【文章內容簡介】 40 簡單的車架縱梁優(yōu)化設計模型的建立 40 定義優(yōu)化變量及運行優(yōu)化 43 定義優(yōu)化變量 43 設置并運行優(yōu)化 43 優(yōu)化結果分析 44 本章小結 47 結論 48 參考文獻 49 致謝 51 附錄 錯誤 !未定義書簽。 附錄 A 外文文獻原文 錯誤 !未定義書簽。 附錄 B 外文文獻中文翻譯 錯誤 !未定義書簽。 附錄 C 程序命令流 59 附錄 C1 彎曲分析命令流 59 附錄 C2 扭轉分析命令流 63 附錄 C3 模態(tài)分析命令流 70 附錄 C4 優(yōu)化設計命令流 76 1 第 1章 緒 論 研究目的和意義 隨著現(xiàn)代汽車設計要求的日益提高，將有限元法運用于車架設計已經成為必然的趨勢，主要體現(xiàn)在 ]61[? ： ①運用有限元法對初步設計的車架進行輔助 分析將大大提高車架丌發(fā)、設計、 分析和制造的效能和車架的性能。 ②車架在各種載荷作用下，將發(fā)生彎曲、偏心扭轉 和整體扭轉等變形。傳統(tǒng)的車架設計方法很難綜合考慮汽車的復雜受力 變形情況，有限元法正好能夠解決這一問題。 ③利用有限元法進行結構模態(tài)分析，可以得到車架結構的動態(tài)特性。從設計上避免車架出現(xiàn)共振的現(xiàn)象。 ④通過對車架結構的優(yōu)化設計，可以進一步降低車架的重量，在保證車架性能的前提下充分的節(jié)省材料，對降低車架的成本具有重要的意義。綜上所述，有限元法已經成為現(xiàn)代汽車設計的重要工具之一，在汽車產品更新速度快，設計成本 低、輕量化和舒適性要求越來越高的今天，對于提高汽車產品的質量、降低產品開發(fā)與生產制造成本，提高汽車產品在市場上的競爭能力具有重要意義。 通過本文的研究，預計達到以下目的： ①建立車架結構有限元分析的規(guī)范化步驟，為將有限元技術應用于車架設計做好基礎性工作。 ②通過運用有限元軟件對車架結構進行分析，可供車架設計有關人員提供參 考 。 ③對所研究的車架進行結構的靜、動態(tài)特性分析，為車架的設計提供理論支 持。 ④對車架結構的優(yōu)化進行初步探討，為優(yōu)化設計運用于車架設計進行初步的嘗試，以便于以后更好地為車架設計服務 。 研究背 景 在汽車行業(yè)中，有限元法廣泛應用于各大汽車總成，包括車架、車身、車橋、離合器、輪胎、殼體等零部件以及駕駛室噪聲的分析，大大提高了汽車的設計水平，正在成為設計計算的強有力工具之一。 目前，在進行汽車車架設計時，設計人員主要采用的還是傳統(tǒng)的辦法對車架進行簡化的計算，或者由其它部門進行有限元分析計算。車架的這種設計模式導致的問題 2 包括兩個方面：一是車架簡化計算精度不夠，為保證強度及剛度要求而使車架的設計過于安全，造成設計出的車架結構過重，增加了設計成本；二是造成車架的設計與計算分離，不利于提高車架設計人員的設 計水平。為了促進車架設計水平的提高，保證整車在市場上的競爭能力，必須將車架有限元分析技術提高到戰(zhàn)略的高度上來。因此，本文以 輕 型貨車車架為研究對象，主要對車架結構有限元模型的建立，靜、動態(tài)特性分析以及設計參數(shù)的優(yōu)化等內容進行研究與探討，最終掌握車架結構的特性，對車架結構進行評價，得出車架 結構縱梁優(yōu)化模型，為車架結構的強度及動力特性的仿真以及優(yōu)化提供基礎 ]7[ 。 有限元法在 國內外 車架結構設計中的 研究現(xiàn)狀 在國外，從 60 年代起就開始運用有限元法進行汽車車架結構強度和 剛度的計算。1970 年美國宇航局將 NASTRAN 有限元分析程序引入汽車結構分析中，對車架結構進行了靜強度有限元分析，減輕了車架的自重，是最早進行車架輕量化的分析。當前，國外各大汽車公司利用有限元軟件進行車架結構靜態(tài)分析、模態(tài)分析的技術已非常成熟，其工作重心已轉向瞬態(tài)響應分析、噪聲分析、碰撞分析等領域。特別是隨機激勵響應分析備受青睞，主要是因為它可用來進行車輛的強度、剛度、振動舒適性和噪聲等方面的分析：國外將有限元法引入到車架強度計算比較早，而我國大約是在七十年代末才把有限元法應用于車架的結構強度設計分析中。 在有限元法對汽車車架結構的分析中，早期多采用梁單元進行結構離散化。分析的初步結果是令人滿意的，但由于梁單元本身的缺陷，例如梁單元不能很好的描述結構較為復雜的車架結構，不能很好的反映車架橫梁與縱梁接頭區(qū)域的應力分布，而且它還忽略了扭轉時截面的翹曲變形，因此梁單元分析的結果是比較粗糙的。而板殼單元克服了梁單元在車架建模和應力分析時的局限，基本上可以作為一種完全的強度預測手段。近十 年來，由于計算機軟件與硬件的飛速發(fā)展，板殼單元逐漸被應用到汽車車架結構分析中，使分析精度大為提高，由過去的定性或半定量的分析過度到定 量階段。隨著計算機軟、硬件技術的發(fā)展，特別是微機性能的大幅提高及普及，在微機上進行有限元分析已不再是很困難的事，同時有限元分析的應用得以向廣度和深度發(fā)展。 國外大型汽車公司經過近百年的汽車設計制造，在車架設計方面積累了豐富的試驗數(shù)據(jù)和理論分析經驗，形成了實用的結構設計數(shù)據(jù)庫、設計改正記錄和設計規(guī)范。目前應用于車架開發(fā)上比較成熟的方面主要有：剛度、強度分析 (應用于整車、大小總成與零部件分析以實現(xiàn)輕量化設計 )， NVH 分析 (各種振動、噪聲，包括摩擦噪聲、風噪聲等 )、機構運動分析等；建立在分析和實驗基礎上的種優(yōu)化方法 為車架設計提供了多種實用的 3 選擇方案，使車架設計從經驗設計到優(yōu)化設計跨出了一大步。在關于優(yōu)化算法方面的研究，國外將遺傳算法引入到結構形狀優(yōu)化算法中并獲得良好的效果。總的看來，國外輕量化研究主要有以下幾個方面： (1)提出先進的設計理念，發(fā)展先進的制造工藝并通過尺寸參數(shù)優(yōu)化而得到新的輕量化結構； (2)將拓撲優(yōu)化和形狀優(yōu)化引入到結構輕量化過程中； (3)提出新的現(xiàn)代優(yōu)化方法，并進入到結構輕量化中； (4)利用硬件優(yōu)勢，大量考慮動態(tài)過程中的各種約束，對尺寸參數(shù)進行優(yōu)化而得到輕量化結構。 我國早在 1956 年就由我國著名的數(shù) 學家馮康教授在有限單元法的研究方面發(fā)表了研究論文，在研究變分問題的差分格式中，獨立的提出了分片插值的思想，并把它用于工程結構的分析，為有限元法的形成做出了貢獻。目前，我國利用有限元法進行汽車分析已發(fā)展到普遍應用有限元法靜強度和有限元動態(tài)響應分析及優(yōu)化分析階段。2021 年馬迅、盛勇牛以車架的部分結構的截面尺寸為優(yōu)化變量，采用板殼和梁單元組合建立有限元模型，以車架變形和一階頻率為約束，在彎曲和扭轉工況取得了減重％的效果。 2021 年 10 月李娜采用板殼單元對機車車頂結構建立有限元模型，應用自己編制的遺傳算 法程序，對形狀、加強筋的布置數(shù)量和位置以及截面尺寸進行了優(yōu)化，減輕重量 。 2021 年 5 月杜海珍針對汽車典型結構拓撲優(yōu)化方法及應用進行了研究。為了解決在刪除無效材料時可能導致的應力集中問題，基于圍繞結構邊界和孔洞周圍附加人工材料單元的思想，提出了一種新的基于應力及其靈敏度的優(yōu)化準則。 2021 年 4 月吉林大學的余傳文采用板殼單元對某重型載貨汽車車架結構建立有限元模型，并對車架結構的靜、動態(tài)特性分析的進行了研究，在建立簡單的車架梁單元優(yōu)化模型的基礎上，以車架縱梁截面尺寸為設計變量對車架進行優(yōu)化分析，從車 架體積和最大變形隨著迭代過程的變化曲線可以看到車架的自重明顯降低 Iz01。 2021 年6 月北京航空航天大學的張洪偉，張以都等人探討了基于動力特性靈敏度分析的動力修改技術。建立了某農用車車架的參數(shù)化有限元模型，并對車架進行靈敏度分析，在分析結果的指導下，進行了車架的動力修改，取得了良好的效果，為農用車改型設計及推出新產品提供了思路和設計依據(jù)，為在工程實踐中應用結構動力修改和結構優(yōu)化設計理論作了有益的嘗試。雖然前人在車架的有限元分析方面已做了大量的工作，但之前的研究對靈敏度分析和優(yōu)化設計大都是分開進行的，對其進行 動力修改，提高其動力性能，單憑設計人員的經驗進行修改，自然避免不了盲目性，也不能做到以最小的改動達到最佳的效果，因此有必要在靈敏度分析的基礎上進行優(yōu)化設計。 在國內，高等院校對基于結構優(yōu)化的車輛輕量化研究發(fā)展也很多，但由于沒有完備的結構設計數(shù)據(jù)庫和設計規(guī)范，有時只能按解剖進口車結構來進行參照性設計。具體在車架結構分析方面，車架的剛度分析對結構分析的重要性近些年已受到廣泛的重視。從分析類 4 型上看，仍以車架結構靜態(tài)分析為主。虛擬試驗場整車分析正在著手研究，此外還有焊裝模擬分析、噴涂模擬分析等。其中，車架剛度、強度分 析，碰撞模擬分析，空氣動力特性分析。金屬板件拉延成形特性分析等已步入實用化階段，為車架的全面優(yōu)化設計奠定了基礎。國內目前的輕量化研究主要集中在汽車一般零部件、底盤車架結構等的改形設計方面，在產品設計階段引入有限元法對車架輕量化設計的研究很少。與國外相比，國內關于在輕量化設計過程中引入新的現(xiàn)代優(yōu)化算法的研究比較匱乏，輕量化設計過程中的分析規(guī)模較小， CAD／ CAE 一體化在產品設計開發(fā)階段的應用還不成熟以至于汽車生產廠家很少采用。 同時，國內外不少公司、科研機構及高等院校陸續(xù)開發(fā)了一些通用性很強的大型有限元結構分 析軟件程序，這些程序可用來分析任意規(guī)模的結構，如整架飛機或整個汽車的結構。這些有限元軟件已發(fā)展到成熟的階段，比較成熟并且普及較廣的有美國加利福尼亞大學伯克利分校研制的 SAP、美國麻省理工學院研制的 ADINA、美國國家航空與航天局研制的 NASTRAN、德國斯圖加特大學宇航結構靜力學研究所研制的ASKA、世界上最大的有限元分析軟件公