一种轻型车辆非承载式车架结构优化设计方法
【专利摘要】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。
【专利说明】一种轻型车辆非承载式车架结构优化设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种轻型车辆非承载式车架结构优化设计方法。
【背景技术】
[0002] 车架结构用于将车身、驾驶室、悬架等连接成一个整体，几乎承载了车辆使用过程 中的各种载荷，主要包括弯曲、扭转以及冲击载荷等，在这些载荷的作用下，车架结构的刚 度特性具有举足轻重的作用。车架结构刚度不合理，会直接影响车架的承载功能，车架整体 刚度低，将使车架的整体承载能力降低，车架的局部刚度低，会使车架局部变形增加，车架 刚度不足会引起结构变形过大，影响安装在车架上总成的相对位置。同时，车架刚度不足还 会造成车架振动频率低，此时，车架受到振动激励后会产生车架总体的弯曲振动、扭转振动 或各种振动的复合振动，当激励频率与车架结构固有频率吻合或接近时，易使车架发生结 构共振，最终直接或间接影响车辆的行驶平顺性、舒适性和操纵性等。
[0003] 在进行轻型车辆车架结构设计时，传统的做法是在原有结构方案基础上进行改进 设计，然后再通过实车测试考核的方法检验设计的合理性，如果改进设计方案无法满足要 求，需用重新进行设计。这种方法周期长，费用高，有时无法达到设计要求。结构优化设计 方法，比如：结构形状优化、尺寸优化在车架结构设计中也有所应用，但仅限于进行结构局 部的改进或结构尺寸的改变，而不会对车架结构的整体拓扑形状进行变化。
[0004] 结构拓扑优化设计方法主要用于结构的方案设计阶段，通过计算结构载荷的传递 路径，确定结构材料在空间的最佳分布，给出的结构分布形式往往与传统结构布置形式有 很大的不同。对于轻型车辆车架结构而言，依据传统方法进行结构的改进设计或采用形状 优化、尺寸优化等结构优化设计方法只能对结构的总体弯曲、扭转刚度进行局部的调整。
[0005] 轻型车辆原始的车架结构主要由两侧两根大纵梁加若干根平行布置的横梁组成， 为了提高车架结构的整体结构刚度，采用结构拓扑优化的设计方法，对车架结构横梁部分 的结构拓扑形式进行优化设计，对于提高车架结构的弯曲、扭转刚度以及结构固有频率，并 进而提高间接提高车辆的系统特性都具有重要的意义。
【发明内容】
[0006] 本发明的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。
[0007] 本发明一种轻型车辆非承载式车架结构优化设计方法，包括如下步骤：
[0008] (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；
[0009] (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；
[0010] (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；
[0011] (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；
[0012] (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
【权利要求】
1. 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〇. 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
为目标函数，V k2分别为弯曲刚度及扭转刚度，Wl、 w2分别为对应于弯曲刚度及扭转刚度的加权系数，％对应于车架前6阶固有频率的加权系 数，λ ^车架结构前6阶固有频率值，W(l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1〇 6,扭转刚度值的数量级为1〇2,而结构前6阶固有频 率值的数量级也为 1〇2,因此取 A = l、w2 = 3. 25X 104、Wj = l、wQ = 2· 18X104 ; (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。
【文档编号】G06F17/50GK104112050SQ201410348310
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月23日 优先权日:2014年7月23日
【发明者】芮强, 王红岩, 洪煌杰, 李建阳, 王钦龙, 栗浩展, 李同飞 申请人:中国人民解放军装甲兵工程学院