关键词：车架;;多目标拓扑优化;;疲劳寿命;;轻量化
摘 要：重型载货汽车长期处于满载甚至超载运行中,工作条件恶劣,路况复杂多变,使得受力最为复杂的车架很容发生疲劳破坏,而车架作为重型汽车的关键零部件,其疲劳寿命性能的优劣将直接影响汽车的品质和安全性。因此,研究车架的疲劳寿命显得很有必要。本文以某重型汽车的车架为研究对象,基于变密度法拓扑优化理论,对车架进行多目标拓扑优化设计。同时,对该车架进行抗疲劳轻量化研究。主要研究内容如下:(1)建立了车架拓扑优化模型,根据重型汽车的配件质量以及满载质量来确定车架的受力情况,分析了车架在四种典型工况下的约束情况。本文采用折衷规划法把多工况刚度和低阶频率的多目标优化问题转化为单目标优化问题,通过层次分析法计算出了各个子目标的权重系数,基于变密度法以静态多工况下柔度最小和多阶低阶固有频率最大为目标,对车架进行多目标拓扑优化。(2)根据拓扑优化结果以及参考同类型汽车车架的结构,建立了车架几何模型和有限元模型。对车架在四种典型工况,即弯曲工况、扭转工况、紧急制动工况和紧急转弯工况下的静态响应进行了分析,得到了车架的应力分布和变形,并进行了强度校核。基于模态理论对车架进行模态分析,并提取前十阶模态频率以及振型。(3)依据多体动力学原理,建立了该重型汽车动力学简化模型,以C级路面的时域激励信号为输入,获得了该车满载行驶下车架与悬架连接处的动态载荷时间历程。结合材料S-N曲线、载荷谱以及单位载荷下准静态应力结果,基于名义应力法,同时选用Miner线性累积损伤法则对车架进行了疲劳寿命分析。(4)选取车架纵横梁和加强板厚度作为设计变量,以车架质量和疲劳寿命为优化目标,建立了车架结构的抗疲劳轻量化模型,利用多目标遗传算法(NSGA-II)对车架进行基于Kriging近似模型的抗疲劳轻量化设计。优化后,在车架疲劳寿命略微提高的情况下,质量减少了4.4%,并且该车架仍然具有良好的静动态特性。本论文较为全面的对重型汽车车架进行了抗疲劳轻量化研究,达到了预期效果,论文研究成果对重型汽车车架的实际研发具有一定的指导意义。
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