基于多工况协同优化的某无人车车架轻量化设计
发布时间：2021-08-31 20:25
汽车的轻量化、小型化是全球汽车设计的一大趋势,采用科学合理的手段进行车架轻量化设计,不仅可以大幅降低整车质量,还能缩短设计周期,节约成本,提高车内设备的搭载质量,从而实现更多智能化功能。因此,在保证车架力学性能的前提下,减轻车架质量很有必要。本文以某企业研发的一款无人车车架为研究对象,利用多工况协同拓扑优化方法,对其进行了轻量化设计。首先,根据原始车架参数建立了车架的有限元模型,并对原始车架进行了模态分析和九种典型工况下的静力分析。随后,参照车架基本结构,构建了三种形状的铝合金试件,对其进行了模态实验和静力实验,根据实验工况,建立了相应的有限元模型,有限元仿真结果与实验结果的相对误差较小,验证了有限元模型和分析计算的准确性。此外,原始车架静力分析结果表明,车架的强度不符合设计要求,需要进一步优化设计。根据原始车架的外形结构和车内载荷布局,建立了拓扑优化空间,利用多工况协同拓扑优化设计方法得到了新的车身骨架。最后,对重构后的车架进行了多种有限元分析。对比多个工况下,车架优化前后的有限元分析结果可知,优化后的车架在提高了刚度、强度和耐撞性的同时,质量还降低了124.5 kg,减重率达到21...
【文章来源】：北京林业大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：125 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
中日欧美平均燃油消耗量限值
绪论3图1-2特斯拉Model3车身材料分布Figure1-2MaterialdistributionofTeslaModel31.2.2轻量化制造工艺随着加工工艺的逐渐成熟，国内外已经研发出多种先进的制造工艺，以减轻整车零部件的重量，提高材料利用率，主要包括：连续变截面薄板技术（TRB）、激光焊接技术（TWB）和液压成型工艺（TRT）等。TWB技术可以利用激光，快速焊接不同厚度和材料的金属板材。该方法虽然提高了材料利用率，但焊缝处材料较为薄弱，在冲压过程中易产生开裂问题（施志刚、王宏雁，2008）。受TWB技术的启发，德国的IBF机构研发出了TRB技术，该技术能通过计算机和传感器间的配合，控制轧辊的间距，连续轧制出不同截面厚度的板料。TRB技术广泛应用于德系车型中，比如奔驰B-Class、宝马3系和奥迪Q7等均在不同部位使用了TRB板材（王艳青、李军，2013）。TRT工艺是利用高强度的水压或油压，使板料或管材在密闭的模具中，挤压成特定的形状（郭玉琴、朱新峰等，2015）。2001年，德国的ThyssenKrupp公司发起了NSB（NewSteelBody）车身轻量化项目。该车身结构中使用了7.8%的液压成型管材，最终车架减重比例达到24%，车架力学性能也大幅提升（施志刚、王宏雁，2008）。TRT工艺的原理如图1-3所示。
基于多工况协同优化的某无人车车架轻量化设计4图1-3TRT技术原理图Figure1-3PrincipleofTRT1.2.3结构优化设计随着有限元技术的发展，结构优化设计已经成为轻量化设计的主要手段。通过科学的优化方法，求解结构材料分布，不仅可以减轻质量，还能提高结构强度。拓扑优化被视为最有潜力的结构优化方法之一，主要应用于车架的概念设计阶段，它可以根据载荷和边界条件计算出合理的材料分布路径。解运等对某特种车架进行了拓扑优化设计，在满足刚度和一阶固有频率的条件下，整体质量降低了22%（解运、何颖等，2018）。尺寸优化主要用于车架优化后期的细节优化，它可以根据优化目标调整材料分布，优化车架管材的壁厚。张志鹏以某卡车车架为研究对象，将梁的厚度作为设计变量，尺寸优化后车架减重105kg，减重比达11.66%（张志鹏，2017）；康元春等对某边梁式车架进行了尺寸优化，约束条件设置为最大变形和许用应力，与优化前相比，车架体积减少了24%（康元春、刘瑛等，2012）。形状优化主要通过调整车身外形进行优化，可以有效减少应力分布不均的问题，避免材料冗余。德国EDAG公司研发的LightCoccon概念车，运用了仿生学思想，创新地将车身骨架设计为海龟壳的结构，每平方米的车体外壳重量仅为19g。工程中通常将拓扑优化与尺寸优化结合使用，比如郑祁针对某越野车车架，先后进行了三种工况的拓扑优化和尺寸优化设计，得到了一种“X型”结构车架，优化后车架减重比例达7.5%，且仍能满足车架的动静态性能要求（郑祁，2014）。该车架的优化过程如图1-4所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]汽车轻量化材料及制造工艺分析[J]. 杨谋. 南方农机. 2019(20)
[2]Design optimization for a launching system with novel structure[J]. Run-duo Cao,Xiao-bing Zhang. Defence Technology. 2019(05)
[3]基于变密度法的城市客车车架拓扑优化设计[J]. 赵东伟,王正超,尹怀仙. 客车技术与研究. 2019(04)
[4]轻量化材料在汽车上的精准应用[J]. 秦超,姚晨冉,朱雪林. 汽车零部件. 2019(06)
[5]微型客车车架多目标拓扑优化[J]. 张小伟,赵刘生,王霄,刘会霞. 机械制造. 2019(06)
[6]国外汽车轻量化材料应用经验借鉴[J]. 马琳,耿雷. 新材料产业. 2019(06)
[7]汽车轻量化的研究与实现途径[J]. 杨孟欣,张亚松,孙鹏博,袁野. 时代汽车. 2019(08)
[8]惯性释放原理在航空发动机风扇轴强度分析中的应用[J]. 况成玉,张智轩. 装备制造技术. 2019(02)
[9]房车车架分析及结构优化设计[J]. 何颖,王青春,王梓晴. 林业机械与木工设备. 2019(02)
[10]汽车轻量化研究[J]. 周伟,苏世荣,储胜林,梁媛媛,王浩. 汽车工程师. 2019(01)
博士论文
[1]桁架结构拓扑优化的理论与应用研究[D]. 高阁.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2017
硕士论文
[1]仓栅式半挂车车架有限元分析及轻量化设计[D]. 杨成明.山东大学 2019
[2]基于轻量化的房车车架优化设计[D]. 何颖.北京林业大学 2019
[3]基于多工况拓扑优化的电机外壳轻量化设计[D]. 师可.北京林业大学 2019
[4]纯电动汽车变速箱壳体CAE分析及拓扑优化[D]. 彭显昌.吉林大学 2019
[5]基于局部拓扑优化技术的纯电动汽车车架轻量化研究[D]. 闫闯.电子科技大学 2019
[6]基于ANSYS Workbench的某车架有限元分析及轻量化研究[D]. 赵艳梅.郑州大学 2018
[7]某型拖挂式房车车架有限元分析及优化设计[D]. 王佳苇.大连交通大学 2018
[8]基于拓扑优化和尺寸优化的客车骨架轻量化设计[D]. 王文甲.华侨大学 2018
[9]某高机动越野车车架结构设计与分析[D]. 王勖.湖北工业大学 2018
[10]基于拓扑和稳健设计的客车车架轻量化研究[D]. 王楠.青岛大学 2018
本文编号：3375562
【文章来源】：北京林业大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：125 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
中日欧美平均燃油消耗量限值
绪论3图1-2特斯拉Model3车身材料分布Figure1-2MaterialdistributionofTeslaModel31.2.2轻量化制造工艺随着加工工艺的逐渐成熟，国内外已经研发出多种先进的制造工艺，以减轻整车零部件的重量，提高材料利用率，主要包括：连续变截面薄板技术（TRB）、激光焊接技术（TWB）和液压成型工艺（TRT）等。TWB技术可以利用激光，快速焊接不同厚度和材料的金属板材。该方法虽然提高了材料利用率，但焊缝处材料较为薄弱，在冲压过程中易产生开裂问题（施志刚、王宏雁，2008）。受TWB技术的启发，德国的IBF机构研发出了TRB技术，该技术能通过计算机和传感器间的配合，控制轧辊的间距，连续轧制出不同截面厚度的板料。TRB技术广泛应用于德系车型中，比如奔驰B-Class、宝马3系和奥迪Q7等均在不同部位使用了TRB板材（王艳青、李军，2013）。TRT工艺是利用高强度的水压或油压，使板料或管材在密闭的模具中，挤压成特定的形状（郭玉琴、朱新峰等，2015）。2001年，德国的ThyssenKrupp公司发起了NSB（NewSteelBody）车身轻量化项目。该车身结构中使用了7.8%的液压成型管材，最终车架减重比例达到24%，车架力学性能也大幅提升（施志刚、王宏雁，2008）。TRT工艺的原理如图1-3所示。
基于多工况协同优化的某无人车车架轻量化设计4图1-3TRT技术原理图Figure1-3PrincipleofTRT1.2.3结构优化设计随着有限元技术的发展，结构优化设计已经成为轻量化设计的主要手段。通过科学的优化方法，求解结构材料分布，不仅可以减轻质量，还能提高结构强度。拓扑优化被视为最有潜力的结构优化方法之一，主要应用于车架的概念设计阶段，它可以根据载荷和边界条件计算出合理的材料分布路径。解运等对某特种车架进行了拓扑优化设计，在满足刚度和一阶固有频率的条件下，整体质量降低了22%（解运、何颖等，2018）。尺寸优化主要用于车架优化后期的细节优化，它可以根据优化目标调整材料分布，优化车架管材的壁厚。张志鹏以某卡车车架为研究对象，将梁的厚度作为设计变量，尺寸优化后车架减重105kg，减重比达11.66%（张志鹏，2017）；康元春等对某边梁式车架进行了尺寸优化，约束条件设置为最大变形和许用应力，与优化前相比，车架体积减少了24%（康元春、刘瑛等，2012）。形状优化主要通过调整车身外形进行优化，可以有效减少应力分布不均的问题，避免材料冗余。德国EDAG公司研发的LightCoccon概念车，运用了仿生学思想，创新地将车身骨架设计为海龟壳的结构，每平方米的车体外壳重量仅为19g。工程中通常将拓扑优化与尺寸优化结合使用，比如郑祁针对某越野车车架，先后进行了三种工况的拓扑优化和尺寸优化设计，得到了一种“X型”结构车架，优化后车架减重比例达7.5%，且仍能满足车架的动静态性能要求（郑祁，2014）。该车架的优化过程如图1-4所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]汽车轻量化材料及制造工艺分析[J]. 杨谋. 南方农机. 2019(20)
[2]Design optimization for a launching system with novel structure[J]. Run-duo Cao,Xiao-bing Zhang. Defence Technology. 2019(05)
[3]基于变密度法的城市客车车架拓扑优化设计[J]. 赵东伟,王正超,尹怀仙. 客车技术与研究. 2019(04)
[4]轻量化材料在汽车上的精准应用[J]. 秦超,姚晨冉,朱雪林. 汽车零部件. 2019(06)
[5]微型客车车架多目标拓扑优化[J]. 张小伟,赵刘生,王霄,刘会霞. 机械制造. 2019(06)
[6]国外汽车轻量化材料应用经验借鉴[J]. 马琳,耿雷. 新材料产业. 2019(06)
[7]汽车轻量化的研究与实现途径[J]. 杨孟欣,张亚松,孙鹏博,袁野. 时代汽车. 2019(08)
[8]惯性释放原理在航空发动机风扇轴强度分析中的应用[J]. 况成玉,张智轩. 装备制造技术. 2019(02)
[9]房车车架分析及结构优化设计[J]. 何颖,王青春,王梓晴. 林业机械与木工设备. 2019(02)
[10]汽车轻量化研究[J]. 周伟,苏世荣,储胜林,梁媛媛,王浩. 汽车工程师. 2019(01)
博士论文
[1]桁架结构拓扑优化的理论与应用研究[D]. 高阁.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2017
硕士论文
[1]仓栅式半挂车车架有限元分析及轻量化设计[D]. 杨成明.山东大学 2019
[2]基于轻量化的房车车架优化设计[D]. 何颖.北京林业大学 2019
[3]基于多工况拓扑优化的电机外壳轻量化设计[D]. 师可.北京林业大学 2019
[4]纯电动汽车变速箱壳体CAE分析及拓扑优化[D]. 彭显昌.吉林大学 2019
[5]基于局部拓扑优化技术的纯电动汽车车架轻量化研究[D]. 闫闯.电子科技大学 2019
[6]基于ANSYS Workbench的某车架有限元分析及轻量化研究[D]. 赵艳梅.郑州大学 2018
[7]某型拖挂式房车车架有限元分析及优化设计[D]. 王佳苇.大连交通大学 2018
[8]基于拓扑优化和尺寸优化的客车骨架轻量化设计[D]. 王文甲.华侨大学 2018
[9]某高机动越野车车架结构设计与分析[D]. 王勖.湖北工业大学 2018
[10]基于拓扑和稳健设计的客车车架轻量化研究[D]. 王楠.青岛大学 2018
本文编号：3375562
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