第7期 杨珏等：基于有限元技术的大型车辆设计方法 ,811 架设计的可用空间较大，比较容易满足强度要求，但 初始条件 也容易造成部分区域结构强度富裕，重量较大，降 拓扑优化 低结构件的自重，提高利用系数一直是大型非公路 多种可能的方案一 自卸汽车厂家的追求目标. ★ 确定轮廓 --- 参数设计 详细 有缺陷 设计 稳健设计 整体模型检验 无缺陷 1一前悬挂铰接点：2一货箱支撑面：3一货箱铰接点：4一后悬挂铰 完成设计 接点：5,6一两侧举升缸铰接点 图1本文提出的设计过程 图2车架及主要约束 Fig.1 Design procedure proposed in this paper Fig.2 Frame and its loads 可以选取部件中承受载荷的主要部件独立进行优 2.2拓扑优化与方案确定 化，但应在整体模型上对优化结果进行检验5-] 对于纵梁，主要的约束和载荷的位置为前后悬 构件的参数优化一般可表述为在满足约束条件 挂、三角架铰接点、举升缸下铰接点以及支撑货箱的 的情况下使其目标函数达到最优值，参数优化设计 表面和铰接孔，根据这些空间位置所涵盖区域确定 是一种确定性的结果，现实中结构的各种参数均是 一个纵梁设计的雏形，如图3(a)所示，以前后悬挂 在一定范围内波动的，如材料特性、载荷状况、生产 为约束点，将承载货箱的载荷，举升缸的载荷同时加 精度和产品的实际应用环境，这种波动可能导致设 载，按保留40%的材料对模型进行优化，结果如 计最优目标值超出约束界限而使设计失效，若以安 图3(b)所示，在拓扑优化的基础上，根据实际载荷 全系数代替不确定性因素，易导致过度设计或无法 的情况确定了两种设计方案，如图4所示.方案a 评价不确定因素的作用和量化设计的安全性，稳健 与方案b的区别主要在于举升缸支座的形式：方案 优化设计采用非确定性设计方法来克服传统优化方 a是一体化形式，希望能减少焊接的结构，但腹板存 法的缺点，在优化过程中将最优解向可行域方向移 在转折点，既便是采用大圆弧过渡，当梁在承受弯矩 动，使产品的可靠性得到满足[一10] 载荷时应力也会比较集中；方案b是分开形式，将举 2非公路自卸汽车车架设计 升缸支座以焊接的形式独立出来，使得梁的腹板尺 寸单一，承受弯矩载荷时高应力区比较分散 2.1载荷特点 (a) 非公路自卸汽车的车架（图2）是其核心结构部 件，承载车辆在运行过程中的多种载荷，例如：所运 输货物的动态载荷（如遇到不良路况，这种动态载荷 将会比较恶劣)；加速行驶时驱动桥产生的驱动力： 制动时的惯性力（电驱动自卸汽车与液压机械驱动 的车型在制动时有所区别，电驱动车型在车速较高 时一般为后轮制动，等车速降低到一定速度时，一般 为5kmh或3kmh前轮才有制动力，液压机械 图3车架结构的初步设计简图(：)与拓扑优化的单元伪密度(b) 车型在制动时前后轮的制动器均可实行制动，因此 Fig.3 Concept design of the vehicle frame (a)and its topological 车架的受力也有所区别)：自卸车倾斜货物时的举升 optimization result (b) 过程，特别是举升初期的较大的冲击载荷. 与载重量100t以下的中小型非公路自卸汽车 2.3参数优化 相比，超过150t的大载重量非公路自卸汽车的载荷 图5所示车架梁截面的基本结构，腹板的抗拉 更加恶劣，这种车型的内部具有更大布置空间，车 强度决定了梁的承载能力，侧板也会影响应力的分图1 本文提出的设计过程 Fig．1 Design procedure proposed in this paper 可以选取部件中承受载荷的主要部件独立进行优 化‚但应在整体模型上对优化结果进行检验［5—7］． 构件的参数优化一般可表述为在满足约束条件 的情况下使其目标函数达到最优值．参数优化设计 是一种确定性的结果‚现实中结构的各种参数均是 在一定范围内波动的‚如材料特性、载荷状况、生产 精度和产品的实际应用环境‚这种波动可能导致设 计最优目标值超出约束界限而使设计失效‚若以安 全系数代替不确定性因素‚易导致过度设计或无法 评价不确定因素的作用和量化设计的安全性．稳健 优化设计采用非确定性设计方法来克服传统优化方 法的缺点‚在优化过程中将最优解向可行域方向移 动‚使产品的可靠性得到满足［7—10］． 2 非公路自卸汽车车架设计 2∙1 载荷特点 非公路自卸汽车的车架（图2）是其核心结构部 件‚承载车辆在运行过程中的多种载荷‚例如：所运 输货物的动态载荷（如遇到不良路况‚这种动态载荷 将会比较恶劣）；加速行驶时驱动桥产生的驱动力； 制动时的惯性力（电驱动自卸汽车与液压机械驱动 的车型在制动时有所区别‚电驱动车型在车速较高 时一般为后轮制动‚等车速降低到一定速度时‚一般 为5km·h —1或3km·h —1前轮才有制动力‚液压机械 车型在制动时前后轮的制动器均可实行制动‚因此 车架的受力也有所区别）；自卸车倾斜货物时的举升 过程‚特别是举升初期的较大的冲击载荷． 与载重量100t 以下的中小型非公路自卸汽车 相比‚超过150t 的大载重量非公路自卸汽车的载荷 更加恶劣．这种车型的内部具有更大布置空间‚车 架设计的可用空间较大‚比较容易满足强度要求‚但 也容易造成部分区域结构强度富裕‚重量较大．降 低结构件的自重‚提高利用系数一直是大型非公路 自卸汽车厂家的追求目标． 图2 车架及主要约束 Fig．2 Frame and its loads 2∙2 拓扑优化与方案确定 对于纵梁‚主要的约束和载荷的位置为前后悬 挂、三角架铰接点、举升缸下铰接点以及支撑货箱的 表面和铰接孔．根据这些空间位置所涵盖区域确定 一个纵梁设计的雏形‚如图3（a）所示．以前后悬挂 为约束点‚将承载货箱的载荷‚举升缸的载荷同时加 载‚按保留40％的材料对模型进行优化‚结果如 图3（b）所示．在拓扑优化的基础上‚根据实际载荷 的情况确定了两种设计方案‚如图4所示．方案 a 与方案 b 的区别主要在于举升缸支座的形式：方案 a 是一体化形式‚希望能减少焊接的结构‚但腹板存 在转折点‚既便是采用大圆弧过渡‚当梁在承受弯矩 载荷时应力也会比较集中；方案 b 是分开形式‚将举 升缸支座以焊接的形式独立出来‚使得梁的腹板尺 寸单一‚承受弯矩载荷时高应力区比较分散． 图3 车架结构的初步设计简图（a）与拓扑优化的单元伪密度（b） Fig．3 Concept design of the vehicle frame （a） and its topological optimization result （b） 2∙3 参数优化 图5所示车架梁截面的基本结构．腹板的抗拉 强度决定了梁的承载能力‚侧板也会影响应力的分 第7期 杨 珏等： 基于有限元技术的大型车辆设计方法 ·811·