自卸车车架结构优化设计研究

自卸车车架结构优化设计研究

韩进

柳州延龙商用汽车有限公司 545000

摘要：对于自卸车来说，车架是其中的主要承载部件，其结构会对整车的性能和寿命造成直接的影响，所以对于自卸车车架结构优化设计进行研究是非常有意义的。本文首先对于自卸车车架结构优化的重要性进行分析，从而对于自卸车车架结构优化设计内容进行研究。希望通过本文，能够为自卸车车架结构优化设计研究提供一些参考和帮助。

关键词：自卸车；车架结构；优化设计

1.自卸车车架结构优化设计的重要性分析

作为矿山车辆的重要组成部分，自卸车车架承受着多种载荷及极限工况，同时在矿山车辆中很多的总成件是利用车架作为载体。所以车架强度和刚度设计在矿山车辆设计中是非常重要的，可以说车架设计会直接影响整车的安全和性能。从目前的情况来看，很多设计者仍然是根据经验来进行设计，通过材料力学知识来对车架进行简化设计，这种设计的缺陷在于：首先造成了车架的计算和设计分离，无法有效提升设计者的设计水平。其次是对车架简化的过程太过粗糙，为了确保刚度、稳定性和强度使得车架的重量过大，形成了材料的浪费，同时也增加了成本。随着工业技术的发展，在自卸车设计制造中应用了更多的电子计算机技术，在进行产品的研发和管理中，已经对于计算机设计进行了广泛的应用，其中优化设计是最为关键的部分。结构优化设计是建立在结构分析基础之上的，根据既定结构、材料、形式和工况所带来了约束条件，来提出优化模型，这种方式是依据优化设计方法来得出优化模型，整个流程包括了结构分析、优化设计、再次分析和再次优化。如果采用这种方式来进行车架设计，那么能够使得车架结构达到经济、安全的目标。结构优化设计实现了结构设计的发展，有着非常重要的意义，同时也有着非常好的应用前景，这种设计方式能够显著提升设计效率和质量，并能够获得更多的经济效益和社会效益。在结构设计上，除了能够对结构强度和震动特性等方面进行改进之外，也能够减少结构的重量。通过结构优化设计来满足结构要求的前提下实现材料的节约，因此对于自卸车车架进行结构优化设计是非常重要的。

2.自卸车车架结构优化设计研究

结构优化设计就是通过应用数学规划方法和金丝算计技术，将数学最优理论最为前提条件，将性能指标作为其中的设计变量，把运动参数和结构指标作为目标函数，经产品的结构形式、几何运动范围以及其他限制作为约束条件，找到满足目标函数的设计变量方法。通过对应结构优化设计方法，能够避免出现传统设计中的问题，使得设计方案更加完善，从而为设计工作提供指导。结构优化所采用的工具为有限元分析软件，通过优化理论和计算方式来得到合理匹配结构参数，让结构能够满足经济性和安全性。结构优化设计为结构设计工作提供了先进的工具，从而实现了结构的最优设计，是现代设计中的重要研究内容。在自卸车车架结构设计中，为了能够实现性能提升和车身的轻量化，对于自卸车车架进行结构优化设计是非常必要的，根据结构优化设计的发展可将其分为多种不同的层次，分别包括了形状优化、布局优化、尺寸优化和拓扑优化。其中尺寸优化、拓扑优化和形状优化得到了广泛的应用，而布局优化则是要是对另外三种优化的统筹考虑。下面将对这几种结构优化设计方式进行研究。

2.1自卸车车架结构尺寸优化和形状优化

为了提升自卸车车架结构的经济性，需要在已经得知结构的类型和材料的情况下，对于结构中各个构件的尺寸来进行优化，这个过程就被称为尺寸优化。在结构优化设计中，尺寸优化所处的层次最低，通常可以实现对梁单元或者杆单元的截面尺寸进行优化，同时也包括板壳厚度等等，是最早应用的优化方式，且具有一定的有效性。如果对约束条件进行放宽，那么也可以让结构形状产生变化，例如将连续体边界形状作为重要的设计变量，那么就会将结构优化提升到更高的层次，将其称为形状优化。当前国外对于结构尺寸优化和形状优化的应用较多。从国内和国外的自卸车车架结构设计中对于尺寸优化和形状优化的应用中能够看出，这些技术在自卸车车架结构设计中发挥着非常重要的作用。由原有的单目标优化也逐渐的向着多目标优化的方向发展，其中包含着静力学分析的刚度和强度优化也逐渐发展成为了动态模态分析，使其应用的范围逐渐的增加，并且发展的十分成熟。

2.2自卸车车架结构拓扑优化

近些年来结构尺寸优化和形状优化已经发展的较为成熟，但是这两种优化方式中却存在着一定的缺陷，例如不可对结构拓扑进行变更。在这样的背景当中，拓扑优化开始得到了研究。拓扑优化的概念首先是在1904年被提出，1964年提出了基结构法后，在拓扑优化领域中引入了数值方法。拓扑优化的思想是找到结构最优拓扑问题，并将其转化为给定设计区域中找到最优材料的分布情况。国际上对于这方面的研究主要是开始于九十年代后，西方的很多大型汽车公司都开始致力于结构拓扑优化的研究，并在宝马、奥迪和沃尔沃等实际车型当中得到应用，当年已经得到了十分广泛的应用。例如在奥迪车的车身设计中就应用了拓扑优化技术。到了本世纪初，拓扑优化中应用了遗传算法，从而使得汽车的安全性得到了提升。我国的汽车设计中对于拓扑优化技术的应用仍然处于发展的过程中，需要进一步借鉴和学习国外的先进经验和技术，并对其进行积极的探索。因为自卸车的工作环境十分复杂，同时行驶路况也非常恶劣，有着很大的载重量，导致其中的结构容易找到破坏，这种破坏常常会发生在服役期间内。作为自卸车的重要部件，车架结构的刚度和强度等方面是确保车架正常工作的前提条件。为了提升车架使用的可靠性，对自卸车车架进行多目标拓扑优化，从而提升车架的频率和刚度。具体可采用OptiStruct优化模块中的变密度法，利用折中规划法得出的最优数学模型来达到静态多工况情况下动态低阶震动频率和刚度的最优结构，从而实现了对车架结构设计的指导，对于传统设计中的校核和修改流程进行了改变。通过多目标拓扑优化的车架，要比原车架质量更低，但刚度和低阶振动频率都有所提高。获得多目标拓扑优化后的车架和原车架采用的是同样的载荷方式，从而提升其性能，使其能够更好的适应恶劣环境。如果想要在实践中得到更加精确的新车架模型，需要进行进一步的细节优化设计，例如通过结合当前的制造工艺条件来对梁结构进行局部的尺寸、形状和拓扑优化，从而获得最佳形状和尺寸及焊接位置，从而获得更好性能的自卸车车架结构。

结束语：综上，结构拓扑优化是近20年来从结构优化研究中派生出来的新分支，在我国汽车行业蓬勃发展的时期，深入研究这项被认为最富挑战性的力学研究工作，使其在汽车的概念设计过程中充分发挥作用，对于提升结构可靠性，改善整车性能，真正知道汽车设计具有很重要的意义。

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