重载挂车承载梁结构拓扑优化设计
重型载货汽车车架拓扑优化设计
厂 是 目标 函数 ； ） ｇ ） （ 是不等式约束 函数 ；
拓扑优化是一种数学方法 ，能在给定的空 间结 构 中， 生成优化的形状及材料分布， 将区域离散成优
先 的单元网格 ， 为每个网格计算材料特性 。 在给定的
（） 是等式约束 函数 ；
上角标 是指 Ｌ ｗ ｒ ｉ ｉ 即下 限； ｏ ｅＬｍｔ ， 上角标 ｕ是指 Ｕ ｐｒ ｉｉ 即上限。 ｐｅ ｍｔ Ｌ ， 其 中 目 函数和约束 函数是从有限元模型 中获 标
９所示 ：
等重力所在 的位置 ，可在该位置根据发动机的布置 增加横梁 ， 在后续 的分析中 ， 可分别分析原车架和增
型， 可见拓扑优化 ， 可以为新车架 的设计提供一个新 的思路 。
参考 文献 ：
【］ １余传文． １ 重型载货 汽车车架结构 的有 限元仿真及优 化［ 】吉 Ｄ． 林： 吉林大学 ，０ ５ ２０ ．
图 ８ 弯 曲工况拓扑优化结果
约束条件下 ，采用变密度法等算法 ，更改材料 的分 布 ， 留有效的材料 ， 保 即在满足结构 的约束情况下 ， 得 ，设计变量 是一个矢量 ，其选择依赖于优化模 型 。在拓扑优化 中 ， 变量为单元密度 ， 设计 即采用变 减少结构的变形能（ 相当于提高结构的刚度 ）。 【 ２ 】
拓扑优化过程 ，就是通过将无效 的或低效 的材 密度法求解 ，其基本思想是将连续结构体离散为有 引入一 种假想 的密度值在 【，】 ０ｌ 之间的 料逐步去掉 ， 以得到最终结构 。对于连续体结构拓扑 限元模型后 ， 以每个单元 的密度为设计变量 ， 将拓 优化的最大优点 ， 是能在不知道结构形状的前提下 ， 密度可变材料 ，
度最小 （ 柔度可看 为刚度的倒数 ， 柔度最小则相应 的
拓扑优化技术在某支架设计中的应用
拓扑优化技术在某支架设计中的应用作者：刘永超1 前言卡车驾驶室悬置支架是连接驾驶室和底盘的零件，它对驾驶室起到承托作用。
当汽车行进时，它同时也把底盘上的震动传递到驾驶室，这会降低驾驶员驾车的舒适度，长时间容易产生疲劳。
目前，世界各大重型车生产商都比较重视驾驶室的悬置技术，以期提高自身产品的乘坐舒适度。
由此产生了各项新技术，比如“全浮式驾驶室”悬置技术，就是在车身四角四个支点以浮式减振系统与车架底盘相连形成支撑，根据路面情况调节波动幅度。
这类系统给驾驶员带来舒适的同时，也提高了对支架的要求。
支架需要更高的强度和更小的变形，才能很好地适应新的技术。
本次设计的任务就是利用有限元分析软件HyperWorks对卡车驾驶室后悬置支架进行分析和拓扑优化，优化的约束是体积，目标是支架的柔度(Compliance)最小。
优化结构应同时满足强度和刚度要求。
本次分析和拓扑优化任务是基于优化结构，同时校核并降低应力。
其中拓扑优化是设计的核心任务。
拓扑优化技术是一项新兴的设计方法。
它可以在方案设计阶段给出零部件甚至车身原型合理的材料布局，减轻结构重量。
通过这项技术，企业能缩短设计周期，提高产品性能，减少昂贵的样件生产和整车测试的次数。
国外针对汽车底盘、发动机等零部件的拓扑优化分析和设计的研究及应用都已经比较成熟。
国内目前仍处于理论研究阶段，各汽车厂家也极少实际应用此项技术。
而且当前拓扑优化的软件还不成熟，需要更多的研究和实例应用。
目前汽车行业竞争激烈，国内国外各大厂家都在使用或者关注拓扑优化技术，期望通过它来提升产品的竞争力。
拓扑优化必将在未来几年得到快速的发展。
拓扑优化技术建立在有限元方法和CAE之上，它使计算力学的任务从被动的校核上升为主动的设计与优化，成为现代设计的重要手段。
拓扑优化的思想可追溯到20世纪60年代中期Dom等人的工作，但由于当时结构设计理论和方法的局限，在此后的20年间有关的研究进展缓慢。
到了20世纪80年代后期，随着结构优化设计理论和方法的逐步丰富与完善，以及计算机技术的飞速发展，拓扑优化设计重新引起众多学者的关注，并取得前所未有的发展，成为了国际上最前沿的优化设计方法之一。
组合式多轴重型挂车车架结构改进与优化设计
设第 １ 桥左前轮悬空 ，其他各轮状态不变。
１４ 约束 与边界 条件处理 ．
车架 主体 是 典 型 的 薄壁 结 构 ，采 用 Ｓ Ｌ ６ ＨＥ Ｌ３
板 壳单元 离散 整个 车 架 结 构 ，得 到 ４ ３ ６ ５ ７个板 壳
弯 曲工 况 时 ，平 衡 悬 架 支 座 的下 表 面 约 束 ３
方案 。
关键词 ：组合式多轴重型挂车；车架 ；Ａ Ｓ Ｓ Ｐ Ｌ Ｎ Ｙ ；Ａ Ｄ ；优化设计
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｉ ｐ ｐ ｒｃ ｖ ｒ ｐｉ ｌｄ ｓｇ ｆ ｍｕ ｔ —ａ ｉ ｒ ｉ ｒ ｌ ｍｅ Ｔ ｅ ｏ ｔ ｌ ｅ ｉｎ ｐ ｏ ｒ ｍ ｓ ｄ ｖ ｌｐ ｄ ｓｒ ｃ ： ｈｓ ａ ｅ ｏ ｅｓ ｏ ｔ ｍａ ｅ ｉｎ ｏ ｌ ｉ ｘ ａ ｔ ｌ ＇ ｆａ ． ｈ ｐ ｉ ｌ ａｅｓｒ ｍａ ｄ ｓｇ ｒ ｇａ ｉ ｅ ｅ ｏ ｅ ｗ ｔ ＰＤ ｎ ｕ ｇ ｎ ｓ ｕ ｅ ｏ ａ ａｙ ｅ ｉ ｔｅ ｇｈ ａ ｄ ｓｉ ｎ ｓ ｎ ｅ ｏ ｄｔｏ ｓ Ｂ ｓ ｄ ｏ ｔ ｐ ｉ ｚ ｔ ｎ ａ ｄ ｉ ｉ Ａ Ｌ ｌ ｇ ａ ｅ ａ ｄ ｉ ｓ ｄ ｔ ｎ ｚ ｔ ｓｒ ｎ ｔ ｎ ｔ ｆ ｅ ｓ ｕ ｄ ｒｔ ｃ ｎ ｉ ｎ ． ａ ｅ ｎ ｉ ｏ ｔ ｈ ａ ｌ ｓ ｆ ｗｏ ｉ ｍｉａｉ ｎ ｍ— ｏ ｐ ｏ ｅ ｎ ｒ ｄ ｏ ｔ ｅｆａ ． ｈ ｐ ｉ ｚ ｄ ｆａ ｔ ｃｕ ｅ ｉ ｓ ｔ ｆ ｉｇ ｒ ｖ ｍｅ ｔａｅ ｍａ ｅ ｔ ｈ ｒ ｍｅ Ｔ ｅ ｏ ｔ ｍｉｅ ｒ ｍｅ ｓｒ ｔ ｒ ｓ ａ ｉ ｙｎ ． ｕ ｓ Ｋｅ ｗｏ ｄ ：ｍｕｔ —ａ ｉ ｒｉ ｒ ｆ ｍｅ；ＡＮＳ ｙ ｒｓ ｌ ｘ ａ ｔａｌ ； ｒ ｉ ｌ ｅ ａ ＹＳ；ＡＰ ＤＬ；ｏ ｔ ｌ ｅ ｉｎ ｐｉ ｍａ ｄ ｓｇ
载货汽车车架拓扑优化设计及有限元分析的开题报告
载货汽车车架拓扑优化设计及有限元分析的开题报告一、研究背景随着物流业的快速发展，货车需求也不断增加。
而车辆的持久稳定性和安全性是货车发展的基础，因此在设计过程中车架的优化设计和有限元分析尤为重要。
从材料及制造工艺角度来看，目前较为成熟的结果是焊接结构，但是这种结构重量较重、成本高、制造周期长、不环保等问题日益凸显，因此要求综合考虑设计材料、拓扑结构、工艺等多方面因素，通过优化设计来提高车辆的质量、性能、经济性和可靠性。
二、研究内容1.车架结构拓扑优化设计。
在满足安全性和结构强度的前提下，结合实际的工作条件和载荷特点，通过最优化设计方法寻找最佳的车架结构形式，减轻车身质量，实现经济性和环保性。
2.车架有限元分析。
采用有限元分析方法，对拓扑优化设计后的车架进行有限元模拟分析，验证其强度和刚度的可靠性，进行有限元分析计算，为车辆的改进提供依据。
3.材料选择及加工工艺的分析。
车架材料的选择及加工工艺直接影响着车体的质量、成本、环保性等方面，以现代先进制造工艺，适当选择适合的材料，实现车体质量的低成本、高品质。
三、研究意义与价值根据研究内容，主要达到以下目的：1.提高载货汽车的安全性和可靠性，减少事故数量和损失，同时提高企业的经济效益。
2.减少我国的能源和环境负担，优化设计和改进制造工艺，避免资源的浪费和环境污染。
3.积累相关技术和经验，在相应领域做出贡献，并推动该领域技术的进步。
四、研究方法1.车架结构拓扑优化设计。
综合考虑载荷、强度、刚度等因素，采用最优化模拟设计方法，缩短设计周期，降低制造成本。
同时，为了防止优化设计过程中出现失控情况，我们建立了一套预警机制来发现和纠正问题。
2.车架有限元分析。
建立标准分析模型，通过有限元分析计算车架的应力、位移和应变，以确定车架的强度和刚度，在改进设计过程中应用结果。
3.材料选择及加工工艺的分析。
在选择材料的过程中，我们将考虑性能、成本等各方面因素。
在加工工艺的选择过程中，我们将专注于工艺稳定性、效率和成本。
基于拓扑及形状优化的大吨位装载机轻量化设计方法研究
工程机械的迅速发展为结构优化设计开辟了 一个广阔的应用空间，国内部分学者［1］［2］对装载 机工作装置的优化设计进行了建设性的工作，然而 综合运用多种优化方法实现结构减重的研究尚不 多见。
设计计算 DESIGN & CALCULATION
基于拓扑及形状优化的大吨位装载机轻量化 设计方法研究
王晓明，王林颖，孟令超，李晓枫，张永胜，魏加洁
（徐工集团工程机械股份有限公司，江苏 徐州 221004）
［摘要］综合运用拓扑及形状优化的设计思想，对大吨位装载机动臂结构材料布局及边界形状进行 优化设计。首先以结构刚度最大化为设计目标，考虑材料体积约束，优化结构材料布局，采用准则法对 优化问题求解，得到结构最优拓扑；然后在拓扑优化结果的基础上，以结构位移为目标，考虑最大应力 约束，优化结构边界形状，得到动臂最优结构。经强度校核证明设计方案的有效性。
4 结论
拓扑优化是建立在有限元方法和弹性力学基 础上的一种先进设计技术，它研究材料在结构设计
图10 动臂优化结构强度计算结果
域中的最优分布，以实现最佳力学性能。本文针对 装载机动臂结构，采用基于灵敏度分析的拓扑优化 方法进行优化设计，为动臂结构轻量化设计提供了 一种切实可行的方法，并为类似产品的改进设计提 供了可借鉴的依据。上述动臂结构设计具有以下 特点：
本文采用拓扑优化和形状优化设计方法，研 究大吨位装载机动臂的优化设计问题。首先建立动 臂结构拓扑优化问题的数学模型，以材料密度为设 计变量，对最优拓扑进行提取，建立了新的有限元 模型；并以此为基础，对动臂边界进行形状优化设 计，得到形状最优的结构；最后，对设计方案进行 强度校核，结果证明了综合优化方法的有效性。
基于拓扑优化的车架结构可靠性设计
关 键 词 ：可靠 性 ； 结构 优 化 ： 扑优 化 ： 限元 ； 架 拓 有 车
中 图分 类 号 ： ４ ２３５ Ｕ ６ ．＋ 文 献 标 志 码 ： Ａ 文章 编 号 ： ０ ５ ２ ５ ２ １ ０ — ０ ５ ０ １ ０ — ５ ０（ ０ ０）５ ０ ３ － ４
Ｒｅ ｉ ｂｌｔ ｂａ ｅ ｓｇ ｆ ｒ Ｖｅ ｃ ｅ Ｆｒ ｍ ｅ ｗｉｈ Ｔｏ ｏ ｏ ｉａ ｌ ａ ｉｙ－ ｓ ｄ Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｈｉｌ ａ ｔ ｐ ｌ ｇ ｃ ｌＯｐｔｍ ａ ａ ｉ ｎ ｉ ｚ ｔｏ
摘 要 ： 了 提高 某 载 货 车 车 架 的 力 学性 能并 减 轻 重 量 ， 可 靠 性 理 论 引入 车 架 结 构 的优 化 设计 。 考 虑 了 多 种 行 驶 工 为 将 况 的冲 击 载 荷 对 车 架 的破 坏 作 用 ， 出 多工 况 条 件 下 拓 扑 优 化 结 果 ， 立 满 足 各 总成 的布 置和 实 际 行 驶 要 求 的 新 设 给 建 计 结 构 ， 于 结 构 可 参 数 进 行 了可 靠 性优 化设 计 。 论 分析 和 车 架 的实 际 应 用 基 理 情 况表 明 ， 车 架 设 计 合 理 ， 明该 优 化 设计 方 法 进 行 车 架 结 构 设计 的 有 效 性 和 可 行 性 ， 结 构 优 化 设 计 提供 一 种 该 说 为
基于 优化的 拓扑 车架结构可靠性 设计／ 启志， 燕 余 陈
ｄ ｉ Ｏ３ ６ ４ｉ ｎ１ ０ － ５ ０２ １ ．５０ ９ ｏ： ．９ ９ ．ｓ ．０ ５ ２ ５ ．０ ００ ．０ ｌ ｓ
设 计 － 究 研
基于拓扑优化的车架结构可靠牲设计
余启志 ， 陈 燕
（ 海 工 程 技 术 大 学 高 等职 业 技 术 学 院 ， 海 ２ ０ ３ ） 上 上 ０ ４ ７
基于拓扑优化的重型卡车车架概念设计研究
＜
Ｆ ＝
＜
Ｋ ｎ
式中
—— 结构 变形能 ；
Ｆ ——载葡 矢量 ；
— —
刚度矩阵 ； 啦 移矢 量 ； 结 构充 满材料 的体积 ； 结构 设计域 的体 积 ， 单 元密度 小于 的材料 的体积 ；
—
—
—
—
—
—
—
—
，— — 剩 余 材 料 百 分 比 ；
— —
模型 如 图２ 示 。 所
￥ ● Ｊ ， ４ ● ● 篁 ● ● 正 ＇ ｌ ，
４ ｕｌ ｌ ， ．Ｏ ｌ ｔ￣ ｌｌ
以 看 到 ， 在 车
蔫塞 ＿ 三 ＝ ； 等黥 三 鼍 黟 … — 。 雾 彰
…
架 纵 向 轴 线 两
侧 对称分布 了 两 条 纵 梁 ， 而
采 用 的 是 边 梁 式 双 层 主 、 副 梁 结 构 ， 上 层
最 优 设 计 结 果
从 图３ 中可以看 出。在车 架纵 向轴线 两 侧分布 着 四／ 个 距 不 等 、形 状 不 规 则 的大 孔 ，其 中 三 孔 和 四 孔 的 间 距 大 ， 这 与 该 处 为 后 桥 支 承
单元 相对密 度的下限 ；
—Байду номын сангаас
—
单 元相对密 度的 上限 。
在多工 况 的情况 下 ， 对 各个子 工况 的变 形能 进行 加权 求和 ， 目标 函数变 化 为 ：
ａｎ ｒｉ ： ＝ ∑
式中
— — 第 个 子工况 的加 权系数 ；
— —
第 个子 工况 的变 形能 。
２ ２ 拓 扑优 化的流程 ．
薹
霸 一 豫 …
． ・ ～ ｛ － －
基于HyperWorks的卡车车身结构拓扑优化设计
求 一（ Ｘ２ …ＸＮ Ｘ ， ， ）
使得 ：
ｍｉ Ｃ＝ Ｆｒ ｎ： Ｄ
方面 ， 还能 够对 现 有 成 熟 的重 型 卡 车 车 架结 构 给
满足 ： ｆ一
ｙ ０
予验证。
０＜ Ｘ Ｘ Ｘ 。＜ ＜
Ｆ — ＫＤ
１ 拓 扑优 化 的 理 论 依 据
据密 度 等值 面 图 ， 对结 构进 行人 工 调整 ， 以适 应工 程
实 际需求 。 密 度法 通 常 以结构 变 形能 最小 为 目标 ，考虑 材 料体 积 （ 质量 ） 约束 和结 构 的平 衡 ，则拓 扑 优化 的数
学模 型 为［ ：
车 架 是整 个重 型 卡 车设 计 过 程 中 的关 键 ， 性 能 直 其
ａｌｄｅ ｉ ． ｓｇｎ
Ｋｅ ｒ ｓ Ｔｏ ｏ ｏ ｙ ｏ ｔｍｉａ ｉ ｎ，Ｖａ ｉ ｂ ｅ ｄ ｎ ｉ ｔ ｏ ｙ ｗｏ ｄ ： ｐ ｌ ｇ ｐ ｉ ｚ ｔ ｏ ｒａ ｌ— ｅ ｓｔ ｍｅ ｈ ｄ，Ｈｙ ｅ Ｗ ｏ ｋ ，Ｔｒ ｃ ｒ ｍ ｅ ｙ ｐｒ ｒｓ ｕ ｋ ｆａ
子工 况 的变形 能 。
１ ２ 拓 扑 优 化 的 流 程 ．
在 载 荷 处 理上 ， 以该 车 型 的最 大 设 计 载荷 为 应
依 据 ， 照 真实 载 荷 在 车 架上 的分 布 给 予 施 加 。文 按
献 ［ ］ 的计算 表 明 ， ７中 扭转 工 况对 汽车 车架 的刚 度和
约束
篓
值 面 图 ； ４为 ０ ５时 的等 值 面 图 ； ５为 ０ ６ 图 ． 图 ． ５时 的等值 面 图 。
蓐 因 Ｉ
＞一 ＿ ＿
Ｉ 量垡丝盐笙墨 Ｊ
图 １ 拓 扑 优 化 流 程 示 意 图
基于拓扑优化起重机主梁轻量化方法分析
在对主梁建模的时候可以将其分为主副膜板、上下盖板、以及隔板等分别设置参数。将这几部分化为SHELL单元，随后各个单元模拟建模既模拟薄板结构、小车轨道、集中载荷、螺栓联接等。其中选择弹性模量较好、泊松比、密度都很适宜的Q345钢作为主梁的材料。即建立有限元的Hypermesh主梁模型，如下图所示，原始起重机主梁的结构侧面刨析图。
1.4分析拓扑优化的结果
在设定相关的参数值之后，对特殊情况下进行设定。如在危险工况时加载、约束危险截面，主要是通过有限元进行主梁腹板的模块设定。主要的优化设计方案如下图所示：
第一种优化方案，用材最少，横截面呈现H型，但是缺乏稳定性；第二种优化方案，用料变化不显著，主要呈日型横截面；第三种优化方案，优化效果较为理想，主要呈人型横截面；第四种方案，效果最为理想，材料用量适当，稳定性能好，优化效果明显，是首选的实际应用设计方案。
参考文献：
[1]秦东晨，闫利利.桥式起重机箱型主梁的结构优化设计[J].矿山机械，2010，38(12):10-18.
[2]熊湛，磨季云.塔吊起重机臂桁架的拓扑优化设计[J].武汉科技大学学报，2014，37 (3):197-198.
[3]苏文力.基于ANSYS的门座起重机门架结构优化设计[J].湖北工业大学学报，2013，28(4):83-85.
2.概述数学模型建立
2.1概述BP神经原理
这主要是一种较为常见的人工神经传播网络，大部分神经网络都采用此模型。他的运转思想是学习的动态过程，主要由正向信号传播综合反向误差传播。正向信号传播的的过程是信息输入样本经输入层、隐藏层处理之后通过输出层输出，若出现预期值与输出值极度不符时，则进入另隐层反向传播，与正向传播方向正好相反逐层传播，在各层都获得单元性的误差传播信号，根据这个信号，可以将单元权值进行修改。这个不断的信息调整过程，就是BP网络神经原理。根据此将输入数据的误差值缩小到最小的或事先确定的范围内。
重型货车牵引横梁拓扑优化设计及法规试验
引言重型货运汽车的前端装有前牵引横梁，行车故障时可将故障车辆的前牵引横梁连接到牵引车辆后方，实现牵引行进。
牵引横梁还起到拉紧前部车架的作用，在牵引过程中前牵引横梁受力较大。
国内制定了GB/T 28948—2012商用车辆前端牵引装置的法规试验，规定试验结束后牵引装置不应有影响正常工作的变形，且不影响牵引装置附近的设备。
牵引座作为前牵引横梁中主要承载部件，在设计时需要考虑其承载多变的力学性能和合理的质量分布。
1 牵引座拓扑优化设计的提出零部件结构拓扑优化是一个有效减轻部件质量、优化关键受力部位的设计方法。
在国内，以Hypermesh中OptiStruct模块等对单个零件结构拓扑优化居多，在产品成型前进行拓扑分析，能够找到零部件关键位置受力和载荷传递情况，对于设计结构复杂、承载多变、力学性能要求较高的零部件具有极为重要意义。
本文结合试验要求，利用Hypermesh首先对牵引座进行参数拓扑优化设计，根据有限元优化结果，设计轻量化的牵引座，并通过了法规规定的前牵引横梁强度的试验，为重型汽车零部件设计，提供了一种设计思路。
2 牵引座拓扑优化设计参数的定义及优化2.1 设计变量的定义拓扑优化是在空间设计内找到最优的材料分布，对尺寸进行参数优化。
计算机分析是一个迭代求解的过程，每一次迭代都包括有限元分析、灵敏度计算和修改材料分布等3个步骤。
本文主要是结构优化，结构优化中选取某些参数，设定目标函数和设计变量，其数学模型为：求设计变量；使目标函数；满足的状态变量。
前牵引横梁总质量33kg，其中前牵引销座质量为11kg，先对其进行结构优化，建立的有限元模型简化小的倒角、凸台及一些细小几何特征，并根据实际的焊接关系，用rigid单元模拟焊点，根据牵引横梁试验条件设定设计变量、目标函数。
优化变量：单元密度值；定义响应：体积响应和位移响应；几何约束：接触面及载荷施加位置；约束条件：最大位移0.6mm；优化目标：总体积最小。
基于拓扑优化的重型商用车前牵引支座设计
10.16638/ki.1671-7988.2019.24.048基于拓扑优化的重型商用车前牵引支座设计何代澄，陈兴彬，肖乐（上汽依维柯红岩商用车有限公司技术中心，重庆401122）摘要：文章建立了某重型商用车前端牵引装置的有限元模型，基于拓扑优化方法，确定了最佳传力路径和材料分布，轻量化设计出满足新产品开发所需的重型商用车前牵引支座。
该前牵引支座将横梁连接座和挂钩连接座两种功能结构集成在一起，使结构更加紧凑。
该前牵引支座拉伸和压缩工况，均是水平±25°方向比纵向和垂直±6°方向的拉应力大。
关键词：重型商用车；前牵引支座；拓扑优化；有限元分析中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2019)24-148-03Design of Front Traction Support for Heavy Commercial Vehicle Basedon Topology OptimizationHe Daicheng, Chen Xingbin, Xiao Le( Technical Center, SAIC-IVECO HONGYAN Commercial Vehicle CO., Ltd, Chongqing 401122 )Abstract: In this paper, the finite element model of front traction device of a heavy commercial vehicle is established. Based on the method of topology optimization, the optimal force transfer path and material distribution are determined. Lightweight design of front traction support of heavy commercial vehicle for new product development. The front traction support combines the front cross beam connection support with the hook connection support. This makes the structure more compact. The tension and compression conditions of the tensile stress of front traction support are higher in the horizontal (±25°) directions than in the longitudinal direction and vertical (±6°) directions.Keywords: Heavy commercial vehicle; Front traction support; Topology optimization; Finite element analysisCLC NO.: U463 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2019)24-148-03引言当运行中的重型商用车陷入泥潭、凹坑及遇到故障时，一般采用救援车辆或其他牵引机械，通过前端牵引装置协助其脱离困境，因此对重型商用车前牵引支座的合理设计具有重要意义。
基于OptiStruct车架拓扑优化设计
Internal Combustion Engine &Parts0引言重型载货汽车是公路货运的主要力量，在国民生产中发挥着重要的作用，而车架作为重载汽车的承载基体，安装有发动机、驾驶室、传动系、货箱等相关部件，并承受来自路面以及汽车内部的各种力和力矩，理想的车架设计可以保证其在最小质量的基础上拥有足够的强度、刚度和可靠性，能有效改善整车动力、经济、安全等性能指标。
因此，对车架进行结构优化，可以有效改善重型载货汽车性能，从而推动国民经济建设发展。
1OptiStruct 简介OptiStruct 是一款优秀的有限元结构优化软件，为HyperWorks 自带的优化求解器。
可用于产品的概念设计和细化设计。
用户只要使用其中的标准单元库以及各种边界条件类型，就可以进行自然频率和线性静态优化分析。
HyperMesh 与OptiStruct 的图形接口十分完善，可以很方便地在HyperMesh 中建模，设置好参数后递交OptiStruct运算求解。
OptiStruct 的优化功能包括拓扑优化、尺寸优化、形状优化和形貌优化，可以将位移、应力、应变、结构柔度等定义为响应，也可以定义各种响应量的组合。
设计变量可取单元密度、节点坐标等。
用户还可根据自己的优化目标和设计要求，在软件中写入自编的公式进行优化设计。
本文所用的OptiStruct 优化功能是拓扑优化。
应用Optstruct 进行拓扑优化的流程如下：①在前处理软件中建立模型；②设定优化步骤；③导入到OptiStruct 中求解；④在后处理软件中分析结果，若结果不满意则返回修改再提交计算，直至结果满意。
2车架拓扑优化建模这里着重对车架的横梁分布做优化分析，需要对原车架模型做修改得到拓扑模型，由于车架为边梁式车架，可将车架两根纵梁之间的空间用相同的材料填满，从而构成三维拓扑模型，有时为了节省计算资源也可抽取车架三维4结论本文通过开发数据读写OPC 客户端，实时的将运动控制卡的输出信号写入OPC 服务器，并以OPC 服务器为通信桥梁成功的搭建出硬件在虚拟仿真回路，实现了上位机通过硬件控制器控制仿真模型的目的。
大件运输车承载结构的优化设计
大件运输车承载结构的优化设计摘要：介绍了车货总质量为360t的换流变压器运输车通过运输线路上典型桥梁汉王山1号大桥前，为满足大件设备运输需要，确保大件设备运输的安全可靠，进行了过桥结构的检测、结构验算、承载能力评估。
关键词：桥梁；大件设备运输；承载结构1 前言随着科技的进步，很多粉粒运输车上都有更加先进的技术应用，但是其组成结构基本不变，主要包括了底盘、车灌、气管路系统、卸货装置等等。
基本原理是使用发动机带来的动力来驱动车载的压缩机，然后把经过压缩机压缩的空气送到气室，气室主要位于罐体的下面，然后气室把粉粒液化，这样粉粒就成了流动的状态，在罐体内的压力达到一定的数值以后就可以打开卸料的阀门，这样被液化的物料就会通过管道进行输送到指定的位置。
2 运输车国内外研究现状随着工业的不断发展，运输行业也蓬勃发展，目前世界各国都在大力的发展运输车。
在西方发达国家用户都可以根据自己的需求来定制汽车，这其中包括汽车的底盘和整体的设计。
因此在西方一些国家的专用车企的产品线都比较窄，大量的企业都是利用一种产品打天下，这是欧洲车企非常重要的特征。
在欧洲车企与车企之间存在很大的差异，有的车企或者是零部件厂商非常大，有的非常小，小的厂商只有几十人，大的厂商有上千人。
这就是企业和企业之间的差距。
很多大的车企基本上都有上百年的历史，被称为百年老店。
在这种汽车行业发达的地区很多产品的质量都是世界一流的，甚至还有一些企业的规模是世界最大的。
这些企业之所以能够坚强的生存下去是因为每个企业都有自己的创新之处，都含有大量的专利，因此利润就相对较高，同时还要很完整的配套设施，生产效率和销售模式都是很强的，这也使得他们的产品在世界上的竞争力很高。
在世界上意大利的粉粒物料运输车的设计具有特色，它设计的车辆和国内的车辆有很多的不同之处，其主要的特点就是轻便、环保，能够运输散装的面粉和饲料等等，还可以自动的装卸，罐体和车体是一起的。
除此之外还可以通过选装不同部件来实现车辆的差异化功能。
某大件运输车主梁结构多目标拓扑优化
某大件运输车主梁结构多目标拓扑优化汪洋;钱立军;吴迪【摘要】To solve the problem that the local stress of girder structure of big truck is large ,a multi-ob-jective topology optimization method for this structure by means of HyperWorks software is presen-ted .Taking the constant speed driving ,cornering and braking as three typical conditions ,the corre-sponding multi-objective optimization model is established by using the compromise programming method .The topology optimization result is calculated through multi-step iteration .According to the actual production process requirement ,a new girder structure is designed and compared with the origi-nal structure .The result shows that the new structure has higher stiffness and less mass ,which is helpful to improve frame's bearing capacity and performance in the road .%为解决大件运输车主梁结构局部应力偏大的情况 ,文章利用 HyperWorks 软件对该结构进行了拓扑优化 . 将匀速行驶、转弯、制动作为 3 种典型工况 ,运用折衷规划法建立了相应的多目标优化模型 ,经过多步迭代 ,计算得出拓扑优化结果 . 再根据实际的生产工艺需求 ,设计出新的主梁结构 ,并与原结构进行对比分析 . 研究结果表明 ,新的结构在刚度显著提高的前提下 ,质量有所降低 ,并具有更好的承载能力和使用性能 .【期刊名称】《合肥工业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(039)001【总页数】5页(P26-29,127)【关键词】大件运输车;主梁结构;拓扑优化;多目标;折衷规划法【作者】汪洋;钱立军;吴迪【作者单位】合肥工业大学机械与汽车工程学院 ,安徽合肥 230009;合肥工业大学机械与汽车工程学院 ,安徽合肥 230009;合肥工业大学机械与汽车工程学院 ,安徽合肥 230009【正文语种】中文【中图分类】U469.53钱立军（1962-），男，安徽桐城人，博士，合肥工业大学教授，博士生导师.拓扑优化是当前CAE领域的一个研究热点，它越来越多地被人们运用到结构设计初期和后期的优化分析中。
重载挂车承载梁结构拓扑优化设计
重载挂车承载梁结构拓扑优化设计宋丽平;王聪兴;赵德祥【摘要】以某多轴重载挂车为研究对象,推导了变密度法拓扑优化的求解过程,用ANSYS对重载挂车承载梁进行了结构拓扑优化.通过有限元计算结果与原设计结构相比较,确定为更合理的结构拓扑形状.研究表明了这种优化方法的实用性和优越性,为重型车在初始阶段的结构设计提供了理论依据.【期刊名称】《现代机械》【年(卷),期】2019(000)001【总页数】4页(P11-14)【关键词】重载挂车;承载梁;拓扑优化;变密度法;有限元【作者】宋丽平;王聪兴;赵德祥【作者单位】河南省工业学校,河南郑州450011;河南省工业学校,河南郑州450011;沈阳大学机械工程学院,辽宁沈阳110044【正文语种】中文【中图分类】U463.830 引言重载挂车是大件运输的必需设备，是国民经济发展必不可少的公路重型运输工具。
它具有载重量大、劳动生产率高、运输成本低、维修保养方便等优点，受到各国的普遍重视[1]。
以前对重载挂车的设计大多是靠经验设计，基本依据材料力学的强度理论，缺少充分的试验来验证设计的合理性，设计水平不是很高。
随着载重量增加、车速不断提高、用户质量要求日趋苛刻，亟需用现代设计方法提高重型挂车等专用车的设计水平，以适应市场的需要[2]。
承载梁是多轴重载挂车关键部件，负载大，本身尺寸、自重也很大，如何在初始阶段确定其合理结构拓扑形状，使其结构满足刚度最大、应力分布合理、整体重量最轻，是非常重要的。
本文以某多轴重载挂车为研究对象，用变密度法建立数学模型，推导求解迭代公式，使用ANSYS对其进行拓扑优化设计。
1 拓扑优化理论基础[3]拓扑优化探讨两个问题，一是结构构件相互之间联接方式，二是构件内有无孔洞及孔洞的形状、数量、位置等拓扑形式，使结构在满足刚度、强度、频率等约束条件下重量能达到最轻，以获得最佳结构布局。
该理论最初是在处理离散体的拓扑优化问题中被提出来的，并且对一些简单的问题如桁架等得到了较为理想的解答，但是对复杂结构拓扑优化问题，特别是连续体结构拓扑优化问题的解答还不够令人满意。
重型货车车架模态分析与优化设计
《装备制造技术》2012年第4期重型货车在交通运输领域中起到重要作用，车架是整个汽车的基体，是发动机、车身和悬架等部件的安装基础，并承受来自车内外的各种载荷，其强度、刚度及动力学特性，直接影响整车性能和使用寿命。
由于车架结构的复杂性和行驶条件的多变性，车架的设计和校核基本以静强度为基准，但是在行驶过程中，车架受到多种动载荷，如发动机的振动载荷、路面随机振动载荷等，这些动载荷可能引起整车和局部的动态响应，导致车架产生共振。
模态分析是动态分析的基础，为了提高汽车的通过性、操纵稳定性和平顺性，有必要对车架做模态分析，确定其动态特性。
本文通过有限元软件ANSYS 计算出车架前10阶固有频率和固有振型，研究了车架受到的外界激励类型，分析了车架在外部激励作用下可能发生共振的情况，最后利用ANSYS 自带的函数逼近法对车架模态进行优化设计，避免车架固有频率和外部激励频率相同或接近，防止发生共振。
1模态分析的理论基础模态分析是忽略外载荷情况下，求解有限个自由度的无阻尼线性系统运动方程，其运动方程式为MX "+KX =0（1）式中，M 为质量矩阵，K 为刚度矩阵，X 为位移向量，X ''为加速度向量。
自由振动时，结构上各点作简谐振动，各节点位移与特征方程为X =Φsin (ωt +φ)（2）(K -ω2M )Φ=0（3）特征值ωi 为第i 阶固有频率，特征向量Φi 为对应的振型。
2车架模型的建立研究的车架为边梁式车架结构，由左右两根内外纵梁以及6根横梁组成，全长9420mm ，宽920mm 。
在ANSYS 中建立车架的参数化模型，模型全部采用板壳单元，划分网格后，模型有33848个节点，66611个单元，车架有限元模型如图1所示。
3模态分析3.1边界条件与模态提取车架的模态分析，主要是计算车架在自由状态下的模态参数。
因此对车架不施加任何约束和载荷。
低阶频率对结构的动力特性影响程度，比高阶频率大，低阶振型决定了结构的动态特性。
承载式货车车厢拓扑优化设计
承载式货车车厢拓扑优化设计作者：王丹，李世云，宋学伟，张雷，张雨来源：《新疆农垦科技》 2017年第8期摘要：利用拓扑优化设计方法进行承载式货车车厢结构设计，确定承载式货车车厢的拓扑结构，对拓扑后的承载式货车车厢进行有限元分析，新设计的承载式货车车厢承载能力有所提升，达到轻量化的目的。
关键词：承载式车厢；拓扑优化；轻量化有限元分析现已成为工程设计中一种快捷有效的辅助工具，特别是在车身优化设计中，可以帮助研究人员分析车辆的结构，提出满足车身强度刚度要求的更好的设计方案，缩短设计周期和降低新车的开发成本，其中拓扑优化技术能使设计区域材料分布达到最优，可极大地提高材料利用率，从而降低质量优化性能。
所以本文综合考虑弯曲刚度和扭转刚度，对非承载式货车车厢利用拓扑优化方法进行重新设计，改进为承载式结构。
1货车车厢拓扑优化区域的设置拓扑优化技术是在给定的载荷条件和设计要求下，为设计实体寻求结构材料的最佳分布，设计空间可以定义为壳体或实体或是两者的结合，并需要确立一致的材料特性[1]。
本文所研究的原车型是一载重量为50 t的箱式非承载式货车的车厢，原车厢外形尺寸为9.60 m × 1.92 m × 2.04 m（长× 宽× 高），轴距为0.72 m，原车厢底部前后端各有1根槽型钢梁，底板上固定了9根加强梁。
车架由2根纵梁和13根横梁构成，车厢的前部是铰接在驾驶室车轮台架上的，车厢后部两侧分别有3个轮子，利用平衡悬架装置保证车厢的受力均匀性。
车厢底部的附件还包括两侧的平衡支架以及1个电瓶装置，但相对于货箱这些装置在简化处理时可以省略不计。
为将载货汽车车厢设计成承载式结构，根据实际使用情况，后门将会在装卸货物时开启，并不能完全作为承载结构，因此只将顶棚、底板、两侧围和前围5个面作为承载式模型，并作为软件的设计区域，本车厢采用的是钢板弹簧。
它是在汽车悬架装置中运用最广泛的一种弹性元件，由若干片等宽但不等长的合金弹簧片构成的近似等强度的弹性梁。
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变厚度法数学模型简单ꎬ概念清晰ꎬ求解方便ꎬ 但优化对象只能应用于二维膜结构ꎬ不能推广到三 维连续体结构拓扑优化ꎮ 均匀化方法对拓扑结构的 某些区域的密度值介于 ０ ~ １ 之间ꎬ现代技术无法加 工生产含有这样区域的结构ꎬ只能看作是一种拓扑 模糊的结构ꎬ需要从中抽象出明确的可加工结构ꎬ存 在其局限性ꎮ 变密度法拓扑优化结果虽然也需要进 行抽象才能得到可加工结构ꎬ但由于密度绝大部分 呈 ０ 或 １ 分布在初始给定的区域上ꎬ因此较均匀化 方法有其明显的优点ꎮ
重载挂车承载梁结构拓扑优化设计∗
宋丽平１ ꎬ王聪兴１ ꎬ赵德祥２
(１������ 河南省工业学校ꎬ河南 郑州 ４５００１１ꎻ２������ 沈阳大学 机械工程学院ꎬ辽宁 沈阳 １１００４４)
摘 要:以某多轴重载挂车为研究对象ꎬ推导了变密度法拓扑优化的求解过程ꎬ用 ＡＮＳＹＳ 对重载挂车承载梁进行了 结构拓扑优化ꎮ 通过有限元计算结果与原设计结构相比较ꎬ确定为更合理的结构拓扑形状ꎮ 研究表明了这种优化 方法的实用性和优越性ꎬ为重型车在初始阶段的结构设计提供了理论依据ꎮ 关键词:重载挂车 承载梁 拓扑优化 变密度法 有限元 中图分类号:Ｕ４６３. ８３ 文献标识码:Ａ 文章编号:１００２－６８８６(２０１９)０１－００１１－０４
Ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｂｅａｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｈｅａｖｙ－ｄｕｔｙ ｔｒａｉｌｅｒ
ＳＯＮＧ ＬｉｐｉｎｇꎬＷＡＮＧ ＣｏｎｇｘｉｎｇꎬＺＨＡＯ Ｄｅｘｉａｎｇ
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔａｋｉｎｇ ａ ｍｕｌｔｉ－ａｘｌｅ ｈｅａｖｙ－ ｄｕｔｙ ｔｒａｉｌｅｒ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊｅｃｔꎬｔｈｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｖａｒｉａｂｌｅ ｄｅｎｓｉｔｙ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｄｅｄｕｃｅｄꎬａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｂｅａｍ ｏｆ ｈｅａｖｙ－ｄｕｔｙ ｔｒａｉｌｅｒ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｂｙ ＡＮＳＹＳ. Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎬａ ｍｏｒｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ. Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｙ ｏｆ ｔｈｉｓ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄꎬｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｈｅａｖｙ－ｄｕｔｙ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｓｔａｇｅ. Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｈｅａｖｙ－ｄｕｔｙ ｔｒａｉｌｅｒꎬｂｅａｒｉｎｇ ｂｅａｍꎬｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎꎬｖａｒｉａｂｌｅ ｄｅｓｔｉｎｙ ｍｅｔｈｏｄꎬｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ
０ 引言
重载挂车是大件运输的必需设备ꎬ是国民经济 发展必不可少的公路重型运输工具ꎮ 它具有载重量 大、劳动生产率高、运输成本低、维修保养方便等优 点ꎬ受到各国的普遍重视[１] ꎮ 以前对重载挂车的设 计大多是靠经验设计ꎬ基本依据材料力学的强度理 论ꎬ缺少充分的试验来验证设计的合理性ꎬ设计水平 不是很高ꎮ 随着载重量增加、车速不断提高、用户质 量要求日趋苛刻ꎬ亟需用现代设计方法提高重型挂 车等专用车的设计水平ꎬ以适应市场的需要[２] ꎮ
变厚度法属几何(尺寸) 描述方式ꎬ它将薄板或 薄壳可能占据的整个区域分成有限个单元ꎬ假定所 有单元的厚度是均匀的ꎬ把这一模型作为初始模型 进行拓扑优化ꎬ求得的最优化设计将是一带孔洞的、
������１１������
厚度均匀的薄板或薄壳ꎮ 均匀化理论法属材料( 物理) 描述方式ꎬ其基本
思想是在组成拓扑结构的材料中引入微结构 ( 单 胞) ꎬ优化过 程 中 以 微 结 构 的 单 胞 尺 寸 为 拓 扑 设 计 变量ꎬ以单胞尺寸的消、长实现微结构的相应增、删ꎮ
拓扑优化探讨两个问题ꎬ一是结构构件相互之 间联接方式ꎬ二是构件内有无孔洞及孔洞的形状、数 量、位置等拓扑形式ꎬ使结构在满足刚度、强度、频率 等约束条件下重量能达到最轻ꎬ以获得最佳结构布 局ꎮ 该理论最初是在处理离散体的拓扑优化问题中 被提出来的ꎬ并且对一些简单的问题如桁架等得到 了较为理想的解答ꎬ但是对复杂结构拓扑优化问题ꎬ 特别是连续体结构拓扑优化问题的解答还不够令人 满意ꎮ 为解决复杂、连续体结构拓扑优化问题ꎬ人们 相继提出了变厚度法、均匀化理论法和变密度法等 理论ꎮ
承载梁是多轴重载挂车关键部件ꎬ负载大ꎬ本身 尺寸、自重也很大ꎬ如何在初始阶段确定其合理结构 拓扑形状ꎬ使其结构满足刚度最大、应力分布合理、 整体重量最轻ꎬ是非常重要的ꎮ 本文以某多轴重载 挂车为研究对象ꎬ用变密度法建立数学模型ꎬ推导求 解迭代公式ꎬ使用 ＡＮＳＹＳ 对其进行拓扑优化设计ꎮ
１ 拓扑优化理论基础[３]
２ 变密度法拓扑优化的求解[４]
假定１)
ｖ ＝ ｖ０
式中:０ 下标代表实际使用材料的材料特性ꎻα > １ꎻ
Ｅ 为材料的弹性模量ꎻｖ 为泊松比ꎮ
变密度法数学模型如下:
ìï 求 ï ïＭｉｎ ï ï íｓ. ｔ. ï ï ï îïïａｎｄ