三轮农用车车架的轻量化研究

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1、万方数据2010年5月农机化研究第5期三轮农用车车架的轻量化研究赵栋杰1，包春江1，张利鹏1’2(1．聊城大学汽车与交通工程学院，山东聊城252059；2．北京理工大学机械与车辆工程学院，北京100081)摘要：将有限元法和遗传算法有机结合，对某型三轮农用车车架进行了轻量化研究。同时，在对车架板壳单元模型进行性能分析并获得相关参数的基础上，进一步建立了车架的参数化有限元模型和优化数学模型，并编写遗传算法程序对其进行优化求解，取得了理想的减重效果。该方法也可应用于其它车架的优化设计中。关键词：轻量化；

2、有限元；遗传算法；农用车；车架中图分类号：U463．32文献标识码：A文章编号：1003—188X(2010105-0048-030引言车辆轻量化是减少原材料的消耗、降低车辆的生产成本、减少排放的最有效措施之一。车架作为三轮农用运输车的主要承载部件，其自重在整车中占有较大比重，因此，对其进行轻量化研究具有重要意义。目前，机械产品的轻量化主要有两种途径：一是采用低密度材料，如轻金属或一些复合材料，该方法减重效果明显，但研发费用高，明显不适合于农用三轮车；二是利用各种优化技术进行结构优化，该方法虽减重效

3、果稍差，但成本低、容易实现，如果方案适当，也能取得良好的轻量化效果。本文在建立车架参数化有限元模型的基础上，应用遗传算法对其进行了结构优化，取得了比较理想的减重效果【1j。1有限元模型的建立与验证1．1车架有限元模型的建立本文以某公司7YPJ一1450型三轮农用车车架为研究对象。该车架是一种比较复杂的空间薄壁梁结构，结合车架的结构特点，采用四节点板单元作为主要离散单元，在杆件连接处等应力集中部位进行网格细化。车架前部与前轮间的前悬架支撑采用用一弹簧阻尼单元模拟；后部与后桥间的两组钢板弹簧支撑，用两个

4、相同的弹簧阻尼单元模拟。建立的有限元模型如图1所示。1．2模态分析与实验验证用有限元软件对上述模型进行振动模态分析，可得到车架的固有频率和振型。由于车架的振动能量收稿日期：2009—08一19作者简介：赵栋杰(1977一)，男，山东聊城人，讲师。硕士，(E—mail)zhaodongjie@lcu．edu．cn。·48·主要集中在低阶，为验证模型，可取前5阶固有频率与试验结果进行对比分析。模态试验采用信恒电子科技有限公司开发的WS—CJ02锤击测振系统。其测振电路工作原理：将力锤的力信号(激励信号)

5、和加速度计的加速度信号(响应信号)经电荷放大器和A／D转换器放大、采样后传人计算机，经过数据处理可求取车架的各阶固有频率和振型。前5阶固有频率的实验结果和有限元计算结果的对比如表1所示；固有频率两者的最大差值为12．1％，从而验证了有限元模型的可用性旧J。图l车架有限元模型Fig．1FEAmodelofframe表1固有频率的计算值与试验值对比Tab．1Comparebetweencalculationsandexperimentsofmodels2轻量化过程实施2．1参数化模型的建立参数化建模是实

6、现结构优化暨轻量化研究的基万方数据2010年5月农机化研究第5期础。它是在结构形状基本定形时，用一组设计参数来约定结构尺寸的关系，然后通过尺寸驱动达到改变结构形状的目的。参数化建模使得数据的改变在不同层次之间的传递变得唯一和及时。本文的优化模型的参数化是在MSC．PATRAN二次编程环境下，利用该软件提供的PCL语言编程来实现的。车架主要由标准型钢焊接而成，考虑到在优化过程中需要进行很多次迭代运算，为节省资源，参数化建模时对模型进行了进一步简化，主要采用梁单元做为离散单元，如图2所示。图2车架参数化

7、有限元模型Fig．2ParameticalFEAmodelofframe根据模型的结构和力学性能选取了8个设计变量。其中，前4个变量(连续变量)控制各梁在结构中的位置，后4个变量(离散变量)控制梁的型号。在模型中，需用到型钢截面的高度、宽度、厚度等参数，这些参数的取值与型钢的型号无法一一对应，因此只能另设一个变量作为“主”变量，与型钢的型号形成映射关系，其它参数作为“从”变量，随主变量而变。文中选取的各变量含义及取值空间如表2所示。表2设计变量取值空间Tab．2Valuerangeofdesignv

8、ariable对原始尺寸的参数化有限元模型进行模态分析，并与有限元模型的分析结果进行比较，发现两者的分析结果基本吻合，最大偏差小于15％，因此可以认为该参数化模型符合要求。2．2优化数学模型的建立建立优化的数学模型如下：目标函数：minM=p·viI21应力约束：盯一≤or。位移约束：6一≤6。一阶频率约束：^≤正设计变量约束：X厶≤Xi≤X叭其中，肘为结构的总质量；p为材料的密度；17,为单元数目；％为单元体积；or。。为分析过程中所有节点的VonMises应力的最