屈服极限抗拉强度极限7.82×10-6kg/mm3206Gpa0.28345Mpa510660Mpa表2.车架有限元模型加载质量分布Tab2 . Load mass distribution of the finite element model驾驶室（含驾室员）500kg发动机、液压泵及支架1000kg燃油箱(含油)500kg液压油箱（含油）500kg锅炉（含散热器）1900kg除冰液箱（含液）10000kg大臂、小臂、旋转支架2300kg操作室（含操作员）200kg在Ansys Workbench环境中建立车架有限元模型如图1所

8、示。其中，为充分利用车架空间，降低车体质心，使布局更为紧凑，将一部分除冰液箱置于车架中段双层结构所形成的封闭空间中，发动机和液压油箱分别布置在车架中段左右侧。图1.车架有限元模型Fig1. Finite element model of the frame2.2 计算结果分析按2.1所述对有限元模型进行约束和加载，经过软件计算分别得出总变形位移云图如图2所示和等效应力云图如图3所示。 图2.总变形位移云图 图3. 等效应力云图Fig2. Total deformation displacement contours Fig3. Equivalent stress contours由图2和图3分

9、析可知，车架在纯弯曲工况的最大应力区主要集中在车架后段槽型纵梁的后悬架安装段与锅炉安装段交接处，其中最大应力为65.1MPa，远低于车架材料16Mn的屈服极限；最大变形区主要集中在车架末端，最大变形值为3mm;车架中段左侧的发动机安装托架对变形值要求较高，其最大变形值为2mm，远小于汽车定型试验规程中所规定的最大变形参考值5。综上所述，优化前的车架安全系数相对较高，有较大的改进和优化空间。3 车架的拓扑优化 3.1 拓扑优化空间的建立车架拓扑优化前，首先要建立拓扑优化空间6。拓扑优化空间的建立要充分考虑车架的功能和各部件在车架上的布置，另外还要从可制造化的角度出发，优化空间区要尽可能的大，以实

10、现最大可能的优化。优化前的除冰车车架主要材料和质量集中在车架中段，且中段并不涉及前后悬架的安装，故在保持车架基本构架的前提下，主要在车架中段建立拓扑优化空间，在车架前后悬安装段建立局部拓扑优化空间,具体做法是在车架边界纵横梁之间建立实体单元或薄板单元作为可优化空间，边界纵横梁作为不可优化空间。3.2 拓扑优化计算及结果分析根据所建立的拓扑优化空间，在Ansys Workbench建立有限元模型，同样按纯弯扭工况进行约束和加载，并在软件的拓扑优化模块中设置好相关参数后即进行拓扑优化计算。得到的拓扑优化结果如图4所示。图4. 拓扑优化结果云图Fig4.Contours of topology op

11、timization由拓扑优化结果云图可知:(1)拓扑结果中，材料去除区域边界清晰，形状也比较规则，有利于进行下一阶段的制造化处理。(2)材料去除区域主要集中在车架中段，优化掉了原车架中段占质量比较大的斜撑，出现了明显的横梁和竖梁分布。(3)某些部位优化不太合理，去除材料太多，如车架前段槽型纵梁的驾驶室安装段和悬架安装段交接处，以至结构无法连接起来，无法进行力和力矩的传递，这些部位在车架二次设计的时候要特别注意。3.3 车架二次设计拓扑优化的结果提供了一种理论模型，但并没有考虑车架的实际功能和生产制造的条件约束，必须在此基础上对车架进行二次设计。优化后的车架主要去除了中段的斜撑结构，为了增加车

12、架的抗扭性能，根据拓扑云图调整了原来布局不合理的横梁布置，在车架后段增加了抗扭平板，并对车架前后段槽型纵梁进行了局部加强，槽型纵梁设计为双层结构。整个车架采用闭环结构以最大程度地分散应力，避免应力集中。经过二次设计的车架还需要经过有限元强度验算是否符合设计要求，同样按弯曲工况进行约束和加载，分别得出总变形位移云图5和等效应力云图6。 图5.总变形位移云图 图6. 等效应力云图Fig5. Total deformation displacement contours Fig6. Equivalent stress contours优化后的车架最大变形同样位于车架末端，最大变形值为3.4mm，发动

13、机托架处的最大变形值为2mm;优化后的车架最大应力区域亦集中在车架的后悬架安装段与锅炉安装段交接处，但应力集中区域较优化前有很大程度的减少，其中最大应力为76.9MPa。通过拓扑优化，车架质量从优化前的2300kg降低到优化后的1656kg,较优化前减少了28%，轻量化效果明显，在满足车架强度要求的同时减轻了质量。结语运用拓扑优化技术可以在满足车架强度要求的同时有效降低车架质量，减少了材料和能源的消耗，降低了车辆运营成本，应用前景广泛。目前国内针对除冰车专用底盘的研究开发还不多见，对除冰车底盘专用车架的拓扑优化设计国内还未见报导,本文在此方面做了一些初步探索，为企业的工程人员进行设计提供了一定参考。本文所研究的除冰汽车作业环境好，只在弯曲工况下进行了优化，在多工况乃至动态工况下的拓扑优化还可以进一步研究。另外，本文只建立了一种拓扑空间进行优化，未来还可以针对不同拓扑空间对优化结果的影响来进行更深入的研究。参考文献:1) 于开平，周传月，谭惠丰等HyperMesh从入门到精通M北京：科学出版社，20052) 蔡新，郭兴文，张旭明工程结构优化设计M北京：中国水利水