悬架导向臂支架稳健性拓扑优化方法研究

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1、北京理工大学硕士学位论文摘要作为连接车桥和车架的功能零件，导向臂支架对载货车辆悬架系统发挥良好功能具有重要作用。本文以某型载货车辆导向臂支架为研究对象，针对其在工作过程中由于应力集中导致的早期疲劳断裂问题，综合运用有限元理论、拓扑优化方法，以结构综合性能最优为目标，在改善结构静动态特性的同时，提升结构轻量化水平和稳健性。首先，对现有拓扑优化和稳健性设计理论进行梳理，了解当前结构设计方法的发展方向与不足，对本文所用到的材料插值模型及优化算法进行归纳总结。其次，基于有限元理论建立导向臂支架有限元模型。结合有限元模型，对原结构在四种典型工况下的静态特性和模态特性进

2、行分析。计算结果表明，原结构在强化扭转工况下的局部应力超过许用应力，应力集中位置与实车试验中的早期疲劳断裂位置吻合；结构主体应力水平较低，有进一步轻量化的潜力；结构主振动方向避开受力方向，具有良好的模态性能。之后，根据导向臂支架的承载情况和工作空间，建立导向臂支架拓扑优化模型，考虑工程约束对优化结果的影响，完成约束条件设置。结合拓扑优化模型，分别以静态刚度和模态性能为目标，进行单目标确定性拓扑优化设计。根据优化结果，利用折衷优化法和平均特征值法建立多目标优化函数，以强度、刚度和模态综合性能为目标进行多目标优化设计，并建立判别函数对得到的多目标帕累托解进行筛选

3、。然后，对导向臂支架工作时的不确定性进行分析，以强化扭转工况下载荷幅值和相位不确定性为研究对象，对导向臂支架的稳健性设计进行研究。对不确定性的模拟方法进行总结，对比分析不确定性配点方式、配点精度、配点维数对优化结果的影响，完成导向臂支架的稳健性设计。优化结果表明，非等距稀疏网格配点法在解决结构不确定性分析优化问题时具有精度和效率的良好折衷。最后，根据导向臂支架稳健性设计结果，运用参数化建模的思想对结构优化模型进行重构，并从模型质量、模型静力学性能和模型模态性能三个方面将新旧模型进行对比。结果表明：重构模型的结构质量降低5%~7%；同时，结构在各工况下的应力水

4、平普遍降低，导向臂支架加权刚度提升近20%；新模型实现了结构综合性能的有效提高。本文提出的稳健性拓扑优化设计方法能够为连续体结构的稳健性设计提供参考。关键词：导向臂支架；轻量化设计；拓扑优化；多目标优化；稳健性设计I北京理工大学硕士学位论文AbstractAsafunctionalcomponentthatconnectsaxleandframe,theguidingarmbracketsoftruckshaveasignificantiMPactonthesuspensionsystemfeatures.Inordertosolvethefatiguefr

5、actureproblemcausedbystressconcentration,improvetheoverallperformance,arobustoptimizationdesignoftheguidingarmbracketbasedonthefiniteelementtheoryandthetopologyoptimizationmethodwascarriedout.Therobustoptimizationdesignoftheguidingarmbracketenhancedthestructurallightweightandrobust

6、nesslevel,whileimprovingthestaticandmodelperformanceofthestructure.Firstly,theexistingtopologyandrobustoptimizationdesigntheorywasconcludedandsummarized,inordertofindoutthedevelopmentdirectionandthedeficiencyofthecurrentstructuraldesignmethod,followedbytheintroductionofthemateriald

7、ifferencemodelandoptimizationmethodusedinthispaper.Next,afiniteelementanalysismodeloftheguidingarmbracketbasedonthefiniteelementtheorywasbuilttoanalyzethestaticandmodalcharactersofthefiniteelementmodelunderfourtypicaloperatingconditions.Theresultsshowedthatthelocalstressoftheorigin

8、alstructureundertheenhance