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                    重型汽車車架結構抗疲勞設計

                    添加時間:2018/07/26 來源:湖南大學 作者:單喜樂
                    本文以某重型汽車的車架為研究對象,在車架結構多目標拓撲優化設計的基礎上開展抗疲勞輕量化設計研究。以靜態多工況剛度和動態低階固有頻率為目標,基于變密度法拓撲優化理論,對車架進行了多目標拓撲優化設計,得到了材料分布較為合理的車架結構。
                      以下為本篇論文正文:

                    摘 要

                      重型載貨汽車長期處于滿載甚至超載運行中,工作條件惡劣,路況復雜多變,使得受力最為復雜的車架很容發生疲勞破壞,而車架作為重型汽車的關鍵零部件,其疲勞壽命性能的優劣將直接影響汽車的品質和安全性。因此,研究車架的疲勞壽命顯得很有必要。

                      本文以某重型汽車的車架為研究對象,基于變密度法拓撲優化理論,對車架進行多目標拓撲優化設計。同時,對該車架進行抗疲勞輕量化研究。主要研究內容如下:

                     。1)建立了車架拓撲優化模型,根據重型汽車的配件質量以及滿載質量來確定車架的受力情況,分析了車架在四種典型工況下的約束情況。本文采用折衷規劃法把多工況剛度和低階頻率的多目標優化問題轉化為單目標優化問題,通過層次分析法計算出了各個子目標的權重系數,基于變密度法以靜態多工況下柔度最小和多階低階固有頻率最大為目標,對車架進行多目標拓撲優化。

                     。2)根據拓撲優化結果以及參考同類型汽車車架的結構,建立了車架幾何模型和有限元模型。對車架在四種典型工況,即彎曲工況、扭轉工況、緊急制動工況和緊急轉彎工況下的靜態響應進行了分析,得到了車架的應力分布和變形,并進行了強度校核;谀B理論對車架進行模態分析,并提取前十階模態頻率以及振型。

                     。3)依據多體動力學原理,建立了該重型汽車動力學簡化模型,以 C 級路面的時域激勵信號為輸入,獲得了該車滿載行駛下車架與懸架連接處的動態載荷時間歷程。結合材料 S-N 曲線、載荷譜以及單位載荷下準靜態應力結果,基于名義應力法,同時選用 Miner 線性累積損傷法則對車架進行了疲勞壽命分析。

                     。4)選取車架縱橫梁和加強板厚度作為設計變量,以車架質量和疲勞壽命為優化目標,建立了車架結構的抗疲勞輕量化模型,利用多目標遺傳算法(NSGA-II)對車架進行基于 Kriging 近似模型的抗疲勞輕量化設計。優化后,在車架疲勞壽命略微提高的情況下,質量減少了 4.4%,并且該車架仍然具有良好的靜動態特性。

                      本論文較為全面的對重型汽車車架進行了抗疲勞輕量化研究,達到了預期效果,論文研究成果對重型汽車車架的實際研發具有一定的指導意義。

                      關鍵詞:車架;多目標拓撲優化;疲勞壽命;輕量化

                    Abstract

                      Heavy truck is always being driven under full load even overload conditions. So on the complicated roads with adverse it is very easy to result in fatigue damage of the frame whose stress is the most complex on a truck. However the frame is a key component of a heavy truck, the merits and demerits of the fatigue life performance will directly affect the quality and safety of the heavy trucks.Therefore, the research on the fatigue characteristics of frame is particularly important.

                      This paper takes the frame of a heavy truck as the research object and multi-objective topology optimization design of the frame is conducted based on variable density topology optimization theory. At the same time, anti-fatigue lightweight of the frame is researched. The main contents are as follows: (1)The topology optimization model of the frame is established. According to the quality of the parts and the full load of the heavy truck, the force of the frame is determined, and the restraint of the frame under the four typical conditions is analyzed.This paper uses the compromise programming method to transform the multi-objective optimization problem of multi-conditions stiffness and low-order frequencies into single-objective optimization problem. The weight coefficients of each sub-goal are calculated by AHP. The multi-objective topology optimization design is conducted based on variable density method, taking minimum compliance under static multi-conditions and maximum multi-low-order natural frequencies as the goal.

                      (2)According to the topology optimization results and referring to the structure of the same type of heavy truck frame, the geometric model and finite element model of the frame are established. The static response of the frame is analyzed under the four typical conditions, which are bending condition, reversing condition, emergency braking condition and urgent turning condition. The stress distribution and deformation of the frame under the four typical conditions are obtained, and the strength of the frame is checked. The frame model analysis is conducted based on the modal theory, and the top ten order modal frequencies and corresponding model vibration mode are extracted.

                      (3)A simplified dynamic model of the heavy truck is established based on the multi-body dynamics principle. Choosing the time-domain excitation signal of the C-level road as input, the load time history from the position where the frame and suspension connect is extracted. According to the material S-N curve, the load spectrum and the quasi-static stress results under unit load, the fatigue life of the frame is analyzed based on the nominal stress method and Miner's linear cumulative damage method.

                      (4)Taking the frame cross-beam and stiffener thickness as the design variables,the anti-fatigue lightweight model of the frame structure is established with the frame quality and the fatigue life as the optimization objectives. The anti-fatigue lightweight design of the frame is reached based on Kriging approximation model by using the multi-objective genetic algorithm (NSGA-II). The weight of optimized frame is reduced by 4.4% with the frame fatigue life slightly increased, and the frame still has good static and dynamic behavior.

                      This paper completes a relatively comprehensive study on the anti-fatigue lightweight design of the heavy truck frame, and achieves the desired results.The research results of this paper have some significance on the actual development of the heavy truck frame.

                      Key Words: Frame; Multi-objective topology optimization; Fatigue life; Lightweight

                      重型汽車是指總質量大于等于 12 噸的載貨汽車,主要運用在城市基礎建設、公路、港口碼頭、露天礦山、環衛等大型施工場所[1]。隨著國家對城鎮化的加快發展,我國城市基礎建設投入力度不斷擴大,這些重大工程的建設需要大量的礦產資源,相應的也增加了對重型汽車的需求量。

                      隨著我國市場經濟的快速發展,國內的汽車市場也漸漸趨于成熟,企業之間的競爭也越來越激烈,汽車的研發速度也在加快。人們對汽車產品的性能提出了更高的要求,更加關注汽車的安全性、可靠性、舒適性以及經濟性。各汽車企業必須加快研發速度,縮短研發周期,只有研發出性能好并且價格低的汽車產品,才能在激烈的競爭市場占有更多的份額。這就需要設計者找到一種合適的流程方法縮短產品的研發周期,降低成本,提高產品質量,進而提高產品競爭力,使其具有良好的經濟效益。

                      隨著能源危機以及環境問題的出現,為了健康、可持續發展我國汽車工業,開發油耗低、排放少的載貨汽車成為重型汽車的發展趨勢。汽車輕量化是汽車節能減排的重要方法之一,其目的是在保證汽車安全性能的前提下,盡量減輕汽車質量,進而可以增強汽車動力性,降低燃油消耗,減少污染排放。減輕載貨汽車質量可以節約材料,減少成本,提高企業市場競爭力,增加企業的經濟效益,在同等運輸條件下,客戶更青睞于質量輕和油耗低的汽車,輕量化更能滿足客戶的需求。據統計,汽車總質量降低 10%,燃油效率可以提高 6%-8%[2]。車架作為載貨汽車的一個重要部件,連接和裝配著汽車上各種零件,比如駕駛室、發動機、傳動系統、懸架、油箱等部件,同時車架也承載著貨物大部分的重量,以及零部件傳遞的載荷,因此其結構的合理性對整車性能具有較大的影響。在實際運行過程中,重型汽車經常滿載行駛,使用條件惡劣,以及運行工況復雜,車架長時間承受著各種動態載荷,因而很容易發生疲勞破壞導致車輛無法正常運行。因此在車架設計的過程中,除了對其進行動靜態分析計算其強度和剛度外,還需要計算其結構的疲勞可靠性,使其疲勞壽命達到要求。

                      傳統重型汽車車架的設計方法一般采用“設計-試驗-調整”的策略。設計人員根據車輛總質量、貨物載重量以及車輛行駛工況,采用其工程經驗來對車架進行設計,然后用試驗來驗證車架的各種性能。雖然試驗方法真實可靠,但是必須在樣車完成后進行,試驗周期長,費用也高,并且也受眾多的隨機因素影響[3]。

                      旦發現問題,還需要進行重新設計,往往也只能依靠技術人員的經驗來進行修改設計,缺乏理論指導,很難找到問題根源,并且增加了額外成本。一般傳統方法設計出的車架,其強度和剛度都能夠達到使用要求,但是質量較大,在某些局部區域可能造成材料的浪費,使車架的強度分布不均,行駛過程中可能會出現局部疲勞破壞[4]。

                      綜上所述,本文以某重型汽車車架為研究對象,通過有限元分析軟件,基于優化設計理論,對車架進行多目標拓撲優化以及抗疲勞輕量化設計。首先以多工況剛度和低階固有頻率為目標,對車架進行多目標拓撲優化得到結構和材料分布較為合理的車架結構。然后建立重型汽車整車簡化動力學模型,獲得在滿載行駛工況下車架的載荷時間歷程,對車架進行疲勞壽命分析。最后,對車架進行抗疲勞輕量化設計,在保證車架疲勞強度的基礎上,進一步降低質量,進而降低成本。

                      本文提出對重型汽車車架抗疲勞輕量化方法,不僅能夠為該車架的前期設計開發階段提供較合理的材料分布,也為車架的結構優化設計提供指導依據,而且提供了一種適用于汽車各零部件,能夠快速、方便地進行優化的設計方法。從而可以為汽車制造企業提高車輛性能,縮短開發周期,降低成本,提高其產品競爭力,具有重要意義。

                      重型汽車車架結構抗疲勞設計演示:

                    車架設計變量選取
                    車架設計變量選取

                    前懸左側支點單位載荷應力圖
                    前懸左側支點單位載荷應力圖

                    前懸右側支點單位載荷應力圖
                    前懸右側支點單位載荷應力圖

                    中懸左側支點單位載荷應力圖
                    中懸左側支點單位載荷應力圖

                    中懸右側支點單位載荷應力圖
                    中懸右側支點單位載荷應力圖

                    車架疲勞壽命結果
                    車架疲勞壽命結果

                    圖 4.21  圖 4.22
                    圖 4.21  圖 4.22

                    目 錄

                      學位論文原創性聲明和學位論文版權使用授權書.
                      摘 要
                      Abstract
                      第 1 章 緒 論
                        1.1 論文研究背景和意義
                        1.2 拓撲優化研究現狀
                        1.3 疲勞壽命研究概況
                        1.4 抗疲勞輕量化研究現狀
                        1.5 本文主要研究內容
                      第 2 章 車架多目標拓撲優化研究
                        2.1 建立車架拓撲優化模型
                          2.1.1 建立車架拓撲優化幾何模型
                          2.1.2 劃分拓撲優化設計空間
                          2.1.3 定義材料和屬性
                          2.1.4 確定載荷邊界條件
                          2.1.5 選取工況和約束條件
                        2.2 建立拓撲優化數學模型
                          2.2.1 單工況剛度優化數學模型
                          2.2.2 低階動態固有頻率拓撲優化數學模型
                        2.3 單工況下車架剛度拓撲優化
                          2.3.1 彎曲工況拓撲優化
                          2.3.2 扭轉工況一拓撲優化
                          2.3.3 扭轉工況二拓撲優化
                          2.3.4 扭轉工況三拓撲優化
                        2.4 低階固有頻率拓撲優化
                        2.5 車架多目標拓撲優化設計
                          2.5.1 同時考慮剛度和頻率要求的多目標拓撲優化設計
                        2.6 本章小結
                      第 3 章 車架靜動態性能分析
                        3.1 建立車架幾何模型
                          3.1.1 確定縱梁結構
                          3.1.2 確定橫梁結構
                          3.1.3 確定車架縱橫梁的連接方式
                        3.2 建立車架有限元模型.
                          3.2.1 幾何清理
                          3.2.2 邊界條件模擬和網格劃分
                          3.2.3 施加載荷
                        3.3 車架靜態分析
                          3.3.1 彎曲工況分析
                          3.3.2 扭轉工況分析
                          3.3.3 緊急制動工況分析
                          3.3.4 緊急轉彎工況分析
                        3.4 車架模態分析
                          3.4.1 模態分析理論基礎
                          3.4.2 車架模態分析及評價
                        3.5 本章小結34
                      第 4 章 車架疲勞壽命分析
                        4.1 疲勞壽命分析基本理論和
                          4.1.1 疲勞累積損傷理論
                          4.1.2 雨流計數法
                          4.1.3 材料的 S-N 曲線
                          4.1.4 疲勞壽命分析方法的選擇
                        4.2 車架動態外載荷計算
                          4.2.1 時域路面激勵仿真
                          4.2.2 車架動態載荷仿真
                        4.3 基于名義應力法的車架疲勞壽命分析
                          4.3.1 車架準靜態應力分析
                          4.3.2 車架材料 S-N 曲線的獲取
                          4.3.3 車架疲勞壽命分析結果
                        4.4 本章小結
                      第 5 章 車架抗疲勞輕量化設計
                        5.1 實驗設計與近似模型方法
                          5.1.1 拉丁超立方試驗設計方法
                          5.1.2 Kriging 法
                        5.2 車架抗疲勞輕量化板厚設計
                          5.2.1 確定設計變量和區間變量
                          5.2.2 建立多目標優化數學模型
                          5.2.3 建立基于 Kriging 法的車架抗疲勞輕量化板厚設計模型
                          5.2.4 多目標遺傳算法(NSGA-II)
                          5.2.5 車架抗疲勞輕量化板厚設計結果
                        5.3 車架抗疲勞輕量化設計結果驗證
                          5.3.1 車架疲勞壽命分析結果
                          5.3.2 車架靜力學分析
                          5.3.3 車架模態分析
                        5.4 本章小結
                      總結和展望
                      參考文獻
                      致 謝

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