基于强度变化特征的汽车结构件轻量化设计方法

;提出一种获得结构有限寿命的轻量化设计方法.该方法以结构强度变化特性为基础,以结构强度试验结果为依据,动态强度方程为指导,结构临界载荷为目标,提高设计应力为核心,借助有限元分析实现汽车结构件减重设计.应用此方法对某国产载货车前桥进行减重设计,通过设计该前桥的危险断面,减小前桥的横断面尺寸,降低该前桥的临界载荷,使试验应力提高到能对前桥结构造成强化锻炼的区域.台架疲劳试验表明,虽然每台减轻质量5.5 kg,减重后的前桥仍能达到相关标准要求.这种方法比目前广为采用的以有限元分析和许用应力为基础的无限寿命轻量化设计方法更能充分发挥材料的强度潜力,因而可以在更深层次上实现结构的轻量化.基于强度变化特征的汽车结构轻量化对目前世界上日益强调的汽车轻量化具有重要的学术价值和指导意义.对基于强度变化特征的汽车结构件轻量化设计方法进一步改进和完善后,在其他工程领域也将具有重要的应用和参考价值.     

某前桥静动态特性分析及其轻量化设计

为了获取某轻型载货车前桥的静动态特性并验证其可靠性,首先采用有限元方法建立前桥系统离散化模型并进行自由模态分析,分析结果表明其前三阶固有频率均处于外界激励频率范围之外,满足振动特性要求.然后对其典型工况进行静强度分析,分析结果表明其最大应力值均低于材料许用值,符合强度性能要求.再对其进行疲劳寿命预测分析,分析结果表明其最低寿命满足工程要求值.再采用集成平台对前桥结构参数进行多学科多目标优化分析,分析结果表明优化后的静动态特性均符合使用要求,并且成功减重8.25％,轻量化效果显著.最后顺利通过了台架试验验证,试验结果表明其疲劳分析值与试验值的准确度达到了90.3％.     

汽车驱动桥壳有限元分析与轻量化设计

以某重型卡车后驱动桥壳为例,基于Solid Works建立了桥壳的三维参数化模型,运用Workbench对其进行了静力强度、振动模态和疲劳寿命的有限元分析,得出桥壳的应力分布、前5阶固有频率和振型以及疲劳寿命图。有限元分析结果表明:桥壳在刚度和强度上存在较大的裕度。在此基础上,采用目标驱动优化方法,建立了以桥壳质量最小为设计目标,以强度和变形量为约束条件的优化模型,进行了轻量化设计。优化结果显示:桥壳质量减轻了18.03kg,减轻约7.6%,轻量化效果明显。最后对轻量化后的桥壳进行了振动模态、疲劳寿命的有限元验证,以及桥壳的台架试验验证,验证结果共同表明桥壳的轻量化设计是可行的。     

基于HyperWorks的某轻型汽车前桥有限元分析及疲劳寿命预测

前桥是连接车身与车轮的重要部件,其强度是否可靠直接决定整车的安全性。应用CAE分析方法对某轻型汽车前桥进行有限元分析和疲劳寿命分析。将前桥的三维实体模型进行简化,导入Hypermesh中建立以CHEXA和CTETRA为基本单元的有限元模型,利用具有梁属性的bar单元模拟主销连接,并以RADIOSS为求解器进行前桥的强度和疲劳分析。结果表明,前桥在四种典型工况下最大应力均未超过材料屈服强度,其最低疲劳寿命为99.4万次,满足疲劳寿命的要求,验证了设计的合理性。     

新型车架的疲劳寿命预测及优化设计

以半挂牵引车车架为研究对象,根据其设计参数,进行了该新型车架的结构设计和模型建立。基于有限元理论,利用有限元分析软件Hypermesh对该车架进行了静态仿真,根据疲劳可靠性理论,结合半挂牵引车所受载荷、疲劳类型以及车架材料参数,采用名义应力法和Miner线性累积损伤法则对该车架进行了疲劳寿命预测。利用有限元和疲劳分析结果,对该车架进行了尺寸优化,达到了轻量化设计的目的,之后通过再次仿真,验证了优化后该车架的静态性能和疲劳可靠性。     

集成参数化有限元与响应面的矿用螺旋输送机带式螺旋轴轻量化设计

针对工程机械优化目标函数隐性化和求解效率低的问题,文中提出了一种集成参数化有限元与响应面的优化设计方法,并以矿用螺旋输送机带式螺旋轴轻量化设计为例,说明了该方法的思路与实现过程。为提高有限元建模效率,开发了基于APDL的带式螺旋轴参数化有限元模型,实现了不同尺寸带式螺旋轴的快速有限元分析。通过析因试验筛选出对带式螺旋轴受力分布和疲劳寿命影响显著的设计变量,并以结构强度和疲劳寿命为约束建立带式螺旋轴轻量化设计模型。采用优化的拉丁超立方采样并结合有限元仿真结果建立响应面模型,来拟合设计变量与目标函数之间的隐式关系,最后通过Minitab响应优化器进行寻优求解,实现带式螺旋轴减重15.4%。求解及验证结果表明：所提出的方法不仅轻量化效果明显,而且可以在保证计算精度前提下缩短设计周期,提高整体优化效率。     

基于OptiStruct的驱动桥壳轻量化设计

驱动桥壳作为汽车的重要承载部件,必须满足刚度和强度的要求,传统的设计理念为了保证性能需求,一般采用冗余设计。通过CAD/CAE的一体化建模技术,采用三维数学模型与有限元模型之间的联合设计,基于OptiStruct的尺寸优化算法实现驱动桥壳的轻量化设计。利用CATIA创建驱动桥壳三维数学模型,导入HYPERMESH力学、动力学分析、疲劳分析验证驱动桥壳满足使用标准,再在OptiStruct求解器做优化分析,经过多次迭代计算,得到分析结果。优化后的桥壳成质量为152. 042 kg,减少了50. 075 kg,减重达到24. 78%,然后对优化后驱动桥壳进行分析,最后对试制的优化后桥壳进行疲劳台架试验,分析和试验结果表明,优化后桥壳满足试验标准,对同类型的轻量化设计有一定的参考价值。     

基于改进蝠鲼觅食算法的汽车前桥轻量化优化

汽车前桥结构是汽车的核心部件之一，在汽车设计中具有举足轻重的地位。为提高汽车前桥轻量化优化的收敛速度和精度，提出一种基于蝠鲼自身防卫策略改进的蝠鲼算法。采用六个经典的测试函数对改进蝠鲼算法进行性能测试验证，结果表明改进的蝠鲼算法具有良好的收敛速度和收敛精度。在此基础上，运用改进的蝠鲼算法对汽车前桥进行轻量化优化设计，优化结果表明经过94次迭代之后可以获得最优解，汽车前桥优化后的总质量从51.95 kg降低为43.24 kg,降低了16.75%。通过分析经典测试函数和汽车前桥案例的结果可知，改进的蝠鲼算法是一种高效的优化算法，对以后的工程优化问题和算法改进具有参考意义。     

基于响应面法的升降机滚筒线支架轻量化设计

为了降低重量,减少成本,提高市场竞争力,基于响应面法对某型具有弯曲导轨的连续式升降机进料滚筒线支架进行了轻量化设计。采用中心复合试验设计方法进行样本点的采集,利用有限元数值模拟技术获取样本点的响应值。根据所得数据,构建了支架质量和最大等效应力的二阶多项式响应面模型,并进行了精度检验,验证了所构建响应面模型的精确性。以支架质量为目标,强度为约束,基于所构建的响应面模型,建立了支架轻量化设计数学模型,采用序列二次规划算法进行求解,并对优化结果进行了仿真验证。结果表明,优化后的支架强度满足要求,质量减少了11.7kg,减重率达42.5%,轻量化效果显著。     

某乘用车备胎仓轻量化设计研究

以某乘用车备胎仓为分析对象,基于三维CAD软件对该备胎仓进行轻量化设计,主要包括对备胎仓进行拓扑优化及材料替换。接着采用有限元分析软件Hypermesh对两种轻量化方案的备胎仓进行有限元静力分析。在保证原有强度及刚度的前提下,通过拓扑优化后的备胎仓质量减轻了6.6%,通过材料替换后的备胎仓质量减轻了55.7%。通过综合对比,采取材料替换的轻量化设计方法综合性能优于拓扑优化。将替换材料后的备胎仓进行装车路试,进一步验证了有限元分析结果的准确性。实现了备胎仓的轻量化设计,为后续的备胎仓轻量化设计提供了新的设计思路。     

基于多目标优化的钢-铝混合轻量化车架设计

以国产某SUV车架为研究对象,建立了车架有限元模型,对车架进行弯曲刚度、扭转刚度分析,并进行模态分析和模态试验,验证模型的有效性。利用正交试验法确定了材料轻量化部件,并将这些部件的钢材料替换成铝合金,得到钢-铝混合轻量化车架。针对钢-铝混合轻量化车架刚度和模态性能的减弱问题,采用基于折中规划法的多目标形貌优化方法对部件进行优化改进,提高了车架的刚度和模态性能。设计结果表明,使用钢、铝材料结合多目标优化方法设计的钢-铝混合轻量化车架相比原钢质车架在保证一定的刚度和模态性能条件下,质量减轻了6.7kg。     

基于拓扑优化与6σ稳健性的检修工装支撑座轻量化设计

为了充分发挥踏面制动单元(TBU)检修工装支撑座的轻量化潜力和提高优化设计的可靠性与稳健性,提出将拓扑优化与6σ稳健性优化相结合的优化策略。通过基于变密度法的拓扑优化设计,提取支撑座的拓扑结构。基于中心组合试验设计方法和有限元数值模拟技术建立系统的响应面模型。基于该模型建立支撑座的6σ稳健性优化设计模型,并采用序列二次规划法进行优化求解,利用均值一次二阶矩法获得优化结果的可靠度并转化为相应的σ水平。结果表明,优化后的支撑座各设计变量、强度和刚度的可靠度均为1,均达到了8σ水平,减重率达67. 0%,轻量化效果显著;且与拓扑优化后对其进行传统的确定性轻量化设计相比,该方法不仅使支撑座的强度和刚度得到了增强,而且还提高了优化设计的可靠性、强度与刚度的稳健性和重量的一致性。证明了该方法的有效性。     

基于ANSYS的巨胎液压硫化机轻量化设计

硫化机结构的轻量化对其节省材料和降低成本具有重要的意义.首先建立了基于ANSYS的某巨胎液压硫化机的参数化有限元模型并进行分析计算,结果显示其在强度上有较大的盈余.确定了轻量化设计的数学模型,采用一阶方法进行分步优化,提出了较为合理的硫化机轻量化设计方案.将调整尺寸后的结构重新进行有限元分析,结果表明,优化后的硫化机结构满足强度、刚度等要求.研究为硫化机设计与改进提供一定的参考依据.     

电动公交车车架轻量化优化设计及评价

根据电动公交车车架的结构,采取拓扑优化方法和车架轻量化系数评价方法相结合的方案,对电动公交车车架进行减重优化设计。以某型电动公交车车架为研究参考样本,建立车架模型。在ANSYS中对设计的电动公交车车架进行有限元分析,并在满足材料基本性能的前提下采用变密度法对车架有限元模型进行拓扑优化。最后利用车架轻量化系数评价方法对优化前、后的车架进行轻量化评价。结果表明,轻量化系数由优化前的0.104降低为优化后的0.0058,较好地实现了电动公交车车架轻量化设计目标。     

基于MSC.Fatigue的汽车横向稳定杆疲劳可靠性仿真及试验研究

基于传统汽车稳定杆疲劳可靠性设计偏于保守,造成疲劳设计缺乏科学依据、开发周期长、零件过于笨重、疲劳可靠性低等情况,提出将疲劳可靠性方法与疲劳有限元设计方法相结合,利用专业疲劳分析软件MSC.Fatigue,建立汽车稳定杆有限元模型,利用有限元方法计算其最小疲劳寿命和寿命分布,从而得到稳定杆的受力、危险部位、疲劳寿命等情况.稳定杆疲劳试验表明,预估结果与试验结果相吻合,为汽车稳定杆的材料选择、结构优化、疲劳设计提供了参考.     

基于多学科性能分析的驱动桥壳多目标优化

在保证整车整体机械性能的前提下对底盘零部件进行优化,是当前汽车工程设计的一个重要挑战。针对汽车驱动桥壳的多学科多目标优化设计问题,提出了一种系统的设计方法。采用有限元数值模拟和试验验证相结合方法系统研究其动态模态频率及振型,静态刚、强度及垂直弯曲疲劳寿命多学科性能,在此基础上,以其结构参数为设计变量,以最大静应力和疲劳损伤系数为设计约束,以整体质量、最大静态变形量和动态一阶模态频率为优化目标,结合哈默斯雷试验设计、移动最小二乘代理模型及全局响应面多目标优化算法,对其进行多学科性能驱动的轻量化多目标优化设计。结果表明:优化设计前后驱动桥壳整体质量降低6.0%,取得了良好的轻量化设计效果。     

基于响应面和遗传算法的C型梁确定性多目标轻量化设计

针对大客车空气悬架关键结构件C型梁的轻量化设计问题.首先,基于参数化计算系统建立起符合实际T.况的有限元模型,并完成最大等效应力、弯曲刚度和疲劳寿命分析,然后,采用中心复合设计试验方法,并基于全二阶多项式对响应面模型拟合,根据灵敏度分析筛选设计变量.最后,以质量最小和弯曲刚度最大为目标函数,同时以最大等效应力和疲劳寿命50万次循环为约束条件,采用非支配排序多目标遗传算法对C型梁进行优化设计,得到Pareto非劣前沿,根据实际设计需要选取妥协解.结果表明:轻量化设计后的C型梁在不改变原材料且满足约束条件的前提下,弯曲刚度与优化前基本保持一致,实现减重2.68 kg,减重比达3.6％.     

基于拓扑优化和Kriging模型的前中盾结构轻量化设计

前中盾是盾构机的重要部件,其结构尺寸大、服役环境复杂,因此,在保证结构强度的前提下进行轻量化设计至关重要。针对某型号泥水平衡盾构机的前中盾,通过拓扑优化和尺寸优化实现轻量化。对现有前中盾结构进行拓扑优化设计,并根据拓扑优化结果进行二次设计;针对二次设计后的前中盾结构,构建尺寸优化模型,利用正交试验和方差分析筛选出对性能响应（前中盾质量、最大变形和最大应力）影响较大的结构参数作为设计变量,并通过最优拉丁超立方采样和有限元分析获得45组样本点,由此构建设计变量-性能响应隐式关系的Kriging代理模型;通过序列二次规划算法对前中盾尺寸优化模型进行求解获得最优的尺寸参数组合。验证结果表明,前中盾经过拓扑优化和尺寸优化后,质量减小约30 t,降幅达3.1%。     

基于疲劳寿命的汽车铝合金车轮轻量化研究

为了达到车轮轻量化的目的,同时满足疲劳寿命的要求,以某轿车规格255/45R20车轮为研究对象,对铝合金车轮疲劳寿命及路面行驶情况进行研究,得到一种采用交变载荷仿真车轮疲劳的方式。建立有限元模型并加载进行疲劳分析,得到车轮疲劳损伤结果;根据车轮的疲劳损伤位置,采用改变不同区域材料工艺、增减辐条倒角"R"大小及增减料厚的方式进行优化以实现车轮的减重。这种结合疲劳寿命的试验在工程上可以减少成本、节省试验周期、实现车轮轻量化、降低油耗,对车轮轻量化的研究具有指导意义和普遍性。     

气室支架的轻量化设计及疲劳寿命研究

以气室支架为研究对象,利用有限元分析软件ANSYS Workbench分析了支架的强度和刚度,并对气室支架进行轻量化设计,去除设计过剩部位的材料。研究分析了气室支架的疲劳寿命,并设计制动系统疲劳寿命试验台对试件进行疲劳寿命测试。试验与仿真结果表明:试验数据与仿真数据误差小于5%,气室支架的设计满足主机厂的要求,并为其它支架的轻量化设计提供了参考。