三轴移动载荷对半刚性路面性能影响分析

为研究多轴车辆移动载荷对半刚性路面性能影响规律,针对半刚性路面的特点,依据弹性层状体系理论,将半刚性路面的沥青层、半刚性基层、半刚性底基层及土基层按线弹性考虑,建立了半刚性路面的三维有限元分析模型,分析了车辆三轴移动载荷对半刚性路面性能影响。结果表明,3轴载荷作用下路面应力变化与车辆轴数有关,当车桥依次驶过路面时,路面应力出现3次突变,沥青层三向压应力、半刚性基层和底基层的垂直压应力、横向拉应力和水平拉应力均增大,最大拉应力出现在半刚性基层和底基层结合处;前轴驶过时轮迹带中心区域各层的横向剪应力最大,后轴驶过时轮迹带边缘区域各层的横向剪应力最大,最大值出现在沥青层底部;中轴驶过时路面各层的水平剪应力最大,最大值也出现在沥青层底部。因此,设计路面结构时,半刚性基层和半刚性底基层应选取抗弯和抗拉强度较高的材料,并应加强沥青面层的抗剪强度。     

基于灰色关联分析的碳纤维增强树脂复合材料控制臂铺层优化

采用碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)对悬架控制臂进行轻量化设计,为了充分发挥CFRP优异的力学性能,对CFRP控制臂进行多目标铺层优化。基于CFRP力学性能试验结果构建控制臂有限元模型,并通过有限元仿真对比分析钢质控制臂和CFRP控制臂结构性能。综合考虑质量、模态频率、刚度和强度等性能,基于正交试验设计方法,并结合灰色关联分析和主成分分析,对CFRP控制臂铺层参数进行多目标优化,确定最优铺层方案。结果表明,相比于原钢质控制臂,除纵向刚度略有下降外,CFRP控制臂其余结构性能指标均有所改善,并且质量降低40.23%,减重效果显著。     

基于近似模型的高速列车头型多目标优化设计

为改善高速列车气动性能,建立一套高效的多目标气动优化设计方法,对流线型头型进行多目标气动优化设计。建立高速列车流线型头型三维参数化模型,并提取5个优化设计变量;为减少优化设计时间,利用最优拉丁超立方设计方法在优化设计空间中进行均匀采样,利用计算流体力学方法获得对应于各个采样点的气动载荷,利用Kriging代理模型构建优化设计变量和气动载荷之间的近似模型;利用多体系统动力学方法计算气动载荷作用下的高速列车轮重减载率;以气动阻力和轮重减载率为优化目标,利用多目标遗传算法NSGA-II对高速列车流线型头型进行多目标优化。优化设计变量和优化目标均呈现收敛的趋势,采用Kriging近似模型优化计算的Pareto前沿与采用CFD（Computational fluid dynamics,CFD）优化计算的Pareto前沿较为接近。优化后高速列车的气动阻力最多可降低3.27%,轮重减载率最多可降低1.44%,气动阻力最优的头型与轮重减载率最优的头型的主要差异在于中部辅助控制线的变化,前者向内凹,后者则向外凸。     

周期性多材料结构稳态热传导拓扑优化设计

提出一种考虑周期性约束的多材料结构稳态热传导拓扑优化设计方法。针对多材料结构,提出基于有序有理近似材料属性模型（ordered rational approximation of material properties,Ordered-RAMP）的多材料插值模型。以结构散热弱度最小化为目标函数,体积为约束条件,将设计区域划分为有限个相同的子多材料区域。通过重新分配单元散热弱度基值,实现周期性几何约束,借助优化准则法推导设计变量的迭代格式。通过典型2D与3D数值算例,分析不同子区域个数对宏观结构与微观子区域多材料拓扑构型的影响。结果表明:所提方法可实现面向多材料结构的周期性微观构型设计,且各材料分布合理边界清晰,具有良好的稳健性;当子区域个数不同时,均可得到具有周期性的拓扑构型,且所获拓扑形式具有差异性。     

车辆三维虚拟道路减速带重构与实现

为实现三维虚拟道路减速带与三维随机路面的同构,对道路减速带断面轮廓和路面不平度模拟方法进行研究。基于三角网格法的基本理论,利用Delaunay算法规则重构了3种道路减速带,并采用谐波叠加法建立了三维随机路面数学模型。在三维路面的基础上,确定了道路减速带的安装位置。根据减速带的宽度,将三维随机路面中相应的路面节点和单元数据去除,并把减速带的节点和单元数据添加到相应的位置,实现了三维虚拟道路减速带与随机路面的同构。该结果为采用相关应用软件研究车辆一道路减速带耦合作用提供了参考依据。     

焊缝形式对自卸汽车车箱结构强度的影响

为分析焊缝形式对自卸汽车车箱结构强度的影响,建立了以板壳单元为基本单元的有限元分析模型,采用多体动力学仿真分析软件SIMPACK,仿真计算得到了油缸的举升力,按朗肯主动土压力理论计算得到了装载的砂石对各板的作用力,应用Hyperworks有限元软件对连续焊和断续焊缝车箱结构强度进行了静态强度分析。结果表明,车箱举升角为1．2。时,断续焊的最大应力比连续焊的最大应力大60．4MPa,举升角为51。时,断续焊的最大应力比连续焊的最大应力小32．5MPa,但断续焊的最大应力均在材料的许用应力范围内,采用断续焊可以提高生产效率。     

基于Ordered-RAMP模型的热固耦合结构多材料拓扑优化方法

针对传统单材料热固耦合拓扑优化设计难以实现结构材料与性能综合最优的问题,提出一种基于变密度理论有序材料属性有理近似模型的多材料拓扑优化方法.该方法通过搭建比例系数与平移系数,将多种材料属性采用[0,1]连续分布的单设计变量进行描述,并研究和比较与有序固体各向同行惩罚微结构模型的优缺点;其次借助归一化加权方法定义以结构柔度最小化和散热弱度最小化为目标函数的数学模型.结合设计变量敏度分析,详细推导多材料、多目标条件下热固耦合结构拓扑优化的迭代公式.通过数值算例分析对比了不同权系数以及不同材料属性组合对优化结果的影响;结果表明,所提出的优化方法在热固耦合结构多材料多目标拓扑优化设计中具有可行性和有效性.     

基于熵权TOPSIS方法的整车动力学性能多目标优化

为提高汽车行驶平顺性和操纵稳定性等整车动力学性能优化匹配效率,提出基于TOPSIS(Technique for ordering preferences by similarity to ideal solution,TOPSIS)方法的设计变量筛选策略。首先建立考虑下控制臂和扭转梁柔性的整车刚柔耦合虚拟样机模型,并通过下控制臂和扭转梁自由模态试验以及整车行驶平顺性和操纵稳定性实车道路试验验证所建整车刚柔耦合模型的正确性。采用试验设计方法研究下控制臂和扭转梁各结构参数分别对前后悬架性能的影响程度,提出基于熵权法和TOPSIS方法的结构综合贡献系数计算方法,以此为评价指标筛选出对悬架性能影响较大的结构参数作为整车性能匹配优化的设计变量,结合Kriging近似模型和NSGA-II算法(Elitist non-dominated sorting genetic algorithm,NSGA-II)对整车行驶平顺性和操纵稳定性进行多目标优化设计,获取Pareto最优解集,并确定出前后悬架系统的优化方案。研究结果表明,与优化前相比较,悬架系统优化后的整车行驶平顺性和操纵稳定性均有所提高,能够实现汽车性能的整体改善。     

考虑拓扑相关热载荷的散热结构多相材料拓扑优化设计

针对热传导拓扑优化设计过程中拓扑相关热载荷问题，以结构散热弱度为目标函数，体积分数为约束条件，构建了多相材料散热结构拓扑优化数学模型。采用一种基于变密度理论的有序固体各向同性微结构材料惩罚模型法构建多相材料插值模型，分别进行拓扑相关热载荷与拓扑独立热载荷作用下的灵敏度分析，借助优化准则法推导设计变量的迭代格式，引入偏微分方程过滤方法抑制优化过程中出现的数值不稳定现象。通过2D与3D数值模型计算，获得考虑拓扑相关热载荷、拓扑独立热载荷以及耦合拓扑独立/相关热载荷在不同边界条件下对拓扑优化结果的影响规律。结果证明了所提方法在解决拓扑相关热载荷作用下散热结构多相材料拓扑优化设计问题方面的有效性与可行性。     

碳纤维复合材料自行车车架轻量化设计

文中考虑到碳纤维增强复合材料轻质高强的特点,利用灰色关联分析方法对碳纤维增强复合材料自行车车架开展铺层优化设计。通过材料力学性能试验获得碳纤维增强复合材料力学性能参数,并建立碳纤维增强复合材料自行车车架有限元模型,结合正交试验设计与灰色关联分析法,综合考虑自行车车架的质量、模态频率、强度和刚度等性能指标,对碳纤维增强复合材料自行车车架进行铺层厚度和角度优化设计。优化后,与原钢质自行车车架相比,在满足性能要求的前提下,CFRP自行车车架减重78.85%,取得了较好的轻量化效果。