基于参数优化的自卸车货厢轻量化设计

基于参数优化的自卸车货厢轻量化 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 ? 27? 文章编号:1032—6886(2oo9)o5一O027—03 基于参数优化的自卸车货厢轻量化设计 周鹤.马力,高金玲 (武汉理工大学汽车工程学院,湖北武汉430070) 摘要:以货厢骨架结构的壁厚为优化设计变量建立了自卸车货厢优化设井参数化 模型,以货厢自重为目标函数进行了轻量化优 化设计,使货厢在总体强度刚度不低于原结构的情况下结构自重减轻了244kg. 关键词:自~V-~-货厢参数优化轻量化 中图分类号:U4国4;63.84+3文献标识码:A ResearchonWeight~ighangforOumpTruckCompartmentBasedOilOptimizationofPara meter ZHOUHe,MALi,GAOJinUng Abstract:Usingshellthicknessofcompartmentframeasdesignvariable,compaamentHlass asobjectivevariable,theoptimizationmodel ofparameterofdumptruckcompartmentisestablishedandanalyzed.Thoughtheentirestren gthstiffnessofcompartmentisnotreduced,the nlassofcompartmentreduces244kgcomparedwiththeoriginalone. Keywords:dumptruck;compartment;parameteroptimization;lightweight 0前言 车辆轻量化是降低车辆生产成本,减少原材料消耗,提 高车辆性能的有效措施,尤其对于重型车辆企业,降低成本, 提高材料利用率,提升企业竞争力显得更为重要.目前人们 已经开始重视对重型自卸车的轻量化研究,比如对举升机构 中的三角臂进行轻量化设计,已经取得了较好的轻量化效 果.但有关对自卸车货厢进行轻量化研究的文章目前国 内还未见报道,而且从货厢自身来看,其自重以及所占整车重 量的比例均较大,故自卸车货厢进行轻量化设计对自卸车轻 量化研究具有重要的意义.因此本文在对某典型自卸车货 厢进行局部调整并使其质量有所降低的基础上,以货厢骨架 构件壁厚为设计变量研究了其结构轻量化优化设计问 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 ,给 出了参数优化数学模型及一般过程,并进行了优化设计,在保 证原货厢承载能力的情况下使其重量减轻244kg. l货厢结构参数优化设计数学模型及一般过程 自卸车货厢主体结构属于典型的板壳结构,载重量按 45t计算.根据企业要求,不改变货厢主体结构形式及拓扑 关系,这种情况下影响货厢重量和强度刚度的主要因素即为 构件的壁厚参数,而通过调整各构件板厚参数可使结构质量 减轻,这属于尺寸参数优化设计.假设货厢共有n个构件参 与优化计算,用 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示第i个构件的壁厚,以X=,,, … ,}作为设计变量,以材料的许用应力作为约束条件,以货 厢的总重量最-'N~P有效体积最小作为目标函数,建立尺寸优 化设计的数学模型: 求X={1,2,3,…,} _, 使minV=v0+A. 满足…??i=1,2,3,…,n 5J,?[]=l,2,3,…,n 式中,…,,分别为第i个构件的壁厚允许下限及允许上 限;v0为参数不变构件的体积和;A为第i个构件的表面积; n为优化设计变量的个数;m为货厢结构中的材料种类个数; .s,为第种材料构件的最大计算应力;[],为第种材料的 许用应力. 自卸车货厢参数优化设 计一般过程如图1所示.首先砸 对结构中容易造成应力集中 的部位进行局部改进,消除因 结构自身设计造成的应力集 中.其次,定义优化设计变量, 建立参数化模型并进行有限 元分析.而后,定义目标函数, 约束条件以及设计变量的允 许变化区间,选择优化方法进 对货厢进行有限元分析计算 选择优化方法搜索寻优 收敛, 变量圆整获得最优结果 图1参数优化设计一般流程图 行搜索寻优.优化结果如不收敛则要调整设计变量,重新进 行计算.最后,对最优结果进行圆整,并重新建立有限元分析 模型进行验证计算,直到结果满足设计要求. 2典型自卸车货厢参数优化模型的建立 作者简介:周鹤(1984一),男,武汉理工大学汽车工程学院硕士研究生,研究方向:汽 车CAD/CAE. 收稿日期:9—4—29 中国机械采购网 ? 28? 2.1参数化模型的建立 所研究的重型自 卸车货厢为普通矩形货 厢,总体尺寸为6146 iYlin×2390ITIITI×2170 him,由底架总成,左右 侧板总成,前板总成和 后板总成组成,具体几 何模型如图2所示,侧 板总成与后板总成之间 图2自卸车货厢几何模型 通过铰链臂连接.底架总成主要由左右两根纵梁,29根底架 横梁以及底板封板焊接而成,横梁与纵梁均采用槽钢,具体结 构布置如图3所示.货厢侧板总成和前后板总成主要由上下 纵(横)梁,立柱以及封板焊接而成,其骨架结构如图4所示. 货厢各构件间均采用焊接进行连接.货厢由两种材料构成, 底架总成左右纵梁为16Mn材料的槽钢,其余构件均为Q235 材料. J,JlI\l,/…/I '一'1 .1\m,/]1,川!.1 /////f{ l23456789l0 1—8第1至第8边横粱;9辅助承重粱;10后边横梁;1l后中横 粱;12辅助中横梁;13纵梁2;14—18第8至第5中横梁;l9纵 梁I;20中横梁2;21中横梁1; 图3货厢底架骨架示意图 \/}\|} ,,,,,. ,'.. ,. ?-J..I?_-一『.tl,,, ||,,I I侧扳前立柱;2-6第1至第5侧板中立柱;7侧板下纵粱;8侧板后 立拄;9侧板上活动粱;IO侧板下活动梁;?侧板活动梁立柱; 12侧板上纵粱; 图4货厢侧板骨架示意图 采用APDL编程语言定义变量并进行初始化,在几何模 型与变量之间建立关联,使每个构件壁厚都相应地对应一个 参数.以各构件壁厚为参数建立货厢结构有限元模型,货厢 主体为典型的薄壁结构,以板壳单元对其进行离散,共得到 231367个板壳单元;前顶倾支座,后翻转支座以及后板总成 上端的铰链臂等采用实体单元进行离散,共得到20553个3D 实体单元;模型中具有旋转相对运动分量的构件之间采用 linkl1单元进行耦合模拟,共得到2700个link单元,整个结 构共250916个节点. 2.2优化设计工况的确定 受力分析和大量试算表明,在举升瞬间货厢结构受力情 况较差,以此时的状况为计算工况,基本可以反应其它工况的 受力情况,因此以货厢举升离开副车架瞬间作为计算工况. 该车额定载重量为12t,考虑到超载情况,车辆行驶时的 动载荷以及装载货物时的冲击载倚,计算时货厢载重量取 45t;边板载荷以货厢货物堆至极限高度时简化计算.边板 载荷简化的程度偏恶劣,因此计算是偏安全的.约束模拟货 厢举升离开副车架瞬间的结构支撑状况来处理,同时消除刚 体位移. 2.3优化变量的定义及目标函数,约束函数的选择 根据企业要求,保持货厢底板封板,侧板封板以及前后 板封板壁厚不变,为了尽可能地拓宽计算空间,从已定义的参 数中选取48个货厢骨架构件壁厚参数作为优化变量.其中, 底架9根中横梁,9对边横梁,纵梁1,纵梁加强板1,纵梁2以 及纵梁加强板2共22个变量,如图3中所示;侧板前后立柱, 5根中立柱,上下纵梁,上下活动梁以及活动梁立柱共12个 变量,如图4中所示;前板中立柱,.下边横梁以及上下中横 梁共5个变量;后板左右边立柱,中立柱,中间立柱,上下横 梁,上下活动梁以及活动梁立柱共9个变量.在货厢骨架的 具体优化过程中,取构件原始壁厚为这48个变量的初始值. 优化设计的目标函数为货厢的体积最小;约束条件为强 度约束,即为结构的最大计算应力在满载举升工况下不超过 材料的许用极限.结构刚度通过优化后处理的验算加以保 证,以减少优化计算过程中的计算量. 3优化设计的实现及结果处理 优化设计时可以采用GUI和APDL编写程序两种方法 来实现.前者操作比较简单,容易实现,但是工作量大,十分 繁琐,整个过程需要耗费大量的时间和精力.优化设计语言 APDL用智能分析手段为用户提供了自动完成所有循环的功 能,可以按需要调整程序以满足特定的设计和分析需要,使整 个程序发挥最大的效率. 采用DesignOpt优化模块中的零阶方法进行了10h的 计算,迭代了25轮,得到最优结果.由于优化得到的构件壁 厚不符合钢材的实际规格,需按实际规格对壁厚进行圆整,再 对货厢的强度刚度进行有限元分析,直到满足设计要求,处理 得到的部分设计变量初始值及圆整结果如表l所示. 表1参数优化结果单位:MPa 称应力降幅构件貅 ? 29? 4优化结构评价 利用圆整后三===…———— 的最优结果,建 立自卸车货厢的 有限元模型,以 货厢举升离开副 车架瞬间作为计 算工况对结构的 强度进行计算分 析.货厢底架和 侧板骨架的应力 分布情况如图5 和图6所示,从 图中可以看出, 在材料许用极限 范围内,材料利 用不充分的构件 在优化后利用率 得到了明显的提 高,应力主要集 中在7oMPa, 图5货厢底架应力分布云图 图6货厢侧板骨架应力分布云图 170MPa范围内,货厢应力的分布也更加均匀.从表1中数 据可见有些构件应力水平提升幅度较大,如纵梁加强板2的 应力升幅为30.0%,但是其原结构中应力水平较低,应力大 小为60MPa,同样的还有底架边横梁6,其应力由原来的100 MPa增长到优化后的171MPa,增长了71.0%,故增长后的应 力仍远小于材料的屈服极限,这种增长提高了材料利用率,是 希望得Nn,'J结果. 通过对结构强度的校验得知,改进后货厢结构的强度满 足原设计要求.货厢的刚度经计算单侧最大胀厢位移由原 来的18.6mm变为改进后的17.1r1]r[1,减少了1.5rT1tn,结构刚 度不但没有下降,反而有一定的增加,改进后货厢比原货厢重 量约降低244kg. S结语 本次优化是在不改变结构形式和构件之间拓扑关系的 前提下进行的,如果能运用相关理论知识对货厢结构形式及 构件的截面参数进行优化设计,在较合理的结构形式上再进 行尺寸参数优化,会进一步减轻重量,达到更好的轻量化效 果. 参考文献 [1]赵永辉,马力,王元良,姚晓璐.自卸车举升机构三角臂拓扑优化设计 [J].专用汽车,2OO7.9:33—35 [2]周旋,马力,王皎.重型专用车车架的离散拓扑优化设计[J].农业机 械,2oo7.3:32.34 +?夺?{一+?+?{一幸?夺?+?牛?牛???专?+??々?夺?夺?????夺?夺?夺-牛???夺?? 夺?????辛?夺?孛????夺?夺?{一???幸??+?+?+?? (上接第8页) 4数控机床上的深孔加工 随着数控设备在企业的选用,使得深孔加工的设备保障 得到了进一步的发展.同时,枪钻在加工担一,62orf1]Tl 小径深孔的成熟使用,使得深孔加工精度和径长比上了一个 层次.目前以美国钻科公司(DRILLMASTERS)产品最为可 靠.这里我主要谈谈x,tt~钻的一些认识. 在使用时,必须根据尺寸选择适合的导套,导套与枪钻 头部的间隙保持在0.003mm,O.0o811111'I之内,枪钻机床要有 较高的轴向和径向刚性,导套和主轴要有较高的同轴度. 枪钻的切削液要选用专用的枪钻油,加工直径越小,切 削液的粘度就越低. 枪钻的刃磨十分重要.枪钻的刀刃角度是一个重要参 数,刃磨的不好会导致很多问题的出现,比如:过扭,崩刀,刀 具寿命短,切削下降.因此,要使用专用的刃磨机,同时要定 期进行,不要等加工中感觉不好时,才进行刃磨.到那时就要 磨去很长一段硬质合金,造成不必要的浪费.一把刀一般可 以重磨20次左右,这样才能综合降低成本,提高效率,每次只 需磨内外角的后刃面,用树脂金钢石砂轮进行刃磨. 枪钻加工的范围.深孔加工中,枪钻只是其中的一种加 工方法.合理的加工范围在4,25mm以下,长径比20的孑L径 加工,最小可加工.5mm,可以根据需要加工到4,5omE,对 于航空材料中的不锈钢,钛合金加工只是比较费刀.在加工 中心加工不如在镗床上加工那么方便,需要加工中心带有内 冷,压力足够,最好有30kg压力. 5结束语 小直径深孔加工的发展经历从传统的双刃麻花钻到单 刃高速钢枪钻,到7o年代的焊接刀片硬质合金枪钻,之后又 出现了整体烧结硬质合金枪钻,90年代研制了SED(单管内 排屑喷吸钻),DF钻(外进油内排屑,配备负压抽屑装置),特 种加工的方法如电火花,线切割,电化学方法加工.另外,更 加可喜的是随着振动加工技术的发展,一种更为有效的切削 方法正逐渐成熟.超声加工具有切削产生的铁屑为粉末状, 不存在排屑问题等优点.现在已有研究机构将机械振动和 超声波加工应用在深~L}JII工上.相信,只要不断的创新,深孔 加工技术必将有天翻地覆的变化. 参考文献 [1]王世清.孔加工技术.石油工业出版社,1993 [2]王峻.现代深孔加工技术.哈尔滨工业大学出版社,20o5.2 一…一,…粤:r