无副车架自卸汽车车架多目标轻量化优化.pdf

第3 8卷 第3期 青 岛 大 学 学 报(工 程 技 术 版)V o l.3 8 N o.3 2 0 2 3年 9 月J O U R N A L O F Q I N G D A O U N I V E R S I T Y(E&T)S e p.2 0 2 3文章编号:1 0 0 6 9 7 9 8(2 0 2 3)0 3 0 0 6 9 0 6;D O I:1 0.1 3 3 0 6/j.1 0 0 6 9 7 9 8.2 0 2 3.0 3.0 1 0无副车架自卸汽车车架多目标轻量化优化马晓清1,马小明1,孙 涛2,刘大维2(1 中国重型汽车集团有限公司汽车研究总院,山东 济南 2 5 0 1 0 1;2 青岛大学机电工程学院,山东 青岛2 6 6 0 7 1)摘要:为了进行无副车架自卸汽车车架轻量化设计,本文应用有限元分析软件,建立无副车架自卸汽车车架有限元模型。对扭转工况下车架结构强度进行有限元分析,得到车架应力分布,并对车架进行模态分析,根据车架结构强度的有限元计算结果,对安全系数较高的结构件进行灵敏度分析,确定优化设计变量。采用最优拉丁超立方法进行样本采集,建立K r i g i n g近似模型,以质量和最大应力最小作为目标,以一阶模态频率为约束,基于N S GA-I I算法对自卸汽车车架进行多目标优化设计。优化结果表明,在保证车架模态频率的情况下,质量减小了1 5.5 5%,最大应力减少了1.5 5%。该优化方法满足设计要求,具有较好的轻量化效果。关键词:自卸汽车;车架;有限元分析;灵敏度分析;多目标优化 中图分类号:U 4 6 3.1 文献标识码:A 收稿日期:2 0 2 2 1 0 3 1;修回日期:2 0 2 3 0 3 2 0基金项目:中国重汽集团产学研项目(2 0 2 0 0 8 0 3)作者简介:马晓清(1 9 8 4),男,工程师,主要研究方向为商用汽车产品开发。通信作者:刘大维(1 9 5 7),男,博士,教授,主要研究方向为汽车动态仿真与控制技术。E m a i l:q d l d w1 6 3.c o m 汽车轻量化是减轻环境污染、提高汽车燃油经济性和动力性的重要途径之一1 5,然而汽车车架各构件往往板厚较大,致使车架自重增加,因此在保证车架结构强度下,适当减小结构件板厚,对实现汽车轻量化具有重要意义6 8。近年来,许多学者对汽车车架轻量化进行了深入研究。蒋金良等人9以车架质量最小为目标函数,对某商用车车架进行尺寸优化;米承继等人1 0基于K r i g i n g近似模型,对某电动车车架进行抗疲劳轻量化设计;周松等人1 1定义相对灵敏度选取优化变量,对自卸汽车整车进行尺寸优化和形状优化;郭秋红等人1 2在考虑疲劳寿命的条件下,基于K r i g i n g近似模型,采用A S A自适应模拟退火算法对某商用车车架进行轻量化设计;张凯成等人1 3建立某商用车车架有限元模型,对车架进行多工况轻量化优化设计。传统的优化设计一般是对单一目标进行优化,可能会导致其他性能不满足设计要求。多目标优化设计可满足多个性能同时达到最优1 4 1 5。马芳武等人1 6将拓扑优化技术与隐式参数化建模相结合,对某车架进行多目标优化;刘越等人1 7基于粒子群优化算法,对低速电动车车架进行了轻量化多目标优化;洪晴岚等人1 8以车架总质量和最小疲劳寿命作为优化目标,对某4 0 t罐车的车架进行多目标优化。基于此,本文建立无副车架自卸汽车车架有限元模型,对扭转工况下车架结构强度进行有限元分析,并对车架进行模态分析。根据车架结构强度的有限元计算结果,运用灵敏度分析确定优化设计变量,采用最优拉丁超立方法进行样本采集,建立了K r i g i n g近似模型,基于N S GA I I算法对无副车架自卸汽车车架进行多目标优化,实现车架的轻量化设计。该研究具有一定的实际应用价值。1 车架结构强度有限元分析1.1 车架结构及网格划分无副车架自卸汽车车架结构如图1所示。该车采用84结构型式,车架主要由内、外纵梁、横梁、举升支座和翻转支座组成,横梁、举升支座,翻转支座与纵梁均采用螺栓连接,双前桥通过普通钢板弹簧与车架相连,后桥通过平衡悬架与车架相连,前钢板弹簧的刚度系数为3 1 0 N/mm,后钢板弹簧的刚度系数为2 5 3 0 N/mm。青 岛 大 学 学 报(工 程 技 术 版)第 3 8 卷图1 无副车架自卸汽车车架结构 在H y p e r M e s h软件中进行有限元模型网格划分,车架纵梁、横梁和翻转支座等构件采用1 0 mm四边形壳单元进行划分;板簧支座和V推支座等构件由于结构较复杂采用边长为5 mm的四面体单元进行划分;钢板弹簧、推力杆和车桥采用梁单元进行模拟。圆孔、倒角以及复杂曲面进行网格细化,从而提高精度。建模过程中焊缝采用焊接单元模拟,铆钉和螺栓通过刚性单元进行模拟。1.2 边界条件确定车架纵梁使用Z Q S 6 0 0 L钢板,横梁和横梁连接板为Z Q S 5 0 0 L钢板,车架材料特性如表1所示。表1 车架材料特性材料屈服极限/MP a弹性模量泊松比材料屈服极限/MP a弹性模量泊松比Z Q S 6 0 0 L6 0 02.11 050.3Z Q S 5 0 0 L5 0 02.11 050.3根据自卸汽车实际工况,本文对作业环境最恶劣的扭转工况下车架结构强度进行有限元分析。有限元计算时,假设左前轮和右后轮抬高1 2 0 mm,动载系数选取1.3。在车架有限元模型上施加约束时,双前桥第一轴右侧约束其他3个方向的平动自由度,第二轴右侧约束Y和Z方向的平动自由度,第一轴和第二轴左侧约束Z方向的平动自由度,并在第一轴Z方向向上施加5 3 mm的位移,相当于左前轮抬高1 2 0 mm;中后车轴右侧约束Y和Z方向的平动自由度,并在中、后车轴右侧约束点Z方向向上施加1 2 0 mm的位移,相当于右后轮抬升1 2 0 mm;中、后车轴左侧约束Z方向的平动自由度。车辆满载作用于车架上的载荷包括驾驶室、发动机、变速箱、液压缸、燃油箱、蓄电池、车箱和货物等质量,车架各结构承载质量如表2所示。表2 车架各结构承载质量k g驾驶室发动机变速箱液压缸燃油箱尿素箱蓄电池车箱货物7 8 06 6 42 6 73 5 02 6 06 08 52 7 0 01 7 9 0 0车架上承载的驾驶室、发动机、变速箱、蓄电池和油箱等载荷以集中载荷加载到车架对应的安装位置,车箱和货物以均布载荷施加在车架纵梁上翼面。在对车架有限元模型施加载荷时,通常汽车企业考虑车箱贡献率为7 0%,因此只按照总载荷的7 0%施加。车架有限元模型如图2所示。1.3 车架结构强度限元分析结果按照上述边界条件对车架结构有限元模型加载,得到车架应力云图如图3所示。对车架进行模态分析,得到车架前六阶模态频率如表3所示。图2 车架有限元模型 图3 车架应力分布云图07 第3期 马晓清,等:无副车架自卸汽车车架多目标轻量化优化表3 车架前6阶模态频率阶数频率/H z阶数频率/H z阶数频率/H z17.4 831 8.9 051 9.9 121 4.1 541 9.2 462 0.8 6由图3和表3可知,扭转工况下车架最大应力为3 4 9.3 MP a,位于第3横梁连接板与左纵梁连接处,安全系数为1.7 1。车架前6阶模态频率为7.4 82 0.8 6,避开车轮和发动机激振频率,不易产生共振。2 灵敏度分析2.1 设计变量由于车架结构件较多,选取较多的结构件板厚作为优化设计变量,增大样本空间,使近似模型的建立更复杂,导致计算量增加。基于此,根据车架结构强度的有限元计算结果,对安全系数较高的结构件板厚进行灵敏度分析,选取灵敏度较高的结构件板厚作为设计变量进行优化,提高优化效率。进行灵敏度分析的车架结构件如图4所示。2.2 灵敏度分析结果各结构件板厚对车架质量的灵敏度如图5所示。连接板4、横梁4、翻转支座和连接板3对车架质量影响较大,其余各结构件板厚对质量影响较小,选取灵敏度较大的4个结构件板厚作为优化设计变量。图4 进行灵敏度分析的车架结构件 图5 车架质量灵敏度3 车架多目标优化设计3.1 设计变量将灵敏度分析中对质量影响最大的4个板厚定义为设计变量x1x4,设计变量取值范围如表4所示。表4 设计变量取值范围设计变量变量描述初始值/mm下限值/mm上限值/mm设计变量变量描述初始值/mm下限值/mm上限值/mmx1横梁4759x3连接板4861 0 x2连接板3759x4翻转支座861 03.2 近似模型建立设计变量样本的选取对近似模型的精度影响较大,相比于一般试验设计方法,最优拉丁超立方设计方法可以使设计的样本点空间分布更均匀,有效提高拟合的精确性1 9。本文将4个设计变量采用最优拉丁超立方法,采集3 1组样本点,利用K r i g i n g近似模型,通过最大似然估计进行优化。精度可用决定系数R2进行检验,表达式为17青 岛 大 学 学 报(工 程 技 术 版)第 3 8 卷R2=ni=1y-y-/ni=1yi-y-(1)式中,n为用于检验模型精度的数据点数量;yi为第i个响应的近似模型预测值;yi为第i个响应的仿真值;y-为平均值。决定系数R2越接近1,表明k r i g i n g近似模型的预测精度越高。选取1 0个样本点对近似模型精度进行检验,得到质量、扭转工况下最大应力和车架第一阶模态频率的决定系数R2分别为0.9 9 2 5,0.9 2 4 9,0.9 9 1 2,均达到0.9以上,可信度满足实际要求。各性能近似模型检验结果如图6所示。图6 各性能近似模型检验结果3.3 车架多目标优化综合考虑质量、最大应力和一阶模态频率等性能指标,以质量和最大应力最小为目标,以一阶模态频率为约束,对车架进行多目标优化设计,其数学模型为f i n dx =x1,x2,x3,x4 m i nm x ,x s.t.ftx -ft00.1ft0 xxL,xU (2)式中,m(x)为4个结构件的质量;(x)为车架扭转工况下最大应力;ft(x)、ft0分别为车架第一阶模态频率及其初始值,ft0=7.4 8 H z;xL和xU分别为各个设计变量取值的下限和上限。图7 P a r e t o前沿利用多学科优化分析平台I s i g h t软件,将车架的近似模型各性能指标集成,采用N S GA-I I算法,定义种群为4 0,迭代数为4 0,基于K r i g i n g近似模型建立车架多目标优化分析模型,优化得到P a r e t o前沿如图7所示。由图7可以看出,质量与最大应力基本成反比,在轻量化的同时,尽可能减小最大应力,从而选取最优解。对多目标优化,得到的最优解进行工程修正。根据板材实际加工条件,对设计变量的优化结果保留一位小数,得到多目标优化结果,设计变量优化结果如表5所示,设计变量响应数值如表6所示,优化前后车架各性能指标对比如表7所示。表5 设计变量优化结果设计变量优化值/mm修正值/mm设计变量优化值/mm修正值/mmx15.1 5 2 55.2x36.1 8 7 36.2x25.7 8 6 55.8x47.0 0 2 07.0表6 设计变量响应数值质量/k g最大应力/MP a第1阶模态频率/H z1 8 3.03 4 3.97.3 627 第3期 马晓清,等:无副车架自卸汽车车架多目标轻量化优化表7 优化前后车架各性能指标对比名称质量/k g最大应力/MP a第1阶模态频率/H z名称质量/k g最大应力/MP a第1阶模态频率/H z初始值2 1 6.73 4 9.37.4 8相对变化量-1 5.5 5%-1.5 5%-1.4 7%多目标优化1 8 3.03 4 3.97.3 6由表7可以看出,优化后的4个结构件质量由原来的2 1 6.7 k g减小为1 8 3.0 k g,减小了1 5.5 5%,最大应力减少了1.5 5%,第1阶模态频率变化不大,满足设计要求,具有较好的轻量化效果。4 结束语本文对无副车架自卸汽车车架进行有限元建模,对扭转工况下车架结构强度进行有限元分析,得到车架应力分布,并对车架进行模态分析。主观选取变量无法有效精准的对结构进行优化,运用灵敏度分析确定设计变量可以客观的选取影响较大的结构参数。采用最优拉丁超立方方法进行采样,建立K r i g i n g近似模型,以质量和最大应力最小为目标,以一阶模态频率为约束,基于N S GA-I I算法对无副车架自卸汽车车架进行多目标优化设计。结果表明,质量减小1 5.5 5%,最大应力减少了1.5 5%,具有较好的轻量化效果,与传统的单目标优化方法相比,本文的多目标优化可以使多个性能同时最优,为车架结构优化提供理论基础。参考文献:1 X I ON G F,WAN G D,CHE N S,e t a l.M u l t i-o b j e c t i v e l i g h t w e i g h t a n d c r a s h w o r t h i n e s s o p t i m i z a t i o n f o r t h e s i d e s t r u c-t u r e o f a n a u t o m o b i l e b o d yJ.S t r u c t u r a l a n d M u l t i d i s c i p l i n a r y O p t i m i z a t i o n,2 0 1 8,5 8(4):1 8 2 3 1 8 4 3.2 陈一哲,赵越,王辉.汽车领域纤维复合材料构件轻量化设计与工艺研究进展J.材料工程,2 0 2 0,4 8(1 2):3 6 4 3.3 吴国荣,陈旭辉.汽车轮毂材料轻量化与造型设计研究J.材料导报,2 0 2 1,3 5(1 9):1 9 1 8 1 1 9 1 8 5.4 S O L A Z Z I L,B U F F O L I A.T e l e s c o p i c h y d r a u l i c c y l i n d e r m a d e o f c o m p o s i t e m a t e r i a lJ.A P P L I E D C OMP O S I T E MA-T E R I A L S,2 0 1 9,2 6(4):1 1 8 9 1 2 0 6.5 CHA E L K.A s t u d y o n t h e s t r u c t u r a l a n a l y s i s o f 1 5 t o n d u m p t r u c k l o a d i n g b o x f o r c o s t-s a v i n g d e c k d e v e l o p m e n tJ.J o u r n a l o f t h e K o r e a n S o c i e t y o f M e c h a n i c a l T e c h n o l o g y,2 0 2 0,2 2(5):9 2 6 9 3 0.6 S HAN Z,L ON G J,YU P,e t a l.L i g h t w e i g h t o p t i m i z a t i o n o f p a s s e n g e r c a r s e a t f r a m e b a s e d o n g r e y r e l a t i o n a l a n a l y s i s a n d o p t i m i z e d c o e f f i c i e n t o f v a r i a t i o nJ.S t r u c t u r a l a n d M u l t i d i s c i p l i n a r y O p t i m i z a t i o n,2 0 2 0,6 2(6):3 4 2 9 3 4 5 5.7 J I AN G R,S UN T,L I U D,e t a l.M u l t i-o b j e c t i v e r e l i a b i l i t y-b a s e d o p t i m i z a t i o n o f c o n t r o l a r m u s i n g MC S a n d N S G A-I I c o u p l e d w i t h e n t r o p y w e i g h t e d G R AJ.A p p l i e d S c i e n c e s-B a s e l,2 0 2 1,1 1(1 3):5 8 2 5.8 谢晖,孙延,王杭燕.基于某款纯电动汽车的动力电池包结构设计及优化J.塑性工程学报,2 0 2 0,2 7(1 2):8 8 9 6.9 蒋金良,甘长勇,周维林,等.某电动商用车车架轻量化改进J.现代制造工程,2 0 2 2(2):6 4 6 9.1 0 米承继,谷正气,蹇海根,等.电动轮自卸车车架结构抗疲劳轻量化设计J.中国机械工程,2 0 1 7,2 8(2 0):2 4 5 52 4 6 2.1 1 周松,高翔,张志,等.基于相对灵敏度的重型自卸车结构轻量化设计J.科学技术与工程,2 0 2 1,2 1(3 5):1 5 0 2 71 5 0 3 4.1 2 郭秋红,展新,王敏,等.考虑疲劳寿命的某中型商用车车架轻量化设计J.机械设计与研究,2 0 2 0,3 6(1):2 1 02 1 5.1 3 张凯成,李舜酩,孙明杰.钢铝材料结合的商用车车架多工况轻量化优化设计J.中国机械工程,2 0 2 0,3 1(1 8):2 2 0 6 2 2 1 1,2 2 1 9.1 4 WANG M,TU S,YU C.O p t i m i z a t i o n s t r a t e g y o f t h e m u l t i h o l e p r o d u c t s w e l d l i n e s b a s e d o n t h e m u l t i-o b j e c t i v e e v a l u-a t i o n s y s t e m a n d k r i g i n g s u r r o g a t e m o d e lJ.P o l y m e r E n g i n e e r i n g&e n c e,2 0 1 9,9(4):7 8 1 7 9 0.1 5 OKOK P U J I E I P,OHUNAK I N O S,B O L U C A.M u l t i-o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o n o f m a c h i n i n g f a c t o r s o n s u r f a c e r o u g h-n e s s,m a t e r i a l r e m o v a l r a t e a n d c u t t i n g f o r c e o n e n d-m i l l i n g u s i n g MWC N T s n a n o-l u b r i c a n tJ.P r o g r e s s i n A d d i t i v e M a n u f a c t u r i n g,2 0 2 1,6(7):1 2 4.37青 岛 大 学 学 报(工 程 技 术 版)第 3 8 卷1 6 马芳武,王卓君,杨猛,等.汽车后副车架轻量化概念设计方法研究J.汽车工程,2 0 2 1,4 3(5):7 7 6 7 8 3,7 9 0.1 7 刘越,蒋荣超,李雪峰,等.基于代理模型的低速电动车车架多目标优化J.机械设计,2 0 2 0,3 7(1):1 0 5 1 0 9.1 8 洪晴岚,阮仕礼,宋燕利,等.基于多目标遗传算法的罐车主车架疲劳寿命优化J.武汉理工大学学报,2 0 1 9,4 1(1 1):9 2 9 7.1 9 J I N,Z HAN G W,YU Y,e t a l.M u l t i-o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o n o f i n j e c t i o n m o l d i n g b a s e d o n o p t i m a l l a t i n h y p e r c u b e s a m p l i n g m e t h o d a n d N S G A-I I a l g o r i t h mJ.E n g i n e e r i n g P l a s t i c s A p p l i c a t i o n,2 0 2 0,4 8(3):7 2 7 7.M u l t i-O b j e c t i v e L i g h t w e i g h t O p t i m i z a t i o n o f t h e F r a m e o f a D u m p T r u c k W i t h o u t S u b-F r a m eMA X i a o q i n g1,MA X i a o m i n g1,S UN T a o2,L I U D a w e i1(1.C h i n a N a t i o n a l H e a v y D u t y T r u c k G r o u p C o.,L t d.,J in a n 2 5 0 1 0 1,C h i n a;2.C o l l e g e o f M e c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g,Q i n g d a o U n i v e r s i t y,Q i n g d a o 2 6 6 0 7 1,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e r t o c a r r y o u t t h e l i g h t w e i g h t d e s i g n o f t h e f r a m e o f t h e d u m p t r u c k w i t h o u t s u b f r a m e,t h i s p a p e r u s e s t h e f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s s o f t w a r e t o e s t a b l i s h t h e f i n i t e e l e m e n t m o d e l o f t h e d u m p t r u c k f r a m e w i t h o u t s u b f r a m e.T h e s t r u c t u r a l s t r e n g t h o f t h e f r a m e u n d e r t o r s i o n c o n d i t i o n s i s a n a l y z e d b y f i n i t e e l e m e n t,a n d t h e r e s u l t i s o b t a i n e d f o r t h e f r a m e s t r e s s d i s t r i b u t i o n a n d m o d a l a n a l y s i s o f t h e f r a m e.A c-c o r d i n g t o t h e f i n i t e e l e m e n t c a l c u l a t i o n r e s u l t s o f t h e s t r u c t u r a l s t r e n g t h o f t h e f r a m e,t h e s e n s i t i v i t y a n a l-y s i s i s c a r r i e d o u t o n t h e s t r u c t u r a l p a r t s w i t h h i g h s a f e t y f a c t o r t o d e t e r m i n e t h e o p t i m a l d e s i g n v a r i a b l e s.T h e o p t i m a l L a t i n h y p e r c u b e m e t h o d i s u s e d f o r s a m p l e c o l l e c t i o n,a n d t h e K r i g i n g a p p r o x i m a t i o n m o d e l i s e s t a b l i s h e d.A s t h e g o a l,w i t h t h e f i r s t-o r d e r m o d a l f r e q u e n c y a s t h e c o n s t r a i n t,t h e m u l t i-o b j e c t i v e o p t i-m i z a t i o n d e s i g n o f t h e d u m p t r u c k f r a m e i s c a r r i e d o u t b a s e d o n t h e N S GA-I I a l g o r i t h m.T h e o p t i m i z a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e m a s s i s r e d u c e d b y 1 5.5 5%a n d t h e m a x i m u m s t r e s s i s r e d u c e d b y 1.5 5%u n d e r t h e c o n d i t i o n o f e n s u r i n g t h e m o d a l f r e q u e n c y o f t h e f r a m e.T h e o p t i m i z a t i o n m e t h o d m e e t s t h e d e s i g n r e-q u i r e m e n t s a n d h a s a g o o d l i g h t w e i g h t e f f e c t.K e y w o r d s:d u m p t r u c k;f r a m e;f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s;s e n s i t i v i t y a n a l y s i s;m u l t i-o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o n量和符号的书写要求 正体:计量单位(m,A,k g,m g)、词头(k,M,h)、函数符号(s i n.)、运算符号(d,.)、缩写字(m a x,T)、代表区分意义的下标(Ep.)、元素符号、型号、代号、不表示量的外文缩写等。空心正体或黑正体:特殊集合符号,如:C(复数集)、N(非负整数、自然书集)Q(有理数集)、R(实数集)、Z(整数集)。斜体:量符号、代表变量的下标、变数、参数、函数、代表点线面的字母。黑斜体:矢量、向量、矩阵符号。47