中型客车车架结构拓扑优化设计.pdf

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中型客车车架结构拓扑优化设计★Topolo野optimizati佃DesignMid—sizedB吣Frame2原车架的静力分析张胜兰康元春卫主题词：中型客车车架轻量化拓扑优化二次设计文献标识码：A文章编号：l000—3703(20lofStructureb吣，Frame，Lightweight，Topolo野optimi勰tion，Secondaryd鹳i鲫1售订言一36一·设计·计算·研究·王(湖北汽车工业学院)【摘要】分析了某巾型客车车架静态性能，建立了3种车架拓扑优化概念模型。以质量最小为目的，讨论了车架中图分类号：u463．322)06一0036一04words：Mid_Sized汽车车架结构的有限元分析多是在结构设计基本成型之后．仅被用作在产品设计后期对设计方案进行校核，缺点一是结构无法创新；二是若发现问题．设计者已没有足够的自由度对结构做出全面改进。仅能局部调整。随着基于有限元的结构优化技术发展成熟．拓扑优化正逐步应用于产品的概念设计阶段。从而使上述缺点得到改善。本文以某公司开发的中型客车车架为原型．利用HyperWorks，以车架静态性能为基础，建立了车架3种拓扑优化概念模型．研究并探讨了车架横梁及副梁支撑分布方案．在满足结构强度及模态性能前提下．使车架质量减轻了22％。原车架结构如图l所示。车架材料为DL510，材料属性参数如表l所列。为方便后续的结构优化，将车架结构进行了简化，在静力分析中省略了吊耳和钢板弹簧。该中型客车整车质量(满载且含超载指标)为10059kg，车架净质量为524．2kg，动力总成质量为610kg，按集中质量形式施加在动力总成质心位置。行李舱质量为750妇，均匀分布在行李舱纵梁上．其他载荷直接以分布压力形式施加在纵梁前段和副梁上。计算了车架分别在弯曲、左前轮上跳、左后轮上跳3种工况下的强度。结果如表2所列。概念模型在纯弯曲、扭转和弯扭组合T况下的拓扑优化结果。根据拓扑优化材料分布图对该中型客车车架进行二次设计。提出副梁支撑采用矩形截面型材的方案。分析结果表明，新车架横梁及副梁支撑分布方案合理，在满足结构强【Abstr薯ct】staticperfo咖anceobjective，lhe车度和模态性能的前提下．质揖减轻了22％。Yuanchun，Wang(HubeiTechnology)paper．Withc8而edstrengthKey·基金项目：湖北省教育厅科学技术研究项目(D20082303)。网l原车架结构汽技术ZhangShenglan，KangWeiUnive惜ityAutomotivemid—sizedbusfhmeanalyzed，andlhreetopologyopIimizationconceptualmo(1elsthebujllinminimumdiscussestopologjcaloptimi功lionresultsmodelspuI℃bending，twistandbendingtwislingcombinaIioncondi“onsof．Basedmate—aldistributionoptimjzation，secondarydesignsthisf÷ameisrectangularsectionpmfilesschemeforsub—beamsupportingpmposed．Theanalysisshowfhatframebeamsupponingreasonable，andweightreducedby22％underprerequisitethatthestⅢcturereasonablemodalperI．0nnancemasspaperwasmel．areasonoutacn)ssaI_e
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夕脒一Ⅳii慨—目目吕■㈣蝴而3车架的拓扑优化一37一·设计·计算·研究·弯曲工况下的最大应力出现在左纵梁与行李舱纵梁螺栓连接位置．最大位移位于行李舱纵梁左后端。如图2所示。左前轮上跳40mm时。最大应力发生在左、右副梁前端的横梁右侧连接处。最大位移发生在左纵梁前端；左后轮上跳40mm时，最大应力发生在左、右副梁前端的横梁左侧连接处，最大位移发生在行李舱左副梁后端：3个工况下整个车架均处于低应力状态。考虑该车架在多年的实际使用过程中表现较好。未出现过损坏情况。因此认为各处的应力集中应为螺栓连接模拟不合理引起．车架满足材料强度要求。根据实际情况．建立了3种车架拓扑优化概念模型方案。方案l，纵梁、副梁为壳单元，其他为实体单元；方案2，车架为壳单元模型；方案3。车架为无副梁实体单元模型。以质量最轻为目的，在满足结构强度前提下，以单元密度为设计变量，位移或应变能为约束条件，在弯曲工况、扭转工况(左前轮上跳、左后轮上跳)和弯扭组合工况下施加对称约束