D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.07.044 第30卷第7期 北京科技大学学报 Vol.30 No.7 2008年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ju.2008 基于有限元技术的大型车辆设计方法 杨珏 张文明申焱华 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 摘要探讨了一种基于有限元技术的设计方法，该方法将拓扑优化、参数优化、概率设计技术有效的结合在一起。与传统设 计方法相比，这种设计方法避免了一定的盲目性，提高了设计效率，设计结果具有更高的可靠性·将此方法应用于大型非公路 自卸汽车的车架设计，取得了较好的效果 关键词非公路自卸汽车；车架设计；设计方法；有限元法 分类号TD562+.1:U469.4 Design method in the development of large-scale vehicles based on FEM technique YANG Jue,ZHA NG Wenming:SHEN Yanhua School of Civil and Environment Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China ABSTRACI A design procedure based on FEM was presented,which is combined with topological optimization.design optimization and probabilistic design technology.Compared with traditional design.this procedure can avoid some blindness work,the design progress is more efficiency.and the design result is more reliable.It was successfully applied in the development of a large"scale off- highway vehicle frame. KEY WORDS off-highway dump truck:vehicle frame design:design method:finite element method 在新产品开发初期，零部件的设计存在一定的 盲目性，最初整体轮廓一般是根据设计者的经验确 1设计方法 定的，这就有可能存在一些不足之处，使得接下来的 本文提出的设计过程如图1所示·在产品开发 各种优化设计建立在一个并不良好的初始模型上· 的开始阶段，其主要部件设计初始条件有布置空间 另外，一般系统优化设计得到结果是一系列确定的 和载荷两种约束，可给出一个较宽泛的空间模型，加 值，但现实中各种参数均是在一定范围内波动，存在 载所有可能的载荷进行拓扑优化，拓扑优化是高效 着一定的不确定性，因而需要对结构进行稳健性设 率、高质量设计的一个起点，在拓扑问题中，设计变 计，以提高产品本身的可靠性].本文在多种有 量是单元i内部的伪密度，伪密度值从0到1变 限元优化技术的基础上，提出了一种设计程序：以拓 化，≈0代表材料被移除，≈1则代表材料应该 扑优化为起点，以零部件所处的载荷、约束环境为依 被保留，根据拓扑优化给出的单元伪密度分布情 据准确给出初始模型，进行详细的优化设计；考虑到 况，结合实际的布置空间，设计者在已有的设计经验 产品某些特性的不精确性，针对得到的优化解进行 和实际生产条件基础上可以确定多种可能的设计 稳健性设计，确定最终设计，本文将这种设计方法 方案 应用于一个载重168t非公路自卸汽车的车架设计， 在确定了设计方案后进行详细结构设计，并进 避免了设计过程的盲目性，提高了效率，取得了良好 行优化设计，有些部件具有较复杂的形状并承受多 的效果 个载荷，这种情况下对整个模型进行优化并不现实， 收稿日期：2007-05-24修回日期：2007-06-24 基金项目：国家科技支撑计划资助项目(N。-v2006BAB11B00):国家自然科学基金资助项目(Na.5047173) 作者简介：杨珏(1975-)，男，讲师，Emil:yangijue12345@163.com基于有限元技术的大型车辆设计方法 杨 珏 张文明 申焱华 北京科技大学土木与环境工程学院‚北京100083 摘 要 探讨了一种基于有限元技术的设计方法‚该方法将拓扑优化、参数优化、概率设计技术有效的结合在一起．与传统设 计方法相比‚这种设计方法避免了一定的盲目性‚提高了设计效率‚设计结果具有更高的可靠性．将此方法应用于大型非公路 自卸汽车的车架设计‚取得了较好的效果． 关键词 非公路自卸汽车；车架设计；设计方法；有限元法 分类号 TD562＋∙1；U469∙4 Design method in the development of large-scale vehicles based on FEM technique Y A NG Jue‚ZHA NG Wenming‚SHEN Y anhua School of Civil and Environment Engineering‚University of Science and Technology Beijing‚Beijing100083‚China ABSTRACT A design procedure based on FEM was presented‚which is combined with topological optimization‚design optimization and probabilistic design technology．Compared with traditional design‚this procedure can avoid some blindness work‚the design progress is more efficiency‚and the design result is more reliable．It was successfully applied in the development of a large-scale off￾highway vehicle frame． KEY WORDS off-highway dump truck；vehicle frame design；design method；finite element method 收稿日期：2007-05-24 修回日期：2007-06-24 基金项目：国家科技支撑计划资助项目（No．v2006BAB11B00）；国家自然科学基金资助项目（No．5047173） 作者简介：杨 珏（1975—）‚男‚讲师‚E-mail：yangjue12345＠163．com 在新产品开发初期‚零部件的设计存在一定的 盲目性‚最初整体轮廓一般是根据设计者的经验确 定的‚这就有可能存在一些不足之处‚使得接下来的 各种优化设计建立在一个并不良好的初始模型上． 另外‚一般系统优化设计得到结果是一系列确定的 值‚但现实中各种参数均是在一定范围内波动‚存在 着一定的不确定性‚因而需要对结构进行稳健性设 计‚以提高产品本身的可靠性［1—4］．本文在多种有 限元优化技术的基础上‚提出了一种设计程序：以拓 扑优化为起点‚以零部件所处的载荷、约束环境为依 据准确给出初始模型‚进行详细的优化设计；考虑到 产品某些特性的不精确性‚针对得到的优化解进行 稳健性设计‚确定最终设计．本文将这种设计方法 应用于一个载重168t 非公路自卸汽车的车架设计‚ 避免了设计过程的盲目性‚提高了效率‚取得了良好 的效果． 1 设计方法 本文提出的设计过程如图1所示．在产品开发 的开始阶段‚其主要部件设计初始条件有布置空间 和载荷两种约束‚可给出一个较宽泛的空间模型‚加 载所有可能的载荷进行拓扑优化．拓扑优化是高效 率、高质量设计的一个起点．在拓扑问题中‚设计变 量是单元 i 内部的伪密度ηi‚伪密度值从0到1变 化．ηi≈0代表材料被移除‚ηi≈1则代表材料应该 被保留．根据拓扑优化给出的单元伪密度分布情 况‚结合实际的布置空间‚设计者在已有的设计经验 和实际生产条件基础上可以确定多种可能的设计 方案． 在确定了设计方案后进行详细结构设计‚并进 行优化设计．有些部件具有较复杂的形状并承受多 个载荷‚这种情况下对整个模型进行优化并不现实‚ 第30卷 第7期 2008年 7月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．7 Jul．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．07．044