载重车铝型材框架结构优化设计方法研究

摘要

结构优化是汽车轻量化设计的重要途径之一。载重汽车的承重结构一般采用基于型材制造的框架结构形式。对复杂框架结构进行有限元分析时，如果不加以简化而用实体单元或板壳单元进行离散，一般均要求将单元的边长比控制在一定范围内，而对于薄壁型材，往往需要划分大量的单元。另外，由于框架不仅结构复杂，而且型材之间存在大量的连接点，所以很难实现网格的自动剖分。因此，对复杂框架结构进行设计优化时，存在两个瓶颈问题：一是结构网格难以自动剖分问题，二是计算量过大的问题。尽管商业化的结构优化软件已经比较成熟，但应用于框架结构的设计优化仍然面临很大的局限性。
　　对框架结构的设计优化可以从两方面考虑:一是型材截面尺寸的优化，二是框架连接点位置的优化。为了实现复杂框架结构的设计优化，考虑到组成框架的每一根型材都具有梁的变形特点，本文提出了将框架结构简化为线形梁计算模型、基于线形梁计算模型优化截面尺寸及连接点位置的方法。为此，本文主要研究了框架型结构到线形梁计算模型的转换方法及自动转换软件的开发、线形梁结构的截面尺寸优化和连接点位置优化技术，并将这些方法应用于某载重汽车复杂框架结构的设计优化，验证了这种方法的有效性，并取得了较好的优化结果。
　　为了快速且准确地将具有梁特征的实体结构转换为线形梁计算模型，根据截面的形状和特征，制定了生成线形梁模型截面参数的方法。利用HyperMesh软件提供的二次开发接口，并结合ABAQUS软件的数据结构，应用 TCL语言及 C＃语言开发了相应的转换程序，实现了由实体梁结构到线形梁计算模型的半自动转换功能。该功能不仅提高了梁单元建模的速度，而且有效地避免了过程中不必要的人为遗漏及错误。
　　研究探索了现实可行的复杂框架结构优化方法，即基于进退搜索法思想和补偿法思想，提出了两阶段优化算法：首先对结构进行接点位置优化，以降低结构应力，均匀应力分布；随后进行截面尺寸优化，确定梁的最优截面尺寸。在针对连接点位置优化时，连接点变动方向被定义在梁的轴线上，连接点移动过程中，梁单元的剖分是参数化自动进行的。优化截面尺寸时，定义了一个截面尺寸系数，通过优化截面尺寸系数使截面的承载能力得以充分发挥。
　　以某汽车企业的某型载重车驾驶室框架为例进行了应用研究。该车采用中空铝型材制造的框架结构，组成该框架的总共有440多段型材。利用本文开发的转换功能建立了相应的线形梁计算模型，并验证了线形梁计算模型与未加以简化的板壳单元模型计算结果的一致性。随后以梁单元模型为优化对象，对结构的连接点位置和截面尺寸进行了优化设计，使结构最大应力由378MPa降低到124MPa，同时结构总重量也有所减轻。这些表明，线形梁计算模型可以有效地反映出实体梁结构模型的受力变形特点，而结构经过优化设计后，不但满足了力学性能的要求，而且整体重量有所降低，应力分布也更加均匀。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2汽车轻量化设计技术的现状

1.3课题研究的意义及内容

第二章 梁结构有限元分析基础与数据格式

2.1引言

2.2有限元分析的原理与方法

2.3梁结构有限元分析基础

2.4静力学分析及模态分析基础

2.5 ABAQUS软件的数据格式

2.6本章小结

第三章 载重车驾驶室框架的线形梁计算模型

3.1引言

3.2载重车驾驶室框架的实体梁结构模型到线形梁计算模型的转换

3.3驾驶室框架结构的有限元分析

3.4本章小结

第四章 载重车驾驶室框架的结构优化设计

4.1引言

4.2框架结构优化问题的描述

4.3接点位置优化

4.4截面尺寸优化

4.5载重车驾驶室框架的结构优化设计

4.6本章小结

第五章 总结和展望

5.1主要工作和创新点

5.2后续研究工作

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已完成论文