六轴线液压模块组合挂车横梁拓扑优化设计研究.pdf

六轴线液压模块组合挂车横梁拓扑优化设计研究 张中正 马 力 张宇探 武汉理工大学汽车工程学院， 湖北 4 3 0 0 7 0 【 摘要】 提出了 典型 六轴 线液 压模块组合挂车横梁拓扑优化的一般过程， 建立了 基于整车结构的横梁 拓扑优化设计有限元计算模型。在满足强度刚度要求 的情况下， 优化后横梁结构相对原结构重量降低了 1 6 1 ． 2 k g 。 【 A b s t r a c t 】 G e n e r a l p r o c e s s o f t o p o l o g y o p t i m i z a t i o n d e s i g n f o r b e a m o f t y p i c a l h y d r a u l i c ro o d - u l e a s s e mb l e d t r a i l e r wi t h s i x a x e s i s p r o p o u n d e d，a n d FEM mo d e l b a s e d o n t h e e n t i r e t y s t r u c t u r e i s ‘ c o n s t r uc t e d．Th e b e a m we i g h t d e c r e a s e s 1 61 ． 2 k g a f t e r o p t i mi z a t i o n wh i l e me e t i n g t h e r e q ui r e me n t o f t h e s t r e n g t h a n d s t i ff n e s s ． 【 关键词】 液压模块挂车横梁拓扑优化 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 - 4 5 5 4 ． 2 0 1 1 ． 0 6 ． 0 6 0 引言 液压模块组合挂车在大件长件及重型装备的 公路和场地运输 中起着非 常重要的作用 ， 国内对 此类挂车的设计 和制造主要还是 以模仿为主 ， 虽 然现在已经取得 了较快 的进 步⋯ ， 但所设计 的车 辆仍存在着诸如 自重较大、 材料利用率低、 生产成 本较高等 问题。因此 ， 对液压模块组合挂 车进 行 信号进行采集 、 分析 ， 以实现整个试验系统对电动 滑移门硬件和软件两部分可靠性的考核。 参考文献 ． [ 1 ] 牟正明． 新型汽车车门开关耐久性试验台[ J ] ． 轻型汽 收稿 日期 2 0 1 1 0 31 8 2 2 轻量化设计研究非常迫切。文献 [ 2 ] 对 国内某企 业生产的典型六轴线液压模块组合挂车的整体结 构进行了有限元计算分析 ， 计算 表明该 挂车整体 的应力水平较低 ， 还具有轻量化的潜力。但 目前 ， 对同类挂车的轻量化研究还未见报道。因此， 本 文针对同型号典型六轴线液压组合挂车横 梁的结 构特点 ， 提出以横梁为研究对象 的拓扑优化设计 ， 在满足横梁强度和刚度 的设计要求下 ， 使横梁重 量得到一定的下降， 取得了较好的轻量化效果。 车技术 ， 2 0 0 7 ， 3 3 2 ． [ 2 ] 李军， 王燕波， 付伟峰， 王兴东， 李红健， 汽车车门及罩 盖操作试验台开发设计[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 ， 9 1 5 6 1 6 0 ． [ 3 ] 廖常初． 7 - 3 0 0 ／ 4 0 0 P L C应用技术 第 2版 [ M] ．北 京 机械工业出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 4 ] 郭应时， 袁伟．汽车试验学[ M] ．北京 人民交通出版 社 。 2 0 0 6 ． 上海汽车2 0 1 1 ． 0 6 1 横梁结构特点及其拓扑优化过程 六轴线液压模块组合挂车车辆主体结构主要 包括车架部分 和液压 悬架行驶系统 ， 车辆长9 m、 宽 3 m， 所用材料屈服强度高达 8 0 0 M P a的高强度 钢 。车架部分 主要 组成 部分有上板 总成、 纵梁 总 成、 横梁总成和拼接板总成， 车架整体结构三维几 何模型如图 1 所示。其 中横梁总成 主要 由横梁腹 板、 翼板和侧边挡板 构成。六轴 线共 1 O个 横梁 ， 横梁腹板没有布置中空结构 ， 均为连续结构 ， 各横 梁总成图如图 2所示 。由文献 [ 2 ] 的有 限元计算 分析表明， 各横梁总成的应力水平偏低 ， 材料 利用 率较低 ， 横梁具有很大的轻量化潜力。 图 1 车架三维几何模型 爆炸图 图 2 各横梁总成 轻量化方法有参数优化设计 和拓扑优化设计 等方法 ， 横梁的结构特点满足拓扑优化 的要求 ， 在 此选择拓扑优化的方法。拓扑优化设计是 以有限 元法为基础， 寻求横梁材料最佳分布的优化方法。 其基本思想是 将横梁设计 区域 内经有 限元法 离 散后的所有单元的密度看作是可变的， 密度的取 值范围为0 1 ， 且单元的密度均与其刚度和强度 上海汽车2 0 1 1 ． 0 6 存在一定 的关联。在优化过程 中若某个单元对整 体结构的刚度 和强度 的贡献较大 ， 则该单元 的密 度取大值； 反之， 单元密度取小值。当该单元的密 度取 0时 ， 表 明该处 不需要布 置材料。在 H y p e r w o r k s 中， 实体单元 和板壳单元都可以作为拓扑优 化的设计单元 ， 在此 ， 由于横梁具有明显 的板壳特 性 ， 采用板壳单元可 以大大减少单元 的数量 ， 减少 计算时间， 且板壳模 型的优化结果也能很好地 反 映出最优的载荷传递路径 ， 因此采用板壳单元 。 横梁 的拓扑优化具体过程如 图 3所示 。首先 构建横梁的拓扑优 化空 间， 其次对横梁进行离散 、 施加边界条件和一定 的载荷 ， 再对拓扑优化参数 进行设置 ， 最后提交计算 并对结果进行分析 。由 于优化设计假设材料 的密度分配是连续变化 的， 故得到的设计形状往往 不是规则的几何形状 ， 不 能直接作为生产方案 ， 需进行可制造化处理。 建立几何模型 构 建 拓 扑 优 化 _ j 划 分 网 格、 加 载 空间 I 和设置边界条件 有限元计算和 l设置拓扑优化 结 果 分 析 _ _ 1 设 计 参 数 拓扑优化设计结 果可制造化处理 对处理后的模型 进行有限元分析 ’ ／ ＼ 否 ＼ 苎 ／ 是 得到最终设计 方案 图3 拓扑优化设计流程 2 拓扑优化设计计算模型的建立 2 ． 1 有限元计算模型的建立 在保证车辆力学特 征不变的情 况下 ， 对 液压 悬架系统进行 了简化处理 ， 如车轮 、 轮毂、 油缸及 其相关配件等抓住力学特征进行了建模。模型的 2 3 简化对车辆整体结构强度 刚度 的影 响很 小 ， 可忽 略不计。建立整车 的三维板壳几何模 型， 经 网格 划分后得到约 5 ． 5万单元和 2 ． 6万个节点。 文献 [ 2 ] 分别在单支架装 载、 双支架 装载、 中 心均布装载和整体上表面均布装载这 4种典型工 况下， 对六轴线液压组合 挂车整体结构进行 了有 限元计算 。计算分析表 明 中心均布装 载工况是 对横梁刚度 和强度影响最大 的典型工况。因此 ， 选取此极限工况对横梁进行拓扑优化设计。针对 4点支撑方式 ， 用平衡杆系结构模拟液压平衡悬架 系统 ， 保证 各支撑点 同组车轮轴荷相等。 同时考 虑车辆的实际情 况 ， 施加 正确 的约束 以消除平衡 杆系结构的刚体位移和整体结构的刚体位移。轴 线载荷为 3 6 t ， 考虑动载荷的影 响， 在此取装载系 数为 1 ． 4 ， 则 6轴线总加载载荷约 3 0 0 t J 。 2 ． 2 拓扑优化参数的设置 针对横梁 的结构特点 ， 确定 横梁 的 5组腹 板 作为拓扑优化的设计 空间 ， 其它部分为 非设计 空 间。如图4所 示 ， A为其 中一组设计 空间。由于 拼车需要， 实际装载时每对横梁上都可能承受恶 劣的均布载荷 ， 因此拓扑设计方案 中必 须保 持每 对横梁有相同的结构形式。在此 ， 利用 H y p e r m e s h 软件 自带的模式重复功能来保证这一要求 。设计 约束条件为结构体 积分数 的上限值 ， 在 此取上限 值为 0 ． 4 。设计 目标为结构的静态应变能最小 ， 即 使得结构的刚度最大。 图4 纵梁、 横梁局部结构几何模型 结果如图 5所示 ， 该图显示的是密度值大 于 0 ． 4 的单元 。优化结果 表明， 横梁腹板 的最有效载荷 路线呈树枝状。其余经过过滤 的区域表 明这些地 方所传递的载荷较小或不传递载荷， 故这些区域 可以不布置材料 。 图 5 横梁拓扑结构 单元密度值大于0 ． 4 3 ． 2 拓扑优化设计可制造化处理 拓扑优化虽 能反映出材料的分布结果 ， 但 由 于拓扑优化是计算机 自动搜索寻优 的过程 ， 因此 所得材料分布很不规则 ， 无法直 接利用优化结 果 进行生产制造 。这样就势必需要对优化结果进行 可制造化处理。利用文献 [ 3 ] 中所提到 的可制造 化处理准则对横梁优化结果进行处理 ， 所有 去除 材料 的轮廓均为规整 的几何形状 ， 部分 角度 圆弧 过渡， 不产生 明显 的尖角。同时考 虑到横 梁腹 板 与翼板间存在较大 的中空 ， 根据经验在 A区域增 设了一个斜撑板 以增加整体结构 的强度。另外 ， 在原横梁结构 中挖去材 料 区域 容易产 生应力集 中， 因此在删除材料处增设 了包 边以消除应力 集 中。经过可制造处理后在 C A D软件 中重构后 的 横梁结构如图 6所示 。 图6 横梁拓扑结构三维几何模型 3 拓扑优化结果分析及可制造化处理 4 优化结果评价 3 ． 1 拓扑优化结果分析 经过 7轮迭代 ， 得 到了横 梁总成的拓扑优化 建立横梁拓扑优化设计方案下的单模块液压 2 4 上海汽车2 0 1 1 ． 0 6 挂车整体结构 的有 限元计算模 型 ， 选 取 中心均布 工况 ， 并施加与上述 优化过程 中同样 的载荷和边 界条件。计算后得到横梁经拓扑优化和可制造化 处理后 的应力水平， 以及横梁转角、 上翼 板和下翼 板等关注区域的应力值。拓扑优化设计前后关注 区域的应力水平和最大应力值对 比如表 1所示 。 由表 i可知 ， 拓扑优化设计和可制造化处理之后 ， 横梁的应力水平提 高了 3 9 ％， 材料的利用率得到 大幅提高 ， 但仍远远低 于材料 的屈服极 限， 表 明拓 扑结构形式较好 。横梁上翼板应力在优化后降幅 较大 ， 横梁转角和纵梁下翼板处应力值变化较小 。 另外 ， 横梁经拓扑优化后重量降低 了1 6 1 ． 2 k g ， 相 对于横梁设计前重量降幅明显。 表 1 横梁拓扑优化设计前后比较 关注 区域 的应力值 MP a 中心均布工况 横 砬力 水 横 梁 转 角 梁 上 翼板 f纵 梁 下 翼 板 横 梁 拓 扑 前 2 8 0 l 2 8 0 l 4 7 0 l 4 0 0 横梁拓扑后 3 9 0 3 1 O 2 5 0 4 0 0 另外 ， 对六轴 线液压模块组合挂 车最常见 的 装载工况 ， 即单支架装载工况 下对拓扑优化后 的 挂车也进行 了验算。计算结果表 明 ， 经拓扑优化 设计和可制造化处理后 ， 上板总成、 纵梁总成和拼 接板总成结构的应力水平 和应力分布趋势与设计 之前相比没有发生 明显变化 ， 说明拓扑优化设计 是成功的。 5 结语 计算表明， 利用拓扑优化 的方法 对基于整体 的六轴线液压组合挂车横梁进行拓扑优化是可行 的。在满足整体 结构强度和刚度 的情况下 ， 经拓 扑优化后横梁 的材料利用率大幅提 高， 且横梁重 量也得到一定的降低。 参考文献 [ 1 ] 乐巨国． 组合挂车发展趋势[ J ] ． 上海公路， 2 0 0 2 ， 4 ． [ 2 ] 张宇探， 马力， 李冰． 液压模块组合挂车整体结构有限 元计算分析 [ J ] ． 专用汽车 ， 2 0 1 0 ， 2 ． [ 3 ] 周鹤 ， 马力 ， 赵永辉 ．基 于大客车车 身骨 架拓扑优化结 果的可制造化处理[ J ] ．客车技术， 2 0 0 9 ， 1 ． 上接第 1 5页 5 结语 该均质直喷汽油机在1 5 0 0 r ／ m i n 全负荷工况 下 ， 喷油起始角为 4 2 0。 C A时可以获得最佳的综合 效果 。喷油起 始角 为 3 8 0 。 C A时 ， 燃油 湿壁 量增 加 ， 将 带来 机油稀 释和非 常规气 体排放 量增加。 喷油起始角为 4 6 0。 C A和 5 0 0。 C A时 ， 由于低转速 工况 ， 缸内的气体运动速度较低， 喷射时间晚将导 致混合气均匀性下降， 从而产生 H C、 C O等常规污 染物排放量上升 。 参考文献 [ 1 ] 丁宁， 高卫民， 平银生． 喷雾引导型直喷汽油机燃油喷 射对缸内流动特性影响的数值研究[ J ] ． 内燃机工程， 2 0 1 0 ， 3 1 5 1 6 -2 0 ． 上海汽车2 0 1 1 ． 0 6 [ 2 ] N i n g D i n g ，We i rai n G a o ，Mi n g C h e n ，X i a o - m a o Z h a n g ． S p r a y C h a r a c t e r i s t i c s o f N e w Ge n e r a t i o n Mu l t i -h o l e I n j e c t o r f o r S p ark -- i g n i t i o n G a s o l i n e E n g i n e s w i t h D i r e c t F u e l I n j e c t i o n [ C ] ．I C I E 2 0 1 0 ． [ 3 ] M i n g C h e n ， Wa n p i n g Z h a n g ， X i a o m a o Z h a n g 。 N i n g Di n g ． I nc y l i n d e r CF D S i mu l a t i o n o f a Ne w 2． 0L T u r b o C h a r g e d GDI E n gin e ， S AE P a p e r 2 0 1 1 -01 - 0 8 2 6 ． [ 4 ] 杨嘉林． 车用汽油发动机燃烧系统的开发[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 5] 山下洋 幸 ， 田中连 也 ， 濑 芦桔利． 、／l J’／工 、／ 、／ l J ～ 、／燃烷技钭 吁 [ J ] ． 自勤卓技衍 ， 2 0 0 8， 6 2 3 1 6 - 2 0 ． [ 6 ] S a r r e C ． K ， K 0 I l g S ． C ， R e i t z R ． D ． M o d e l i n g th e E ff e c t o f i n j e c to r N o z z l e G e o me t r y 0 1 1 D i e s e l S p r a y ， S A E p a p e r I 1 9 9 9 -01 - ／3 9 1 2 ， 1 9 9 9 ． 『 7]H i r o y a s u H i my u k i 。Ma s a t a k a A r a i ．S t r u c t u r e s o f F u e l S p r a y s i n D i e s e l E n gi n e s ， S A E p a p e r 9 0 0 4 7 5 ，1 9 9 0 ． [ 8 ] H i s a s h i A k a g a w a ， T a k e s h i Mi y a m o t o ， A k i r a Ha r a d a ， e t a 1 ． Ap p r o a c h e s t o S o l v e P r o b l e m o f t h e P r e mix e d L e a n Di e s e l Co mbu s t i o n， S AE P a p e r 1 9 9 9-01 -0 1 8 3，1 9 9 9． [ 9 ] S t e i n C， B u d d e M， Wi t t i e r M， e t a 1 ．I n fl u e n c e o f t h e Mi x ． t u re F o r ma t i o n o n th e Lu b r a t i o n Oi l Emi s s i o n o f Co mb u s t i o n En g i n e s ， s AE p a p e r 2 01 0 -0 1 - 1 2 7 5．2 0 1 0 ． 2 5