基于ANSYS的汽车结构轻量化设计

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农业’机械学报

型的简化。

１．２优化设计模型

结合ＡＮＳＹＳ所提供的优化方法及ＡＰＤＬ语言所具有的较强的参数化分析功能，在强度分析的基础上可实现车架结构参数的优化设计。该型号半挂车车架的主要设计参数有：型钢的剖面尺寸、局部的布置参数。模型采用ＳＨＥＬＬ６３单元，节点数

１１

５１８，单元数为１０５１８，采用满载时均布载荷作用

在覆盖了花纹板的车架上的计算工况。

１．２．１

目标函数

通过优化结构的体积来达到优化结构质量的目的，以质量最轻为目标函数，描述为

ｍｉｎＦ（ｚ）＝Ｗ１（ｚ）＋Ｗ２（ｏ）＋Ｗ３（ｚ）＋

Ⅳ４（ｚ）＋Ⅳ５（ｚ）＋Ⅳ６（ｚ）

（１）

式中ｗ，（ｚ）——车架上横梁的质量，包括车架内

外横梁、边横梁、穿横梁、端横梁

ｗ。（ｚ）——车架上纵梁的质量Ⅳ。（ｚ）——车架边梁的质量彬。（ｚ）——车架上Ｕ型梁的质量彬。（ｚ）——车架上内、外支撑梁的质量Ⅳ。（ｚ）——车架其余部件的质量总和，包括

花纹板、牵引销板、加强杆、支撑梁等

１．２．２设计变量

根据设计要求，选择各构件的截面尺寸和局部的布置尺寸作为设计的对象。车架由于组成构件较多而尺寸变量较多，太多的设计变量增大了收敛到局部最小而非全局最小的概率，必须尽量减少设计变量。采用变量关联的方法，将车架结构上互相有联系的非独立尺寸按照比例关系确定。通过处理，设计变量共１６个（见表２），分别归纳为梁的厚度尺寸、截面宽度尺寸、截面高度尺寸和布置尺寸。即

ｚ２（￡１，ｆ２，￡３，“，ｆ５，ｆ６，￡７，ｆ８，ｆ９，￡１０，

ｆ１１，ｆ１２，￡１３，￡１４，￡１５，￡１６）

（２）

各物理量所代表的具体含义见表２。

除了利用变量关联的方法以外，在优化过程中，因为涉及的参数比较多，难于进行整体优化，本文采用了“分步优化”的思想达到优化多个参数的目的。１．２．３状态变量及约束函数

根据设计要求，约束函数可以是结构的应力或位移，也可以是整个结构的固有频率。为了得到尽可能符合实际需要的设计，必须选择足够多的状态变量。但是为了加快优化进程，必须消除不必要或冗余的状态变量。同样也必须确定合理的状态变量上下限。

表２优化前后各变量值对比

Ｔａｂ．２

ＣＯｎｔｒａｓｔｏｆｔｈｅｖａｌｕｅｓｏｆｔｈｅｖａｒｉａｂＩｅｓｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ

（１）强度状态变量及约束函数：限制车架结构的ＭＰａ，从而构成完整的强度约束。即

Ｃ１一盯。。一［以］≤Ｏ

（３）

［吼］——最大应力限值

（２）静刚度状态变量及约束函数：限制车架结构Ｃ２一‰。一［文］≤Ｏ

（４）

按照上述抽象模型的形式，构造车架优化模型ｍｉｎＦ（ｚ）一Ⅳ１（ｚ）＋Ⅳ２（ｚ）＋彤３（ｚ）＋

Ⅳ４（ｚ）＋Ⅳ５（ｚ）＋Ⅳ６（ｚ）

ｚ＝｛￡１，屯，￡３，￡４，￡５，￡６，￡７，￡８，￡９，≠ｌｏ，

ｆ１１，￡１２，ｆ１３，ｆ１４，￡１５，芒１６）

（５）

ｓ．ｔ．

ｃ，一‰。一瞳］≤ｏＣ。＝‰。一［文］≤ｏ

将设计参数分为４类：梁的厚度、梁的截面宽

最大应力。先对原始设计进行有限元分析，然后提取

最大应力盯一，车架用Ｑ２３５钢制造，限制其最大应

力不超过２３５式中

的最大变形。先对原始设计进行有限元分析，然后提

取最大位移‰。。即

式中［文］——最大位移限值

２轻量化设计及结果分析

度、梁的截面高度和布置尺寸。采用“一阶方法”进行轻量化设计，一阶方法基于目标函数对设计变量的

第６期赵韩等：基于ＡＮＳＹＳ的汽车结构轻量化设计

敏感程度，因此更加适合于精确的优化分析。通过对度尺寸的优化结果降幅最大，但并不是较为理想的

目标函数逼近加罚函数的方法将问题转换为无约束设计方案。相比之下，混合变量的降幅虽然较小的问题，在每次迭代中，计算梯度（用最大斜度法或（１８．４％），但是车架质量达到４．９９５ｔ时，车架的节共轭方向法）确定搜索方向，从而求解最小值口“］。

点等效应力和总体变形分别为１６６．５４ＭＰａ和

表２是经过“分步优化”得到的结果，首先取内横梁４．１９５

ｍｍ，应力远小于［巩］一２３５ＭＰａ（见图５和

及边横梁壁厚、穿横梁壁厚、边梁壁厚、内外支撑梁图６）。所以，比较而言混合尺寸变量的优化是一个

壁厚、加强杆壁厚和支撑梁壁厚作为优化设计变量，合理而又经济的设计方案。

优化结束后保持其不变。再取牵引销板厚度、Ｕ型梁壁厚、支撑梁截面宽度、Ｕ型梁Ⅲ截面宽度和ｕ

型梁Ⅱ截面高度作为优化设计变量，优化结束后再

保持其不变。接着取Ｕ型梁Ⅳ截面高度、Ｕ型梁Ⅲ截面高度、花纹板厚度、纵梁翼板厚度和横梁数量作为优化设计变量，从而得到最终的优化结果。

分别以宽度尺寸变量、厚度尺寸变量、高度尺寸变量和混合尺寸变量作为设计变量，分４组进行优化设计，得到优化设计前、后车架的总质量及其变化图５带花纹板车架的节点等效应力云图

率如表３所示。

Ｆｉｇ．５

Ｎｏｄｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ

ｓｔｒｅｓｓ

ｐｌｏｔｏｆｔｈｅ

ｆｒａｍｅｗｉｔｈｆｌａｔ

表３优化前后车架的总质量及其变化率

Ｔａｂ．３

ＴＯｔａｌ

ｍ嬲ｓＯｆｔｈｅｆｒａｍｅａｎｄｄｅｃｌｉｎｅｍｔｉｏ

ｐｒｉｏｒａｎｄａｆｔｅｒ

Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ

由表３可以看出，梁的厚度尺寸的优化结果使图６带花纹板车架的节点位移云图

Ｎｏｄｅ

得车架质量由６．１２５ｔ降低为４．５６３ｔ，降幅较其余Ｆｉｇ．６

ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｐｌｏｔｏｆｔｈｅｆｒａｍｅｗｉｔｈｆｌａｔ

３种情况都要大得多，达２５．５％。而高度尺寸的优化３结束语

结果对车架质量的影响最小，降幅仅１．８％。

从优化结果的进一步分析可以发现，当车架的该型半挂车车架用有限元法模拟分析后找到了质量降到４．５６３ｔ时，车架的最大节点等效应力和总结构设计的薄弱环节，基于此，用上述优化方法进行体变形分别高达２２４．５４ＭＰａ和１１．１８８ｍｍ（［吼］一

了轻量化设计，得到了较好的优化设计方案。车架轻２３５

ＭＰａ），材料已经接近屈服极限。所以，虽然厚

量化设计可为企业的生产起到一定的指导作用。

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基于ANSYS的汽车结构轻量化设计

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

赵韩， 钱德猛， Zhao Han， Qian Demeng合肥工业大学

农业机械学报

TRANSACTIONS OF THE CHINESE SOCIETY OF AGRICULTURAL MACHINERY2005,36(6)86次

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引用本文格式：赵韩. 钱德猛. Zhao Han. Qian Demeng 基于ANSYS的汽车结构轻量化设计[期刊论文]-农业机械学报2005(6)