載重車鋁型材框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)優(yōu)化是汽車輕量化設計的重要途徑之一。載重汽車的承重結(jié)構(gòu)一般采用基于型材制造的框架結(jié)構(gòu)形式。對復雜框架結(jié)構(gòu)進行有限元分析時，如果不加以簡化而用實體單元或板殼單元進行離散，一般均要求將單元的邊長比控制在一定范圍內(nèi)，而對于薄壁型材，往往需要劃分大量的單元。另外，由于框架不僅結(jié)構(gòu)復雜，而且型材之間存在大量的連接點，所以很難實現(xiàn)網(wǎng)格的自動剖分。因此，對復雜框架結(jié)構(gòu)進行設計優(yōu)化時，存在兩個瓶頸問題：一是結(jié)構(gòu)網(wǎng)格難以自動剖分問題，二是計算量過大的

2、問題。盡管商業(yè)化的結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件已經(jīng)比較成熟，但應用于框架結(jié)構(gòu)的設計優(yōu)化仍然面臨很大的局限性。
　　對框架結(jié)構(gòu)的設計優(yōu)化可以從兩方面考慮:一是型材截面尺寸的優(yōu)化，二是框架連接點位置的優(yōu)化。為了實現(xiàn)復雜框架結(jié)構(gòu)的設計優(yōu)化，考慮到組成框架的每一根型材都具有梁的變形特點，本文提出了將框架結(jié)構(gòu)簡化為線形梁計算模型、基于線形梁計算模型優(yōu)化截面尺寸及連接點位置的方法。為此，本文主要研究了框架型結(jié)構(gòu)到線形梁計算模型的轉(zhuǎn)換方法及自動轉(zhuǎn)換軟件的開發(fā)、

3、線形梁結(jié)構(gòu)的截面尺寸優(yōu)化和連接點位置優(yōu)化技術，并將這些方法應用于某載重汽車復雜框架結(jié)構(gòu)的設計優(yōu)化，驗證了這種方法的有效性，并取得了較好的優(yōu)化結(jié)果。
　　為了快速且準確地將具有梁特征的實體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為線形梁計算模型，根據(jù)截面的形狀和特征，制定了生成線形梁模型截面參數(shù)的方法。利用HyperMesh軟件提供的二次開發(fā)接口，并結(jié)合ABAQUS軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，應用 TCL語言及 C＃語言開發(fā)了相應的轉(zhuǎn)換程序，實現(xiàn)了由實體梁結(jié)構(gòu)到線形梁計算模型

4、的半自動轉(zhuǎn)換功能。該功能不僅提高了梁單元建模的速度，而且有效地避免了過程中不必要的人為遺漏及錯誤。
　　研究探索了現(xiàn)實可行的復雜框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，即基于進退搜索法思想和補償法思想，提出了兩階段優(yōu)化算法：首先對結(jié)構(gòu)進行接點位置優(yōu)化，以降低結(jié)構(gòu)應力，均勻應力分布；隨后進行截面尺寸優(yōu)化，確定梁的最優(yōu)截面尺寸。在針對連接點位置優(yōu)化時，連接點變動方向被定義在梁的軸線上，連接點移動過程中，梁單元的剖分是參數(shù)化自動進行的。優(yōu)化截面尺寸時，定義了

5、一個截面尺寸系數(shù)，通過優(yōu)化截面尺寸系數(shù)使截面的承載能力得以充分發(fā)揮。
　　以某汽車企業(yè)的某型載重車駕駛室框架為例進行了應用研究。該車采用中空鋁型材制造的框架結(jié)構(gòu)，組成該框架的總共有440多段型材。利用本文開發(fā)的轉(zhuǎn)換功能建立了相應的線形梁計算模型，并驗證了線形梁計算模型與未加以簡化的板殼單元模型計算結(jié)果的一致性。隨后以梁單元模型為優(yōu)化對象，對結(jié)構(gòu)的連接點位置和截面尺寸進行了優(yōu)化設計，使結(jié)構(gòu)最大應力由378MPa降低到124MPa，同