CN114626274A - 基于拓扑优化公交车体侧围与顶盖间连接纵梁设计方法 - Google Patents

基于拓扑优化公交车体侧围与顶盖间连接纵梁设计方法 Download PDF

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CN114626274A CN202210349228.6A CN202210349228A CN114626274A CN 114626274 A CN114626274 A CN 114626274A CN 202210349228 A CN202210349228 A CN 202210349228A CN 114626274 A CN114626274 A CN 114626274A
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张建春
黄登峰
王靖安
石志纲
王铭君
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Abstract

本发明公开一种基于拓扑优化公交车体侧围与顶盖间连接纵梁设计方法，包括步骤S1，整车骨架建立有限元模型；步骤S2，建立过渡纵梁初始模型；步骤S3，进行模态分析及刚度分析；步骤S4：将施加边界条件及载荷的有限元整车模型作为初始模型，建立拓扑优化方案，步骤S5：解读拓扑优化后模型，建立尺寸优化初始模型；步骤S6：定义设计变量；步骤S7：进行DOE试验设计，得出一组可用于拟合近似模型的数据；步骤S8：建立fit响应面近似模型；步骤S9：采用全局响应面优化算法对车身骨架进行多目标优化设计，得出最优前沿解。本发明能得到最优的横断面形状及材料承载分布，确保了其车体的整体承载性能，而且部件轻量化效果显著。

Description

基于拓扑优化公交车体侧围与顶盖间连接纵梁设计方法
技术领域
本申请涉及机械加工技术领域，尤其涉及一种基于拓扑优化公交车体侧围与顶盖间连接纵梁设计方法。
背景技术
随着国家对于环境保护的重视，节能减排成为当下最热门的话题，公交车作为主要的交通工具，对其轻量化处理，对于资源和环境保护都有着举足轻重的作用。我国对于公交车轻量化技术有着深入的研究，主要有优化设计方法、新型材料技术、先进的制造技术及连接工艺。目前，我国新型材料主要采用高强度钢或者铝合金材料，虽然相比与普通钢材质量得到减轻，但轻量化仍有很大的提升空间。采用轻量化效果更显著的镁合金材料，不仅能使整车性能得到提升，而且能够有效达到轻量化减重效果。
由于镁合金的弹性模量和密度低，刚度和强度与钢和铝合金材料相比较弱，在不增加型材厚度的前提下，需要保证结构的刚强度，因此需要对镁合金型材进行断面设计。侧围及顶盖骨架过渡部分纵梁对于整车骨架结构性能的提升存在着至关重要的作用，因此对此纵梁进行结构优化设计，并且进行轻量化处理。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种基于拓扑优化的镁合金公交车体侧围与顶盖间连接纵梁设计方法。
为实现本发明的发明目的，本发明提供的技术方案是：
一种基于拓扑优化公交车体侧围与顶盖间连接纵梁设计方法，包括以下步骤：
步骤S1，整车骨架建立有限元模型；
步骤S2，建立过渡纵梁初始模型，外轮廓内部采用实体单元完全填充，
步骤S3，进行模态分析及刚度分析，其中，
刚度分析包括弯曲刚度和扭转刚度；
模态分析为不施加任何载荷和约束，对整车进行自由模态分析；
所述的步骤S3中，所述的弯曲刚度分析，是指在车架两边中间位置各向下施加一定的力，通过约束悬架与车身连接处来进行约束，约束左前2、左前3方向自由度，约束右前3方向自由度，左后1、左后2、左后3方向的自由度，右后1、右后3方向自由度，测得左右观测点Z向位移；
弯曲刚度公式为：
Figure BDA0003578708740000021
其中∑F为施加的载荷，Zlmax、Zrmax分别为左右观测点Z方向的位移。
所述的步骤S3中，所述的步骤S3中，所述的扭转刚度分析，是指在前轴施加一对大小相等方向相反的作用力F，产生一对力偶矩，在悬架与车身连接处位置进行约束，约束左后1、左后2、左后3方向自由度、右后1、右后3方向自由度，分别测得Z向位移；
扭转刚度公式为：
Figure BDA0003578708740000022
其中Kt为单位长度的扭转刚度，单位为N·m/°；GIp为抗扭刚度，单位为N·m2/rad；T为扭矩；F为载荷；l为轴距；L为力臂；h1为左侧板簧Z方向位移；h2为右侧板簧Z方向的位移；θ为扭转角(rad)。
步骤S4：将施加边界条件及载荷的有限元整车模型作为初始模型，建立拓扑优化方案：包括目标函数、设计约束以及设计变量；
所述的步骤S4中，拓扑优化方案建立步骤包括：
步骤S4.1，定义加权柔度最小化作为第一目标函数；
步骤S4.2，设计空间的剩余体积小于20％作为设计约束；
步骤S4.3，过渡杆件填充区域作为设计变量；
步骤S4.4，利用OptiStruct求解器进行求解计算，得出拓扑优化结果。
步骤S5：解读拓扑优化后模型，建立尺寸优化初始模型；
步骤S6：定义设计变量；
步骤S7：进行DOE试验设计，采用哈默斯雷采样的空间填充法，划分11种因子组合方式，计算得出一组可用于拟合近似模型的数据；
步骤S8：建立fit响应面近似模型，采用径向基函数拟合算法，用于拟合DOE试验设计得出的结果构建响应面的近似模型，进行近似模型对响应的预测；
步骤S9：采用全局响应面优化算法对车身骨架进行多目标优化设计，得出最优前沿解。
本发明的有益效果是：相比与传统的车体部件设计，通过上述有限元方法进行优化设计，能极大缩短设计周期，通过上述拓扑优化设计连接纵梁用镁合金型材断面结构，能得到最优的横断面形状及材料承载分布，通过上述尺寸优化，能够有针对性地减薄其壁厚的情况下，既确保了其车体的整体承载性能，而且部件轻量化效果显著。
附图说明
图1为整车骨架有限元模型示意图；
图2为过渡纵梁初始模型断面图；
图3为整车边界条件及载荷施加情况示意图；
图4为拓扑优化结果模型示意图；
图5为解读后尺寸优化的初始模型示意图；
图6为尺寸优化设计变量图。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供的一种基于拓扑优化公交车体侧围与顶盖间连接纵梁设计方法，包括如下步骤：
步骤S1：如图1所示，整车骨架建立有限元模型，整车采用壳单元结构，网格尺寸大小选用10mm。除底架外五大模块材料选用ZK61M镁合金材料，各型材杆件主要通过螺栓连接，底架采用Q345和Q500钢，主要通过焊接方式连接，焊点及螺栓连接采用RBE2刚性单元连接。整车骨架有限元模型如图1所示。
步骤S2：建立过渡纵梁初始模型，外轮廓内部采用实体单元完全填充，如图2所示。
步骤S3，进行模态分析及刚度分析，其中，
刚度分析包括弯曲刚度和扭转刚度；
模态分析为不施加任何载荷和约束，对整车进行自由模态分析；
弯曲刚度分析，在车架两边中间位置各向下施加一定的力，通过约束悬架与车身连接处来进行约束，约束左前2、左前3方向自由度，约束右前3方向自由度，左后1、左后2、左后3方向的自由度，右后1、右后3方向自由度，测得左右观测点Z向位移。弯曲刚度公式为：
Figure BDA0003578708740000031
其中∑F为施加的载荷，Zlmax、Zrmax分别为左右观测点Z方向的位移。
扭转刚度分析，在前轴施加一对大小相等方向相反的作用力F，产生一对力偶矩，在悬架与车身连接处位置进行约束，约束左后1、左后2、左后3方向自由度、右后1、右后3方向自由度，分别测得Z向位移。扭转刚度公式为：
Figure BDA0003578708740000041
其中Kt为单位长度的扭转刚度，单位为N·m/°；GIp为抗扭刚度，单位为N·m2/rad；T为扭矩；F为载荷；l为轴距；L为力臂；h1为左侧板簧Z方向位移；h2为右侧板簧Z方向的位移；θ为扭转角(rad)。整车边界条件及载荷施加情况如下图3所示。
步骤S4：将施加边界条件及载荷的有限元整车模型作为初始模型，建立拓扑优化方案：包括目标函数、设计约束以及设计变量；
所述的步骤S4中，所述的步骤S4中，拓扑优化方案建立步骤包括：
步骤S4.1，定义加权柔度最小化作为第一目标函数；
步骤S4.2，设计空间的剩余体积小于20％作为设计约束；
步骤S4.3，过渡杆件填充区域作为设计变量；
步骤S4.4，利用OptiStruct求解器进行求解计算，得出拓扑优化结果。如图4所示。
步骤S5：解读拓扑优化后模型，建立尺寸优化初始模型，如图5所示。
步骤S6：定义设计变量，由于镁合金材料成型性能较差，对于镁合金型材挤压成型的过程不好把控，因此需尽量减少同一型材的不同厚度，减少设计变量。本专利将优化连接纵梁用镁合金型材划分为三个不同厚度的截面，其中1，3为封闭截面，如图6所示。壁厚及设计变量上下限如表1所示。
表1设计变量优化区间
Figure BDA0003578708740000042
步骤S7：进行DOE试验设计，采用哈默斯雷采样的空间填充法，划分11种因子组合方式，计算得出一组可用于拟合近似模型的数据；
步骤S8：建立fit响应面近似模型，采用径向基函数拟合算法，用于拟合DOE试验设计得出的结果构建响应面的近似模型，进行近似模型对响应的预测，能够有效减少迭代次数，R-Square用于检测拟合的精度，其数学表达式为：
Figure BDA0003578708740000051
其中SSE为方差，表示拟合数据和原始数据对应点的误差的平方和；SST为原始数据和均值之差的平方和。
步骤S9：采用全局响应面优化算法GRSM对车身骨架进行多目标优化设计，将质量最小化作为第一目标函数，约束第二目标函数第七阶模态大于5.5Hz，第三目标函数弯曲刚度大于9000N/mm，第四目标函数扭转刚度大于15000N·M/°，得出最优前沿解，结果如表2所示。
表2优化后各设计变量壁厚及响应
Figure BDA0003578708740000052
由上表可知，优化后第七阶模态有所增加，达到了目标值，弯曲刚度和扭转刚度有较少的降低，但都符合相应的刚度要求，该连接纵梁质量由初始的31.17Kg降低至27.58kg，在满足刚度、模态要求的前提下，同样采用轻质的镁合金，其单个部件质量减轻了12.5％，其轻量化效果显著。
本发明所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于拓扑优化公交车体侧围与顶盖间连接纵梁设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，整车骨架建立有限元模型；
步骤S2，建立过渡纵梁初始模型，外轮廓内部采用实体单元完全填充；
步骤S3，进行模态分析及刚度分析，其中，
刚度分析包括弯曲刚度和扭转刚度；
模态分析为不施加任何载荷和约束，对整车进行自由模态分析；
步骤S4：将施加边界条件及载荷的有限元整车模型作为初始模型，建立拓扑优化方案：包括目标函数、设计约束以及设计变量；
步骤S5：解读拓扑优化后模型，建立尺寸优化初始模型；
步骤S6：定义设计变量；
步骤S7：进行DOE试验设计，采用哈默斯雷采样的空间填充法，划分11种因子组合方式，计算得出一组可用于拟合近似模型的数据；
步骤S8：建立fit响应面近似模型，采用径向基函数拟合算法，用于拟合DOE试验设计得出的结果构建响应面的近似模型，进行近似模型对响应的预测；
步骤S9：采用全局响应面优化算法对车身骨架进行多目标优化设计，得出最优前沿解。
2.根据权利要求1所述的一种基于拓扑优化公交车体侧围与顶盖间连接纵梁设计方法，其特征在于，所述的步骤S3中，所述的弯曲刚度分析，是指在车架两边中间位置各向下施加一定的力，通过约束悬架与车身连接处来进行约束，约束左前(2)、左前(3)方向自由度，约束右前(3)方向自由度，左后(1)、左后(2)、左后(3)方向的自由度，右后(1)、右后(3)方向自由度，测得左右观测点Z向位移；
弯曲刚度公式为：
Figure FDA0003578708730000011
其中∑F为施加的载荷，Zlmax、Zrmax分别为左右观测点Z方向的位移。
3.根据权利要求1所述的一种基于拓扑优化公交车体侧围与顶盖间连接纵梁设计方法，其特征在于，所述的步骤S3中，所述的步骤S3中，所述的扭转刚度分析，是指在前轴施加一对大小相等方向相反的作用力F，产生一对力偶矩，在悬架与车身连接处位置进行约束，约束左后(1)、左后(2)、左后(3)方向自由度、右后(1)、右后(3)方向自由度，分别测得Z向位移；
扭转刚度公式为：
Figure FDA0003578708730000021
其中Kt为单位长度的扭转刚度，单位为N·m/°；GIp为抗扭刚度，单位为N·m2/rad；T为扭矩；F为载荷；l为轴距；L为力臂；h1为左侧板簧Z方向位移；h2为右侧板簧Z方向的位移；θ为扭转角(rad)。
4.根据权利要求1所述的一种基于拓扑优化公交车体侧围与顶盖间连接纵梁设计方法，其特征在于，所述的步骤S4中，所述的步骤S4中，拓扑优化方案建立步骤包括：
步骤S4.1，定义加权柔度最小化作为第一目标函数；
步骤S4.2，设计空间的剩余体积小于20％作为设计约束；
步骤S4.3，过渡杆件填充区域作为设计变量；
步骤S4.4，利用OptiStruct求解器进行求解计算，得出拓扑优化结果。
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CN115906338A (zh) * 2023-03-03 2023-04-04 厦门市特种设备检验检测院 一种烧结炉炉门端盖的优化设计评定方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115906338A (zh) * 2023-03-03 2023-04-04 厦门市特种设备检验检测院 一种烧结炉炉门端盖的优化设计评定方法
CN115906338B (zh) * 2023-03-03 2023-06-09 厦门市特种设备检验检测院 一种烧结炉炉门端盖的优化设计评定方法

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