基于HyperMesh的车架拓扑优化设计

作者简介 ： 任启丰（ １ ９ ８ ９ 一） ， 男， 安徽 亳州人 ， 合肥工业大学硕 士研 究生， 主要研究方向为汽车现代 设计理论 与方法
第 １期
任启丰等 ： 基于 Ｈｙ ｐ ｅ ｒ Ｍｅ ｓ ｈ的车架拓扑优化设计
将 数值 计 算 模 态 与试 验 测 试 模 态 进 行 对 比分 析
图 １ 车 架 有 限元 模 型
表 ２ 车架模 态 频率 及振 型
图 ２ 车 架模 态试 验
表３ 车架模 态试 验 数据 与振 型
表 ４ 计 算模 态 与试验 模态 对 比
载货 汽 车在行 驶 过程 中 ， 激 励源 主要 是路 面 激励 和发 动机 激励 。其 中路 面 激励 频 率 多在 ３ Ｈ ｚ以下 。 根据 发动 机激 励频 率 的计算 公 式 ， 得 到 怠速及 额 定转 速 时发 动机 的激励 频率 分别 为 ３ ５， １ １ ５ Ｈｚ 。 从整车振 动 的角度考 虑 ， 车架 低 阶主要 振型的频 率 （ 一 阶弯 曲和一 阶扭 转 ） 应控制在 ３～ ３ ５ Ｈ ｚ 。 由以上 计算结果 可见 ， 该 车架前几 阶固有频率 刚好在要 求 的频率 范 围内 ， 能够在较大程 度上避免 共振现象 的发生 。
基于 Ｈ ｙ ｐ ｅ ｒ Ｍｅ ｓ ｈ的车 架 拓 扑优 化 设 计
任启 丰， 王 军 ， 王 浩
（ 合肥 工业 大学 机械与汽车工程学院， 安徽 合肥 ２ ３ ０ ０ ０ ９ ）
摘要 ： 以轻 型卡车车架为研究 对象 ， 采用 Ｈ ｙ ｐ ｅ ｒ Ｍ ｅ ｓ ｈ 建立车架 的有 限元模 型 ， 分析 车架 的模态 ， 得到原始 车架的
本文采用 ｕ Ｇ软件建立车架模型 ， 利用 Ｈ ｙ Βιβλιοθήκη Baidu ｅ ｒ Ｍ ｅ ｓ ｈ 进行 网格划分 ， 获得车架的有限元模型 ， 并对有限 元模型进行模态分析。对比试验与理论分析结果 ， 对模型进行拓扑优化， 得到使用性能更好的车架结构。
１ 模 态 分 析
１ ． １ 模 型导 入与 网格划 分
表 １ 材料 性能 表
网格划 分 时 ， 单元 由三 角形 单元 和 四边 形单 元组 成 ， 三角 形单 元 比例为 ３ ． ７ ％， 三 角形 网格 的数 目占 总 网格 数 目的比例低 于 １ ０ ％ 。车架 有 限元模 型 中四边形 壳单 元有 ８ １ ６ ９ ０个 ， 三角形 壳单 元有 ３ １ ３ ７个 。 车架有 限 元模 型如 图 １所 示 。
２ 拓 扑 优 化
２ ． １ 拓 扑优 化算 法
变 密度 算法 将 结构 内所 有材 料 的单元 密度 都 视 为相 同 ， 对 单 元 密度 进 行 优 化计 算 ， 从 而 获 得 结 构
第２ ｌ卷
第１ 期
山东交通学 院学报
Ｊ Ｏ Ｕ Ｒ ＮＡ Ｌ Ｏ Ｆ Ｓ Ｈ ＡＮ Ｄ Ｏ Ｎ Ｇ Ｊ Ｉ ＡＯ Ｔ Ｏ Ｎ Ｇ Ｕ Ｎ Ｉ Ｖ Ｅ Ｒ Ｓ Ｉ Ｔ Ｙ
Ｖ０ １ ． ２ １ Ｎｏ ． １
２ ０ １ ３年 ３月
Ｍａ ｒ ． ２ ０１ ３
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ ２ － ０ ０ ３ ２ ． ２ ０ １ ３ ． ０ １ ． ０ ０ ２
刚度和模态性能数据 。利用 Ｏ ｐ ｔ ｉ Ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ 对车架进行拓扑优化 ， 并对优化后 的模 型进行静态及 动态特性 分析。分
析结果表 明 ： 优化后的车架结构扭转刚度提高 １ １ ． ５ ％、 一 阶扭 转频率 增大 ３ ６ ． ７ ％、 一 阶弯 曲频 率提升 １ １ ． ７ ％， 车架 总体质量基本保持不变 。基于有限元方法的拓扑优化 技术应 用在车架设 计方 面是可行 的 ， 采用此项 技术 可以大大提 高车架 的整体性 能。
将Ｕ Ｇ建立的三维几何模型导人到 Ｈ ｙ ｐ ｅ ｒ Ｍ ｅ ｓ ｈ ， 利用几何清理工具 ， 对模型进行修复， 产生简化的几 何模型 ， 便于网格划分 。车架有限元模型采用壳单元 ， 根据实际车架不同部位赋予单元不同的厚度 ， 有 ３ ． ０ ， ３ ． ２ ， ３ ． ５ ， ４ ． ０ ， ４ ． ５ ， ５ ． ０ ， ５ ． ５ ， ６ ． ０ ， ８ 。 ０ ｍ ｍ几种。使用的钢板材料属性见表 １ 。
关 键 词： 车架 ； 模态； 频率 ； 拓扑优化 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ２ － － ０ ０ ３ ２ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ ＿ ０ Ｏ ６ ＿ ｏ ４ 中图分类号 ： Ｕ ４ ６ ３ ． ３ ２
车架 一般 由 ２根 纵梁 和几根 横 梁组成 ， 经悬 挂装 置 、前桥 、后桥 支 承在 车轮上 。由于 汽 车大 部分 零 部件都 安装 在 车架 上 ， 车架 承受 的载 荷 比较 复 杂 。车架 的强 度 、 刚 度 以及 动 态 特性 直 接影 响整 车 的使 用 寿命 、 乘 坐舒适 性 、 操 纵稳 定性 等基 本性 能 。
１ ． ２ 模态 分析
对 车 架进行 模态 分析 ， 利用 静态 分析模 型 ３ ］ ， 获取 车架 的 自由模 态 。设 置 频 率 范 围从 １ Ｈ ｚ 开始 ， 得
到的模态频率如表 ２所示。采用多点激振 ， 进行车架 自由模态试验 ， 见图 ２ ， 模态试验数据如表 ３所示。
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ｌ — ｏ ４ 基金项 目： 国家 自然科 学基 金 项 目（ ５ ０ ９ ７ ５ ０ ７ １ ）
见 表 ４， 以验 证 有 限 元模 型 的 准 确 性 。表 ４中 的 相对
误 差 ｆ ：（ 一 ） ／ Ａ ×１ ０ ０ ％。
对 比可知 ， 数值 模 态 和试 验 模 态 的前 ８阶 固有 频 率 最 大误 差均 在 ５ ％以内， 说 明 所建 立 的 车 架 有 限 元 模 型 可信 度较 高 ， 可 以用于 进一 步 的研究 。