基于多目标优化的钢铝混合轻量化车架设计-论文.pdf

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1、中国机械工程第25卷第17期2014年9月上半月基于多目标优化的钢一铝混合轻量化车架设计辛勇叶盛南昌大学，南昌，330031摘要：以国产某suV车架为研究对象，建立了车架有限元模型，对车架进行弯曲刚度、扭转刚度分析，并进行模态分析和模态试验，验证模型的有效性。利用正交试验法确定了材料轻量化部件，并将这些部件的钢材料替换成铝合金，得到钢一铝混合轻量化车架。针对钢一铝混合轻量化车架刚度和模态性能的减弱问题，采用基于折中规划法的多目标形貌优化方法对部件进行优化改进，提高了车架的刚度和模态性能。设计结果表明，使用钢、铝材

2、料结合多目标优化方法设计的钢一铝混合轻量化车架相比原钢质车架在保证一定的刚度和模态性能条件下，质量减轻了6．7kg。关键词：车架；正交试验；钢一铝混合；多目标形貌优化；轻量化中图分类号：U463DOI：10．3969／j．issn．1004—132X．2014．17．024DesignofSteel—aluminumHybridLightweightFramebyMulti——objectiveOptimizationXinYongYeShengNanchangUniversity，Nanchang，330031

3、Abstract：TakinganSUVframeasresearchsubject，afiniteelementmodelwasestablished，itsbending，torsionalstiffnessandmodalwereanalyzed，andthemodalvaluewascomparedwithtestonetoensurethemodeleffectiveness．Orthogonaltestmethodwasusedtodeterminethelightweightcomponents，a

4、ndtheirsteelmaterialswerereplacedbyaluminumalloy，SOasteel—aluminiumhybridlightweightframewasobtained．Thencompromiseprogrammingmulti—objectivemorphologyoptimi—zationdesignmethodwasadoptedtoimproveitsstiffnessandmodalproperty．Resultsofthedesignshowthat，usingste

5、el，aluminumandmulti—objectiveoptimization，thenewsteel—aluminumlightweightframemasswillbe6．7kglighterthantheoriginalsteelonewithawellguaranteeforthestiffnessandmodalperformance．Keywords：frame；orthogonaltest；steel—aluminiumhybrid；multi—objectivemorphologyoptimi

6、za—tion；lightweight0引言轻量化优化设计与有限元分析和材料属性研究相车架不仅要承载来自各方向的力和力矩，保结合，能够获得很好的效果_6]。目前对汽车车架证有足够的刚度和强度，而且还应具有合适的固的轻量化设计主要都是倾向于结构优化改进，很有模态频率，避免产生共振，保证良好的乘坐舒适少注重新型轻量化材料的使用，因此，从新型轻量性和足够的使用寿命口]。文献[2]阐述了当整车化材料人手并结合拓扑一形貌结构优化设计对车的质量减轻1O％时，可以节省燃油6～8。架进行轻量化研究具有一定的探索意义。本研究SUV

7、车架是连接车身与悬架的主要承载部件，其以某国产SUV车架为研究对象，对其进行刚度质量一般在150kg左右，在整车质量中占有较大和模态仿真分析，使用铝合金材料，结合正交试验比重，因此对车架进行轻量化设计具有较大的研法确定材料轻量化目标；同时针对车架性能降低究空间。的问题，建立折中规划的多目标形貌优化数学模与汽车用钢铁材料相比，铝合金具有密度小、型进行优化设计，得到满足刚度和模态性能的钢一比强度和比刚度较高、弹性好、抗冲击性能好和再铝混合轻量化车架模型。回收率、再生率高等一系列优良特征『3]。美国资l车架刚度及模态有

8、限元分析深汽车工程师DavidScholes曾预言，未来轿车上的每一个零件都有可能用铝合金生产]。超高强1．1车架有限元模型建立度铝合金主要是以A1一Zn—Mg—Cu系为主的合金，为确保计算精度高、计算时间短，选取目前已开始广泛应用于飞机和火箭等军事领10mm×10mm的单元来离散车架所有部件。域【5]。由于车架结构及载荷的复杂性，研究者将最终得到的车架网格模型中含有四边