大型天线座车车架轻量化设计研究

论文摘要

大型天线座车车架是天线座车的主要结构部件,其结构尺寸和质量均较大,因此在保证结构强度刚度的前提下对车架进行轻量化设计研究具有重要的意义。轻量化设计研究是近年来结构设计领域的前沿课题和热门问题,它关系到节能环保和成本的最小化。本文首先论述了轻量化研究的的重要性及国内外研究概况,分析了车辆结构轻量化的发展趋势,探讨了国内在这方面研究与国外的差距,提出了对大型天线座车车架进行轻量化设计的构想。然后对轻量化途径进行了分析探讨;研究了结构优化设计的方法及基本理论;并确定用尺寸参数优化对大型天线座车车架进行轻量化设计研究,制定了合理的轻量化设计研究方案。在此基础上,分析了大型天线座车整体、车架及撑腿的结构特点,建立了大型天线座车车架的几何模型,并在保证计算精度、计算规模和计算时间协调统一的情况下对车架进行了网格划分。根据座车实际工况设置了边界条件,建立了大型天线座车车架有限元模型。应用所建立的有限元模型对车架进行了有限元分析,根据计算分析结果对初始设计车架进行改进设计,并对改进后的车架进行结构强度刚度的验算,计算显示改进后的车架满足整个系统的强度和刚度要求,且车架的应力富裕量比较大。在改进车架的基础上,以结构最轻为优化目标,采用结构体积作为目标函数,以结构的强度条件为约束,建立了大型天线座车车架的尺寸参数优化设计模型。利用ANSYS对大型天线座车车架进行了优化设计。通过对车架优化结果的后处理,得到了一个新的大型天线座车车架。对优化后的车架进行有限元计算分析,计算结果显示新的大型天线座车车架质量减少约13%,车架的强度刚度均满足结构性能要求,达到了较好的轻量化效果。随后对车架进行了模态分析,分析了车架的固有频率和振型。利用MATLAB模拟了大型天线座车架设工况的脉动风荷载,将风荷载数据以数组的形式读入到ANSYS中,对车架进行了瞬态动力学分析,计算得到车架在脉动风荷载作用下的位移及应力情况。结果显示所设计的车架的动态特性满足结构技术要求。本文的研究成果不仅可以为企业的产品设计、改进和优化提供实际的参考和指导,解决企业的实际问题,同时对其它产品轻量化设计和动态分析提供了有价值的参考,具有良好的经济价值和社会效益。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 研究内容
• 1.4 研究目标及意义
• 第2章 汽车结构轻量化设计理论方法分析
• 2.1 汽车轻量化途径
• 2.1.1 结构优化设计
• 2.1.2 更换材料
• 2.1.3 革新制造工艺
• 2.2 结构优化设计数学模型
• 2.2.1 设计变量
• 2.2.2 目标函数
• 2.2.3 约束条件
• 2.3 结构优化设计的分类
• 2.3.1 结构尺寸优化
• 2.3.2 结构形状优化
• 2.3.3 结构拓扑优化
• 2.4 优化算法
• 2.4.1 最优准则法
• 2.4.2 数学规划法
• 2.4.3 仿生学方法
• 2.5 大型天线座车车架轻量化研究方案的确定
• 第3章 大型天线座车车架有限元模型的建立
• 3.1 大型天线座车结构特点
• 3.1.1 车架结构特点
• 3.1.2 撑腿的结构特点
• 3.2 大型天线座车车架几何模型的建立
• 3.3 单元的选择和网格的划分
• 3.3.1 选择单元类型
• 3.3.2 网格划分
• 3.4 计算工况和载荷的确定
• 3.4.1 计算工况的确定
• 3.4.2 载荷的确定
• 3.5 位移边界条件的分析与处理
• 3.5.1 位移边界条件的分析
• 3.5.2 接触状态非线性的线性化处理
• 第4章 大型天线座车有限元计算结果分析
• 4.1 有限元计算及结果分析
• 4.2 局部结构改进设计
• 4.2.1 车架纵梁的改进
• 4.2.2 在天线座处增加支腿
• 4.2.3 连接关系的局部改进
• 4.3 改进前后计算结果对比分析
• 第5章 天线座车车架轻量化优化设计
• 5.1 车架优化设计计算模型的建立
• 5.1.1 设计变量的选取及定义
• 5.1.2 状态变量的选取
• 5.1.3 目标函数的选择
• 5.2 优化方法的选择及实现
• 5.2.1 优化方法的选择
• 5.2.2 优化设计具体实现过程
• 5.3 优化设计及结果分析
• 第6章 大型天线座车车架动态分析
• 6.1 大型天线座车车架的模态分析
• 6.1.1 大型天线座车车架模态分析
• 6.1.2 整个天线座车系统的模态分析
• 6.2 动态风荷载的模拟
• 6.2.1 风荷载基本理论
• 6.2.2 风荷载的获取方法
• 6.2.3 大型天线座车风压中心风速时程的数值模拟
• 6.3 瞬态动力学分析的基本原理
• 6.3.1 瞬态动力学分析理论基础
• 6.3.2 瞬态分析方法
• 6.4 大型天线座车车架的瞬态动力学分析
• 第7章 总结和展望
• 7.1 论文总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 研究生期间发表论文情况
• 致谢