基于ANSYS参数化建模的农用车车架优化设计

2 0 0 7 年 3 月 农 业 机 械 学 报 第 38 卷 第 3 期 基于 ANSYS参数化建模的农用车车架优化 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 张洪伟　张以都　王锡平　周慎杰 　　【摘要】　基于 ANSYS 参数化设计语言 APDL 建立了农用车车架的参数化有限元模型,对其进行模态 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 , 并用模态试验验证了有限元模型的准确性和可靠性。在此基础上,对车架结构进行了优化设计。 关键词: 车架　参数化建模　有限元法　模态分析 中图分类号: U463. 32 文献标识码: A Optimization Design of an Agricultural Vehicle Frame Based on ANSYS Parametric Modeling Zhang Hongw ei 1　Zhang Yidu1　Wang Xiping 2　Zhou Shenjie2 ( 1. B eihang University　2. Shand ong Univer sity ) Abstract Based on ANSYS parametric design language, a parametric f inite element model for agricul- tural vehicle fr ame w as established and the modal analy sis w as carried out . The validity and relia- bility of the finite element model w as verif ied through modal experiment . According to the modal analy sis r esults, the dynam ic opt im izat ion w as accomplished and reasonable conclusions w ere achiev ed. Key words　Frame, Parametric modeling , F inite element method, M odal analysis 收稿日期: 2005 11 24 张洪伟　北京航空航天大学机械 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 及自动化学院　博士生, 100083　北京市 张以都　北京航空航天大学机械工程及自动化学院　教授 王锡平　山东大学土建与水利学院　副教授, 250061　济南市 周慎杰　山东大学机械工程学院　教授 　　引言 农用车车架的动态特性直接影响整车的乘坐舒 适性、操纵稳定性和安全可靠性等,因此应合理选择 车架结构形式及尺寸参数, 对其进行优化设计, 使其 具备良好的动态特性。参数化建模技术是先用一组 参数来定义几何图形(体素) 尺寸数值并约束尺寸 关系,然后提供给设计者进行几何造型使用。这对于 工程的快速分析及优化设计起着至关重要的作用, 日益受到人们的重视[ 1]。 本文利用大型有限元软件 ANSYS 参数化设计 语言 APDL 对某型农用车车架建立参数化有限元 模型,并对其进行模态分析及结构优化设计。 1　APDL语言与车架参数化模型的建立 APDL 是 ANSYS 提供的一种类似于 FOR- T RAN 的参数化设计语言, 是一种高效的参数化建 模手段。由于车架结构复杂, 有限元建模又比较繁 琐, 对于同种车型,结构相对固定,只是车架的结构 尺寸有所差异, 建模过程中往往存在大量重复性工 作。针对车架结构的复杂性和规律性,可以进行参数 化建模。这样对于结构相同、尺寸不同的分析模型只 需要改变相应参数化尺寸的值,就可以自动迅速获 得新的分析模型,避免大量重复过程,提高了设计效 率,而且可在有限元分析的基础上进行优化设计。 因此,利用 APDL 编程建立了车架的参数化有 限元模型, 并且求解及后处理整个过程都采用 APDL 语言设计,实现了有限元分析的全过程参数 化、自动化。 1. 1　车架边界条件的处理 车架在进行有限元分析时,除了要将其离散为 有限元模型外, 还必须引入车架约束。农用车车身通 过两根纵梁与车架相连,地面的反作用力通过悬架 传给车架,不同的悬架系统对车架及车身的强度和 刚度影响较大,即模拟悬架系统对车架约束正确与否 直接影响计算结果的正确性。从实际结构来看,车架约 束主要来自前后悬架系统以及车轴、轮胎和地面。 前悬架系统采用筒式减震器, 包括螺旋弹簧和 减震器叉管, 它可以进行转向操纵,空间位置倾斜。 模拟时既要反映其空间位置,又需模拟其转向功能。 本文在建立模型中,叉管与实际空间位置一致, 在叉 管和轮胎连接处的节点附加外部弹簧,一端固定,另 一端连接到节点上,释放竖直方向转动自由度, 以模 拟其转向功能。前轮胎的质量和刚度均分到叉管上。 对减震器而言,释放竖直方向平动自由度和绕横轴 转动自由度。后悬架系统为钢板弹簧,其模拟应遵循 以下原则 [ 2] : 要有足够的约束以消除结构的刚体位 移,但又不能过于约束,否则会导致错误; 约束与真 实结构应保持一致。 为了有限元计算时能合理地确定计算模型,使 其较好地反映实际情况,将钢板弹簧模拟成 2个竖 放的弹簧和 1个刚度较大的梁, 与轮胎的连接点根 据实际情况选在中间位置, 由于轮胎与地面接触,末 端约束全部自由度。 1. 2　建立车架有限元模型 车架结构的有限元分析大多采用梁单元类型, 其优点在于建模简单、单元数目少、计算速度快,适 合于对结构的初选 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 进行分析对比。但由于梁单 元的模型过于简单,模拟形状复杂的构件时,其截面 特性无法确定,而且梁单元忽略了扭转时截面的翘 曲特性,因此计算精度差[ 3]。 为了提高计算精度,选取壳单元作为基本单元来 离散整个车架结构,其中联体后桥采用梁单元模拟, 前悬架系统采用弹簧单元和杆单元模拟, 后悬架系 统采用弹簧单元和梁单元模拟。由于发动机与车架 固接在一起, 构成整个系统,如何模拟也是一个比较 重要的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。发动机体是一个铸造的箱体结构, 它的 结构形状和所承受的载荷极为复杂,给有限元建模 带来极大困难。本文在计算中,采用梁单元模拟发动 机支座,由于不可能考虑全部复杂的因素, 只能考虑 一些起主导作用的因素来建立计算模型, 因而选用 梁单元来模拟发动机主骨架,通过设置截面尺寸、转 动惯量等来模拟发动机对车架系统动态特性的影响。 由于采用不同类型的单元组合,而不同类型单 元节点的自由度不同, 因此必须考虑不同单元之间 各节点自由度的协调关系。即将不同类型单元的公 共节点,以满足最少节点自由度要求为准则进行约 束处理,而使得这两种类型单元在它们的公共节点 上具有相同自由度数目[ 4]。经过离散后形成的车架 有限元分析模型(含悬架系统)如图 1所示。 图 1　车架有限元模型 Fig . 1　F inite element model o f fr ame 　 2　车架模态分析 2. 1　车架模态试验 利用 ANSYS 软件对车架结构进行模态分析, 并同时进行了试验模态分析, 以确保分析模型与分 析结果的准确性、可靠性。 将整车架放在地面, 由轮胎支撑,采用锤击法进 行模态试验。模态分析测试系统为北京东方振动噪 声研究所研制的 DASP 软件和 INV 306系统智能 信号自动采集处理分析仪。由于农用运输车高度不 大, 且关注的频率段为 0～100 Hz,故采用 DFC 2 型高性能聚能力锤进行单点激励, 利用 B&K4382 型压电加速度传感器进行多点移步拾振,模态试验 测点分布如图 2所示。在农用车运行过程中, 地面和 悬挂系统垂直方向的振动对车架的动态特性影响最 大,因此, 试验主要测量垂直方向振动信号。 图 2　试验模态分析测点布置图 Fig. 2　Measur ing point s fo r modal experiment 　 2. 2　模态试验结果及分析 从表 1可以看出,试验和计算得到的频率值误 差较小,二者吻合较好。比较试验和分析的模态振 型,考察振型的相关性。一方面凭视觉粗略观察模态 振型(这里例举出其中一阶,如图 3所示) ,可发现二 者具有一定的相似性,通过计算反映二者振型相关 性的 MAC(模态置信准则)值[ 5 ] ,证明试验与分析的 振型向量具有一定的相关性。结合上述两种判断振 型一致性的相关技术,验证了有限元计算模型的正 确性。 发动机的爆发频率为 6. 67 Hz左右, 该车架的 第一阶频率 6. 536 Hz与其接近, 很容易引起共振, 因此,需要提高或降低该阶固有频率避免共振现象 发生。 36 农　业　机　械　学　报 2 0 0 7 年　 表 1　试验结果与计算结果频率值比较 Tab. 1　Comparison for frequencies of test results and calculation results Hz 阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 试验值 7. 208 8. 277 10. 946 13. 415 15. 745 27. 315 35. 624 38. 452 45. 413 50. 096 计算值 6. 536 7. 484 10. 503 14. 416 14. 997 29. 671 32. 361 36. 956 40. 659 52. 520 误差/ % 9. 3 9. 6 4. 1 7. 5 4. 8 8. 6 9. 1 3. 9 9. 9 4. 8 图 3　车架振型对比图 F ig . 3　Comparison of fr ame modes 　 3　车架优化设计分析 对车架进行优化设计,以得到可靠的具备良好 性能的设计方案。设计变量、状态变量和目标函数总 称为优化变量。在建立优化数学模型时,需要确定结 构的设计变量,如单元的物理参数、材料的特性常数 和结构的几何尺寸等。其次,要确定在优化过程中结 构应满足的性能要求, 即状态变量,如强度、刚度、模 态频率或局部质量等。另外,要确定优化问题的目标 函数, 它是被寻求最优的量, 如总质量最小化,弯曲 刚度、扭转刚度或一阶模态频率最大化等[ 6]。 3. 1　车架的优化模型 由于车架的第一阶固有频率接近发动机怠速频 率,容易发生共振现象,因此, 优化目的在于提高第 一阶固有频率,避免共振现象的发生。求解过程采用 ANSYS软件提供的优化方法:一阶方法。该方法基 于目标函数对设计变量的敏感程度,使用因变量的 一阶偏导数来决定搜索方向并获得优化结果,没有 近似, 所以精度很高。首先要确定优化设计的基本 变量。 ( 1) 目标函数的确定 因为 ANSYS 软件都是进行最小化优化, 希望 在改善动力性能的同时,使质量尽可能小, 实现轻量 化设计,故将目标函数转化为质量。 ( 2) 状态变量的确定 将一阶频率最高的优化目标转换成性能约束, 定义为状态变量, 下限值定为初始频率 6. 536 Hz。 ( 3) 设计变量的确定 整个车架的参数变量很多, 可以通过灵敏度分 析选择对状态变量和目标函数影响最为显著的参数 作为设计变量[ 7] ,以利于优化的收敛和求解的稳定 性。由于一阶频率基本为刚体频率,悬架系统对其有 着重要的影响, 通过试算发现前悬架对一阶频率影 响很小,故将后悬架系统作为设计变量之一。 3. 2　优化过程与结果 优化模型所选优化变量及优化结果见表 2。优 化模型的目标函数及状态变量的优化过程曲线如 图 4与图 5所示。 表 2　优化变量及优化结果 Tab. 2　Optimization variables and results for optimization model 变量 初始值 下限值 上限值 优化结果 目标函数质量/ kg 100. 8 79. 8 状态变量一阶频率/ H z 6. 536 6. 536 7. 1 后角钢厚度/ mm 4. 0 2. 0 6. 0 2. 0 中间横方管 1厚度/ mm 2. 5 1. 5 4. 5 1. 5 设计 中间横方管 2厚度/ mm 2. 5 1. 5 4. 5 1. 5 变量 前上纵方管横梁厚度/ mm 3. 0 1. 5 5. 0 4. 494 竖方管厚度(×2) / mm 2. 5 1. 5 4. 5 1. 5 前上纵方管纵梁厚度/ mm 3. 0 1. 5 4. 5 1. 5 后悬架刚度/ N·m- 1 62 500 55 000 70 000 68 000 图 4　目标函数变化曲线 Fig. 4　Curve of objectiv e function 　 设计变量的边界约束对优化结果有一定影响。 为保证目标函数收敛到全局最优, 一定要反复试算, 37　第 3 期 张洪伟 等: 基于 ANSYS 参数化建模的农用车车架优化设计 并结合实际情况, 选择合适的边界约束范围。优化模 型经过 7次迭代收敛。在质量减小 20%的情况下, 一阶频率提高了 10% ,可以避开发动机怠速频率, 而一阶弯曲和扭转频率也相应有所提高。优化结果 图 5　状态变量变化曲线 F ig . 5　Curve o f state v ariable 　 达到了预期目的,而且实现了轻量化设计。 4　结论 ( 1) 对于农用车车架, 利用参数化建模可大大 提高设计效率, 并可以在设计阶段进行快速修改和 验证,是优化分析和改进的基础。 ( 2) 有限元方法和试验模态技术的结合可以准 确有效确定复杂结构的动态特性,并可以基于试验 结果修正有限元模型。 ( 3) 对农用车车架结构进行优化设计, 使其一 阶固有频率得到提高,避免了共振发生,改进了动力 性能。 参 考 文 献 1　王鹰宇,姚进, 成善宝. 基于 ANSYS 环境的参数化有限元建模[ J] . 机械, 2003, 30( 4) : 12～14. 2　朱茂桃,陈龙, 李志兵. 农用运输车车架支承方式与动态特性分析[ J] . 农业机械学报, 2003, 34( 4) : 142～144. 3　谢军,陈南,翟羽健. 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