一种轻型车辆非承载式车架结构优化设计方法

摘要

一种轻型车辆非承载式车架结构优化设计方法，其包括采用SolidWorks软件建立轻型车辆原始车架结构三维几何模型，并输出成IGES数据文件格式，得到车架结构IGES模型；在Hypermesh软件中读入车架结构IGES模型，利用Hypermesh软件进行几何处理并划分有限元网格，在不改变车架纵梁及附座结构形式的前提下，采用Hypermesh软件的结构优化功能进行车架横梁结构的拓扑优化，实现横梁结构的布置位置及结构形式的优化设计。其目的在于提供一种在不增加车架结构重量的前提下，提高轻型车辆车架的弯曲刚度、扭转刚度以及车架结构固有频率，从而确保车架具有较高的整体刚度，提高车辆的可靠性、安全性、操纵稳定性以及振动特性的轻型车辆非承载式车架结构优化设计方法。

主权项

一种轻型车辆非承载式车架结构优化设计方法，其特征在于包括如下步骤：(1)采用SolidWorks软件建立轻型车辆原始车架结构三维几何模型，并输出成IGES数据文件格式，得到车架结构IGES模型；(2)在Hypermesh软件中读入车架结构IGES模型，利用Hypermesh软件进行几何处理并划分有限元网格，在结构优化设计时，不改变车架附座的结构形式，因此在进行几何处理及有限元建模时，只建立车架结构纵梁与横梁结构的有限元模型，由于要将车架横梁作为结构优化的设计区域，采用二维壳单元建立车架纵梁的有限元模型，采用三维六面体网格填充车架横梁可能分布的设计区域，采用节点连接的方式将二维单元和三维单元进行连接，完成车架结构有限元建模；(3)车架载荷及边界条件加载：车架结构主要承受弯曲及扭转载荷，分别建立车架弯曲及扭转载荷工况。所述弯曲载荷工况主要考核车架结构的弯曲刚度，在该工况下，约束车架与前后悬架固定支撑点的所有自由度，在车架中间位置等效加载车箱自重载荷及货物载重量；所述扭转载荷主要考核车架结构的扭转刚度，在加载车架结构扭转载荷时，约束车架与后悬架固定支撑点的所有自由度，然后在车架与前悬架固定支撑点处施加大小相等、方向相反的垂直方向集中载荷；(4)设计区域及设计变量定义：将车架结构横梁的分布区域定义为设计区域，将三维六面体单元的相对密度定义为设计变量，优化设计过程中，根据单元相对密度的大小，决定结构中是否取舍该单元，根据结构重量指标及刚强度要求，取单元相对密度阈值为0.285，舍弃单元相对密度小于阈值的结构单元；(5)定义目标函数：在进行车架结构优化设计时以最大限度提高车架结构的弯曲刚度、扭转刚度以及车架结构前6阶固有频率值为目标。在Hypermesh软件优化模块中定义加权目标函数K为目标函数，k₁、k₂分别为弯曲刚度及扭转刚度，w₁、w₂分别为对应于弯曲刚度及扭转刚度的加权系数，w_j对应于车架前6阶固有频率的加权系数，λ_j车架结构前6阶固有频率值，w₀为用于平衡弯曲、扭转载荷工况与结构固有频率的加权系数由于弯曲刚度值的数量级为10⁶，扭转刚度值的数量级为10²，而结构前6阶固有频率值的数量级也为10²，因此取w₁＝1、w₂＝3.25×10⁴、w_j＝1、w₀＝2.18×10⁴；(6)在Hypermesh软件优化模块中令加权目标函数K最大化，采用拓扑优化功能进行车架结构拓扑优化设计，得到车架结构横梁在空间中分布位置及分布形式的车架结构拓扑密度云图；(7)根据车架结构拓扑密度云图重构车架结构几何模型以及有限元模型，得到优化后的轻型车辆非承载式车架结构。