论文--某重型商用车尿素箱支架总成强度分析及结构优化

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1、某重型商用车尿素箱支架总成强度分析及结构优化摘要:近年来，随着国家对节能减排和环境保护的日益重视，治超限载力度加大以及制造成本的压力，汽车减重降成本受到越来越多整车生产厂家的重视。结构优化设计是实现汽车减重和提高设计质量的主要途径之一，本文以某商用车尿素箱支架总成为例，介绍了支架类结构的多工况拓扑优化设计方法，首先对尿素箱支架总成原结构和改进方案一进行对比分析，结果显示原结构满足强度要求，改进方案一不满足强度要求，且刚度也较差。以原结构为基础，利用Abaqus/Atom对支架总成进行拓扑优化，并将优化结果输出到三维设计软

2、件Pro/E中，结合制造工艺要求，对支架总成重新进设计出两种改进方案：改进方案二和改进方案三，并进行计算分析，与基础模型相比，应力和位移变化不大，满足强度和刚度要求，并实现减重17.1%。关键词:减重降成本、多工况、拓扑优化、Abaqus/Atom1.研究意义随着国家对节能减排和环境保护的日益重视，治超限载力度加大以及制造成本的压力，汽车减重降成本受到越来越多整车生产厂家的重视。统计数据表明，汽车燃油消耗的60%用于自身重量，如果汽车质量降低10%，燃油消耗将减少10%，排放降低5~6%[1]，汽车重量与平均油耗关系如图

3、1所示[2]。商用车自身质量每减轻1000kg，用户每年将增加约10万元净收益[3]。近20年，国外商用车每10年减重10%~15%。国内自主商用车较国外同类车自身质量约高10%~15%，与国外差距明显[4-5]。图1.汽车重量与平均油耗关系目前汽车减重主要通过功能集成、采用轻质材料、结构优化（拓扑、形貌、尺寸）和先进工艺四种途径，利用CAE对结构进行优化设计，可以减少大量的试凑试验，提高工作效率。重型商用车包含大量的传递动力和承载的支架及托架类结构，如悬置托架，钢板弹簧支架，限位支架，牵引座支架，挡泥板支架等，对支架进

4、行优化设计，对于整车减重和提高设计质量具有重要意义。2.优化流程结构优化设计主要有拓扑优化、尺寸参数优化和形貌优化三种类型，其中拓扑优化是指在给定的设计空间内找到最优的材料分布，其一般流程如图2所示。图2.拓扑优化一般技术路线图以某自卸车后悬架限位支架（图3）为例，首先建立原结构模型进行校核，最大应力（723.3MPa）大于材料屈服极限（QT450：310MPa），不满足要求；第二步建立优化区域模型进行计算，最大应力为134.3MPa，满足要求；第三步以优化区域模型为基础进行拓扑优化，最大应力为220.1MPa，满足要求

5、；最后根据优化结果重新设计三维，再进行校核。图3.优化路线（应力为第一主应力云图）下面以尿素箱支架为例，详细介绍支架类结构多工况拓扑优化设计的方法。1.尿素箱支架总成计算模型的建立某商用车尿素箱原始模型和改进一模型的简化、边界相同。将纵梁固定，阀、泵及尿素箱简化为质量点，零部件之间的相互作用按照图纸建立连接，如图4、5所示，载荷及边界如表1所示，所用材料参数如表2所示。表1载荷及边界工况参数质量（kg）重力加速度约束边界满箱尿素箱电磁阀泵XYZ见图4、5冲击工况47.75750.52.591——3G——制动、启动工况47

6、.75750.52.5910.7G————转弯工况47.75750.52.591————0.4G图4.原始计算模型（优化基础模型）图5.改进一计算模型表2计算模型所用材料力学性能参数名称密度（t/mm3）弹性模量（MPa）泊松比屈服极限（MPa）强度极限（MPa）尿素箱箍带总成7.85E-92.09E50.269355600尿素加热电磁阀支架7.85E-92.12E50.288245400-510尿素箱连接板7.85E-92.12E50.288245400-510尿素箱背板7.85E-92.12E50.288245400

7、-510尿素箱底板7.85E-92.12E50.288245400-510尿素箱背板7.85E-92.12E50.288245400-510尿素箱支撑板7.85E-92.12E50.288245400-510肋板-尿素箱支架7.85E-92.12E50.288245400-510螺母7.85E-92.09E50.269355600原始模型和改进一模型校核计算完成后，在原始模型的基础上建立ATOM拓扑优化模型，流程如图6所示。目标函数为五个工况应变能之和的最小值，约束条件为连接区域不参与优化，体积减少20%且两板左右对称。

8、图6.ATOM优化流程图图7.优化基础模型将拓扑优化后的模型导入到Pro/E中，重新设计尿素箱支架结构，在应力较小的区域开三个圆形孔（图8），然后对该支架（改进二）校核计算；考虑制造工艺要求，将改进二模型的三个孔改为一个圆形孔（图10），然后对该新支架（改进三）重新校核计算。图8.优化后结构与改进二结构对比图9.改进