重型货车车架静动态特性分析与优化设计

发布时间：2017-07-27 16:33

  本文关键词：重型货车车架静动态特性分析与优化设计

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【摘要】：重型货车车架作为货车的主要承载部件,其作用是连接货车各总成并承受传递给它的复杂载荷和力矩。因此,货车车架的设计是关乎整车性能的重要环节。随着计算机硬件的发展和现代优化设计理论的完善,利用有限元方法对货车车架进行静动态特性分析,发现货车车架设计过程中存在的缺陷,对货车车架进行优化设计相对于传统的经验设计法有较大优势。本文以某款重型货车车架为模型,结合有限元理论和优化设计理论,对车架进行静动态特性分析,发现车架存在的潜在缺陷后,对车架进行拓扑优化设计,尺寸优化设计以及校核分析,具体工作内容如下:(1)首先结合货车车架的实际尺寸,利用HyperWorks软件建立车架的有限元模型,选取货车车架最典型的四种工况对车架进行静动态特性分析。分析结果表明:车架各工况的刚度和强度均满足设计要求,但刚度偏小;车架低阶固有频率没有避开车架模态设计要求避开的范围,容易产生共振。(2)然后针对货车车架的缺陷,确定采用拓扑优化的设计方法对车架结构进行改进。同时考虑到车架刚度在设计过程中的重要性,以各工况刚度最大和自由模态前三阶固有频率最大为目标,对车架进行多目标拓扑优化。同时,为了比较不同多目标优化方法在拓扑优化中的差异,本文建立了三种常用的多目标优化数学模型分别为线性加权法,平方和加权法和折衷规划法,并将其应用在车架拓扑优化中。在三种数学模型中同时引入满意度理论,构建满意度动态权重,消除各工况刚度和前三阶固有频率之间的权重影响,实现了三种方法多目标拓扑优化结果的对比分析。对比分析优化结果表明:(1)满意度动态权重下,三种方法均可以实现车架的多目标拓扑优化,且各工况刚度和前三阶频率均有大幅提升。(2)满意度动态权重下,三种优化方法货车车架拓扑构型存在差异,折衷规划法对频率和刚度的优化效果较其他两种方法更为明显。(3)以折衷规划法的货车车架拓扑构型为基础,建立新货车车架的三维几何模型,确定了横梁的数目和最佳位置分布。为了进一步确定横纵梁的厚度尺寸,以车架各横梁和纵梁厚度为设计变量,对车架进行尺寸优化设计。同时,在满足设计要求的前提下,通过尺寸优化达到了轻量化的目的,减少质量13.7%,效果明显。随后对新货车车架进行静动态特性校核,发现新车架强度,刚度和低阶固有频率均满足设计要求,说明优化设计过程的正确性。(4)最后对静动态特性校核后的车架进一步进行疲劳寿命校核,验证表明:优化后货车车架最危险点疲劳寿命为1.037×105次,满足疲劳安全寿命标准(105次)。通过疲劳寿命校核,增强说明货车车架优化设计结果的正确性与合理性。论文研究了三种不同的多目标优化数学模型在车架拓扑优化中的应用,并对优化结果加以对比分析,为多目标拓扑优化方法的选取提供了一定的理论依据。另外,本文建立了一套完整的拓扑优化和尺寸优化相结合的优化设计流程和思路,对今后的货车车架设计有一定的指导作用和参考价值。
【关键词】：重型货车车架 多目标拓扑优化 尺寸优化 动静态特性分析 疲劳分析
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U463.32;U469.2
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 1 绪论10-18
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外车架有限元分析现状11-12
• 1.3 国内外拓扑优化发展现状12-16
• 1.3.1 拓扑优化发展现状12-14
• 1.3.2 国外车架结构拓扑优化研究现状14
• 1.3.3 国内车架结构拓扑优化研究现状14-16
• 1.4 本文研究内容及思路16-18
• 2 货车车架有限元静动态特性分析18-35
• 2.1 重型货车车架设计要求18-20
• 2.1.1 重型货车车架刚度设计要求18
• 2.1.2 重型货车车架强度设计要求18-19
• 2.1.3 重型货车车架模态设计要求19-20
• 2.2 车架有限元模型建立20-28
• 2.2.1 车架几何模型的建立20-23
• 2.2.2 货车车架有限元模型的建立23-28
• 2.3 货车车架各工况静态特性分析28-31
• 2.4 货车车架动态特性分析31-34
• 2.5 本章小结34-35
• 3 货车车架多目标拓扑优化设计35-52
• 3.1 基于变密度法数学插值模型35-36
• 3.2 车架拓扑优化初始几何模型建立36
• 3.3 车架拓扑优化有限元模型建立36-37
• 3.4 车架单目标拓扑优化37-42
• 3.4.1 拓扑优化三要素确定和重要参数设置37-39
• 3.4.2 单工况应变能最小拓扑优化结果39-41
• 3.4.3 前三阶各阶频率最大拓扑优化结果41-42
• 3.5 多目标优化数学模型建立42-45
• 3.5.1 多目标拓扑优化目标函数和约束函数确定43
• 3.5.2 线性加权法数学模型建立43-44
• 3.5.3 平方和加权法数学模型建立44
• 3.5.4 折衷规划法数学模型建立44-45
• 3.6 满意度理论下动态权重的数学模型建立45-48
• 3.6.1 模糊满意度理论概述45-46
• 3.6.2 模糊满意度隶属函数的引入46-47
• 3.6.3 权重的动态设计47-48
• 3.7 多目标拓扑优化结果和对比分析48-51
• 3.7.1 拓扑优化结果48-49
• 3.7.2 优化结果的对比分析49-51
• 3.8 本章小结51-52
• 4 货车车架尺寸优化与静动态特性校核52-62
• 4.1 新车架几何模型的建立52-53
• 4.2 新车架有限元模型建立53
• 4.3 车架的尺寸优化设计53-55
• 4.3.1 尺寸优化的设计变量53-54
• 4.3.2 尺寸优化的目标函数和约束函数54-55
• 4.3.3 车架尺寸优化结果55
• 4.4 车架静动态特性校核55-61
• 4.4.1 车架静态特性校核分析56-59
• 4.4.2 货车车架动态特性校核分析59-61
• 4.5 本章小结61-62
• 5 货车车架疲劳寿命校核62-72
• 5.1 车架疲劳寿命分析流程62-66
• 5.1.1 疲劳寿命及疲劳累积损伤模型62-63
• 5.1.2 材料的S-N曲线和名义应力法63-64
• 5.1.3 车架疲劳寿命分析流程图建立64-66
• 5.1.4 车架结构材料的疲劳特性66
• 5.2 疲劳寿命分析结果及校核66-71
• 5.3 本章小结71-72
• 6 总结与展望72-74
• 6.1 总结72-73
• 6.2 展望73-74
• 致谢74-76
• 参考文献76-80
• 攻读学位期间取得的研究成果80

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本文编号：582374