卡車板簧支架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)
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傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)產(chǎn)品,然后進(jìn)行反復(fù)的物理試驗(yàn),驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性,這樣不但費(fèi)時(shí)而且造成不必要的浪費(fèi),很不經(jīng)濟(jì). 目前,汽車行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈,為了在本行業(yè)中設(shè)計(jì)出既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的產(chǎn)品,有限元模擬技術(shù)引起了設(shè)計(jì)人員廣泛的關(guān)注。這種技術(shù)不僅可以減少反復(fù)的物理試驗(yàn),避免材料和人工的浪費(fèi),而且可以縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)的周期,促進(jìn)新產(chǎn)品的早日上市。HyperWorks的OptiStruct模板,是以有限元方法為基礎(chǔ)的最佳優(yōu)化工具，本文基于此模板，利用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，建立板簧支架的優(yōu)化模型,根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行了有限元分析驗(yàn)證。這種設(shè)計(jì)思路應(yīng)該得到大力推廣。
1 拓?fù)鋬?yōu)化
1.1 拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)模型
拓?fù)鋬?yōu)化能夠在給定的設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)，尋求結(jié)構(gòu)材料的最合理分布，對(duì)于連續(xù)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，目前采用的材料流動(dòng)方法有Homogenization和Density兩種方法。
本論文選用Density法，其基本思想是將連續(xù)結(jié)構(gòu)離散為有限元模型，然后引入一種假想的[0，1]之間的密度值，每個(gè)單元的密度為設(shè)計(jì)可變量，這樣就將拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單元材料密度的最優(yōu)分布問(wèn)題，應(yīng)用最優(yōu)化準(zhǔn)則法或數(shù)學(xué)規(guī)劃方法求解材料最優(yōu)分布設(shè)計(jì)，假定密度與材料特性呈非線性關(guān)系[1]
v為泊松比；
E 為材料的彈性模量。
變密度法數(shù)學(xué)模型如下：
τ為Ω的應(yīng)力邊界；
ηi為單元密度；
fi為作用在初始結(jié)構(gòu)上的體積力；
ti為作用在初始結(jié)構(gòu)上的面積力；
m0為給定初始結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量的上限；
m*為優(yōu)化時(shí)指定去除材料的質(zhì)量；
△為優(yōu)化時(shí)指定去除質(zhì)量的百分比；
ηi2為密度下限；
J1, J2 ... Jk為優(yōu)化后單元密度保持不變的單元號(hào)。
1.2 邊界條件
1.2.1 約束邊界條件
根據(jù)實(shí)際使用情況，如圖1所示和車架連接的5個(gè)孔位，除了繞Y 軸自由度釋放外，其余5個(gè)自由度全部約束。
整個(gè)板簧支架受力主要分成兩個(gè)部分，第一部分為前板簧對(duì)支架的力，第二部分為中間板簧對(duì)支架的力。第一部分的力分別為Z向27500N，Y向19250；第二部分的力分別為Z向27500N，Y向19250N，X負(fù)向19250N。
1.2.2 拓?fù)溥吔鐥l件
圖1為前板簧后支架拓?fù)淠Ｐ蜕隙x的設(shè)計(jì)空間( 深灰)和非設(shè)計(jì)空間(淺灰)。設(shè)計(jì)空間部分的材料分布將按照Density方法進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。
本拓?fù)湓O(shè)置位移響應(yīng)和質(zhì)量響應(yīng)，在優(yōu)化時(shí)為了保證整個(gè)模型的剛度和強(qiáng)度,根據(jù)以往試驗(yàn)結(jié)果,總位移上限定為2mm,最大應(yīng)力限制為250MPa；同時(shí)考慮鑄造拔模方式和方向。
評(píng)論