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大客车车身骨架结构拓扑优化设计

赵永辉  
【摘要】: 客车的主要承载结构是车身骨架,在保证刚度和强度的前提下减轻车身骨架的重量对整车性能的提高有着重要的意义。 拓扑优化是近年来结构优化研究领域中的前沿课题和热点问题,也是结构优化中的重点和难点。本文首先论述了拓扑优化和车辆结构轻量化研究的重要性及国内外研究概况,分析了拓扑优化和车辆结构轻量化的发展趋势,探讨了国内在这方面研究与国外的差距,提出了应用拓扑优化方法对大客车车身骨架进行轻量化设计的构想。 然后对结构尺寸优化、形状优化和拓扑优化方法进行了理论分析;讨论了变厚度法、均匀化方法和变密度法等拓扑优化在工程中的实现方法:研究了遗传算法、优化准则法、数学规划法以及拉各朗日乘子法等拓扑优化的数学算法,并确定用变密度法进行拓扑优化。 在此基础上以结构的柔度最小为目标,优化后的体积为约束,建立了基于变密度法的大客车车身骨架拓扑优化的数学模型。然后建立了大客车车身骨架的拓扑优化模型,利用HyperWorks系统对大客车车身骨架进行了拓扑优化设计。通过分析拓扑优化结果得到了一些重要的结论。在此基础上结合车身骨架的制造工艺根据可制造化处理原则对拓扑优化结果进行了可制造化处理,得到一个新的大客车车身骨架。 随后对可制造化处理后的新车身骨架进行了性能分析。本文建立了新的大客车车身骨架基于全板壳单元的有限元计算模型,对该新车身骨架在弯曲工况和弯扭组合工况下进行了有限元分析,求得了两种工况下车身骨架的整体应力分布及其变形情况。最后对新车身骨架进行了模态分析。 计算结果显示,新大客车车身骨架相对原车身骨架质量减少约37%,取得了较好的轻量化效果。而且在弯曲工况和弯扭组合工况下的最大应力分别相对于原车身骨架有了很大的降低,同时模态分析显示新车身骨架的模态也符合要求。从而进一步说明了拓扑优化设计的准确性、可靠性及现实意义。 本文的研究成果不仅可以为企业的产品设计、改造和优化提供实际的参考和指导,解决企业的实际问题,更重要的是说明了如何利用拓扑优化方法对典型大客车车身骨架进行轻量化设计,同时对其它产品轻量化设计提供了有价值的参考,具有良好的经济价值和社会效益。


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