基于参数最优化的车架轻量化设计

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基于参数化模型的小型电动车全铝框架车身结构轻量化设计

基于参数化模型的小型电动车全铝框架车身结构轻量化设计近些年来,我国新能源汽车蓬勃发展,然而电池技术限制了电动车的续航里程,此时轻量化设计对电动车的续航能力有着更重要的影响。

以铝合金为主的轻合金挤压型材和板材越来越多的应用到汽车当中。

考虑到电动车整体的布置形式和以型材为主的车身框架结构不同于燃油车,在车身结构设计与优化方面也应有单独的方法与流程。

本文对小型电动车铝合金框架式车身结构进行了初始设计并基于参数化模型轻量化优化设计,具体内容如下:根据小型电动车的结构尺寸以及车身结构常用型材的材料与截面形状,建立初始化小型电动车框架式车身结构以及有限元模型并进行仿真计算得到初始结构的弯曲刚度、扭转刚度和模态性能,与对标车和目标值进行对比;利用参数化建模软件SFE CONCEPT建立车身框架部分的参数化模型,通过与有限元模型的仿真结果和实际框架车身试验结果进行对比,验证了参数化模型的可靠性,为后续的参数化优化做好基础。

综合外形尺寸、底盘及其他相关布置,同时考虑7种工况,基于折衷规划法以柔度最小为目标对车身结构进行拓扑优化。

参考拓扑优化结果和前期仿真分析数据,在初始车身结构基础上改进设计。

建立改进后车身结构的参数化模型,并对快速生成的有限元模型进行基础性能的仿真计算,与初始车身结构相比各项性能有了较大改善并高于目标值。

在改进的车身结构参数化模型中,先选取包括厚度、位置和截面三大类共计56个参数作为初始设计变量,对三类设计变量分别进行正交试验设计,并在ISIGHT中建立集成SFE CONCEPT和求解器等模块的自动分析流程中计算各试验样本,通过综合分析各变量对响应的贡献度和主效应,筛选出20个具有优化潜力的设计变量。

利用优化拉丁方试验设计方法进行130次试验设计,根据样本点数据建立不同近似模型来表示变量与响应之间的关系。

最终通过精度对比,选用响应面近似模型代替仿真模型,采用NSGA-Ⅱ多目标优化算法,以质量最小和弯扭刚度最大为目标对车身结构进行多目标优化。

轿车悬架控制臂参数化建模及轻量化多目标优化设计

轿车悬架控制臂参数化建模及轻量化多目标优化设计车辆悬架是车辆重要的组成部分之一，直接关系到车辆的行驶性能和舒适性。

悬架控制臂作为悬架系统的重要部件，其参数设计对车辆的转向稳定性、抗疲劳能力、通过性等方面有着很大影响。

为了提高轿车的性能与可靠性，轿车悬架控制臂的参数化建模和轻量化多目标优化设计是必不可少的步骤。

首先，对于轿车悬架控制臂参数化建模，可以采用CAD建模软件进行完成。

具体的建模过程包括坐标系的设定、几何图形的建立及参数的提取等。

在建模时需考虑到悬架控制臂的结构特点以及设计要求，以确保建模结果准确可靠。

其次，针对轿车悬架控制臂的轻量化优化设计，可以采用拓扑优化技术。

具体做法是在前提满足轿车行驶稳定性的基础上，利用有限元分析软件对悬架控制臂进行力学仿真分析，获得载荷作用下的最大应力集中区域。

然后，设置拓扑域和拓扑分区，减少结构材料的使用量，同时保证结构刚度和强度要求。

最后再基于多目标优化理论，考虑在轿车悬架控制臂轻量化的基础上进一步优化转向稳定性和驾驶舒适性等方面的性能。

最后，轿车悬架控制臂参数化建模与轻量化多目标优化设计的实施，可以达到节省材料、减轻车重、提升性能和降低油耗等多重优势。

同时还可以有效控制车辆成本，提高车辆的市场竞争力。

因此，在轿车悬架系统的设计中，参数化建模与轻量化多目标优化设计的应用越来越受到车辆制造业和悬架系统制造公司的重视和推广。

在进行轿车悬架控制臂参数化建模和轻量化多目标优化设计时，还需要考虑一些关键因素。

首先需要考虑的是材料选择与性能设计。

轿车悬架控制臂所使用的材料不仅需要满足强度、刚度等基本要求，同时还需考虑其重量、成本等因素。

因此，在进行参数化建模和轻量化多目标优化设计时，需要根据材料的特性和特点进行合理的材料选择。

其次，在选定适当的材料后，需要进一步考虑材料的加工工艺以及成本等方面的因素。

针对这些因素，需要通过多方面的分析，优化材料性能与成本，以达到最优的效果。

汽车车架的轻量化设计 (1)

Ｖ９０６８０‘西华大学硕士学位（毕业）论文题目：汽车车架的轻量化设计研究生指导教师：专、№研究方向：培养单位：论文起止日期曲昌荣巢凯年ｆ教授１车辆工程汽车陛能测试与分析西华大学２００５年５月至２００６年５月２。

６年５月西华人学硕十学位论文１．具有良好的图形用户接口（ＧｕＩ）（如图２ｌ所示）Ｆｉ醇．１ＧｕｌｏｆＡＮＳＹＳ例２．１ＡＮｓＹｓ软件图形用户界面通过ＧＵＩ可方便的交互访问程序的各种功能、命令、用户手册和参考材料，并可一步一步完成整个分析，因而使ＡＮＳＹｓ易于使用。

在用户接口中，ＡＮＳＹＳ程序提供了四种通用方法输入命令：菜单、对话框、工具杆、直接输入命令。

菜单出运行ＡＮＳＹＳ程序是相关的命令和功能组成，位于各自的窗口中，用户在任何时候均可用鼠标访问这些窗口，这些窗口也可用鼠标移动或隐去操作。

ＡＮＳＹＳ命令根据其功能分组，保证了用户快速访问到合适的命令。

２全交互式图形它是ＡＮＳＹｓ程序中不可分割的组成部分，图形对于校验前处理数据和在后处理中检查求解结果都是非常重要的。

西华人学硕十学位论文Ｆｉ醇．３Ｇｅｏｍｅ廿ｉｃｍｏｄｅＩｏｆａｔｎＪｃｋ图２．３载货汽车车架的几何模型２．２．４模型的网格划分汽车的车架大多数是由薄壁型钢焊接和铆接而成，其中槽钢就是最常用的一种型钢，该货车也采用槽钢。

由于载荷常常不通过这些薄壁截面的弯曲中心，由材料力学可知，这些杆件不但要发生弯曲变形，而且还要发生扭转变型。

薄壁杆件抗扭的能力较差，当汽车在高低不平的路面上行驶时，必须考虑到杆件的扭转变型。

在建立板壳单元刚度矩阵时，板壳单元有三节点、四节点、六节点、八节点等几种类型的单元，由于货车车架纵梁和横梁均为平直的槽钢，故可以采用四节点和八节点单元，而八节点单元精度较高。

对于高次单元由于内部应力不是常量，可以较好的适应结构变化的应力场，用较少的单元可以得到较好的效果。

但是高次单元的刚度矩阵比较复杂，形成结构刚度矩阵要花很长的计算时间。

FSAE赛车车架结构优化和轻量化

最后，在定义材料属性及进行几何模型的简化处理后，生成网格，即得到有限元模型，如图 2。
前隔板前环斜撑前环侧防撞壁
主环主环斜撑
图 l 第一届 FSAE 赛车车架三维模型 Fig．1 Three－dimensional model of The First FSAE Frame
2 车架有限元模型（包括网格的划分）
为了减少计算量，需要对车架的网格大小进行合理控制。对于受力复杂的下层车架钢管划分网格分得细密些，尺寸单元约为 5mm，其对于受力较少的上层车架单元网格划分得粗些，其尺寸单元约为 25～45mm，对于与悬架硬点和发动机固定点相连接的车架管件网格划分要更细些。
力分析和模态分析，根据仿真分析结果进行结构优化和轻量化设计，最后确定我校第二届 FSAE 赛车车架，实现
车架减轻重量 8．4kg。因此，结构优化和轻量化对赛车设计制造有重要意义。
［关键词］大学生方程式赛车；车架结构优化；有限元；轻量化设计
［中图分类号］ U469．6＋96 ［文献标志码］ A
［文章编号］ 1673-3142(2012)11-0037-05
1 车架三维模型的建立
FSAE赛车车架的几何模型是依据中国大学生方程式赛车车架的结构要求来建立的车架三维模型［2］，具体的技术要求如下。 1．1 主环及主环斜撑要求
主环必须由一根未切割的，连续的，截面形状封闭的钢管构成，必须从车架一侧的最低处向上延伸，越过车架，再到达另一侧的车架最低处。从侧视图看，主环和主环斜撑禁止布置在过主环顶端垂线的同侧。主环斜撑和主环的连接点应尽量接近主环顶端，连接点低于主环顶端的距离不得超过 160mm（6．3 英寸）。主环和主环斜撑所成夹角至少为 30 °。主环斜撑必须是直的，即没有任何弯曲。 1．2 前环及前环斜撑要求

基于拓扑与尺寸优化的电动环卫车车架轻量化设计

关键词：轻量化碰撞荷载车架多目标拓扑优化文章编号：１０００ — ４９９８（２０１７）０１ — ００３６ — ０５中图分类号：ＴＨ１２２：Ｕ４６１．４文献标志码：Ａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔｏｆｔｈｅｃｈａｓｓｉｓｏｆｅｌｅｃｔｉｃｒｓａｎｉｔａｔｉｏｎｃａｒ，ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｗｅｒｅａｐｐｌｉｅｄｆｏｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｔａｒｇｅｔｉｎｇｔｈｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆ
ｔｈｅｃｈａｓｓｉｓｍａｓｓ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｍｕｌｔｉ－ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｒｆｔｈｅｃｈａｓｓｉｓｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｉｎ
ｃｈａｓｓｉｓｗａｓｅｘａｍｉｎｅｄｂｙｔａｋｉｎｇｔｈｅｓｅｃｔｉｏｎｌａｐａｒａｍｅｔｅｒｏｆｔｈｅｒｅｃｔａｎｇｕｌｒａｂｅｍａｏｆｔｈｅｃｈａｓｓｉｓｓａｔｈｅｖａｒｉａｂｌｅｆｏｒｄｅｓｉｇｎ．ｔｈｅｔｏｔａｌｍａｓｓｏｆｔｈｅｃｈｓｓａｉｓａｆｔｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｗａｓｒｅｄｕｃｅｄｂｙ１３．７％ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｉｎｉｔｉｌａｖａｌｕｅ．Ｔｈｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｔｅｃｈｎｉｑｕｅｃｏｕｌｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｉｃｆｉｅｎｃｙａｎｄｐｒｅｃｉｓｉｏｎｄｕｉｎｒｇｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄｃｏｕｌｄｅｎｉｃｒｈｔｈｅｄｅｓｉｇｎ＆ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｒｆｃｈｓｓａｉｓ．

重型载重汽车车架轻量化设计研究

重型载重汽车车架轻量化设计研究一、概览重型载重汽车作为现代运输行业的重要支柱，其性能与效率直接影响到物流运输的成本与速度。

而车架作为重型载重汽车的核心部件，其重量不仅关系到整车的燃油经济性、动力性，还直接影响到汽车的安全性能。

车架轻量化设计成为提升重型载重汽车性能的重要途径，也是当前汽车制造业研究的热点之一。

车架轻量化设计的核心在于通过优化结构和材料选择，减轻车架的重量，同时保证车架的强度、刚度和耐久性。

这需要对车架的受力情况、材料性能以及制造工艺进行深入的研究和分析。

随着科学技术的不断进步，新型材料如高强度钢、铝合金、碳纤维复合材料等的应用为车架轻量化设计提供了更多的可能性。

在车架轻量化设计过程中，除了考虑材料的选用外，还需要对车架的结构进行优化设计。

通过合理的结构设计，可以减小车架的截面尺寸和厚度，进一步降低车架的重量。

还需要考虑车架与发动机、底盘等部件的连接方式和配合关系，确保整车的稳定性和安全性。

车架轻量化设计还需要考虑生产工艺和制造成本。

在满足性能要求的前提下，应尽量采用简单易行、成本较低的制造工艺和材料，以降低整车的生产成本，提高市场竞争力。

重型载重汽车车架轻量化设计是一个涉及材料、结构、工艺等多方面的复杂问题。

通过深入研究和分析，采用合理的设计方法和手段，可以实现车架的轻量化，提高重型载重汽车的性能和效率，为物流运输行业的发展做出贡献。

1. 重型载重汽车在社会经济中的地位与作用重型载重汽车作为道路交通的重要载体，在社会经济发展中占据着举足轻重的地位。

它们不仅是货物运输的主要工具，还是基础设施建设、物流运输、农业生产等领域不可或缺的力量。

随着全球经济一体化的加速推进，重型载重汽车的需求日益增长，对社会经济的发展起着重要的支撑作用。

重型载重汽车在货物运输中发挥着关键作用。

无论是长途运输还是短途配送，重型载重汽车都能以其强大的承载能力和稳定的性能，确保货物安全、高效地到达目的地。

在国际贸易中，重型载重汽车更是扮演着重要角色，它们穿梭于世界各地的港口、仓库和物流中心，将货物运送到各个角落，为国际贸易的繁荣做出了巨大贡献。

利用有限元分析优化摩托车车架设计

利用有限元分析优化摩托车车架设计摩托车是一种广泛使用的交通工具，其车架设计对于车辆性能和安全性至关重要。

在设计摩托车车架时，有限元分析是一种常用的工具，它可以对车架进行结构优化，提高其刚性和轻量化程度。

本文将通过有限元分析，探讨如何优化摩托车车架设计。

首先，需要明确的是，在摩托车车架设计中，刚性和轻量化是两个主要的优化目标。

刚性对于提升车辆的稳定性和操控性至关重要，而轻量化则可以提高车辆的燃油效率和加速性能。

因此，在设计摩托车车架时，需要在保证刚性的前提下，力求减少其重量。

有限元分析是一种基于数值计算方法的结构分析技术，在摩托车车架设计中能够有效地模拟和分析不同载荷情况下的应力分布和变形情况。

通过有限元分析，设计师能够得到车架的应力云图和变形云图，进而找到薄弱部位和应力集中区域，从而为优化设计提供依据。

在开始有限元分析之前，首先需要进行几何建模。

通过计算机辅助设计（CAD）软件，可以根据摩托车的整体尺寸和排列来创建车架的三维模型。

在建模过程中，需要考虑摩托车的整体结构和连接方式，以保证良好的刚性和稳定性。

接下来，需要定义材料特性和加载条件。

摩托车车架通常由金属材料制成，如高强度钢或铝合金。

在有限元分析中，需要输入材料的弹性模量、泊松比和屈服强度等参数，以便对车架的应力和变形进行计算。

同时，还需要根据实际使用情况确定载荷类型和大小，包括行驶载荷、制动载荷和悬挂系统载荷等。

完成建模和加载条件之后，将模型导入有限元分析软件中进行计算。

有限元分析软件将模型划分成许多小元素，根据材料和载荷条件，计算每个元素的应力和变形。

然后，通过元素的连接关系和应力传递规律，计算整个车架的应力和变形情况。

通过有限元分析，可以得到车架的应力云图和变形云图。

应力云图用彩色表示不同部位的应力大小，通过对比云图，可以找到应力集中区域和薄弱部位。

变形云图则用于确定车架在各个载荷下的变形情况，从而评估其刚性和稳定性。

在了解了车架的应力和变形情况之后，可以根据实际需求进行优化设计。

某型货车车架轻量化优化设计

成的雾霾现象也日趋严重，汽车尾气排放作为形
示设计符合要求，达到了车架轻量化优化设计的
目的。
１车架设计参数确定及计算校核
某型货车载重量为５０００ｋｇ，最大拖挂６０００ｋｇ，成雾霾的重要因素之一，已经引起了人们的高度长６９１０ｍｍ，宽２４７０ｍｍ，轴距３９５０ｍｍ，最高车速关注。如何实现汽车节能减排已成为业界人士研９０ｋｍ／ｈ（单车），匹配有东风ＥＱ６１００发动机，额定究的重要课题。大量实验和实践证明，汽车轻量功率９９ｋｗ，最大扭矩３５３Ｎｍ，额定转速１６００ｒｐｍ，化是降低汽车排放和减少燃油消耗率的最有效措怠速５５０ｒｐｍ，发动机正常工作时经常使用转速为施之一¨ Ｊ。汽车重量降低Ｉ％，油耗可降低０．７％，１２００ｒｐｍ左右。并且汽车质量的减小可以使其加速性能得以提１．１车架设计参数高，同时由于惯性变小，其制动距离也将减少。由于本货车载重为５ｔ，其后轴受载较大，根据
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｔｒｕｃｋｆｒａｍｅａｎｄｃｈｅｃｋｉｎｇｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｗｉｔｈｔｈｅｇｏａｌｏｆｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔｄｅｓｉｇｎ，

基于多目标优化的钢-铝混合轻量化车架设计

的损伤扩展过程并获得其最终拉伸强度㊂(2)外接补片造成局部应力集中,使母板在受力方向上外加补片前端90°与±45°层提前破坏,造成修理结构整体刚度降低㊂(3)二次固化界面为湿法修理的薄弱区,开胶后,整个结构迅速失去承载能力㊂(4)实际修理设计中需根据待修理结构选用适当打磨角,当损伤面积相对母体结构较小时,建议选用可操作最小角度,但当损伤面积相对较大时,需进行设计分析,以使修补后强度恢复到最高㊂参考文献:[1] 田秀云,杜洪增.复合材料结构及维修[M].北京:中国民航出版社,1996.[2] 陈绍杰.复合材料结构修理指南[M].北京:航空工业出版社,2001.[3] A d k i n sD W,P i p e sRB.P l a n a r S c a r f J o i n t s i nC o m-p o s i t eR e p a i r[J].I C C M/2,1978,16(4):1200‐1210.[4] H a r m a nAB,W a n g C H.I m p r o v e dD e s i g nM e t h o d sf o r S c a r fR e p a i r s t oH igh l y S t r ai n e dC o m p o s i t eA i r-c r a f tS t r u c t u r e[J].C o m p o s i t eS t r u c t u r e s,2006,75(1):132‐144.[5] W a n g C H,G u n n i o nAJ.O n t h eD e s i g nM e t h o d o l o-g y o fS c a r f R e p a i r st o C o m p o s i t e L a m i n a t e s[J].C o m p o s i t e sS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y,2008,68(1):35‐46.[6] C h o uSP.F i n i t eE l e m e n tA p p l i c a t i o nf o rS t r e n g t hA n a l y s i so fS c a r f‐p a t c h‐r e p a i r e dC o m p o s i t eL a m i-n a t e s[D].W i c h i t a:W i c h i t aS t a t eU n i v e r s i t y,2006.[7] S o u t i sC,H uFZ.A3‐D F a i l u r eA n a l y s i so fS c a r fP a t c h R e p a i r e d C F R P P l a t e s[D].N e w Y o r k:A m e r i c a nI n s t i t u t e o f A e r o n a u t i c sa n d A s t r o n a u-t i c s,1998.[8] C o o kB M.E x p e r i m e n t a t i o na n d A n a l y s i so fC o m-p o s i t eS c a r fJ o i n t[R].A i r F o r c eI n s t.o f T e c h.W r i g h t‐p a t t e r o nA i rF o r c eB a s e,i o:D e p t.o fA e r o-n a u t i c s a n dA s t r o n a u t i c s,2005.[9] R i d h aM,T a nV BC,T a y T E.T r a c t i o n–s e p a r a-t i o nL a w sf o rP r o g r e s s i v eF a i l u r eo fB o n d e dS c a r fR e p a i ro f C o m p o s i t e P a n e l[J].C o m p o s i t e S t r u c-t u r e s,2011,93(4):1239‐1245.[10] 孟凡颢,陈绍杰,童小燕.层压板修理设计中的参数选择问题[J].复合材料学报,2001,18(4):28‐31.M e n g F a n h a o,C h e nS h a o j i e,T o n g X i a o y a n.S e l e c-t i o no f t h eD e s i g nP a r a m e t e r s i nL a m i n a t eR e p a i r[J].A c t a M a t e r i a e C o m p o s i t a e S i n i c a,2001,18(4):123‐127.[11] 孟凡颢,陈绍杰,董善艳,等.复合材料损伤结构胶接补强修补分析及设计[J].飞机设计,2002(1):18‐21.M e n g F a n g h a o,C h e nS h a o j i e,D o n g S h a n y a n.T h eA n a l y s i s a n dD e s i g no f t h eA d h e s i v eB o n d i n g R e-p a i r o f t h eD a m a g e d C o m p o s i t eC o m p o n e n t s[J].A i r c r a f tD e s i g n,2002(1):18‐21.[12] 喻梅,许希武.复合材料挖补修理结构的压缩强度分析[J].中国矿业大学学报,2008,37(5):709‐714.Y u M e i,X u X i w u.S t u d y o f t h e C o m p r e s s i o nS t r e n g t ho f S c a r f P a t c hR e p a i r e dC o m p o s i t e S t r u c-t u r e[J].J o u r n a l o fC h i n aU n i v e r s i t y o f M i n i n g&T e c h o n o l o g y,2008,37(5):711‐714. 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All Rights Reserved.基于多目标优化的钢铝混合轻量化车架设计辛勇叶盛南昌大学,南昌,330031摘要:以国产某S U V 车架为研究对象,建立了车架有限元模型,对车架进行弯曲刚度㊁扭转刚度分析,并进行模态分析和模态试验,验证模型的有效性㊂利用正交试验法确定了材料轻量化部件,并将这些部件的钢材料替换成铝合金,得到钢铝混合轻量化车架㊂针对钢铝混合轻量化车架刚度和模态性能的减弱问题,采用基于折中规划法的多目标形貌优化方法对部件进行优化改进,提高了车架的刚度和模态性能㊂设计结果表明,使用钢㊁铝材料结合多目标优化方法设计的钢铝混合轻量化车架相比原钢质车架在保证一定的刚度和模态性能条件下,质量减轻了6.7k g㊂关键词:车架;正交试验;钢铝混合;多目标形貌优化;轻量化中图分类号:U 463 D O I :10.3969/j.i s s n .1004-132X.2014.17.024D e s i g no f S t e e l ‐a l u m i n u m H y b r i dL i g h t w e i g h t F r a m e b y M u l t i ‐o b j e c t i v eO pt i m i z a t i o n X i nY o n g Y eS h e n gN a n c h a n g U n i v e r s i t y ,N a n c h a n g,330031A b s t r a c t :T a k i n g a nS U Vf r a m ea s r e s e a r c hs u b j e c t ,a f i n i t ee l e m e n tm o d e lw a se s t a b l i s h e d ,i t s b e n d i n g ,t o r s i o n a l s t i f f n e s s a n dm o d a lw e r e a n a l y z e d ,a n d t h em o d a l v a l u ew a s c o m pa r e dw i t h t e s t o n e t o e n s u r et h e m o d e le f f e c t i v e n e s s .O r t h o g o n a l t e s t m e t h o d w a su s e dt od e t e r m i n et h el i g h t w e i gh t c o m p o n e n t s ,a n dt h e i r s t e e lm a t e r i a l sw e r e r e p l a c e db y a l u m i n u ma l l o y ,s oas t e e l ‐a l u m i n i u m h yb r i d l i g h t w e i g h t f r a m ew a s o b t a i n e d .T h e nc o m p r o m i s e p r o g r a mm i n g m u l t i ‐o b j e c t i v em o r p h o l o g y o p t i m i -z a t i o nde s i g nm e t h o dw a s a d o p t e d t o i m p r o v e i t s s t if f n e s s a n dm o d a l p r o p e r t y .R e s u l t so f t h ed e s i gn s h o wt h a t ,u s i n g s t e e l ,a l u m i n u ma n dm u l t i ‐o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o n ,t h e n e ws t e e l ‐a l u m i n u ml i g h t w e i gh t f r a m em a s sw i l l b e 6.7k g l i g h t e r t h a n t h e o r i g i n a l s t e e l o n ew i t h aw e l l g u a r a n t e e f o r t h e s t i f f n e s s a n d m o d a l pe rf o r m a n c e .K e y w o r d s :f r a m e ;o r t h og o n a l t e s t ;s t e e l ‐a l u m i n i u mh y b ri d ;m u l t i ‐o bj e c t i v em o r p h o l o g y o p t i m i z a -t i o n ;l i g h t w e i gh t 收稿日期:2013 04 01基金项目:国家自然科学基金资助项目(50645032);江西省科技攻关计划资助项目(C 0202400)0 引言车架不仅要承载来自各方向的力和力矩,保证有足够的刚度和强度,而且还应具有合适的固有模态频率,避免产生共振,保证良好的乘坐舒适性和足够的使用寿命[1]㊂文献[2]阐述了当整车的质量减轻10%时,可以节省燃油6%~8%㊂S U V 车架是连接车身与悬架的主要承载部件,其质量一般在150k g 左右,在整车质量中占有较大比重,因此对车架进行轻量化设计具有较大的研究空间㊂与汽车用钢铁材料相比,铝合金具有密度小㊁比强度和比刚度较高㊁弹性好㊁抗冲击性能好和再回收率㊁再生率高等一系列优良特征[3]㊂美国资深汽车工程师D a v i dS c h o l e s 曾预言,未来轿车上的每一个零件都有可能用铝合金生产[4]㊂超高强度铝合金主要是以A l ‐Z n ‐M g‐C u 系为主的合金,目前已开始广泛应用于飞机和火箭等军事领域[5]㊂由于车架结构及载荷的复杂性,研究者将轻量化优化设计与有限元分析和材料属性研究相结合,能够获得很好的效果[6]㊂目前对汽车车架的轻量化设计主要都是倾向于结构优化改进,很少注重新型轻量化材料的使用,因此,从新型轻量化材料入手并结合拓扑形貌结构优化设计对车架进行轻量化研究具有一定的探索意义㊂本研究以某国产S U V 车架为研究对象,对其进行刚度和模态仿真分析,使用铝合金材料,结合正交试验法确定材料轻量化目标;同时针对车架性能降低的问题,建立折中规划的多目标形貌优化数学模型进行优化设计,得到满足刚度和模态性能的钢铝混合轻量化车架模型㊂1 车架刚度及模态有限元分析1.1 车架有限元模型建立为确保计算精度高㊁计算时间短,选取10mm×10mm 的单元来离散车架所有部件㊂最终得到的车架网格模型中含有四边形单元64027个,三角形单元2004个㊂车架各零件之间的连接方式为点焊㊁缝焊和螺栓连接㊂本研究不考虑焊接或者螺栓失效的问题,故为了缩短分析㊃2042㊃中国机械工程第25卷第17期2014年9月上半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.时间,将所有的连接均采用刚性单元来模拟㊂车架的材料为高强度钢Q345,其弹性模量为210G P a,泊松比为0.3,密度为7.85×103k g/m3,车架总质量为143.0k g㊂建立的整个车架有限元模型如图1所示,图中数字标号1㊁2㊁3㊁4㊁5㊁6分别代表第1到第6横梁㊂图1 车架有限元模型1.2 车架弯曲刚度和扭转刚度分析弯曲工况边界条件为:约束车架后部螺旋簧支架支撑点X㊁Y㊁Z三个方向的平动自由度,约束前轮轴线对应的车架纵梁位置Y Z方向的平动自由度,在车架中间位置的左右纵梁上各施加1000N的垂直于Z轴的力,如图2所示㊂提取车架左右纵梁中间受力位置的Z向位移来评价车架弯曲刚度大小,Z向位移大小均为-1.50mm㊂计算得出车架的弯曲刚度K=1333N/mm,满足同类汽车车架弯曲刚度最低目标值为1200N/mm的要求[7]㊂图2 车架弯曲刚度扭转工况边界条件为:约束车架后部螺旋簧支架支撑点X㊁Y㊁Z三个方向的平动自由度,在前轴位置中点(通过建立R i g i d刚性单元与车架上前悬对应的位置连接)处约束Z方向的平动自由度,在前轮轴线对应的车架纵梁位置分别施加沿Z方向的一对反力,力的大小为1000N,如图3所示㊂采用左右纵梁前部受力位置的Z方向位移评价扭转刚度,左右纵梁Z向最大位移分别为4.62mm和-4.62mm,两受力点间距离为图3 车架扭转刚度710mm,计算得出车架的扭转角:φ=(π/180)a r c t a n((4.62+4.62)/710)=0.013(r a d)车架的扭转刚度:G J=M T/φ=(1000×0.71)/0.013=54615(N㊃m/r a d)满足同类汽车车架扭转刚度最低目标值为5×104N㊃m/r a d的要求[7]㊂1.3 车架模态分析及有限元模型验证车架的模态性能直接关系到车辆的安全性㊁舒适性和可靠性[8]㊂本文先对车架模型进行了自由模态分析,为了验证模型的可靠性,对车架整体结构进行了模态试验[9]㊂模态试验主要采用的仪器或设备有:S U V车架㊁L M S T e s t.L a b测试系统软件㊁L M SS C A D A SⅢ多通道数据采集前端㊁加速度传感器㊁力传感器㊁激振器和功率放大器等㊂用橡皮绳将车架自由地悬挂在空中来模拟车架自由自由”的边界条件㊂根据车架几何模型自由模态振型分析结果选择车架测试点位置,为体现车架整体结构,最终在车架上确定了56个测试点,车架某段测试点分布如图4所示㊂对采集的数据进行集中处理并计算模态振型,其试验原理如图5所示㊂由于低阶模态频率和相应振型对结构的动态特性影响最大,因此这里只列出了车架前5阶模态频率㊂模态频率仿真结果与试验结果及振型对比见表1㊂由表1可以看出,计算得到的模态频率和试验值误差不大,说明本研究所建立的车架有限元模型及分析方法是可靠的㊂图4车架某段测试点分布图图5 车架模态试验原理㊃3042㊃基于多目标优化的钢铝混合轻量化车架设计辛勇叶盛Copyright©博看网. All Rights Reserved.表1 车架模态频率及振型阶数12345计算模态频率(H z)23.7127.1445.1248.6659.66试验模态频率(H z )24.8728.8646.5350.0461.84振型一阶扭转一阶弯曲弯扭组合一阶横摆弯扭横摆组合误差(%)4.665.963.032.763.532 钢铝混合车架设计本研究选用A l ‐Z n ‐M g‐C u 系(7系列)超高强度铝合金置换车架某些横梁和纵梁部件的钢材料,并采用正交试验法来确定置换部件,置换部件的弹性模量为71G P a ,泊松比为0.33,密度为2.81×103k g/m 3㊂建立正交试验表,选择车架的1~11号部件为参考因素,具体做法是:改变这些部件材料的弹性模量㊁泊松比和密度等参数,形成12组试验方案,进行软件模拟仿真试验,考核各参考部件对车架的弯曲㊁扭转刚度和一阶模态3个指标的影响㊂考虑到车架的对称性,内外各板相对称的部位统一标号,内外板标号分别见图6㊁图7所示㊂图6 车架内板标号图7 车架外板标号在此优化事件中,优化对象为图1㊁图6和图7中标号的11个部件,变量为部件的材料,11个部件构成样本空间,每个部件为影响事件的一个因素,每个因素设定钢和铝合金两个材料水平,这就构成了一个11因素2水平的优化问题㊂采用正交试验法进行仿真,构建正交试验表L 12(211)如表2所示㊂1~11代表影响刚度和模态性能的11个因素,L ㊁H 代表两种材料水平,L 代表铝合金,H 代表钢,s d 表示弯曲工况最大位移,s r 表示扭转工况最大位移,f1表示一阶模态频率,进行12次试验仿真计算㊂表2 L 12(211)正交试验表试验因素性能指标1234567891011s d (mm )s r (mm )f 1(H z )综合性能1L L L L L L L L LLL4.2411.3619.0534.652L L LLLHH H HH H 1.525.1923.29303L LH HHLLLHH H1.706.8621.1829.744L H L HHLHHLL H2.888.0620.5031.445L H H LHH L HLH L2.317.7321.0031.046LHH H L H H L HL L 3.839.1019.9432.877H L H H LL HHLHL2.276.5322.6731.478H L HL HHHLLL H 3.608.5819.5131.699HLL HHHLHHL L 3.379.7319.8232.9210H H HL LL LHHLH3.158.4020.1631.7111H H L HLHLL LHH1.737.5319.9929.2512HHLLHLHLHHL 2.066.6522.1630.87对各因素的显著性水平进行检验,方差分析见表3㊂由显著性水平可知,因素1㊁2㊁4㊁5㊁6对试验的结果影响不显著,故可得车架的1㊁2㊁4㊁5㊁6号部件材料的更换对车架总体性能的影响不大,因此,这里选择1㊁2㊁4㊁5㊁6号部件为材料替换对象㊂对钢铝混合车架弯曲㊁扭转工况和模态进行分析得出,s d 为1.52mm ,s r 为5.19mm ,f1为23.48H z㊂对比原车架与钢铝混合车架的刚度和模态性能可知,钢铝混合车架的弯曲㊁扭转刚度和一阶模态相比原车架均有所下降㊂为使得到的结构和尺寸更加合理,刚度与模态性能均不低于原车架的刚度与模态性能,笔者建立多目标优化数学模型对钢铝混合车架的以上11个主要部件进行形貌优化设计㊂3 钢铝混合车架的多目标形貌优化一般来说,不同的载荷工况将得到不同的结构拓扑㊂传统的多目标优化问题采用线性加权法将多目标问题转化为单目标问题进行求解,但对于非凸优化问题来说,该方法不能确保得到所有的P a r e t o 最优解[10]㊂现今研究多目标拓扑优化㊃4042㊃中国机械工程第25卷第17期2014年9月上半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.表3 方差分析表变异来源偏差平方和自由度均方F值Fα显著水平10.2810.281.27 20.80210.8023.6532.3212.3210.55 40.4310.431.95 50.42210.4221.92 60.3710.371.68 71.2811.285.82 81.2211.225.55 91.3711.376.23 1010.89110.8949.5 115.31715.31724.17F0.05(1,25)= 4.24F0.01(1,25)= 7.77*********误差e10.211重复误差e20.0124总误差e0.2225总变异24.92136问题一般采用折中规划法㊂形貌优化是一种形状最佳化方法,即在板形结构中寻找最优的加强筋分布的概念方法㊂利用折中规划法可以将车架多工况下的弯曲刚度和扭转刚度及低阶固有频率的多目标优化问题转化为单目标优化问题[11‐12]㊂本研究利用折中规划法结合平均频率法得到多目标优化的综合目标函数,该方法可以有效地求解出多目标函数的最优解,从而为多目标优化提供解决方案㊂在本研究中,对钢铝混合车架进行了柔度最小化㊁固有频率最大化以及多目标的形貌优化,其结果显示多目标形貌优化方法能够较大地提高车架的刚度和模态性能㊂3.1 弯曲和扭转工况刚度优化目标函数对于刚度提高问题,通常把刚度最大问题等效为柔度最小问题来研究,柔度则用应变能来定义[13]㊂于是由折中规划法结合平均频率法可得到多刚度优化的目标函数:m i nρC(ρ)=[∑m k=1w q k(C k(ρ)-C m i n kC m a x k-C m i n k)q]1q(1)式中,m为载荷工况数量;w k为第k个工况的权值;q为惩罚因子,q≥2,本研究中取值为2;C k(ρ)为第k个工况的柔度目标函数;C m a x k㊁C m i n k分别为第k个工况柔度目标函数的最大值与最小值㊂3.2 固有模态频率优化目标函数通过最大化结构的动态响应,使结构的基频高于结构可能的共振频率,减小由结构不合理导致的噪声,对提高乘员舒适性有重要意义,所以对振动频率的优化设计十分必要㊂在优化过程中经常会遇到如此情况:当其中一个阶次的频率达到最大时,其他阶次的频率可能降到一个较低的值,而且几阶频率之间可能会相互调换次序,这样就会出现目标函数振荡问题㊂为避免出现几阶频率目标函数振荡的现象,本研究用平均频率公式来定义固有频率优化的目标函数,如下式所示:m i nx={x1,x2, ,x n}Λ(ρ)=λ0+s(∑f i=1w iλi-λ0)-1(2)式中,Λ(ρ)为平均频率;λi为第i阶特征频率;λ0㊁s为给定的参数,用来调节目标函数;w i为第i阶频率的权重系数; f为优化的低阶频率的阶次㊂3.3 考虑刚度与频率要求的多目标优化函数结构多目标优化是同时考虑多刚度目标和振动频率目标的优化㊂由折中规划法结合平均频率法可得到多目标优化的综合优化函数,如下式所示:m i n F(ρ)=[w2(∑m k=1w k C k(ρ)-C m i n kC m a x k-C m i n k)2+(1-w)2(Λm a x-Λ(ρ)Λm a x-Λm i n)2]12(3)式中,F(ρ)为综合目标函数;w为柔度目标函数的权重;Λm a x㊁Λm i n分别为频率目标函数的最大值和最小值㊂当车架位于其中一个工况时:k=1,w k=1; C1(ρ)为柔度,是设置的变量;C m a x1为形貌优化前钢铝复合车架的柔度,其值最大,弯曲工况时其值为1450N㊃mm,扭转工况时其值为3196N㊃mm;C m i n1为形貌优化后钢铝混合车架的柔度,其值最小,弯曲工况时其值为1185N㊃mm,扭转工况时其值为2568N㊃mm;Λ(ρ)为一阶固有频率,是设置的变量;Λm a x为优化后模型的一阶固有频率,是经过优化得到的最大频率值,为26.04H z;Λm i n为优化前模型的一阶固有频率,该频率值最小,为23.48H z;w为加权值,在0~1之间㊂3.4 钢铝混合车架的多目标折中规划形貌优化设计多目标形貌优化与多目标拓扑优化方法类似,不同的是拓扑优化用单元密度变量,而形貌优化用形状变量㊂利用O p t i S t r u c t中提供的自定义函数来定义上文所提到的折中规划公式和平均频率公式,把定义好的函数设为响应,把响应作为目标函数进行优化㊂本研究中视弯曲和扭转工况同等重要,即取两工况的权值相等;同样在模态频率形貌优化中也将各阶频率的权值取为相等,取车架前5阶频率;在多目标形貌优化的综合目标函数中,取柔度权值w=0.4,频率权值为0.6[14‐15],其中弯曲和扭转工况柔度权值各为0.2,前5阶频率每阶权值各为0.12㊂经过分析计算,函数经过7次迭代达到收敛,优化过程结束㊂车架的弯曲柔度㊁扭转柔度㊁一阶模态频率以及总质量的收敛过程如图8~图11所示㊂优化前后得到的钢铝混合车架与原型钢质车㊃5042㊃基于多目标优化的钢铝混合轻量化车架设计辛勇叶盛Copyright©博看网. All Rights Reserved.架的质量及性能对比见表4㊂为了对比形貌优化后的钢铝混合车架与原型钢质车架结构上的区别,在此给出了1号㊁4号㊁10号及11号部件优化前后的部分结构变化图,见图12~图15㊂图8 弯曲柔度迭代曲线图9 扭转柔度迭代曲线图10 一阶模态频率迭代曲线图11 车架总质量迭代曲线表4 优化前后车架性能对比指标车架质量(k g )弯曲柔度(N ㊃mm )扭转柔度(N ㊃mm )一阶频率(H z)原型钢质车架143.01434296823.71优化前钢铝混合车架131.81450319623.48优化后钢铝混合车架136.31204258825.94图12 1号部件优化前后结构对比图13 4号部件优化前后结构对比图14 10号部件优化前后结构对比图15 11号部件优化前后结构对比由图8~图11可知,使用折中规划的多目标形貌优化法对钢铝混合车架进行优化设计,达到了提高车架性能的目的㊂表4表明,优化后的钢铝混合车架与优化前对比,虽然质量稍有增大,但是弯曲㊁扭转柔度下降明显,分别下降了246N ㊃mm 和608N ㊃mm ,且一阶频率提高了2.46H z,车架的刚度和模态性能得到明显提高;与原型钢质车架对比,总质量减轻了6.7k g,一阶频率提高了2.23H z ,弯曲和扭转刚度也均有明显提高㊂由图12~图15可知,形貌优化使得车架结构某些区域增加了加强筋,达到改变其结构提高其性能的目的㊂经过对比分析可知,优化后的钢铝混合轻量化车架结构满足同类汽车车架的设计目标值㊂激光对接焊热量集中㊁热源能准确控制㊁应力应变小㊁焊接接头强度高㊁耐腐蚀性好,与其他焊接方法相比,更适合钢㊁铝异种材料的焊接[16],因此,此车架中钢㊁铝不同材料间的连接在满足一定的强度下可考虑采用激光对接焊㊂文献[17]指出,喷射成形具有传统铸造㊁粉末冶金所不具备的优越特性,是目前工业化制备屈服强度800M P a 以上超高强度铝合金很好的途径,国内外对A l ‐Z n ‐M g‐C u 系铝合金坯料制备及变形加工的研究方法主要为O s p r e y 喷射成形工艺和挤压加工,故本研究选用的A l ‐Z n ‐M g ‐C u 系超高强度铝合金部件可采用喷射成形结合挤压加工工艺加工得到㊂4 结语采用正交试验法以及显著性水平分析可以简单快速地确定材料轻量化对象,经过材料轻量化(铝合金材料替换钢材料)后,车架质量减重显著㊂使用折中规划的多目标形貌优化法,对钢铝混合轻量化车架进行加强筋结构与布局设计,最终得到的优化车架模型与原型钢质车架相比,质量减小了6.7k g ,一阶频率提高了2.23H z ,且弯曲㊁扭转刚度均得到较大的提高㊂此研究达到了保证车架刚度和模态性能的同时,减轻车架质量的目的㊂㊃6042㊃中国机械工程第25卷第17期2014年9月上半月Copyright ©博看网. 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自行式C型旅居车前副车架轻量化设计方案

自行式C型旅居车前副车架轻量化设计方案摘要：自行式C型旅居车的前副车架是旅居车的重要组成部分，其重量对车辆性能和燃油经济性有着重要的影响。

本文基于轻量化设计的原则，采用材料选择、结构优化等手段，设计了一种前副车架轻量化方案。

该方案通过合理的材料搭配和结构优化，成功将前副车架的重量减轻了约15%，同时还能够保证其强度和刚度，提高旅居车的燃油经济性和行驶性能。

这表明，在未来的旅居车设计中，轻量化设计将会成为一个重要的研究方向，以提高车辆的性能和燃油经济性。

关键词：自行式C型旅居车；前副车架；轻量化；材料选择；结构优化引言：自行式C型旅居车因其独特的旅游体验和方便舒适的居住环境，成为现代旅游业中越来越受欢迎的选择。

然而，随着旅游车辆的不断发展和升级，其重量和能源消耗等问题也日益受到关注。

在旅居车的重要组成部分中，前副车架对于车辆的性能和燃油经济性都具有重要的影响。

因此，如何减轻前副车架的重量，提高旅居车的性能和燃油经济性，成为了一个重要的研究方向。

本文将通过轻量化设计的方法，研究如何减轻前副车架的重量，并探讨该方案对旅居车性能和燃油经济性的影响。

1 前副车架轻量化设计的原则轻量化设计是指在不影响产品性能和质量的前提下，尽可能减轻产品的重量。

在前副车架轻量化设计中，需要遵循以下原则：（1）保证强度和刚度。

在前副车架轻量化设计中，必须优先考虑保证其强度和刚度。

因为前副车架需要承受车辆的重量和各种复杂的道路环境，所以其强度和刚度是必须保证的[1]。

在设计前副车架时，需要根据所选材料的性质和前副车架的结构来进行合理的设计，以保证其强度和刚度。

（2）选择轻量化材料。

在前副车架轻量化设计中，选择轻量化材料是非常重要的一步。

轻量化材料可以有效地减轻前副车架的重量，同时还要满足强度和刚度的要求。

常用的轻量化材料包括铝合金、镁合金、碳纤维复合材料等。

选择合适的轻量化材料，可以在不影响前副车架强度和刚度的情况下，实现前副车架的轻量化设计[2]。

基于参数最优化的车架轻量化设计

基于参数最优化的车架轻量化设计
王玲;范新强;祁富燕;魏万华
【期刊名称】《机械制造》
【年(卷),期】2013(51)6
【摘要】为了寻求车架的最佳参数,对其进行参数优化设计.采用有限元模型,应用有限元分析软件ANSYS10.0对车架进行参数优化设计,得出车架的最佳结构尺寸,并对目前的车架提出了改进措施.
【总页数】3页(P27-29)
【作者】王玲;范新强;祁富燕;魏万华
【作者单位】兰州城市学院培黎工程技术学院兰州730070;兰州城市学院培黎工程技术学院兰州730070;兰州城市学院培黎工程技术学院兰州730070;兰州城市学院培黎工程技术学院兰州730070
【正文语种】中文
【中图分类】TH136
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轻型载货汽车底盘车架轻量化优化设计

要载荷包括驾驶室、底盘、发动机和货物的重力，
底盘车架是轻型载货汽车的主要承载部件，主主要形式为前宽后窄的变宽结构，其中车架长度为
５７２２ｍｍ，前端宽８２０ｍｍ，后端宽７４０ｍｍ。以罔１纵梁截面尺寸、纵梁厚度、横梁布置、车架宽度等以及汽车在行驶过程中受到的力矩和力 …。底盘车所示车架为基础进行车架结构优化设计，主要改变
架强度直接关系到整车的安全性能和使用寿命。因此，在进行车架设计时．应首先保证车架静刚度、
提下对结构进行轻量化优化设计。
结构参数。同时，随着以宝钢为代表的国内钢厂对代替Ｂ５１０Ｌ）是此次车架轻量化优化设计的基础。结
静强度、动刚度和动强度，在保证整车安全性的前高强结构用钢的开发和推广，提升材料等级（Ｂ７５０Ｌ
本文根据已有经验和市场反馈提出了某轻型载构优化设计方案如图２、图３所示（方案一与方案二结
货汽车底盘车架轻量化优化方案，建立车架有限元构相同，方案ｊ与方案四结构相同．仅改变了纵梁分析模型，通过模态分析、刚度分析和多工况车架
４．５５．０４．５
图４后钢板弹簧结构示意图
ｎｔｌ构Ｂ７５０Ｌ￣［Ｉ普通纳构钢Ｂ５１０ＬＪ学性能埘比如
２ＪｉＪ￣：ｚｊ
表２高强结构钢Ｂ７５０Ｌ￣Ｉ１普通结构钢Ｂ５１０１力学性能对比

基于CATIA知识工程优化的车身轻量化设计

基于CATIA知识工程优化的车身轻量化设计车身轻量化设计是当今汽车设计领域的热门话题之一、随着环保意识的增强和能源消耗的压力，汽车制造商开始关注车身轻量化，以提高燃油效率和减少尾气排放。

而基于CATIA知识工程的车身轻量化设计是一种有效的方法，可以在保证车身强度和安全性的前提下，实现车身重量的减少，提高汽车整体性能。

在车身轻量化设计中，首先需要进行材料选择。

不同材料具有不同的力学性能，因此选择适当的材料是轻量化设计的关键。

CATIA知识工程中可以添加材料库，并通过建立材料属性与设计参数的关联，实现材料选择的优化。

例如，可以根据设计参数如刚度、强度要求，结合材料的密度、强度、刚度等属性，进行材料选择和评估。

其次，车身的结构设计也是轻量化的重要环节。

通过CATIA知识工程中的设计规则和参数化设计，可以实现车身模型的自动化设计和优化。

例如，可以设置车身结构件的厚度、截面形状等设计参数，并与约束条件如刚度、安全性等进行关联。

通过CATIA的参数化设计功能，系统可以从给定的设计参数中自动生成车身结构，同时根据优化算法，自动调整设计参数，以实现车身轻量化的目标。

在轻量化设计中，还可进行拓扑优化。

CATIA知识工程可以根据拓扑优化理论，自动生成最优的结构形态。

拓扑优化是通过消除材料不必要的分布，实现结构轻量化的一种方法。

在CATIA中，可以通过输入约束条件和目标，进行拓扑优化的仿真和分析，自动生成与优化目标最符合的结构形态。

此外，CATIA知识工程还可以应用于模拟和分析中，以验证和评估轻量化设计方案的可行性和性能。

通过CATIA中的力学分析、碰撞仿真等功能，可以对车身进行强度、刚度、疲劳等性能分析，帮助设计师优化设计方案，确保车身在使用过程中的安全性和可靠性。

总之，基于CATIA知识工程的车身轻量化设计是一种有效的方法，可以在保持车身安全性和性能的前提下，实现车身重量的减少。

通过CATIA的三维设计、参数化设计、拓扑优化等功能，可以实现自动化设计和优化，提高设计效率和准确性。

基于参数优化的高空作业半挂车轻量化设计

式中：、
、Ｘ
（１， … ，，分别为第ｉ板ｉ，２＝？）块
件的板厚及其上下限；为板厚不变的构件体积：Ａ为第ｉ块板件的面积：” 为优化设计变量总数；ｇ应力的比例因子；为
…
为有限元计算得到的结构最大应力；［］结构的许允应Ｏ为－
在实际使用过程中，发现车架的质量较大，成本较高，机动设计过程中。
性能及其燃油经济性能不好，企业迫切需要减轻其质量，以
在轻量化尺寸参数优化设计中，一般以降低结构的质量
提高该产品在行业中的竞争力。因此在原结构形式不变的情为目标，如果所研究结构采用相同的材料，则结构各组件的况下，以各构件板厚为优化变量，以车架质量轻量化为优化相对体积质量相差不大，可以取结构的有效体积Ｖ（）为目Ｘ目标，对高空作业半挂车进行了轻量化优化设计研究。最终标函数；约束条件取所研究结构的应力；在对高空作业半多，取得了良好的效果。ｔ２优化设计数学模型的建立
车进行有限元分析时，建立的是全板壳模型，以各板厚度为
设计变量，则优化设计的一般数学模型可表示为：
求Ｘ［Ｉ２－ｘ，Ｘ，Ｘ，… ，ｘ］
产品的轻量化研究提供了参考。
关键词：高空作业半挂车轻量化参数优化

基于HyperStudy货车车架稳健优化设计

［关键词］车架稳健优化设计轻量化
传统设计中把车架轻量化当作确定性优化问题，即在约束条件下处左纵梁腹板上施加垂直向下的集中载荷Ｆ２０，＝５Ｎ在前轴处右纵梁腹寻找确定性最优解。事实上，车架型钢在大批量生产中受加工机器误板上施加垂直向上的集中载荷Ｆ２０＝５Ｎ。差、生产环境等的影响，生产精度是不可控制的，致使其几何尺寸是波分析得到的最大应力在右侧纵梁尾部处，大值为５．ａ小于最０ＭＰ，９动变化的。以其几何尺寸为设计变量，进行确定性优化时，可能导致设车架材料的许用应力。车架在纯弯曲工况最大位移点出现在发动机前计最优目标超出约束界限而使设计失效或者不确定因素的波动对产品悬置，最大值为１８ｍ，．ｍ车架总体应力及位移能满足要求，７有一定的优质量非常敏感，从而使产品的质量水平和合格率降低。采用稳健性优化空间。化设计，可通过减少响应偏差来满足约束条件，产品质量在均值６使考虑到汽车的动态特性对舒适性、噪声、久性等技术指标的影耐范围内波动时均能满足设计要求，可靠度达到９．９６％。因此将６响，９９９６ｏ故对整车振动模态进行了分析。车架自由状态下的模态，前五阶固稳健性优化设计和轻量化结合起来，可在减轻车架重量的同时保证车有频率如表１所示。架品质的稳健性。表１车架前十阶模态１稳健优化理论．ＭｏｅｄＦｅｕｎｙ（）ｒｑｅｃＨｚ模态类型稳健优化设计要求合理设计变量参数，降低目标函数对不确定性因素的敏感性，即使目标函数响应均方差减小，实现“ 均值达到目标 ” 和１５，２一阶扭转模态 “ 方差最小化 ” 目的。均的如图１所示，不考虑不确定因素对性能波动的影响，目标函数若则２１．Ｏ６３侧向弯曲模态在点ｌ处为最小，１的结果就应该为最后的优化结果。若考虑设计点处参数Ｘ以及 ±ＡＸ的波动变化时，在点ｌ则处得到一个较大水平的变化３１．３５２一阶弯曲模态Ａｆ。点１的右边存在一个目标函数ｆ）ｆ的平坦区域，设计变量点ｘｘ对来说鲁棒性较好或敏感度较低。如果重复同样的设计选择点２相同的△Ｘ，，４１６垂向弯曲模态则得到的△ 要比１点处小得多。选择点２的不足之处是增加了目标函数ｆ１（在点２ｘ处的平均值，所以在寻找鲁棒性解决方案时也应对相应的５１３８９二阶扭转模态目标响应的平均性能加以评价。图２中可见仍存在比点２处更平坦的路面激励一般由道路条件决定，目前在高速公路和一般城市较好区域（的右边，增长的方向１即有可能存在比这一区域更低的性能点２ｘ，此激励频率多为１～３Ｈ，ｚ对低频振动影响较大。该车架一阶波动，但平均值性能有可能超出接受范围。因此，期望的平均值性能和路面上，频率大于此频率范围，不会与路面激励产生共振，可对该车架进行轻量降低性能波动两个指标都必须在鲁棒性优化方程中充分考虑。化。３车架稳健优化设计．综合考虑车架的成本和工艺要求，梁厚度变量在１－６ｍ之纵３１ｍ０间，横梁及支撑板厚度变量在８１ｍ — ｍ之间。根据工程经验，ｌ各设计变量均服从正态分布，取值范围和标准差见表２。闭表２设计变量螺

车身结构优化设计与轻量化

车身结构优化设计与轻量化近年来，随着社会的发展和人们生活水平的提高，汽车已经成为人们生活中不可或缺的一部分。

然而，汽车的快速发展和普及也带来了一系列的环境和能源问题。

为了应对这些挑战，汽车制造商们开始关注车身结构的优化设计与轻量化。

本文将探讨这个领域的最新发展和技术。

首先，车身结构的优化设计是实现汽车轻量化的关键。

轻量化可以降低车辆的燃油消耗和排放，减少对环境的负面影响。

在设计过程中，利用计算机辅助工具，如有限元分析软件和优化算法，可以对车身结构进行模拟和优化。

通过对结构进行材料优化、强度分析和厚度分布优化，可以使车身更加轻巧但仍能满足安全性能的要求。

在材料的选择方面，新一代高强度钢和铝合金等轻质材料的应用成为车身轻量化的主要途径之一。

这些材料具有较高的强度和刚度，可以在减少重量的同时确保车辆的结构强度。

此外，也有一些新兴的材料，如碳纤维复合材料和镁合金，它们具有更高的比强度和比刚度，能够进一步减轻车身重量，但其成本相对较高，应用仍面临一些挑战。

此外，在车身结构的设计中，形状优化也是一项重要的技术。

通过改变车身的外形和曲面设计，可以减少空气阻力，提高车辆的行驶稳定性和燃油经济性。

借助计算机模拟和流体力学分析，可以优化车身形状，减少气动阻力，从而降低燃油消耗。

同时，车身结构的优化设计还要考虑乘员安全和碰撞保护的因素，确保车辆在发生事故时能够提供最大的保护。

除了车身结构的优化设计，轻量化技术也是实现汽车节能减排的重要手段之一。

减轻车身重量可以降低车辆的能量消耗和动力需求，进而减少汽车的排放。

除了上文提到的材料的应用，还有一些具体的轻量化技术可以采用。

例如，采用合理的螺栓连接和焊接技术，可以减少结构的重量和材料的使用；采用多材料混合设计，可以根据不同部位的要求选择不同材料，实现更好的轻量化效果；同时，还可以利用3D打印等新兴技术制造轻量化的零部件，实现个性化定制和优化设计。

然而，车身结构的优化设计与轻量化并非一帆风顺。

基于最优强度的SUV车架轻量化设计

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍａｋｅｔｈｅｆｒａｍｅｔｏｍｅｅｔｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｕｎｄｅｒｈｅｔｐｒｅｍｉｓｅｏｆｈｅｔｌｉｇｈｔｅｓｔｗｅｉｇｈｔ，ｔｈｅｆｒｍｅａｏｆａｌｌＳＵＶＤｅｓｉｇｎＳｐａｃｅｉｓ
基于最优强度的ＳＵＶ车架轻量化设计
敬扬名
（泸天化弘旭工程建设公司，四川泸州６４６３００）摘要：为了使车架在满足使用强度要求的前提下重量最轻，以车架最大应力作为车架优化设计性能约束，以车架的轻量化作
ｆｕｎｃｔｉｏｎ，Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｐｒｏｖｉｄｅａｆｅａｓｉｂｌｅｒｏｕｔｅｓａｎｄｎｅｗｉｄｅａｓｆｏｒｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｈｅｔｆｒｍｅａ．．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｒａｆｍｅ；ｐｅｆｏｒｍａｒｎｃｅｃｏｎｓｒａｔｉｎｔ；ｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎ；ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔｄｅｓｉｇｎ
传统的车架结构设计由于采用经验及类比法，车架质量过重且应力分布不均匀Ｊ。因此，有必要对车架进行结构优化以提高车架材料的使用率。本文以某型ＳＵＶ车架为研究对象，以应力强度为约束条件，利用ＡＰＤＬ语言对车身结构参数化建模进行了结构优化设计。

基于骨架和车架的轻量化设计方案研究

基于骨架和车架的轻量化设计方案研究摘要：骨架和车架的轻量化设计是当前工程领域的一个重要研究方向。

随着环境保护意识的提高和能源资源紧张，轻量化设计成为了各行各业关注的焦点。

在骨架和车架领域，轻量化设计旨在通过优化结构设计和材料选择，减少结构的自重并提高载荷能力，从而实现减少能耗和环境污染的目标。

基于此，以下对基于骨架和车架的轻量化设计方案进行了探讨，以供参考。

关键词：骨架和车架；轻量化设计方研究引言骨架和车架作为工程系统的重要组成部分，具有承载和支撑功能。

传统的骨架和车架常常采用重量相对较重的金属材料制造，导致能源消耗和碳排放增加。

因此，面对日益紧张的能源资源和全球变暖的挑战，深入研究和应用骨架和车架的轻量化设计方案势在必行。

通过采用轻量化旗舰材料、高强度结构设计和先进的制造工艺等措施，可以显著降低结构重量，提高能源利用效率，并为可持续发展做出贡献。

1骨架和车架在轻量化设计中的重要性骨架和车架在轻量化设计中的重要性无法忽视。

这两个组件是一辆车最基本的结构支撑，对整体车辆的性能和安全性起着至关重要的作用。

首先，骨架和车架的轻量化设计可以显著改善车辆的燃油经济性。

随着人们对环境保护意识的逐渐提高，汽车制造商迫切需要降低车辆的燃油消耗，减少尾气排放。

通过使用轻量化材料来构建骨架和车架，可以大幅度减少车辆的总重量，进而减少驱动能力所需的能量。

这不仅可以提高车辆的续航里程，也有助于减少碳排放，降低对环境的不良影响。

其次，骨架和车架的轻量化设计可以为车辆带来更出色的操控性能。

轻量化的骨架和车架使得车辆整体重心更低，降低了重心的高度，从而提高了车辆的稳定性和操控灵活性。

在高速行驶或急转弯等情况下，轻量化结构能够更好地抵御侧倾和失控的风险，使得驾驶者能够更加安全地驾驶车辆。

此外，骨架和车架的轻量化设计还对车辆的安全性有着直接影响。

轻量化结构不仅可以提供更好的行驶稳定性，还有助于吸收和分散碰撞时的冲击力。

在发生事故时，轻量化骨架和车架能够更好地保护车辆内部乘客免受伤害。

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（１）
（２）
电瓶
４０
２Ｉ０００１ＯＯ０ｏ４８０
ｍｉｎＶ＝Ｖｏ＋Ａ￡
ｉ＝１
表２边界条件
￡ ≤ ≤ 一＝１，２， … ，ｎ
部位
左前轮
弯曲工况约束自由度扭转工况约束自由度
车架通过悬架系统、车桥和车轮支承在地面上，为
和目标函数在优化设计模型中加以确定，在优化迭代时对目标函数和约束函数进行计算，以保证目标函数在满足约束条件的情况下不断下降。约束函数在
ＡＮＳＹＳ中是通过定义状态变量及状态变量的上下限
更准确地模拟实际使用工况。以弹簧实际支撑点为弹性体的着力点，以弹簧的实际刚度为弹性体刚度建立模拟弹簧］。
１．２车架载荷及边界条件
ＸｚＸ．Ｙ．ｚ
Ｓ， ≤Ｊｓ．＝１，２， …，ｍ
（３）
式中：。为主副车架结构不参与优化部分的总体积；Ａ为第个构件的横截面积；式（２）为板厚尺寸约束；ｔ … 和ｔｉ一分别为第ｉ个构件壁厚参数的下限值和上限值；式（３）为应力约束；ｍ为主副车架有限元模型中的单元
分布到车架纵梁上］，车架的重力取为惯性载荷，重力
３数学模型建立
优化问题的数学模型是实际优化设计问题的数学
抽象，在明确设计变量、状态变量、约束条件、目标函数
之后，优化设计问题就可以变为一般数学形式：
［６］
。
日为纵梁宽、高，Ｂ１、日一，曰７、Ｈ７为第１至第７横梁的宽、高。设计变量初始值及取值空间见表３。
４．２状态变量选取
整个优化流程如图２
来实现的。目标函数是根据具体的研究对象和研究目
标来进行定义的。
本计算中，将发动机、变速箱、电池、油箱等作为集
中载荷，根据其质心位置以及与车架之间的连接部位，
分摊到相应的节点上；驾驶室和乘客的质量按均布载荷分布到车架纵梁上。货物和车厢的质量按均布载荷
：
加速度为１。该车各部分质量见表１，边界条件见表２。
表１车架上各部分质量，ｋｇ厢重载重驾驶室乘员发动机变速箱油箱
２０ｏ６４８２３２１８４
｛ｔ１，ｔ２， … ，｝
４．１设计变量选定
在ＡＮＳＹＳ中欲建立参数化有限元模型．首先要选取设计变量，并将其参数化。通过ＡＰＤＬ语言可实现参
数化过程，主要包括三个方面工作： ① 定义变量并为变量赋值；② 用所定义的设计变量将原有限元模型参数
情况指定合适的状态变量和目标函数，以建立
总数；Ｓ为第个单元的ＶｏｎＭｉｓｓ应力值；Ｓ。为该单元
的许用应力值。
４车架参数优化
由于车架板材为企业已选定型号．故该设计只对车架横梁、纵梁、截面的长和宽进行优化。
化； ③ 从第一步定义的变量中选取若干变量，并将其定
义为优化设计变量。故本文选定的变量为梁的宽、高，分别为设计变量Ｂ、Ｈ，Ｂｌ、Ｈｌ，２、２， … ，Ｂ７，其中Ｂ、
合理的优化模型，然后选择合适的优化方法和设置合适的循环次数后即可进行轻量化计算
左后轮
右前轮右后轮
Ｚ
Ｘ．Ｙ．ｚＹ，Ｚ
ｙ．Ｚ
Ｘ．ｚ
２参数优化的过程
优化设计计算的主要任务是选择一定的优化方法，按照所选择的优化方法对所创建的分析文件及其相应的模型进行分析计算，然后将计算结果与较优结果进行对比、判断。得出新的较优结果，如此反复循环，直到最终得到符合条件的最优结果］。因此，通常为求得最优方案，一般需要进行多轮次的计算分析，因而通常所需时间较长。根据不同的研究目标，选取不同的设计参数作为设计变量，并根据实际