半挂车车架的拓扑优化设计与研究

论文摘要

货车的主要承载结构是车身车架,在保证刚度和强度的前提下减轻车身车架的重量对整车性能的提高有着重要的意义。拓扑优化是现代结构优化研究领域的前沿和热点问题,以模型整体为优化对象有利于提高整车的各项性能。论文首先说明了拓扑优化和结构轻量化研究的必要性及国内外研究概况,分析了拓扑优化和车辆结构轻量化的发展趋势,提出了应用拓扑优化方法对货车的半挂车架进行轻量化设计和研究的构想。根据优化前的车架几何模型参数建立拓扑优化的初始模型,在此基础上以结构的柔度最小为目标,优化后的体积为约束,建立了基于变密度法的半挂车车架拓扑优化的数学模型,利用MD.Nastran系统对车身车架进行了拓扑优化设计和计算。并在此基础上结合车身车架的制造工艺和可制造化处理原则对拓扑优化结果进行了可制造化处理,得到一个全新的车身车架。对优化前和优化后的车架进行了性能分析和比较。建立了拓扑优化前后两种车身车架基于实体单元的有限元计算模型,对两种车身车架在弯曲和扭转工况下的整体应力分布及其模态频率进行计算分析。计算结果显示,优化后车身车架相对优化前车身车架质量减少约11.6%,取得了较好的轻量化效果。而且弯曲和扭转工况下的最大应力相对于优化前的车架有了很大的降低,同时模态分析显示优化后车身车架的模态频率也有所提高。从而进一步说明了拓扑优化设计的准确性、可靠性以及现实意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1-1 课题提出的背景及意义
• §1-2 结构优化的分类
• §1-3 结构优化的研究发展现状
• 1-3-1 国外拓扑优化发展现状
• 1-3-2 国内拓扑优化的发展现状
• §1-4 课题的学术和实用意义
• §1-5 课题的主要研究内容
• 第二章 拓扑优化设计方法的分析
• §2-1 拓扑学的简介
• §2-2 结构拓扑优化的分类
• 2-2-1 均匀化方法
• 2-2-2 变厚度法
• 2-2-3 ICM 法
• 2-2-4 变密度法及其迭代式的推导
• §2-3 拓扑优化应用的算法
• §2-4 本章小结
• 第三章 车架拓扑优化设计
• §3-1 MD.Nastran 的简介
• 3-1-1 MD.Nastran 程序的组织框架
• 3-1-2 MD.Nastran 优化程序的组织框架
• 3-1-3 MD.nastran 优化参数设置
• 3-1-4 算例
• 3-1-5 MPC 的简介
• §3-2 拓扑优化的实现过程
• 3-2-1 优化前车架的结构分析
• 3-2-2 车架的设计空间
• 3-2-3 有限元的划分
• 3-2-4 优化范围的确定
• 3-2-5 车架位移边界条件
• 3-2-6 定义设计变量、约束函数和目标函数
• §3-3 拓扑优化的解算和分析
• 3-3-1 优化计算
• 3-3-2 优化结果
• 3-3-3 拓扑优化结果的确定
• §3-4 本章小结
• 第四章 可制造化处理
• §4-1 可制造化处理的基本方案
• §4-2 可制造化处理基本原则
• 4-2-1 纵梁的设计
• 4-2-2 横梁的设计
• 4-2-3 纵梁和横梁的连接设计
• §4-3 UG 二次开发在可制造化处理中的应用
• §4-4 本章小结
• 第五章 车架结构的强度分析和模态分析
• §5-1 有限单元法在汽车技术中的应用
• §5-2 划分网格
• §5-3 车架结构的静力分析
• §5-4 车架的模态分析
• §5-5 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 参考文献
• 致谢