基于拓扑优化和高强钢应用的雷达车车架轻量化设计-研究

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1、武汉理工大学硕士学位论文1．1问题的提出第1章绪论在现代社会，雷达已广泛应用于民用和军用领域。特别是在军用领域，雷达是我军现代化装备的重要组成部分，它需要高度的机动性、灵活性和轻便型，以适应现代化战争的要求。传统的地面固定雷达站已不能满足高机动性的要求，因此很多地面雷达站都做成了车载式雷达，而雷达车是车载式雷达的载体，它的可靠性、机动性、轻便性将直接制约着整个雷达系统的性能。某企业设计的雷达车工作环境比较恶劣，在运输工况和架设工况下雷达车车架都需要承受较大载荷。运输工况下，车架不仅要承受雷达天线等部件重量，还要承受来自路面的冲击，特别是雷达

2、车经常要通过路面状况很差的乡村公路，车架所受的冲击更大，因此车架要有足够的强度以保证运输工作的安全性和可靠性：架设工况下，雷达天线升起，车架要承受复杂风载荷的作用，因此车架必须具有足够的刚度以保证雷达天线系统工作平稳，防止发生倾覆。另外，不管是运输工况还是架设工况，车架都需要做到最轻，这样可以降低整车重量，使得整车工作灵活，以提升个雷达系统的机动性。如果运用企业现有的设计手段和方法进行雷达车车架设计，无法保证车架在拥有良好结构性能的同时做到结构最轻，因为该企业的设计理念比较传统，设计方法比较单一，而且自身的设计水平和实力有限。因此，该企业与

3、武汉理工大学汽车学院签订技术协议，要求运用先进的设计方法和设计工具设计雷达车车架，使车架具有较好的结构性能，同时采用尺寸参数优化设计方法对车架进行轻量化设计；在此基础上，为使车架重量迸一步降低，达到更好的轻量化效果，运用其它轻量化方法对雷达车车架进行轻量化设计研究。因此，根据项目委托企业要求，确定本文的研究目的为：设计出满足实际需要的雷达车车架；运用现代结构设计与分析技术，采用拓扑优化和高强钢对雷达车车架进行轻量化设计，使结构最轻；采用先进的理论和设计方法，使该雷达车车架的设计对同类车架的设计具有较好的可借鉴性和指导意义；通过校企合作，提升

4、该企业独立研发能力和自主创新能力。1．2国内外研究现状当前，随着世界汽车保有量的与同俱增，全球性的能源短缺、环境污染等一武汉理工大学硕士学位论文系列问题也日益突出。2009年11月份以来，我国也开始出现大规模的天然气短缺现象，对人们的生活和社会经济运行造成了重要影响，而汽车是最主要的能源消耗者之一，减轻汽车自重，能够提高汽车的节能和环保性能、降低燃油消耗、减少排放、降低全球能源消耗；减轻汽车质量还能减少对原材料的消耗，特别是在钢材价格持续走高的今天，减轻汽车质量能够显著降低制造成本，有利于汽车产业的可持续发展，而且还可以提高汽车的各项性能，

5、因此汽车轻量化设计已成为汽车产业发展中的一项关键性研究课题。1．2．1国外研究现状20世纪60年代初期，国外就有学者开始从事结构轻量化的研究。到了20世纪后半页，计算机、力学、应用数学的飞速发展推动了结构工程问题的求解，一些大型、复杂结构工程问题的求解变得越来越容易，同时也为结构轻量化带来了革命性的变化，运用结构分析和结构优化技术进行轻量化研究具有效果好、求解容易、思路清晰、概念明确、通用灵活性强等优点，现在结构分析和结构优化技术已广泛应用于结构轻量化中。早在1977年Rossow和Taylor就对变厚度应力膜进行了最优设计Ilj，它的基本

6、思想是以单元的厚度为设计变量，以应力为约束条件，寻求应力膜的最优结构，它尺寸优化中的一种，具有方法简单、概念清楚等优点，但是受优化对象的限制，不能推广到三维连续体的结构优化中。1980年Cheng和Olhoff首次在结构优化设计问题中引入材料的微观模型【2J，这种微观模型可以与优化数学模型很好地结合起来。随后Bendsoe又使用了白适应有限元方法进行结构优化【31。Bendsoe的方法在优化时同时考虑体积约束和其它平衡条件，优化目标是结构刚度最大，设计变量是有限元模型中每一个单元的尺寸，并假设每个单元微观结构相同，采用优化准则法进行优化计算

7、。Matsumoto等人在1991年对摩托车车架进行了有限元建模和灵敏度分析【4J，选取梁的截面尺寸和梁的位置为设计变量，以车架刚度不变弱为约束条件，以车架总质量最小为优化目标，对车架进行了结构优化设计，轻量化效果显著。同年，Sareen等人对某直升机的机身结构进行了有限元分丰斤I引，并选取机身构件尺寸为优化设计变量，以机身的振动和疲劳为状态变量，应用基于非线性规划技术编制的优化程序对机身进行了轻量化研究，优化目标是减轻机身重量、减小机身振动和提高结构的疲劳寿命，优化结果良好。1994年，由来自全世界的18个国家和34个钢铁公司组成名为“2

8、1世纪超轻量型汽车开发企业集团(UltraLightSteelAutoBody[6】)"，其旨在以钢铁为基本材料，通过对结构设计的革新、制造技术的优化及零部件形状的改变等多种手段