CN111506960B - 一种基于cae的卡车前桥轻量化设计方法 - Google Patents

一种基于cae的卡车前桥轻量化设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111506960B
CN111506960B CN202010192988.1A CN202010192988A CN111506960B CN 111506960 B CN111506960 B CN 111506960B CN 202010192988 A CN202010192988 A CN 202010192988A CN 111506960 B CN111506960 B CN 111506960B
Authority
CN
China
Prior art keywords
optimization
load
front axle
cae
constraint
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010192988.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111506960A (zh
Inventor
陈为欢
黄晖
余显忠
邱星
熊伟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jiangling Motors Corp Ltd
Original Assignee
Jiangling Motors Corp Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jiangling Motors Corp Ltd filed Critical Jiangling Motors Corp Ltd
Priority to CN202010192988.1A priority Critical patent/CN111506960B/zh
Publication of CN111506960A publication Critical patent/CN111506960A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111506960B publication Critical patent/CN111506960B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/15—Vehicle, aircraft or watercraft design
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Vehicle Body Suspensions (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于CAE的卡车前桥轻量化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：强度分析；对车架进行轻量化，进行模型简化处理和工况定义；强度计算方法如下所述：基于现有结构设计的CAD模型，搭建前桥系统CAE有限元模型，并进行强度分析，卡车前桥CAE模型含转向节、前桥；两零件之间的接触表面间用有限元软件中的刚体单元进行连接，轮胎接地点和转向节转轴通过刚性单元刚性连接，强度求解时，载荷施加在轮胎接地点，载荷施加根据按如下3个工况进行。该专利技术在卡车新车开发中，有效地实现降低零件重量，实现了车辆续航里程的提高、零部件成本的降低，从而实现产品竞争力的提升。

Description

一种基于CAE的卡车前桥轻量化设计方法
技术领域
本发明属于新能源汽车结构优化设计领域，具体的，是基于计算机辅助工程(CAE)技术对卡车前桥结构进行优化设计。
背景技术
新能源卡车提升续航里程及降低电能损耗是提升产品竞争力的重要手段。通过结构优化设计，实现轻量化，对提升续航里程、降低电能损耗及降低零部件材料成本具有重要意义。
现有前桥设计技术路线通常如下：参考竞品车进行结构设计，然后进行有CAE强度校核分析，满足强度则设计完毕。因此缺乏非常好的技术手段来对产品结构进行优化，实现轻量化。
本专利介绍一种前桥CAE驱动结构优化技术，即保证强度性能不变进行结构优化减重，在本领域具有重要意义。
该专利技术在卡车新车开发中，有效地实现降低零件重量，实现了车辆续航里程的提高、零部件成本的降低，从而实现产品竞争力的提升。
该专利涉及3块技术：1、CAE强度分析技术；2、拓扑优化技术；3、基于morph的尺寸优化技术。
发明内容
为解决上述问题，本发明主要目的在于，提供一种卡车前桥轻量化设计方法。
一种基于CAE的卡车前桥轻量化设计方法，包括以下步骤：
1.强度分析；要对车架进行轻量化，强度分析涉及的模型简化处理和工况定义等核心技术。
强度计算方法如下所述：
基于现有结构设计的CAD模型，搭建前桥系统CAE有限元模型如图1、2，并进行强度分析，CAE模型含转向节、前桥。两零件之间的接触表面间用有限元软件中的刚体(刚性)单元进行连接。轮胎接地点和转向节转轴通过刚性单元刚性连接(此处省略了轮胎的详细建模，可以节省大量的时间)，强度求解时，载荷施加在轮胎接地点，本分析研究重点是车桥，引入前桥的主要目的是方便强度求解时模拟真实载荷边界条件(在轮胎接地点施加载荷)。载荷施加根据按如下3个工况进行：
1.1垂直2.5g冲击工况
约束：车桥与钢板弹簧连接处左侧约束12356，右侧约束1356；
载荷：满载前轴荷：P1＝2405(kg)*9.8kg/m.s^2；按满载轴荷计算：车轮接地点加垂直载荷(单侧)：F1＝F2＝2405/2*2.5*9.81N，该载荷在轮胎接地点Z向加载。
1.2紧急转向工况
约束：车桥与钢板弹簧连接处左侧约束12356，右侧约束1356；
载荷：宽体满载前轴荷：P1＝2405*9.81N；按满载轴荷计算(右转向工况)：左侧车轮接地点加垂直载荷(单侧)：Fz1＝2405*9.81N；
y向附着载荷：Fy1＝Fz1*0.4。左转向工况，在右侧车轮接地点施加相应载荷；
1.3.紧急制动工况
约束：车桥与钢板弹簧连接处左侧约束12345，右侧约束1345
载荷：宽体满载前轴荷：P1＝2405*9.81N，按满载轴荷计算：车轮接地点加垂直载荷(单侧)：Fz＝2405*1.7/2*9.81N，附着载荷：Fx＝Fz*0.8
2.基于morph的尺寸优化
基于任意有限元前处理软件中的morph网格变形技术，对前桥创建如图3所示的morphing box(左右对称)，并将图中所示的morphing box的高度进行参数化，调整参数，获得不同尺寸的前桥CAE模型，并对不同的CAE模型进行强度分析，找出满足强度性能要求且减重最多的方案。
3基于拓扑优化的结构优化
在步骤2的基础上进行拓扑优化设计，拓扑优化设计过程中必须定义三要素：设计变量定义，约束条件定义，优化目标定义。
3.1定义拓扑优化设计变量
将结构没有连接(安装点)点的区域定义为结构拓扑优化区域(在有限元软件中定义为设计变量)，如图4中深区域定义为结构拓扑优化区域。
3.2定义响应
响应的定义主要是用来定义优化目标和优化约束的。
响应类型的定义非常关键，是优化过程中能否成功收敛获得正确结果的关键。本专利基于大量的研究总结，通过如下定义方法定义合适的响应，可以获得良好的优化结果。
定义两个响应：
定义加权应变能响应：加权应变能定义是为了求解不同强度载荷工况下整个系统的总的应变能，即总应变能＝载荷工况一零部件系统应变能*权重+工况二的零部件系统应变能*权重+工况三的零部件系统应变能*权重，本发明专利认为之前所述工况均是常见工况，因此，三个工况权重均设定为1。
定义体积分数响应，体积分数响应表示设计区域(3.1中所述设计变量)优化后的结构的总体积除以优化前结构的总体积，此处定义体积分数响应指的是3.1中所述的拓扑优化区域优化前后的体积分数。在有限元优化软件中可以指定优化时候的。
3.3定义优化目标
设置为优化目标为加权应变能最小，应变能小，表示优化目标为刚度最大化。
3.4定义优化约束
对体积响应分数进行求解约束，约束体积响应分数的最大值为0.3，最小值可以不定义。定义该约束目的主要是对确有拓扑优化后，优化结构的总体积除以初始体积的比值小于等于0.3，以便获得清晰的拓扑优化载荷传递路径。
3.5拓扑优化求解
将以上模型提交求解，并对结果进行解析，结果如图5，说明中心可以挖空。
4结构优化后的前桥强度校核分析
综合morph尺寸优化和拓扑优化结果，搭建新的前桥CAD模型，然后进行强度分析，确保优化后的结构满足强度要求，图6为优化前(图中靠上)、优化后(图中靠下)的前桥结构，实现减重8kg，且强度满足要求。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例1起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为搭建出的前桥系统CAE有限元模型正视图；
图2为搭建出的前桥系统CAE有限元模型俯视图；
图3为前桥系统CAE有限元模型俯的morphing box；
图4为前桥系统CAE有限元模型的结构拓扑优化区域；
图5为图4的拓扑优化求解的结构；
图6为优化前后的前桥结构；
图7为前桥系统CAE有限元模型的结构拓扑优化区域；
图8为在软件中定义加权应变能响应的参数；
图9为在软件中定义定义体积分数响应的参数；
图10为在软件中设置优化目标为comp最小；
图11为在软件中定义优化约束。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
下面将为基于该技术优化前后的前桥结构，优化后实现减重8kg(base38.8kg)。
拓扑优化在某一工业软件具体实施方式如下：
1.基于拓扑优化的结构优化
1.1定义拓扑优化变量
将结构没有连接(安装点)点的区域定义为结构拓扑优化区域(定义为设计变量)，如图7深区域定义为结构拓扑优化区域。具体：
1.1.1垂直2.5g冲击工况
约束：车桥与钢板弹簧连接处左侧约束12356，右侧约束1356；
载荷：满载前轴荷：P1＝2405(kg)*9.8kg/m.s^2；
按满载轴荷计算：单侧车轮接地点加垂直载荷：F1＝F2＝2405/2*2.5*9.81N，该载荷在轮胎接地点，即垂直地面方向Z向加载；
1.1.2紧急转向工况
约束：车桥与钢板弹簧连接处左侧约束12356，右侧约束1356；
载荷：宽体满载前轴荷：P1＝2405*9.81N；按满载轴荷计算，右转向工况：左侧车轮接地点加垂直载荷，单侧：Fz1＝2405*9.81N；
y向，即车身横向到附着载荷：Fy1＝Fz1*0.4，左转向工况，在右侧车轮接地点施加相应载荷；
1.1.3.紧急制动工况
约束：车桥与钢板弹簧连接处左侧约束12345，右侧约束1345；
载荷：宽体满载前轴荷：P1＝2405*9.81N，
按满载轴荷计算：车轮接地点加垂直载荷，单侧：Fz＝2405*1.7/2*9.81N，
附着载荷，其中x是车身方向：：Fx＝Fz*0.8；
1.2定义响应
响应类型的定义非常关键，是优化过程中能否成功收敛获得正确结果的关键。本专利基于大量的研究总结。
具体为：定义加权应变能响应：加权应变能定义是为了求解不同强度载荷工况下整个系统的总的应变能，即总应变能＝载荷工况一零部件系统应变能*权重+工况二的零部件系统应变能*权重+工况三的零部件系统应变能*权重，之前所述工况均是常见工况，因此，三个工况权重均设定为1；
定义体积分数响应，体积分数响应表示设计区域，3.1中所述设计变量，优化后的结构的总体积除以优化前结构的总体积，此处定义体积分数响应指的是3.1中所述的拓扑优化区域优化前后的体积分数。在有限元优化软件中可以指定优化时候的；
软件操作：定义加权应变能响应名称comp，响应类型为weighted comp，载荷步选择之前所述的三个工况，优化时，优化目标objective为最小化comp，表示结构优化后刚度最大，具体参数设置参考下图8。
定义体积分数响应volf，响应类型为volumefrac，props选择4.2.1中定义的设计变量所对应的property属性，参考图9。
1.3定义优化目标
设置为优化目标为加权应变能最小，应变能小，表示优化目标为刚度最大化。
软件操作：设置为优化目标为comp最小，即加权柔度最小，也就是刚度最大化,参考图10。
1.4定义优化约束
对定义的体积响应分数进行求解约束，约束体积响应分数的最大值为0.3，最小值可以不定义。定义该约束目的主要是对确有拓扑优化后，优化结构的总体积除以初始体积的比值小于等于0.3，以便获得清晰的拓扑优化载荷传递路径。
软件操作：约束名称为volf，约束上线upperbound设置为0.3，约束类型(response)为volf，参考图11。
1.5拓扑优化求解
将以上模型提交求解，并对结果进行解析，结果如图5、6(优化前为图中靠上，优化后为图中靠下)，说明中心可以挖空。

Claims (2)

1.一种基于CAE的卡车前桥轻量化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1.强度分析；对车架进行轻量化，进行模型简化处理和工况定义；
强度计算方法如下所述：
基于现有结构设计的CAD模型，搭建前桥系统CAE有限元模型，并进行强度分析，卡车前桥CAE模型含转向节、前桥；两零件之间的接触表面间用有限元软件中的刚体单元进行连接，轮胎接地点和转向节转轴通过刚性单元刚性连接，强度求解时，载荷施加在轮胎接地点，载荷施加根据按如下3个工况进行：
1.1垂直2.5g冲击工况
约束： 车桥与钢板弹簧连接处左侧约束12356，右侧约束1356；
载荷： 满载前轴荷：P1=2405（kg）*9.8kg/m.s^2；
按满载轴荷计算：单侧车轮接地点加垂直载荷：F1=F2=2405/2*2.5*9.81N，该载荷在轮胎接地点，即垂直地面方向Z向加载；
1.2 紧急转向工况
约束：车桥与钢板弹簧连接处左侧约束12356，右侧约束1356；
载荷：宽体满载前轴荷：P1=2405*9.81N；按满载轴荷计算，右转向工况：左侧车轮接地点加垂直载荷，单侧：Fz1=2405*9.81N；
y向，即车身横向到附着载荷：Fy1=Fz1*0.4，左转向工况，在右侧车轮接地点施加相应载荷；
1.3.紧急制动工况
约束：车桥与钢板弹簧连接处左侧约束12345，右侧约束1345；
载荷：宽体满载前轴荷：P1=2405*9.81N，
按满载轴荷计算：车轮接地点加垂直载荷，单侧：Fz=2405*1.7/2*9.81N，
附着载荷，其中x是车身方向：Fx=Fz*0.8；
2.基于morph的尺寸优化；
基于有限元前处理软件中的morph网格变形技术，对前桥创建morphing box，左右对称，并将morphing box的高度进行参数化，调整参数，获得不同尺寸的前桥CAE模型，并对不同的CAE模型进行强度分析，找出满足强度性能要求且减重最多的方案；
3．基于拓扑优化的结构优化；
在步骤2的基础上进行拓扑优化设计，拓扑优化设计过程中定义三要素：设计变量定义，约束条件定义，优化目标定义；
3.1定义拓扑优化设计变量；
将结构没有连接点的区域定义为结构拓扑优化区域，在有限元软件中定义为设计变量；
3.2 定义响应；
响应的定义用来定义优化目标和优化约束；
定义两个响应：
定义加权应变能响应：加权应变能定义是为了求解不同强度载荷工况下整个系统的总的应变能，即总应变能=载荷工况一零部件系统应变能*权重+工况二的零部件系统应变能*权重+工况三的零部件系统应变能*权重，之前所述工况均是常见工况，因此，三个工况权重均设定为1；
定义体积分数响应，体积分数响应表示设计区域，3.1中所述设计变量，优化后的结构的总体积除以优化前结构的总体积，此处定义体积分数响应指的是3.1中所述的拓扑优化区域优化前后的体积分数；
3.3定义优化目标；
设置为优化目标为3.2中定义的加权应变能最小，应变能小，表示优化目标为刚度最大化；
3.4定义优化约束；
对4.2.2中定义的体积响应分数进行求解约束，约束体积响应分数的最大值为0.3，最小值不定义；定义该约束目的是对确有拓扑优化后，优化结构的总体积除以初始体积的比值小于等于0.3，以便获得清晰的拓扑优化载荷传递路径；
3.5拓扑优化求解
将以上模型提交求解，并对结果进行解析。
2.根据权利要求1所述的一种基于CAE的卡车前桥轻量化设计方法，其特征是：还包括步骤4.结构优化后的前桥强度校核分析；
综合morph尺寸优化和拓扑优化结果，搭建新的前桥CAD模型，然后进行强度分析，确保优化后的结构满足强度要求。
CN202010192988.1A 2020-03-18 2020-03-18 一种基于cae的卡车前桥轻量化设计方法 Active CN111506960B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010192988.1A CN111506960B (zh) 2020-03-18 2020-03-18 一种基于cae的卡车前桥轻量化设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010192988.1A CN111506960B (zh) 2020-03-18 2020-03-18 一种基于cae的卡车前桥轻量化设计方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111506960A CN111506960A (zh) 2020-08-07
CN111506960B true CN111506960B (zh) 2022-04-22

Family

ID=71877715

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010192988.1A Active CN111506960B (zh) 2020-03-18 2020-03-18 一种基于cae的卡车前桥轻量化设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111506960B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112001082B (zh) * 2020-08-25 2021-04-16 上海理工大学 一种工字梁前桥轻量化方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101503099A (zh) * 2009-03-12 2009-08-12 中通客车控股股份有限公司 大型矩形管底架的大客车全承载车身
CN101565794A (zh) * 2008-04-22 2009-10-28 宝山钢铁股份有限公司 一种高强度热轧汽车大梁钢板及其制造方法
CN101667221A (zh) * 2009-09-29 2010-03-10 同济大学 顶置气瓶大客车双层顶盖确定方法
CN107139654A (zh) * 2017-05-31 2017-09-08 安徽江淮汽车集团股份有限公司 一种汽车前桥前轴结构
CN108152053A (zh) * 2017-12-26 2018-06-12 北京理工大学 一种基于车桥结构应力测试的汽车载荷谱识别的方法
WO2019014729A1 (en) * 2017-07-20 2019-01-24 Stoyanov Angel Aleksandrov PEDAL TROTTINETTE
CN109533041A (zh) * 2018-11-19 2019-03-29 开沃新能源汽车集团有限公司 一种基于高强钢的全承载客车车架轻量化方法
CN109672353A (zh) * 2017-10-17 2019-04-23 保时捷股份公司 变换器、电力多相系统和用于高效功率交换的方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101565794A (zh) * 2008-04-22 2009-10-28 宝山钢铁股份有限公司 一种高强度热轧汽车大梁钢板及其制造方法
CN101503099A (zh) * 2009-03-12 2009-08-12 中通客车控股股份有限公司 大型矩形管底架的大客车全承载车身
CN101667221A (zh) * 2009-09-29 2010-03-10 同济大学 顶置气瓶大客车双层顶盖确定方法
CN107139654A (zh) * 2017-05-31 2017-09-08 安徽江淮汽车集团股份有限公司 一种汽车前桥前轴结构
WO2019014729A1 (en) * 2017-07-20 2019-01-24 Stoyanov Angel Aleksandrov PEDAL TROTTINETTE
CN109672353A (zh) * 2017-10-17 2019-04-23 保时捷股份公司 变换器、电力多相系统和用于高效功率交换的方法
CN108152053A (zh) * 2017-12-26 2018-06-12 北京理工大学 一种基于车桥结构应力测试的汽车载荷谱识别的方法
CN109533041A (zh) * 2018-11-19 2019-03-29 开沃新能源汽车集团有限公司 一种基于高强钢的全承载客车车架轻量化方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CAE结构优化在汽车轻量化开发中的作用;李海三;《学术|制造研究》;20190531;80-81 *
汽车前桥CAE分析和轻量化设计;张学斌 等;《万方数据知识服务平台》;20101231;1-94 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111506960A (zh) 2020-08-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105095542B (zh) 一种汽车悬架关键结构件优化设计方法
CN109829257B (zh) 汽车车架轻量化优化方法
CN113408055B (zh) 一种汽车车架结构优化方法
CN107169211A (zh) 汽车白车身早期概念开发拓扑优化方法
CN107766683B (zh) 一种厢式车车厢底部波纹横梁结构轻量化优化设计方法
CN104834779A (zh) 一种基于灵敏度分析的悬架硬点设计方法
CN104462725B (zh) 一种单板冲压下控制臂的轻量化优化设计方法
CN107609282A (zh) 一种车身框架的概念设计方法
CN102567581B (zh) 一种汽车控制臂的设计方法
CN112613120B (zh) 汽车前副车架轻量化优化设计方法及系统
CN111506960B (zh) 一种基于cae的卡车前桥轻量化设计方法
CN115935522A (zh) 一种轻量化混合材料汽车b柱结构的优化方法
CN115169167A (zh) 汽车板簧运动行程参数优化匹配方法及系统
CN115618481A (zh) 一种车身框架结构优化方法及系统
CN101612996A (zh) 一种板筋结构设计方法
CN106980742A (zh) 一种向有限元仿真模型引入冲压成型信息的载荷投影映射方法
CN112100747A (zh) 车身骨架拓扑优化方法、装置、设备及介质
CN111125953A (zh) 一种备胎坑形貌的优化方法
Moroncini et al. NVH structural optimization using beams and shells FE concept models in the early car development phase at BMW
Pollák et al. Analysis of software solutions for creating models by a generative design approach
Tokura et al. Shape optimization to improve impact energy absorption ability of truss core panel
CN112035953B (zh) 基于刚柔耦合的电动三轮车车架轻量化设计方法及系统
CN112329316B (zh) 一种基于多体动力学的扭力梁强度分析方法
CN113361038A (zh) 变流器轻量化方法、系统、服务器及计算机可读存储介质
Chen et al. Research on modeling and optimization simulation analysis of micro electric vehicle suspension

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant