应用ANSYS对汽车车架进行结构优化设计

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1、第30卷第4期四川兵工学报2009年4月应用ANSYS对汽车车架进行结构优化设计钟厉，李正网(重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆400074)摘要：以汽车车架为研究对象，提出了将拓扑优化方法和结构、尺寸优化方法综合应用于车架结构设计中的思想．利用ANSYS软件，在结构设计的初始阶段先对车架进行拓扑优化，获得横梁的数量和大致分布位置，再从纵梁的截面尺寸进行优化，利用ANSYS软件中的零阶优化方法获得最优设计，得到了满意的结果．关键词：车架；拓扑优化；尺寸优化；有限元中图分类号：U463．32文献标识码：A文章编号：1006—0707(2009)04—0005—0

2、3车架是汽车上各部件的安装基础，其中边梁式车架仍是汽车车架的重要结构形式．在设计中，在满足强度和刚度的条件下应尽可能减轻重量，因此设计出重量轻而各方面性能又达到要求的车架是一项重要的工作．传统的汽车车架的结构设计凭借设计者的经验或采用类比方法设计出产品的初始结构方案，然后进行结构静态、动态分析．如果不符合要求，再修改设计方案．最终结果是整体强度分布不均，而局部强度过大，材料强度特性得不到充分利用．将拓扑优化理论和结构参数优化方法综合应用于车架结构优化设计中，在结构设计的初始阶段引入结构选型和布局拓扑优化理论．先对结构进行布局优化，以获得较图1尺寸优化合理的初始结

3、构方案．在结构拓扑优化设计完成后，用参数优化方法进行结构尺寸优化设计．定义拓扑优化问题J1结构优化设计选择单元类型l结构优化设计【1大致可分为3类，即拓扑优化、尺寸指定要优化和不优化区域优化和形状优化．所谓尺寸优化是指在给定结构的类型、材料、布局拓．1定义和控制载荷工况扑和几何外形的情况下，优化各个组成构件的界面尺寸，使整体结构达到预期效果(降低成本、提高刚度或控制振l动等)．设计过程见图1．定义和控制优化过程如果增加结构几何外形的设计变量，优化又进入了一J个较高的层次，即结构的形状优化．结构优化设计的最高查看分析结果层次是结构拓扑优化设计，结构拓扑优化方法的主

4、要思想图2拓扑优化是将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域内寻求最优材料的分布问题，以达到结构的最大刚度或最本文先利用拓扑优化方法对汽车的车架结构进行拓大基频．设计过程见图2．扑优化设计，再根据该优化结果进行尺寸优化设计．收稿日期：2008—11—10作者简介：钟厉(1965一)，女，重庆人，教授，主要从事车辆制造技术研究6四川兵工学报处理后的结构虽然还不能明确给出车架纵横梁的布置，2拓扑优化但根据图4可以合理分布横梁的位置和进行纵梁结构方案2．1拓扑优化的概念设计．经过分析，得出该车架的结构设计方案，如图5所示．拓扑优化“J是指形状优化，有时也称为外形

5、优化．拓扑优化的原理是在满足结构体积缩减量的条件下使结构咱勺柔度极小化．拓扑优化的目标是寻找单载荷或多载荷的物体的最佳材料分配方案．这种方案在拓扑优化中表现为“最大刚度”设计．图5车架各粱结构设计方案拓扑优化的目标(目标函数)是在满足结构约束情况3尺寸优化下减少结构的变形能．减小结构变形能相当于提高结构的刚度．拓扑优化技术通过使用设计变量给每个有限元的单3．1、尺寸优化的概念元赋予内部伪密度来实现．尺寸优化设计(3)是一种寻找最优设计方案的技术．所2，2拓扑优化基本结构的建立谓最优设计方案，是指满足的设计要求，而且所需的支出车架基本结构设计为一长7375em，宽

6、865cm，厚280(如质量、体积)最小的方案，即最优设计方案是一个最有cm的薄板，在板上施加约束及载荷．将约束点确定在悬架效率的方案．与车架的连接处，即前后吊耳处共8个点支撑．驾驶室总成基于参数化有限元分析过程的设计优化包含以下3大重822kg，由4个点支撑；发动机变速箱总成重1130kg，由变量．前后4点支撑；油箱在加满油时重360kg，由4个点支撑；设计变量：即自变量，优化结果的取得就是通过设计电瓶箱重120kg，由2个点支撑；车箱及货物重22000kg，作变量的数值来实现的．每个设计变量都有上下限，它定义用在车架纵梁上，为均布载荷．初始模型如图3所示．其

7、中，了设计变量的变化范围．黑色区域为不优化区域，灰色区域为优化区域．状态变量：用来体现优化的边界条件，是因变量，是设计变量的函数．状态变量可能会有上限、下限，也可能只有单方面的限制，即只有上限或只有下限．目标函数：最终的优化目的．它必须是设计变量的函数，也就是说，改变设计变量的数值将改变目标函数的数值．对于通用的问题可归纳为在满足一定约束条件下，选图3车架初始模型取设计变量，使目标函数达到最大(或最小)．其数学模型为2．3拓扑优化边界条件_5minf()∈Rs．t．g()≤0=1，2，⋯，m为模型施加约束和载荷，即在车架8个吊耳处施加约束，并在车架上端面施加簧上

8、载荷．h()：0=1，2