车辆轻量化设计中的几个问题

车辆轻量化设计中的几个问题主要内容1.前言2.客车车身骨架结构的子结构拓扑优化3.自卸车举升机构的轻量化设计4.结构载荷辨识主要内容1.前言2.客车车身骨架结构的子结构拓扑优化3.自卸车举升机构的轻量化设计4.结构载荷辨识1.前言轻量化设计对于提高产品性能、降低材料和能源消耗、提升产品竞争力具有重要意义。以有限元法、边界元法、有限体积法为核心的CAE技术在车辆轻量化设计中占有主导地位，可以在试制样机之前对产品设计的各种性能进行模拟计算和结构反复改进。1.前言基于先进的三维CAD技术，一般都可以获得精度比较高的几何模型。但准确确定CAE模型的边界条件、载荷条件，却不是一件容易的事情。对于大型有限元模型进行一次线性求解比较容易实现，进行反复迭代优化却需要耗费大量的求解时间。主要内容1.前言2.客车车身骨架结构的子结构拓扑优化3.自卸车举升机构的轻量化设计4.结构载荷辨识平面连续体在病态载荷作用下拓扑优化P=200N，Q=20000N河北赵州桥拓扑优化数值模拟净跨37.02m，矢高7.23m，腹拱净跨3.8m及2.8m，宽9m，主跨为圆弧形，半径27.3m。

2.客车车身骨架结构的子结构拓扑优化在客车车身的概念设计阶段引入拓扑优化设计方法，可以获得车身骨架的最优材料布置方案。但是：由于客车有限元模型的单元数量往往较为庞大，使得拓扑分析需要耗费大量的计算资源；不同工况下悬架系统的超静定非线性耦合承载特性使得有限元边界条件建模异常复杂。2.客车车身骨架结构的子结构拓扑优化将不需要进行拓扑优化的部分采用子结构法进行自由度凝聚缩减，可以达到达到节约计算资源的目的；采用基于载荷等效法和辅助约束法相结合的边界条件设置方法，较为准确的模拟悬架系统的耦合承载特性。主自由度的选择主要包括：超单元与非超单元的边界自由度；不同工况的载荷和位移约束施加自由度。子结构主结构拓扑优化模型2.客车车身骨架结构的子结构拓扑优化综合工况的拓扑优化分析中，需要根据各工况在客车实际运行过程中所占的比例设定不同的权重系数。运行工况顶棚侧围底架弯曲工况50%50%50%制动工况5%15%5%起动工况5%15%5%转弯工况(左、右转)5%5%15%扭转工况(左、右侧悬空)15%5%5%主要内容1.前言2.客车车身骨架结构的子结构拓扑优化3.自卸车举升机构的轻量化设计4.结构载荷辨识3.自卸车举升机构的轻量化设计自卸车是利用发动机动力驱动液压举升机构，将车厢倾斜一定角度从而达到自动卸货的目的，并依靠货箱自重使其复位的专用汽车。举升机构是自卸汽车的重要工作系统之一,该机构的一个铰接点与车厢底部以铰链形式连接，在自卸车工作过程中举升机构在液压缸的推动下将自卸车的车厢举升到不小于所载货物安息角的角度以达到卸货的目的。3.自卸车举升机构的轻量化设计工程自卸车在设计阶段很大的一部分开发时间被液压举升机构的选择与布置所占用:反复移动机构铰接点，通过运动分析计算移动铰接点后机构的最大举升力、液压缸的行程是否满足要求、举升过程中是否存在干涉问题、是否能够达到给定的最大举升角等等，最终找到最合适的铰接点位置，以达到既满足举升高度的要求，又最省力最省材料。2.传统的设计计算方法国内外以往的研究成果在分析计算举升机构建立数学模型时，一般采用的是解二元二次方程组或三角代数的计算方法，这两种方法的计算量都比较大，而且需要判根。我们提出了一种自卸车举升机构分析的统一显式计算模型，只需进行简单的线性代数运算即可方便地实现几何和受力分析。基于线性变换的举升机构统一模型（1）求铰接点A的坐标：其中：显式计算4.基于线性变换的举升机构统一模型

求铰接点B的坐标：显式计算4.基于线性变换的举升机构统一模型求各杆件中的力：对[1],[2]受力分析，得到矩阵方程（a）：若不求三角臂中的力，可用矩阵方程（b）：对[3],[4]受力分析，得到矩阵方程（c）：若不求三角臂中的力，则可采用矩阵方程（d）：基于线性变换的举升机构统一模型主要特色：几何分析为显式线性代数运算，无需解方程和判根。静力平衡分析只需求解4阶或2阶线性方程组。不同举升机构可以采用统一的数学模型，编制通用的计算程序。举升机构优化设计模型设计变量：以举升机构在初始位置时各铰接点的坐标为设计变量，共有12个参数，分别如下：目标函数

一般来说，根据不同的性能要求，举升机构优化模型的目标函数可以是初始举升力、最大举升力、液压缸行程以及油压波动系数等性能参数。通常情况下以最大举升力最小为优化目标，其数学模型为可写作：

约束条件分析（1）变量上下限约束

对目标函数进行优化过程中，设计变量的值不可能随意变化，因此应设定设计变量的上下限值，如下：(2)油缸行程约束

为使举升机构结构紧凑，布置方便，油缸最大伸长量不宜过大，同时为满足工作的需要，油缸也应有最小的安装尺寸，这样便得到如下约束条件：（3）运动干涉约束对四种举升机构都有可能发生铰接点B与车厢底板的运动干涉，若设：其中是的方向向量,只要保证的方向沿y轴的正方向就不会发生此运动干涉。由于所以（4）初始举升力约束

在举升机构初始位置时，各铰接点静摩擦力矩最大，所以最大举升力不应出现在举升机构举升的初始位置，即：（5）复位性约束

车厢在卸货后应能自动复位，由于卸货后整个机构符合静力平衡，所以只有靠减小油缸油压才能实现车厢的自动复位，因此在最大举升角位置处，油缸油压应大于零，即举升力不为零,则有：其中，为卸货后的举升力，为卸货后所允许的最小举升力。（6）传动型约束

对于四种举升机构在举升过程中有可能会出现油缸伸长而车厢回落的现象，所以应要求油缸随着举升角的增大而持续伸长，即：（7）最大举升角在举升过程中，三点共线时，就到达盲区边界，将不能在继续运动即不能到达最大举升角计算出此时的举升角为：通过

自卸车举升机构参数优化系统界面（1）前推连杆组合式举升机构参数优化实例

在程序界面中输入以下各参数：最大举升角：48°

载重：290000N油缸最大行程：735mm

油缸最小安装尺寸：1100mm车厢重量：70000N

各铰接点的初始坐标值及优化输出结果：（b）拉杆受力变化曲线结论：用优化方案得到的设计变量值对举升机构进行分析,各铰接点均能满足运动协调性要求，所以优化方案是有效的。（a）举升力变化曲线图（2）后推连杆组合式举升机构参数优化实例

在程序界面中输入以下各参数：最大举升角：32°

载重：290000N油缸最大行程：735mm

油缸最小安装尺寸：400mm车厢重量：70000N

各铰接点的初始坐标值及优化输出结果：（b）拉杆受力变化曲线（a）举升力变化曲线图结论：用优化方案得到的设计变量值对举升机构进行分析,各铰接点均能满足运动协调性要求，所以优化方案是有效的。（3）前推杠杆组合式举升机构参数优化实例在程序界面中输入以下各参数：最大举升角：32°

载重：290000N油缸最大行程：735mm

油缸最小安装尺寸：400mm车厢重量：70000N

各铰接点的初始坐标值及优化输出结果：（b）拉杆受力变化曲线（a）举升力变化曲线图结论：用优化方案得到的设计变量值对举升机构进行分析,各铰接点均能满足运动协调性要求，所以优化方案是有效的。（4）后推杠杆组合式举升机构参数优化实例

在程序界面中输入以下各参数：最大举升角：48°

载重：290000N油缸最大行程：735mm

油缸最小安装尺寸：400mm车厢重量：70000N

各铰接点的初始坐标值及优化输出结果：（a）举升力变化曲线图（b）拉杆受力变化曲线结论：用优化方案得到的设计变量值对举升机构进行分析,各铰接点均能满足运动协调性要求，所以优化方案是有效的。a）改进前

b）改进后优化后的举升机构减重44.84kg，减重率为9.88%；优化后的举升机构，在油缸行程不变的情况下，举升29吨重量所需的油缸压力由原来的21.9Mpa降低为19Mpa。主要内容1.前言2.客车车身骨架结构的子结构拓扑优化3.自卸车举升机构的轻量化设计4.结构载荷辨识4.结构载荷辨识像工程机械、农业机械等在作业时，各部件的工作载荷往往事先很难精确确定，根据发动机或液压动力装置的最大负荷得出的对结构件载荷的估计又过于粗糙和保守。由于不能得到准确的工作载荷，给结构件的CAE分析和结构优化造成了很大的困难。可以利用CAE分析和应变电测试验相结合的方法，反求结构件的载荷。未知载荷向量可测应变向量待定柔度矩阵电阻应变片4.结构载荷辨识(1)确定待定载荷类型与数量m，在结构件上选择n个（n>=m）容易测量、结果稳定、分布范围广的应变测点，测量在工作载荷下各点的应变输出。(2)在CAE模型中，对于每一个未知载荷，分别施加一个对应的单位载荷，计算n个测点的应变，这n个应变值即构成所需的柔度矩阵的一列。(3)利用实验测得的应变向量和CAE单位载荷法计算得到的柔度矩阵计算未知载荷向量：4.结构载荷辨识当测点数量大于待辨识载荷数量时，柔度矩阵行数大于列数，构成超定方程组，可以用广义逆法求得载荷的最小二乘解。超定方程可以有效降低辨识载荷对测量误差的灵敏度，使辨识结果更加可靠。工况Fx1(N)Fy1(N)Fx2(N)Fy2(N)单位载荷11000单位载荷20100单位载荷30010单位载荷40001