商用车驾驶室悬置支架的优化设计与分析_cae_产品创新数字化(plm)_293

《商用车驾驶室悬置支架的优化设计与分析_cae_产品创新数字化(plm)_293》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、商用车驾驶室悬置支架的优化设计与分析_CAE_产品创新数字化(PLM)1绪论   卡车驾驶室悬置支架是连接驾驶室和底盘的零件，对驾驶室起到承托作用。当汽车行进时，它同时也把底盘上的振动传递到驾驶室。随着重型车技术的不断升级，如何提高驾驶员的乘坐舒适性、减轻驾驶员的疲劳强度、提高车辆的安全性等问题已经成为设计者考虑的重要问题。世界各大重型车生产商都非常重视驾驶室的悬置设计，采用了如“全浮式驾驶室”等技术。“全浮式驾驶室”是在车身四个悬置点以浮式减振系统与车架底盘相连形成支撑，根据路面情况调节波动幅

2、度。这种技术在带来舒适的驾驶效果同时，也提高了对驾驶室悬置支架的强度和刚度的要求。   本文利用通用有限元分析及优化软件HyperWorks对某商用车驾驶室后悬置支架进行了有限元分析和拓扑优化设计。整个工作分成三个阶段：第一阶段，对传统设计支架进行有限元分析，得到最大应力和位移等参数。第二阶段，根据传统设计支架的应力和位移分析结果以及约束情况，确定优化空间，定义优化参数，进行拓扑优化，得到优化支架的大致形状。第三阶段，对优化得到的支架进行二次设计并进行与第一阶段相同工况下的有限元分析，察看应力和

3、位移分布等结果，评价优化结果。具体实施过程流程图如图1.1所示。图1.1基于有限元法的结构拓扑优化流程图2传统悬置支架的有限元分析   2.1有限元模型的建立   驾驶室悬置支架安装在底盘纵梁与驾驶室之间，上部与安装在驾驶室的上支架铰接，腰部与同时连接驾驶室和下支架的弹簧减震器铰接，底座部分用螺栓固定在纵梁上。支架的材料为精铸钢，屈服极限为490MPa。支架受到的载荷有稳定载荷和突加载荷两种，稳定载荷的大小由车型的具体情况确定，突加载荷发生在汽车转向或者遇到地面凹凸时。利用动力学仿真软件ADAM

4、S模拟支架的危险工况，考虑到具体车型和冲击系数，得到分析的边界条件如图2.1所示，两个铰接处受到的载荷大小分别为19540N和7803N。支架的约束施加在底座部分的五个螺栓孔上。为了准确的反映结构受力和约束的实际情况，在螺栓孔和铰接孔周围将所有的节点通过刚性单元（RBE2）连接在一起，载荷和约束都施加在刚性元的主节点上。   采用四面体单元高阶单元TET10进行结构离散。这种单元的特点是网格发生和重划算法比较简单，对复杂形状边界表面协调性好，计算精度高。网格划分时先将实体表面离散成三角形二维网格

5、，然后将内部填充成四面体单元。有限元模型共有高阶四面体单元15423个，刚性单元16个，节点29621个。悬置支架的有限元模型如图2.2所示。图2.1悬置支架的边界条件图图2.2悬置支架的有限元模型   2.2结果与分析   对传统设计的悬置支架进行有限元分析，得到最大位移为8.37mm，出现在远离约束与驾驶室铰接的位置，如图2.3所示。最大应力值为591MPa，出现在支架腰部与弹簧减震器铰接位置的上方加强筋上，如图2.4所示。由于材料的屈服极限为490MPa，因此传统设计支架的实际应力超出了材

6、料的屈服极限。图2.3传统设计悬置支架的位移云图图图2.4传统设计悬置支架的应力云图3悬置支架的拓扑优化   拓扑优化的目标是寻找承载结构的最佳材料分配方案，得到结构的最佳形状。即在一个给定的空间区域内，依据己知的负载或支承等约束条件，解决材料的分布问题，从而使结构的刚度达到最大或使输出位移、应力等达到规定要求的一种结构设计方法，是有限元分析和优化方法有机结合的新方法。拓扑优化过程包括三部分：1）定义进行拓扑优化的区域；2）定义优化参数；3）进行拓扑优化。定义优化参数包括定义约束、目标函数、收敛

7、公差等，HyperWorks软件能够自动进行多次迭代运算，直到满足优化参数中所规定的收敛公差。   在确定进行拓扑优化的区域时，为了不受原结构设计的约束，需要建立合适的包络体。在建立包络体时，既要考虑载荷、约束的情况以及零件整体占据的空间，还要给予充分的优化空间。这里使传统设计的支架整个包围在包络体里面，遇到内部几何元素如孔等和外包络面形成交线和尖角的，让外包络面退让，防止形成尖角或在单元离散时产生低质量的网格。此外，考虑到装配关系，需要在构造包络体时留出螺栓孔的位置并去除与减震器摆动干涉位置处

8、的材料，如图3.1所示。包络体的几何模型在Pro/E中创建。图3.1包络体几何模型   对包络体进行网格划分、施加边界条件并确定优化的设计区域和非设计区域。支架上部和腰部的铰接孔以及带有螺栓孔与纵梁相连的底座为非设计区域，其余部分均为设计区域。定义设计区域为优化设计变量，约束为体积百分比，体积百分比参考传统设计支架体积与包络体体积之比，确定为0.25。优化目标为结构柔度最小。      可见，结构柔度C就是结构的应变能。在一定工况下柔度小的，结构的应变能就小，说明该结构的应变和应力也相应较小。