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1、10申请公布号CN104112050A43申请公布日20141022CN104112050A21申请号201410348310222申请日20140723G06F17/5020060171申请人中国人民解放军装甲兵工程学院地址100072北京市丰台区杜家坎21号72发明人芮强王红岩洪煌杰李建阳王钦龙栗浩展李同飞54发明名称一种轻型车辆非承载式车架结构优化设计方法57摘要一种轻型车辆非承载式车架结构优化设计方法，其包括采用SOLIDWORKS软件建立轻型车辆原始车架结构三维几何模型，并输出成IGES数据文件格式，得到车架结构IGES模型；在HYPERMESH软件中读入车架结构IGES模型，利用H。
2、YPERMESH软件进行几何处理并划分有限元网格，在不改变车架纵梁及附座结构形式的前提下，采用HYPERMESH软件的结构优化功能进行车架横梁结构的拓扑优化，实现横梁结构的布置位置及结构形式的优化设计。其目的在于提供一种在不增加车架结构重量的前提下，提高轻型车辆车架的弯曲刚度、扭转刚度以及车架结构固有频率，从而确保车架具有较高的整体刚度，提高车辆的可靠性、安全性、操纵稳定性以及振动特性的轻型车辆非承载式车架结构优化设计方法。51INTCL权利要求书1页说明书5页附图2页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书5页附图2页10申请公布号CN104112050ACN10。
3、4112050A1/1页21一种轻型车辆非承载式车架结构优化设计方法，其特征在于包括如下步骤1采用SOLIDWORKS软件建立轻型车辆原始车架结构三维几何模型，并输出成IGES数据文件格式，得到车架结构IGES模型；2在HYPERMESH软件中读入车架结构IGES模型，利用HYPERMESH软件进行几何处理并划分有限元网格，在结构优化设计时，不改变车架附座的结构形式，因此在进行几何处理及有限元建模时，只建立车架结构纵梁与横梁结构的有限元模型，由于要将车架横梁作为结构优化的设计区域，采用二维壳单元建立车架纵梁的有限元模型，采用三维六面体网格填充车架横梁可能分布的设计区域，采用节点连接的方式将二维。
4、单元和三维单元进行连接，完成车架结构有限元建模；3车架载荷及边界条件加载车架结构主要承受弯曲及扭转载荷，分别建立车架弯曲及扭转载荷工况。所述弯曲载荷工况主要考核车架结构的弯曲刚度，在该工况下，约束车架与前后悬架固定支撑点的所有自由度，在车架中间位置等效加载车箱自重载荷及货物载重量；所述扭转载荷主要考核车架结构的扭转刚度，在加载车架结构扭转载荷时，约束车架与后悬架固定支撑点的所有自由度，然后在车架与前悬架固定支撑点处施加大小相等、方向相反的垂直方向集中载荷；4设计区域及设计变量定义将车架结构横梁的分布区域定义为设计区域，将三维六面体单元的相对密度定义为设计变量，优化设计过程中，根据单元相对密度的。
5、大小，决定结构中是否取舍该单元，根据结构重量指标及刚强度要求，取单元相对密度阈值为0285，舍弃单元相对密度小于阈值的结构单元；5定义目标函数在进行车架结构优化设计时以最大限度提高车架结构的弯曲刚度、扭转刚度以及车架结构前6阶固有频率值为目标。在HYPERMESH软件优化模块中定义加权目标函数K为目标函数，K1、K2分别为弯曲刚度及扭转刚度，W1、W2分别为对应于弯曲刚度及扭转刚度的加权系数，WJ对应于车架前6阶固有频率的加权系数，J车架结构前6阶固有频率值，W0为用于平衡弯曲、扭转载荷工况与结构固有频率的加权系数由于弯曲刚度值的数量级为106，扭转刚度值的数量级为102，而结构前6阶固有频率。
6、值的数量级也为102，因此取W11、W2325104、WJ1、W0218104；6在HYPERMESH软件优化模块中令加权目标函数K最大化，采用拓扑优化功能进行车架结构拓扑优化设计，得到车架结构横梁在空间中分布位置及分布形式的车架结构拓扑密度云图；7根据车架结构拓扑密度云图重构车架结构几何模型以及有限元模型，得到优化后的轻型车辆非承载式车架结构。权利要求书CN104112050A1/5页3一种轻型车辆非承载式车架结构优化设计方法技术领域0001本发明涉及一种轻型车辆非承载式车架结构优化设计方法。背景技术0002车架结构用于将车身、驾驶室、悬架等连接成一个整体，几乎承载了车辆使用过程中的各种载荷。
7、，主要包括弯曲、扭转以及冲击载荷等，在这些载荷的作用下，车架结构的刚度特性具有举足轻重的作用。车架结构刚度不合理，会直接影响车架的承载功能，车架整体刚度低，将使车架的整体承载能力降低，车架的局部刚度低，会使车架局部变形增加，车架刚度不足会引起结构变形过大，影响安装在车架上总成的相对位置。同时，车架刚度不足还会造成车架振动频率低，此时，车架受到振动激励后会产生车架总体的弯曲振动、扭转振动或各种振动的复合振动，当激励频率与车架结构固有频率吻合或接近时，易使车架发生结构共振，最终直接或间接影响车辆的行驶平顺性、舒适性和操纵性等。0003在进行轻型车辆车架结构设计时，传统的做法是在原有结构方案基础上进。
8、行改进设计，然后再通过实车测试考核的方法检验设计的合理性，如果改进设计方案无法满足要求，需用重新进行设计。这种方法周期长，费用高，有时无法达到设计要求。结构优化设计方法，比如结构形状优化、尺寸优化在车架结构设计中也有所应用，但仅限于进行结构局部的改进或结构尺寸的改变，而不会对车架结构的整体拓扑形状进行变化。0004结构拓扑优化设计方法主要用于结构的方案设计阶段，通过计算结构载荷的传递路径，确定结构材料在空间的最佳分布，给出的结构分布形式往往与传统结构布置形式有很大的不同。对于轻型车辆车架结构而言，依据传统方法进行结构的改进设计或采用形状优化、尺寸优化等结构优化设计方法只能对结构的总体弯曲、扭转。
9、刚度进行局部的调整。0005轻型车辆原始的车架结构主要由两侧两根大纵梁加若干根平行布置的横梁组成，为了提高车架结构的整体结构刚度，采用结构拓扑优化的设计方法，对车架结构横梁部分的结构拓扑形式进行优化设计，对于提高车架结构的弯曲、扭转刚度以及结构固有频率，并进而提高间接提高车辆的系统特性都具有重要的意义。发明内容0006本发明的目的在于提供一种在不增加车架结构重量的前提下，提高轻型车辆车架的弯曲刚度、扭转刚度以及车架结构固有频率，从而确保车架具有较高的整体刚度，提高车辆的可靠性、安全性、操纵稳定性以及振动特性的轻型车辆非承载式车架结构优化设计方法。0007本发明一种轻型车辆非承载式车架结构优化设。
10、计方法，包括如下步骤00081采用SOLIDWORKS软件建立轻型车辆原始车架结构三维几何模型，并输出成IGES数据文件格式，得到车架结构IGES模型；00092在HYPERMESH软件中读入车架结构IGES模型，利用HYPERMESH软件进行几何处理并划分有限元网格，在结构优化设计时，不改变车架附座的结构形式，因此在进行几何说明书CN104112050A2/5页4处理及有限元建模时，只建立车架结构纵梁与横梁结构的有限元模型，由于要将车架横梁作为结构优化的设计区域，采用二维壳单元建立车架纵梁的有限元模型，采用三维六面体网格填充车架横梁可能分布的设计区域，采用节点连接的方式将二维单元和三维单元进。
11、行连接，完成车架结构有限元建模；00103车架载荷及边界条件加载车架结构主要承受弯曲及扭转载荷，分别建立车架弯曲及扭转载荷工况。所述弯曲载荷工况主要考核车架结构的弯曲刚度，在该工况下，约束车架与前后悬架固定支撑点的所有自由度，在车架中间位置等效加载车箱自重载荷及货物载重量；所述扭转载荷主要考核车架结构的扭转刚度，在加载车架结构扭转载荷时，约束车架与后悬架固定支撑点的所有自由度，然后在车架与前悬架固定支撑点处施加大小相等、方向相反的垂直方向集中载荷；00114设计区域及设计变量定义将车架结构横梁的分布区域定义为设计区域，将三维六面体单元的相对密度定义为设计变量，优化设计过程中，根据单元相对密度的。
12、大小，决定结构中是否取舍该单元，根据结构重量指标及刚强度要求，取单元相对密度阈值为0285，舍弃单元相对密度小于阈值的结构单元；00125定义目标函数在进行车架结构优化设计时以最大限度提高车架结构的弯曲刚度、扭转刚度以及车架结构前6阶固有频率值为目标。在HYPERMESH软件优化模块中定义加权目标函数K为目标函数，K1、K2分别为弯曲刚度及扭转刚度，W1、W2分别为对应于弯曲刚度及扭转刚度的加权系数，WJ对应于车架前6阶固有频率的加权系数，J车架结构前6阶固有频率值，W0为用于平衡弯曲、扭转载荷工况与结构固有频率的加权系数由于弯曲刚度值的数量级为106，扭转刚度值的数量级为102，而结构前6阶。
13、固有频率值的数量级也为102，因此取W11、W2325104、WJ1、W0218104；00136在HYPERMESH软件优化模块中令加权目标函数K最大化，采用拓扑优化功能进行车架结构拓扑优化设计，得到车架结构横梁在空间中分布位置及分布形式的车架结构拓扑密度云图；00147根据车架结构拓扑密度云图重构车架结构几何模型以及有限元模型，得到优化后的轻型车辆非承载式车架结构。0015本发明一种轻型车辆非承载式车架结构优化设计方法，采用结构优化设计的方法，给出了轻型车辆车架结构优化设计步骤，考虑到车架结构使用过程中所承受的弯曲载荷、扭转载荷以及振动载荷的影响，建立轻型车辆非承载式车架结构的优化模型，进。
14、行车架横梁结构的拓扑优化设计，进而得到一种重新布置的车架横梁结构新形式。从相同载荷下，优化结构与原始结构的性能对比来看，在车架结构重量没有增加的前提下，优化后结构的弯曲刚度比原始结构提高了15，扭转刚度提高了24，车架结构的前6阶固有频率平均提高了5，起到了很好的优化设计效果，为相同类型车架结构的优化提供了科学的设计方法。本发明针对现有轻型车辆车架结构采用两根大纵梁加若干根平行布置横梁的结构形式，采用结构拓扑优化设计方法，在建立车架结构有限元模型基础上，对车架的横梁部分进行重新设计，改变横梁的结构布置形式，以确保在不增加车架结构重量的前提下，提高轻型车辆车架的弯曲刚度、扭转刚度以及车架结构固有。
15、频率，从而确保车架具有较高的整体刚度，提高车辆的可靠性、安全性、操纵稳定性以及振动特性。说明书CN104112050A3/5页50016下面结合附图及实施例详述本发明。附图说明0017图1为原始轻型车辆车架结构几何模型；0018图2为弯曲载荷工况车架的加载情况；0019图3为扭转载荷工况车架的加载情况；0020图4为本发明车架结构原始设计空间；0021图5A为本发明车架结构拓扑优化密度云图；0022图5B为本发明车架结构拓扑优化密度等值面图；0023图6为本发明根据拓扑优化密度云图得到的车架优化CAD模型图；0024图7为本发明最终优化后车架总体结构示意图，不含附座部分。0025在图1中1车架。
16、纵梁，2车架横梁，3驾驶室前附座，4前悬架侧附座，5驾驶室后附座，6车箱前附座，7车箱后附座，8后悬架前附座，9后悬架后附座；在图4中深色部分表示非设计区域，浅色部分表示拓扑优化设计区域；0026在图7中1车架右侧纵梁，2车架尾横梁，3车架尾K形横梁，4车架左侧纵梁，5车架首X形横梁，6车架首横梁。具体实施方式0027本发明公开了一种轻型车辆非承载式车架结构的优化设计方法，该发明主要包括建立车架结构几何模型、建立车架结构简化等效有限元模型、加载车架载荷及边界条件、定义优化设计区域及设计变量、定义优化目标函数，结构拓扑优化设计、车架结构几何模型重构以及结构验证等实施步骤。0028本发明一种轻型车。
17、辆非承载式车架结构优化设计方法，包括如下步骤00291采用SOLIDWORKS软件建立轻型车辆原始车架结构三维几何模型，并输出成IGES数据文件格式，得到车架结构IGES模型；00302在HYPERMESH软件中读入车架结构IGES模型，利用HYPERMESH软件进行几何处理并划分有限元网格，在结构优化设计时，不改变车架附座的结构形式，因此在进行几何处理及有限元建模时，只建立车架结构纵梁与横梁结构的有限元模型，由于要将车架横梁作为结构优化的设计区域，采用二维壳单元建立车架纵梁的有限元模型，采用三维六面体网格填充车架横梁可能分布的设计区域，采用节点连接的方式将二维单元和三维单元进行连接，完成车架。
18、结构有限元建模；00313车架载荷及边界条件加载车架结构主要承受弯曲及扭转载荷，分别建立车架弯曲及扭转载荷工况。所述弯曲载荷工况主要考核车架结构的弯曲刚度，在该工况下，约束车架与前后悬架固定支撑点的所有自由度，在车架中间位置等效加载车箱自重载荷及货物载重量；所述扭转载荷主要考核车架结构的扭转刚度，在加载车架结构扭转载荷时，约束车架与后悬架固定支撑点的所有自由度，然后在车架与前悬架固定支撑点处施加大小相等、方向相反的垂直方向集中载荷；00324设计区域及设计变量定义将车架结构横梁的分布区域定义为设计区域，将三维六面体单元的相对密度定义为设计变量，优化设计过程中，根据单元相对密度的大小，说明书CN。
19、104112050A4/5页6决定结构中是否取舍该单元，根据结构重量指标及刚强度要求，取单元相对密度阈值为0285，舍弃单元相对密度小于阈值的结构单元；00335定义目标函数在进行车架结构优化设计时以最大限度提高车架结构的弯曲刚度、扭转刚度以及车架结构前6阶固有频率值为目标。在HYPERMESH软件优化模块中定义加权目标函数K为目标函数，K1、K2分别为弯曲刚度及扭转刚度，W1、W2分别为对应于弯曲刚度及扭转刚度的加权系数，WJ对应于车架前6阶固有频率的加权系数，J车架结构前6阶固有频率值，W0为用于平衡弯曲、扭转载荷工况与结构固有频率的加权系数由于弯曲刚度值的数量级为106，扭转刚度值的数量。
20、级为102，而结构前6阶固有频率值的数量级也为102，因此取W11、W2325104、WJ1、W0218104；00346在HYPERMESH软件优化模块中令加权目标函数K最大化，采用拓扑优化功能进行车架结构拓扑优化设计，得到车架结构横梁在空间中分布位置及分布形式的车架结构拓扑密度云图；00357根据车架结构拓扑密度云图重构车架结构几何模型以及有限元模型，得到优化后的轻型车辆非承载式车架结构。0036本发明的一种轻型车辆非承载式车架结构的优化设计方法的具体实施过程具体包括以下步骤00371采用SOLIDWORKS软件建立轻型车辆车架原始结构三维几何模型，如图1所示，原始车架结构主要由两根纵梁1。
21、、9根横梁2、驾驶室前附座3、前悬架侧附座4、驾驶室后附座5、车箱前附座6、车箱后附座7、后悬架前附座8、后悬架后附座9等组成。并输出成IGES数据文件格式，得到车架结构IGES模型。00382车架结构有限元建模。在HYPERMESH软件中读入车架结构IGES模型，进行几何处理并划分有限元网格，在结构优化设计时，不改变车架附座的结构形式，因此在进行几何处理及有限元建模时，只建立车架结构纵梁与横梁结构的有限元模型，由于要将车架横梁作为结构优化的设计区域，采用二维壳单元建立车架纵梁的有限元模型，采用三维六面体网格填充车架横梁可能分布的设计区域，采用节点连接的方式将二维单元和三维单元进行连接，完成车。
22、架结构有限元建模。00393车架载荷及边界条件加载。进行结构优化设计时考虑车架弯曲载荷、扭转载荷、以及结构固有频率等3种工况。所述弯曲载荷工况主要考虑车辆自重及承载载荷对车架结构变形的影响，弯曲载荷工况下车架的加载情况如图2所示，在该工况下，约束车架与前后悬架固定支撑点的所有自由度，在车架中间位置等效加载车箱自重载荷及货物载重量。所述扭转载荷主要用于考核车架结构的扭转刚度，扭转载荷工况下车架的加载情况如图3所示，在加载车架结构扭转载荷时，约束车架与后悬架固定支撑点的所有自由度，然后在车架与前悬架固定支撑点处施加大小相等、方向相反的垂直方向集中载荷。00404设计区域及设计变量定义。将车架结构横。
23、梁的分布区域定义为设计区域，将三维六面体单元的密度定义为设计变量，优化设计过程中，根据单元相对密度的大小，决定结构中是否取舍该单元，根据结构重量指标及刚强度要求，取单元相对密度阈值为0285，舍弃单元相对密度小于阈值的结构单元。确定如图4所示车架结构原始设计空间，其中车架纵梁为非设计区域，图中用深色部分表示；车架横梁布置位置为设计区域，图中用浅色部分说明书CN104112050A5/5页7表示。00415定义目标函数。以车架结构的弯曲刚度、扭转刚度以及车架结构前6阶固有频率最大化为目标，构建加权目标函数K为目标函数，K1、K2分别为弯曲刚度及扭转刚度，W1、W2分别为对应于弯曲刚度及扭转刚度的。
24、加权系数，WJ对应于车架前6阶固有频率的加权系数，J车架结构前6阶固有频率值，W0为用于平衡弯曲、扭转载荷工况与结构固有频率的加权系数由于弯曲刚度值的数量级为106，扭转刚度值的数量级为102，而结构前6阶固有频率值的数量级也为102，因此取W11、W2325104、WJ1、W0218104；00426在HYPERMESH软件优化模块中令加权目标函数K最大化，采用拓扑优化功能进行车架结构拓扑优化设计，得到如图5A、图5B所示的车架结构横梁在空间中分布位置及分布形式的拓扑密度云图。00437根据图5A所示的车架结构拓扑优化密度云图和图5B所示的车架结构拓扑优化密度等值面图，重构如图6所示的车架结构CAD模型图，重新进行有限元建模，从而得到优化后的轻型车辆非承载式车架结构，其结构示意图如图7所示。说明书CN104112050A1/2页8图1图2图3图4图5A说明书附图CN104112050A2/2页9图5B图6图7说明书附图CN104112050A。