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QY8
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QY8轮胎式起重机回转部分设计,QY8,轮胎,起重机,回转,部分,设计
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计算机工程学(2002) 18: 109115所有权和版权2002年伦敦Springer-Verlag出版社对基于固体参数模型的汽车部件的结构最优化M. E. Botkin美国，沃伦，密歇根州，冈比亚研发中心摘要：参数塑造是用于修建汽车前部结构概念的某些模型的，而汽车前部结构概念则是利用碳纤维合成材料和对应的成型过程。超轻量级铝身前部结构被再设计成包括所有合成材料的前部结构。有两个概念被人们研究，这两个概念都把汽车前部结构描绘成一个固定的外型。闭合部分是由内外两块构成的。因此，参数塑造在构造和改善模型以用于最优化概念研究方面是一个很有用的工具。这些模型可以迅速被建立，拟订尺寸和定位尺寸尤其能用以做必须的调整，把各个主要部件安装在一起。然后参数模型必须被连接成一个几何体模型以获得一个表面滤网。这样 结构优化输入数据才可能迅速地被以参数模型为基础的有限元素模型创造从而开始交易学习。参数塑造与结构优化连接的完整过程被用于轻量级前部结构的设计研究中 。人们研究一些碳纤维化合物质以尽可能地大量减少某些比过去成本低的碳纤维材料。结构优化用于组合结构和固定的前部结构设计的对比。通过各种材料和合成铺垫对八个案例进行了研究。预计钢用量节省45%-64%。最合理的设计包括一个由相对低价的切割碳化纤维和机织碳化纤维合成物，在震动区域顶部使用了20毫米的轻质木材。这个设计最大厚度达到7毫米，可大量减少钢用量，大约达到62%。书信和选刊可寄至：美国沃伦密歇根州冈比亚研发中心，主要研究工程师Mark E. Botkin,邮箱编号: 480- 106-256, 30500 MI 48090-9055。电子邮件: mark.e.botkin_ .关键字： 自动化配合; 汽车; CAD 塑造; 综合; 有限元素塑造; 优化 1. 介绍结构被显示在图1 是几个先进材料组成的轻量级身体。设计这个身体被提供了在Prsa 1 并且是执行作为PNGV 2个的部份。用主要设计目标是重量减少, PNGV 身体近似地接近 70% 比克莱斯勒触毛钢质车身它是随意替换。主部位主要由碳纤维外壳的三明治形状的结构和蜂窝状铝结构构成。少量Kevlar 并且被使用了某一Nomex 核心。但是, 前面结构的负荷成份是铝。本文描述一个项目再设计所有碳纤维结构。这个概念被考虑了。概念被描述在本文里能被描绘对象一起形成闭合部分路轨的板料。概念被塑造，使用了参数塑造特点 UG 3 , 并且被显示在下个部分。滤网自动地被创造了使用UG 的假定容量。 图1. 碳纤维身体。110 M. E. Botkin 由于滤网被创造了根据了固体几何学模型, 分开的物产地区是自动地创造为各张表面面孔。这做优化数据创作逐步采用更加容易地比早先研究 4 。譬如 Patran5 可能自动地创造优化数据从适当地被创造的结构分析数据。本文同时描述了Nastran5 的用途解答200 执行设计研究为综合设计观念为前期结构。 2. 参数塑造参数塑造的过程从二维空间的参量横断面开始，过去经常创造固体模型通过挤压一条直线或清扫沿曲线。前线结构被显示在图1 被塑造了, 使用这参数过程, 作为保税一起的综合板料。模型组成, 主要作为三主要组分; 上部路轨, 更低的路轨, 和震动塔。其它次要盘区栓这些三组分一起。为例, 图2 展示外面片断的参数横剖面上部路轨。维度被显示是可变物那可能由设计师改变或者使用塑造的节目或自动地使用优化规程。在可变物被修改之后, 整个固体模型自动地被更新。图 3 个展示创造的过程三维几何从二维部分。作为部分被清扫沿曲线, 立体几何是自动地引起。当任何部下信息被修改, 如部件尺度, 曲线定位等, 立体几何被 图2. 上部路轨外面片断。自动地更新。相似的操作被使用为更低的路轨和震动塔获得完成将被使用的参数固体模型在这设计研究中, 被显示在图4 。图4 代表三个片断综合结构(鞋帮路轨、更低的路轨, 和震动tower/apron) 被加入与胶粘剂一起。为这设计研究的目的, 参数塑造只被使用了作为一个方便方法创造有限元素模型。最后, 然而, 一种更加全面的设计方法会准许参数模型是整体部分优化过程参数维度有时间被使用当设计可变物。这是可能的, 到大规模范围, 以版本UG16 和以后和被展示了在Botkin 6 。 3. 有限元素分析3.1. 滤网世代滤网被显示在图5 被创造了从UG Scenariousing fully-automatic 四方形捕捉世代能力使用名词性的词10 毫米元素大小。这是一个推进的前面技术特点那些发现了在最商业塑造节目。但是, 由于紧的综合化在参数modeler 和mesher 之间, 分明表面地区被显示在图4 被维护当物产地区在滤网和, 依照被显示在图6, 能自动地被指定作为设计可变物在优化模型。模型显示在图5 由11,710 个结组成, 12,225 元素, 58,877 程度自由, 和23 不同的元素物产。除11488 之外轰击元素, 737 个CBAR 元素被用于代表被使用加入的黏着性债券综合片断一起。 3.2. 分析模型图5 并且显示装载和边界条件使用在这项研究。最优化研究的目的是设计一个与图一中铝结构坚硬程度一致的合成材料的前部结构。图1中结构的扭转力坚硬程度是 1 10,246 N.m/deg 。对震动区域的分析发现它的坚硬度比垂直方向17,963 N/mm在侧向方向12,941 N/mm的总体部位高很多。111 车身组分的结构优化 图3. 逐渐变细了上部路轨。 图4. 最后的前面结构模型。 图5. 最后的滤网从UG/Scenario 。 图6. 物质物产地区。 图7. 结合物模型。那对应对055 毫米的限制的偏折为 1000 N 装载被显示在图5 和077 毫米为a 相似的侧面1000 N 装载。 112 M. E. Botkin 3.3. 联合建模依照被注意及早, 三单独综合片断将由对胶粘剂的用途加入。图7 展示塑造的方法被选择为这项研究。元素列沿边缘各个片断由对射线元素的用途加入为哪些物产是坚定的从胶粘剂的物质物产(被显示在表里 1) 射线物产是结合物的区域考虑对结A 和B 贡献(参见图 7) 和转动惯量。这些价值是50 mm2 和416.67 mm4, 分别为， 承担a 10 毫米(正方形的) 有名无实的元素大小。 表1 ，合成道具 4 4. 优化研究Nastran 解答200 被使用执行八材料的各种各样的组合的专题研究。物质物产被给在表1 。所有缺省Nastran 优化参量 7 被使用了除了近似优化被选择是凸面线性化的技术 8,9 。依照被注意在Botkin 4 , 凸面线性化, 是最保守略计方法可利用在Nastran, 被使用了由于困难接近失败限制。4.1. 宗旨和限制作用研究的目标函数是极小的。设计是, 依照前面提到, 正如当初提到的。限制被强分别加了给侧向和垂直的偏折0.077 和0.055 毫米。4.2. 设计可变物依照被早期提起的, 设计可变物能自动地被创造从物产地区显示在图6 。图8 显示盘区从被显示当设计研究的Patran 5 工具被使用。虽然有23 设计可变物, 不是所有被显示在一个唯一盘区。原始价值能被修改使用这个盘区和然后解答 200 数据输入(DESVAR & DVPREL1 卡片图象) 自动地被创造。它应该是 113 车身组分的结构优化 。 图8. 设计可变物盘区。指出厚度价值被显示在图 8 是10 毫米的原始价值为优化浇铸。30 毫米价值为PCOMP 词条包括一个10 毫米浮筒木筏核心和二10 毫米综合面对板料。虽然优化使用的方法在这中设计研究, Nastran 解答200, 是可胜任对待综合使用角度可变物- 象被展示了在Botkin 4 - 唯一固定的有机材料, 90个地方被使用了在努力减少制造费用。4.3. 设计观念选择虽然图4 指设计观念, 参数固体模型可能被重视作为a 几何概念与综合相对设计观念。这设计研究的目标是使用低成本碳纤维产品譬如砍纤维和较不昂贵的大拖曳产品。估计的物产为这些综合可能是看见在表1 与所有材料一起物产使用为这项研究。最低界面在所有设计可变物被设置了在被考虑的2 毫米是可能当前被铸造的最稀薄的零件使用液体造型过程。箱子被分离入三个小组由最高界面: 15, 10, 和 _ 10 毫米。这些厚度代表连续研究发生在努力对发现a 设计以一种适当地小最大厚度。所有案件和厚度各自的表现在总结在图9 和10。它会是最中意的为能力存在会确定最宜综合概念而不是必须比较数选择了概念。这样能力的存在不为创作者所知道。 图9. 案件许多总结。 图10. 一致设计可变物。4.4. 15 毫米最高界面案例 1第一案件将是那使用所有被砍碳材料没有三明治建筑。这会被认为最少昂贵的案件使用最便宜的材料和有核心。核心增加了材料加工成本和铸造难度。正如所有案件那里是23个设计可变物和位移限制将被安置在震动塔的上面维护目标僵硬提前先被显示。A 初步分析表示, 最初的设计违犯位移限制大约33% 。图9展示这个情况的主体历史.。虽然最初的僵硬目标被违犯了近似地 13.6 公斤, 优化器能发现设计那满足了僵硬目标在6.2 公斤, 或64% (6.2 kg/64%) 许多减少估计钢大量。考虑这是一相对地降低表现材料, 这些结果是卓越的。图10 显示设计易变的发行这个案件。所有设计可变物的最初的厚度是10.0 毫米。数可变物被终止 114 M. E. Botkin 在被考虑2.0 毫米的他们的最低界面是可能合理地是的最小的厚度铸造使用树脂调动造型(RTM) 或结构反应注坯模型(SRIM) 。几可变物, 然而, 任意地结束了在 15 毫米选上的最高界面。它应该是针对性的在那之外终止在他们的鞋帮的可变物区域是更加敏感的(在数学感觉) 对限制比大量。剩下的人可变物对大量是敏感的比限制和因此提供机会为许多减少。一种15 毫米厚度被考虑是相当不切实际的价值和导致a 材料在那些地区需要的结论或者更高执行或三明治建筑, 带领案例2 。案例 2这个案件增加一个10 毫米厚实的浮筒木筏核心1.0 g/cm3 (6.5 lb/cf) 在震动的上面的密度塔, 即, 可变物7 和10 至13 依照被显示在图6 。由于增加的僵硬, 最初设计在这种情况下是7.8% 僵硬比目标价值。图9 显示这个案件的许多历史。虽然最初的设计是更加僵硬的, 最初大量更高归结于核心的重量和增加的面孔板料。另外, 最初的设计违反了方案1 (6.62 kg/61.3%) 。依照被展示在Botkin 4 当外壳厚度是非常大, 三明治建筑不能是有效。虽然几个变数被迫使他们的上界,最其它变数是与以防方案1相比更小。案例 3这个案件修改表面皮肤在三明治盘区(震动塔上面) 对一更高执行材料。这将是里的被编织的材料在物产被显示在表1 。它被承担这材料由低成本将被做 50K 拖曳碳纤维。图9 显示结果这个案件。可得出，最终质量只稍微好了一点(6.65 kg/61.2%)，厚度也没有如愿降低。即使弹性模数在织物上大得多，剪切性能也还是太低了。4.5.10 毫米最高界面以下案件显示减少的作用最高界面在厚度对10 毫米。它被考虑那15 毫米是过份地厚实的是合理的建筑。如同有人可能期待优选的大量增加在所有案件。案例4 这个案件维护所有切好的碳但与一个核心。(9.35 kg/45.4%) 案例5这个案件使用被编织的材料在震动塔区域(9.09 kg/46.9%) 。 案例6。 这个案件使用两层机织材料。外层0-90，内层45，以改善机织材料的剪切性能。这种构造是要明显降低其他两个案例中的质量。 (7.95 kg/53.6%) 。 4.6. _ 10 毫米最高界面 案例7这个案件是案例6的扩展。密度是每立方厘米1.5克20毫米，材料厚度上限7毫米。MTC 身体并且使用了一个20 毫米核心但铝蜂窝。这个案件导致大量6.55 公斤或61.8% 许多减少结束钢。这是a 非常合理的设计以最大厚度在实用考虑之内的范围。 案例8这个案件增加三明治建筑(一10 毫米浮筒木筏核心) 设计易变的地区17 和18 显示在图6 。案例7 的结果被表明这些地区是在他们的最高界面。此外, 依照被显示在图1, 震动塔并且被使用三明治建筑在侧面墙。正象一样案例6 和7 被编织的材料被使用了与同样放置。这个案件的结果非常是鼓励因为6 毫米一个最高界面是获得。虽然优选的大量大于方案7 (6.95 kg/59.4%), 如果最大厚度是问题, 这个案件也许是更加中意的。 4.7. 力量限制 案例9在这种情况下, 二种负荷状态增加来包括力量限制对僵硬设计(案例8) 。第一负荷状态代表平均障碍装载从35 哩/时(56.3 km/hr) 撞击在汽车的躯体成分较低栏杆的上面(10,000 N)和115结构上最优化应用(44,000 N),在每一方面。第二装货情况代表一个常用3g 坑洼装载(6675 N) 垂直应用了震动塔。约束被把强加给压力把碳和失败索引缩短为编织材料是4。从拉伸和耐压强度切好的碳是不同的, 更多保守的极限150 Mpa 被使用了作为重音限制。为失败索引(Hoffman), a 价值的1.0 被使用了作为限制极限。这个案件的结果被显示作为案例9 在图9 和10 。由于严格的限制是非常严格作为这低僵硬材料, 严格限制没有充当在的一个非常重要角色设计(7.1 kg/58.6%) 与案例8 比较了。它是仍然, 但是, 重要确定如果严格只是设计现实的。 4.8. 案件总结案例7 看来是最佳的设计。这个案件使用较不昂贵的切好的碳在所有区域除了二震动塔的上面被有机物的或被缝的席子材料层数被使用契合以一个20 毫米浮筒木筏核心。这型增强可能并且被获得从更加便宜, 大拖曳碳纤维和被显示有相似的物产。许多减少是61.8% 钢结构和一68% 相比为 PNGV 前面结构, 依照被指出及早, 被制造了从非常昂贵航空航天象材料和过程。5. 总结和结论 参数模型和结构最优化被用于研究设计轻量级的主体前部结构。无需手动数据准备，一个紧密连接的参数结构设计过程被描述了。参数模型被用于建造汽车前部结构概念的几个模型，汽车前部结构概念利用碳纤维合成材料和相应的成型步骤。通常有两个概念被研究，本文中只提出了一个，这个概念把汽车前部结构看作一个紧密的外形集合体。闭合部分是由内外两块构成的。超轻量级PNGV前部结构被再设计成包括所有合成材料的前部结构。人们通过研究几个碳纤维合成材料来尽可能地大量降低比过去低成本的碳纤维。结构优化用于组合结构和固定的前部结构设计的对比。通过各种材料和合成铺垫对八个案例进行了研究。预计钢用量节省45%-64%。最合理的设计包括一个由相对低价的切割碳化纤维和机织碳化纤维合成物，在震动区域顶部使用了20毫米的轻质木材。这个设计最大厚度达到7毫米，可大量减少钢用量，大约达到62%。同时人们还发现增加的力度限制对设计没有太大影响。参考文献： 1. Prsa, J. (1999) Hybrid material automotive structuredevelopment: Phase 2, 99IBECA-27, InternationalBody Engineering Conference, Detroit, MI2. Partnership for a New Generation of Vehicle HomePage. /pngv/3. UNIGRAPHICS online documentation, Version 15./docs/
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