微型货车车架的拓扑优化设计

车架是货车的关键部件,其动态特性直接影响整车振动和使用寿命,其中如何避免车架与其他零部件的共振一直是整车开发的关键问题。本文首先基于SIMP密度一刚度插值模型和优化准则法,建立线弹性连续体结构刚度拓扑优化的数学模型,对中间密度材料进行研究,得出惩罚因子的取值范围;并对与怠速工况下的发动机极易产生共振的货车车架结构进行了拓扑优化;由优化结果得出了改进的尾

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第2 4卷第 2期 2 0年 4月 08

机械设计与研究 M a hie De i n a s a c c n sg nd Re e rh

Vo12 . . 4 No 2 Apr 2 08 ., 0

文章编号：0 62 4 (0 8 0 -8 - 10—3 3 2 0 ) 20 70 4

微型货车车架的拓扑优化设计 潘锋。朱平，孟瑾 (海交通大学机械与动力工程学院机械系统与振动国家重点实验室，上 上海 摘

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要：车架是货车的关键部件，其动态特性直接影响整车振动和使用寿命，中如何避免车架与其他零其

部件的共振一直是整车开发的关键问题。本文首先基于 SMP密度一刚度插值模型和优化准则法，立线弹性 I建

连续体结构刚度拓扑优化的数学模型，中间密度材料进行研究，出惩罚因子的取值范围；对得并对与怠速工况下的发动机极易产生共振的货车车架结构进行了拓扑优化；由优化结果得出了改进的尾部横梁结构，减轻了并 横梁质量，重效果为 1 .3。减 56%

关键词：拓扑优化；车架；模态分析；结构优化；轻量化中图分类号：U 6 43文献标识码：A

To o o y O p i ia i n o i it u k Fr m e p l g tm z to fM n—r c a P e g, Z AN F n HU P n, ME ig NG i Jn ( c ol f c a i l n ier gT es t K yL b r oyo Me h ncl ytm a d V bai, S h o o h nc g e n h t e e a oa r f c a i s n ir o Me aE n i a t aS e tn S a g a J oT n nv r t, h n h i 0 2 0 C i ) h n h i i o gU i s y S a g a 2 0 4, hn a ei a Absr c: M i—r k fa e i h y a s mbl ft c n t y a c p ro ma c ie ty dee iest i ta t nituc rm st e ke se y o r k a d is d n mi ef r n e d r cl t r n hev— u m b ai n ie yce o h rt on a d l c l

ft e whoe t c f l r k. An o t v i e o a c e we n fa n t e s e bi si wa st e u d h w oa od r s n n e b t e r me a d oh ra s m le sa y h l k y prblm n t c e eo m e . I hi a r t ma i de o o o o y o tmiai n o i e rea tc c nt e o e i r k d v lp nt n t sp pe,a mahe tc mo lfrtp lg p i z to fln a l si o i u n— u um t cur sde e o d u i g S M P n epoa in s he d o tma i rt ra Th ne e it e st n o t— sr t ewa v lpe sn I u it r lto c me a p i l t c e . n y i i e i tr d ae d n i i p i m y mie t cur sr s ac e n ei b er n e fre p n n fS M P d lwa ba n d.The o oo p i z— z d sr t e wa e e h d a d ar la l a g x o e to I u r o mo e so ti e n tp lg o tmia y to sa le n o at c r me i c e o a ema a e p a ee sl t ngnea de p e h eo tmiai n i nwa pp id it r k fa n whih r s n nc y tk l c a iy wih e i ti ls e d.T p i z to u p o e s c n ege o r u t l d fn d r a r s— r c s o v r d t wa d a q ie wel e e e rco smemb ra d ta lt d t s ie weg ts vn so 5.% i e n r nsae o a ma sv ih a ig f1 63 o e h rg n lo . v rt e o i a ne i Ke y wor ds: tp lg p i ia in;r c r m e; d i nay i o o o o tm z to t k fa y u mo a t a lss;sr cu a ptmiain;lg t ih l y t t r lo i z to u ih weg t

结构拓扑优化是优化领域出现的一种新的研究方向。

发的关

键问题。

它是指产品的特定设计区域，在满足给定约束条件下寻求材 料的最优分布形式。大型结构如飞机、车中的复杂部件的汽

下面首先基于 SMP密度一刚度插值模型和优化准则 I法，建立线弹性连续体结构拓扑优化的数学模型，对能压缩中间密度材料的惩罚因子的合理取值范围加以分析；以一并微型货车车架为研究对象，经模态分析发现车架与发动机存 在共振的危险。通过对车架进行拓扑优化得出新的尾部结 构避免共振的发生，时减轻了零件质量，中拓扑优化方 同其法的应用对今后汽车结构轻量化研究提供了可借鉴的方法。

设计问题，仅仅依靠传统的设计经验以及模拟试验的优化方法已很难胜任，而拓扑优化方法的应用能更好的解决这些难 题，尤其在结构减重方面…。汽车结构轻量化设计是今后汽车技术发展的前沿和热点，也是解决汽车节能和环保的有效 手段之一 _。因此如何有效的利用拓扑优化方法来最大限 2 J度地减少汽车自身质量具有深远的意义。 汽车由于受路面不平整和发动机转动等影响，行驶过在

1拓扑优化中惩罚因子取值研究 连续体结构拓扑优化常见的方法有均匀化法和变密度法， SMP。( odI t pcMi s c rs i ea—而 I。 Sl s r i c t t e t P n i i o o r r u wh o u l

程中会产生一定的动载荷。当所受载荷的频率与车身结构的某一阶固有频率接近时，就会引起结构共振，而产生很从高的动应力，造成强度破坏或产生不允许的大变形，破坏汽车的性能 J因此设计时必须对结构进行动态性能分析。车，架是货车的关键部件，其动态特性直接影响整车振动和使用寿命，中如何避免车架与其他零部件的共振一直是整车开其 基金项目：国家( 6高技术研究发展计划资助项目(0 6 0 Z 2 83) 20 AA 4 16)收稿日期：2 0 0 7—1 1—1 6

zt n是变密度法常用的一种密度一刚度插值模型并广泛 ao ) i应用于多种性质的目标函数和约束条件的情况—.如最大刚 F,度问题，最小特征值问题和最小质量问题。 1 1拓扑优化数学模型 .体积约束下基于 SMP方法的结构拓扑优化设计问题的 I

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本数学模型为： Mii(,2 , ) n厂 ,一 】

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