汽车轻量化的基本途径.doc

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1、通过对车架有限元分析发现车架在车辆工作的三种典型工况下的强度和刚度均满足设计要求， 初始设计的车架方案是合理的。 但车架除了一些应力集中的部位应力较大以外其余部位应力均很小， 最大应力相比于材料的许用应力还有差距，结构强度有很大富余， 结构具备较大的轻量化空间。 因此在进行对比后确定结构轻量化的方案， 选择合适的轻量化参数对车架进行轻量化十分必要， 在得到轻量化后的车架后还需要在相同工况下进一步对其进行有限元分析，在满足设计要求的情况下保证轻量化效果明显。5.1轻量化方案的选择5.1.1汽车轻量化的基本途径汽车的重量对与汽车的功耗和排放具有非常大的影响， 汽车的轻量化对提高产品的竞争力有非常重

2、大的作用， 世界上各大汽车厂商都在致力于减轻车辆的重量，对于重型矿用车来说，其轻量化的意义则更明显。首先由于其重量极大，车身尺寸也极大， 很小的轻量化比例就会带来极大的收益。 其次作为载重汽车， 车身本身的重量小就代表着其装载比提高， 动力的利用率也提高。 此外还有如降低功耗和排放等。 总的来说汽车的轻量化具有 3 个基本途径， 新型的轻质材料、 先进的加工工艺和优秀的产品结构。很多研究表明，一些新型的材料不仅可以降低结构的重量同时还可以提升结构的性能。运用于汽车结构中的就是常用的利用高强度钢来代替普通钢，不仅可以减少结构重量同时其强度也会提升，本课题的车架在设计时就采用了高强度钢，这在重型车

3、辆中的运用十分广泛。 一些合金如铝合金和镁合金等的运用也会极大的降低车辆的重量，车身采用全铝结构的ASF 汽车，其材料是 6000 系列铝合金，对于普通的车身， ASF 车身在强度和刚度相当时汽车减重约45%。塑料作为一种耐腐蚀和密度极小的材料， 也广泛用于汽车内外饰中， 很多汽车的油箱就是采用塑料材质。在本课题设计的集成燃油箱中，在车架内设计了一层塑料防腐层，不仅成本低，质量轻而且具有很好的防腐作用。先进的加工工艺对于车辆的轻量化也有一定的作用。例如对铝合金加工时常常采用压铸法， 这种方法有一个极大的缺点，即是当液态金属在注入模具时，由于模具内空气排除的不干净， 固态化的金属内部会有很多小的

4、气泡，这种结构强度不够好而且可靠性差， 而且当其用于温度很高的部位时因为温度极高结构容易产生变形或表面不平整， 这使得铝合金部件在汽车上的应用受到极大的约束。一种新型的压铸方法可以完美解决上述问题，即无空隙压铸法。 这种方法是将模具内充满氧气，当液态金属进入模具时会与氧气发生反应， 这样内部的氧气迅速被消耗完同时金属成型。 目前进气歧管等部件已经广泛采用上述方法， 采用这种方法制造的进气歧管管内壁十分光滑， 气体可以以很小的阻力通过， 这样的设计不仅性能优秀而且重量很轻。 这种方法制造的进气歧管不仅提升了发动机的性能更是有着良好的经济效益。汽车结构的优化则是对结构进行优化设计，这里会用到一些优

5、化算法和有限元方法。优化设计目标是减小结构重量或减少一些构件数量。利用 CAE 软件分析，基于有限元的理论， 可以实现结构的设计和材料的合理布局。 其最终目的也是为了保证结构在质量最小的情况下具有最佳的刚度和强度。 利用有限元理论和CAD/CAE 技术对结构进行分析和优化，可以得到满足设计要求的前提下的零部件的参数和结构的最优化设计。 例如某举升机构 57 的三角臂初始结构如图5-1 所示，采用 CAE 技术进行结构优化设计后的结构如图5-2 所示，可以很明显的看到其材料节省了很多， 质量有明显下降， 但是其强度没有明显降低， 而且构件刚图 5-1 某举升机构三角臂优化前图 5-2 某举升机构

6、三角臂优化后（图片来源于同项目组资料）（图片来源于同项目组资料）度反而有所增强，优化效果十分明显。本课题设计的车架采用了高强度钢的设计， 在材料方面不存在太多的轻量化空间，而在工艺方面也没有比较好的工艺可以实现轻量化， 故可以采用结构优化设计的方法对车架进行轻量化设计。5.1.2结构优化设计的方法优化设计的基础是数学中的最优化理论， 最优理论是在满足设计要求的结果中寻求最优解。 根据设计要求的性能目标建立其优化目标函数和约束条件， 再通过计算求解其目标函数的最优方案。假设优化设计的设计变量为X x1, x2 ,., xn T ，目标函数为 f x ，则优化设计的数学模型为：求X x1 , x2

7、 ,., xn T使得min f ( x)满足gi (x) 0i1,2,.,mhj ( x) 0j1,2,.,k式中， gi ( x)、hj ( x) （i=1,2,m ;j=1,2,） 为,k约束函数。针对不同的优化对象采用的优化算法也不相同。 针对本课题常用的优化设计方法主要有三种：拓扑优化、形貌优化、尺寸优化。拓扑优化的目标函数是材料的分布，在设计区间内寻求材料的最佳分布。拓扑优化具有非常高的设计自由度和非常大的设计空间， 可以说拓扑优化是结构优化中发展前景最好的一种优化方式。 拓扑优化一般在设计最优结构之前进行， 是设计结构雏形的必备手段。形貌优化是一种比较先进的优化设计方法。 它一般

8、是针对薄壁构件和钣金等的优化，通过形貌优化可以得到构件的加强筋分布。 形貌优化的设计方法可以快速的确定构件的外貌特征， 而结构的刚度强度等条件也同时得到满足。 形貌优化本质上是运用最优化设计的理论寻找构件的特性点的最优坐标， 最后根据最优解重新构造构件从而得到最终结果。尺寸参数优化是一种非常成熟的优化方法， 这种优化是基于结构形式和拓扑关系不变的前提， 优化变量选取为结构参数， 并选择一定的约束条件得到在这种约束条件下满足目标函数的最优解。 尺寸优化目前广泛应用于结构设计中。 现在一种优化设计时常用的设计思路是已经确定了拓扑关系的结构， 利用尺寸优化确定结构的最佳尺寸参数。 尺寸参数优化不仅可

9、以保证结构拓扑关系和结构外形不变，同时可以使得结构重量得以减轻。5.1.3车架轻量化方案本课题的设计是将传统油箱集成在单纵梁车架的纵梁内， 设计本身就对车架的轻量化有一定的帮助， 同时在车架总体方案的设计上， 取消了原设计的 220 吨矿用车车架前端安装的平台， 这样的设计也带来了一定的轻量化的效果。 同时本课题设计的车架基本是由薄壁箱型结构组成， 车架的基本构件为一些薄板， 是典型的可以利用尺寸优化的方法进行结构优化设计的结构， 故本课题轻量化方案选择采用尺寸优化的方案。 通过前面的有限元分析我们发现车架纵梁中间部分的应力较大，两端的应力较小， 这也与车架的受力有关， 由于车架在设计时就是采

10、取的 3 段式的设计，故在尺寸优化时对车架纵梁采取分段尺寸优化。5.2车架的尺寸参数优化5.2.1尺寸参数优化的数学模型和设计流程首先介绍车架的尺寸参数优化的数学模型，设车架需要优化的板的个数为n ，V(x) 为车架构件的总体积，那么尺寸参数优化的数学模型为：求X x1, x2 , x3 ,., xn T使得nmin VAi X iV0满足i 1xi minxixi maxi1,2,.,nSj maxSj0j1,2,., n式中， xi (i1,2.n) 为第 i 个构件的尺寸参数，xi min , xi max 为第 i 个构件厚度的上下限值， Ai 为第 i 个构件的表面积， V0 为不参

11、与优化设计构件的体积， S j max 为第 j 个构件在优化工况下的最大应力值， Sj 0 为第 j 个构件材料许用应力值。在进行尺寸参数优化之前， 有必要确定尺寸参数优化的流程以提高优化计算的效率，其流程如图 5-3 所示。首先要建立车架的参数优化几何模型，然后建立其有限元模型， 一般针对结构厚度的参数优化都采用板壳模型， 随后进行有限元计算分析，这些内容在上一章已经完成。 在优化之前要确定设计变量和其优化范围，设计变量即为组成车架的各板的厚度， 然后定义状态变量和目标函数以及约束，状态变量选择车架的最大应力， 以材料的许用应力为约束， 目标函数为使车架的整体体积最小。 完成优化计算后对优

12、化结果进行圆整处理， 之后以优化得到的值建立车架有限元计算模型进行验算分析以及结果对比。5.2.2设计变量的选择设计变量一般为结构的长度、厚度或高度等几何尺寸参数， 280 吨矿用自卸车车架的纵梁长 15.7m，并且根据第四章的有限元分析计算可以知道，应力最大的地方集中在纵梁中部， 在车辆弯曲工况和扭转工况下， 中间的 3 根横梁承担大部分的载荷； 在举升工况下， 中间轴和最后一轴承担大部分的载荷。 这种情况下如果将整个纵梁的板厚采取尺寸优化必然会使纵梁两端的板厚度得不到充分优化，其材料的利用率很低。 由于纵梁采取的是 3 段式的设计， 这里可以采用分段尺寸优化的方法， 将 3 段纵梁的各尺寸

13、分开单独优化， 得到 3 段纵梁不同的优化后的壁厚，这种方法可以有效的对纵梁前端和后端的尺寸进行充分的优化，使轻量化效果更明显。 对于横梁来说， 理想情况是将每个横梁单独优化，但考虑到横梁的可交换性和批量制造的原因，将所有的横梁同时优化。综上所述，设计变量选择纵梁的前、中、后段的上板、侧板、下板的9 个壁厚以及纵梁加强板的厚共 10 个参数，选择横梁上板、侧板、下板和横梁内支撑板共 4 个参数，总共的参数为 14 个。各板的对应关系如图 5-4、图 5-5 所示。表 5-1 为各设计变量名称以及各设计变量的初始值和在进行优化时各设计变量的取值范围。5.2.3状态变量和目标函数的定义接下来要对优

14、化的状态变量和目标函数进行定义。不同的工矿下车架的整体应力和位移都不相同，其优化结果也会有很大不同，为了得到最好的优化结果，需要考虑各种工况下的影响。 本文在进行车架的优化设计时仍然考虑车架的3 种典型工况。以 3 种工况下的车架的最大应力值作为尺寸优化设计的状态变量，而同时以车架所选择的材料的许用应力作为应力状态变量的约束值，其值为500MPa。280 吨矿用自卸车车架的尺寸优化是以轻量化为目标的，其目的是保证车架结构在满足各种设计要求工况的前提下质量最小。 由于车架各构件的材料都相同，也就是其密度相同， 为了得到重量最轻的车架， 只需要考虑车架的体积即可。 所以本文在进行尺寸优化设计时选择

15、将车架的体积作为另一个状态变量， 这里的体积是指设计为优化参数的那些板的体积之和， 而优化的目标函数是使优化后车架的体积最小。5.2.4优化结果在确定完设计变量、状态变量和约束以及目标函数后进行车架的尺寸优化程序，经过 10 次迭代后得到优化设计结果，优化结果如表 5-2 所示。同时经过尺寸优化后得到的各个构件的壁厚值不为整数， 不能满足钢材的实际生产要求， 所以需要对优化后的各构件的壁厚进行圆整处理，得到最终的设计值。5.3优化后结构的验证分析优化后的尺寸是否满足设计要求还需要进一步验证， 首先根据圆整值重新建立车架的有限元模型， 之后还是按照第 4 章所论述的三种工况和边界条件对优化设计后

16、的车架进行有限元分析。图 5-6 和图 5-7 为优化后的车架在弯曲工况下的应力云图和位移云图。图 5-8 为应力较大部位的局部放大图。从图中可以发现，优化后的模型在弯曲工况下的最大应力为 369.1MPa，最大应力相比较于初始模型有一定的提升，但是对比材料的许用应力 500MPa 来说还有较大差距， 同时可以看到车架的整体应力分布与初始值相似， 但是整体应力值有所提高， 说明在满足设计要求的条件下材料的利用率提高了。同时可以看到优化后的车架在弯曲工况下的位移整体比初始设计增大了 8mm，总的来说增加的不多，其刚度仍然也是满足设计要求的。图 5-9 和图 5-10 为优化后的车架在举升 0工况

17、下的应力云图和位移云图。图 5-11 为举升 0工况下应力较大部位的局部放大图。 从图中可以看出， 优化后的车架在举升 0工况下的最大应力为 480MPa，相比较于初始设计值提高了很多，同时已经接近材料的许用应力值， 应力最大的部位仍然在举升支座所在横梁与纵梁的连接处， 同时可以看到车架整体应力提升， 应力分布更加均匀， 材料利用率提高了很多。 图中也可以看出优化后的车架在 0举升工况下的最大位移无明显变化，但是可以看到车架的整体相对变形比初始车架大， 但是大的不多， 仍然在可接受的范围。图 5-12 和图 5-13 为优化后的车架在扭转工况下的应力云图和位移云图。图5-14 是优化后的车架在

18、扭转工况下的应力较大部位的示意图。从图中可以看出在扭转工况下车架的最大应力为 475.7MPa，已经十分接近材料的许用应力，应力最大的部位位于被抬高的车轴悬架与车架连接处， 这与实际情况相符。 车架整体的应力分布与初始车架相似， 整体的平均应力有了很大提升， 材料利用率变大。同时优化后的车架在扭转工况下的位移相比较原车架增加了 7mm，车架的相对位移变化不大，优化后的车架满足设计要求。通过对优化后的车架在三种工况下的有限元计算结果的分析和跟原设计车架的分析结果比较可以知道优化后的车架在强度和刚度方面都可以满足设计要求。同时优化前的车架的体积为 6.525109mm3，优化前车架的重量为 51.

19、548t，优化后的车架的体积为 3.698109mm3，优化后的车架的重量为 29.215t，优化后车架减轻了 22.333t，相较于原车架质量减轻了 43%，轻量化效果十分明显。另外车架的各构件的厚度经过优化使车架的整体应力分布更均衡，平均应力更大，材料的利用率也更大， 同时车架的刚度没有明显变小， 可以得知采用分段尺寸优化方法对 280 吨矿用自卸车车架的尺寸优化十分成功。对比项目组成员在对 320 吨矿用车车架进行的轻量化设计中， 采用的是对车架纵梁整体尺寸的优化， 即对纵梁各板的厚度只取一个值优化， 优化后车架重量从 63.7t 降低到 46.7t，降幅为 26.7%。通过对比可以得知

20、， 280 吨矿用自卸车车架采用的分段尺寸优化取得的轻量化效果明显好于320 吨矿用自卸车车架采用的纵梁整体的尺寸优化取得的轻量化效果。根据项目组设计的220t 矿用车车架重 55.092t，相比较于 280 吨矿用车架重了很多，这是因为220 吨矿用车采用的直顶式举升机构安装了举升机构支撑，大大增加了车架的重量。以载重量和车架重量的比值来分析项目组设计的不同载重量矿用车车架结构的设计的轻量化效果。该比值越大，则车架的设计越先进。220 吨矿用车的载重量和车架重量的比值为4.0，320 吨矿用车的载重量和车架重量的比值为6.9，280 吨矿用车的载重量和车架重量的比值为9.6。通过以上分析可知

21、， 采用分段尺寸优化设计可以对结构进行充分的优化，进一步提高了材料的利用率， 轻量化效果优于普通的尺寸优化， 该方法具有一定的先进性。同时对比 220 吨和 320 吨矿用车车架的设计， 280 吨矿用车车架重量更轻，载重量与车架重量的比值更大， 280 吨矿用车车架的设计更先进。5.4本章小结本章首先建立了尺寸参数优化的数学模型和设计流程，然后按照设计流程先选择要优化的设计变量并选择车架在三种工况下的最大应力为优化的约束， 其中采用了将车架纵梁分为三段分别进行尺寸优化的方法， 将车架的体积为目标函数进行优化，然后将优化后的车架进行分析计算并与原车架进行对比， 结果显示车架在满足设计需求的情形

22、下取得了明显的轻量化效果， 并且分段尺寸优化相较于整体尺寸优化的效果更好。将车架纵梁的加强板设计为集成燃油箱的防波板是本设计的一大亮点。 前面章节对车架的强度刚度分析和优化均没有考虑纵梁加强板设计成防波板后的影响，所以对防波板进行强度刚度校核是十分必要的， 同时防波板在车辆实际运行中会减缓集成燃油箱内的介质晃动，防止油箱温度升高和产生静电带来的危险。集成燃油箱内的介质和防波板之间存在着互相影响的流固耦合关系， 所以必须在考虑流固耦合的影响下模拟集成燃油箱内的介质的晃动， 并且分析介质晃动情况和防波板的强度刚度，这也可以为防波板的优化设计提供参考。6.1流固耦合基本理论流固耦合是指流体和固体变形

23、之间的相互作用，流体的运动会使固体产生变形，而固体的变形又会反过来影响流体的运动。流固耦合分析可以根据数据传递的方向分为单向流固耦合分析和双向流固耦合分析。 单向流固耦合分析指的是耦合交界面上的数据传递是单向的， 这种流固耦合分析针对的是在固体结构因流体作用变形很小而可以忽略其对流体的反作用的情况， 所以一般是只分析流场计算结果对固体结构的影响， 。双向流固耦合分析是指耦合界面上的数据传递是双向的，即既有流体分析的结果对固体变形的影响也有固体分析的结果即位移或速度等对流体运动的影响， 这种流固耦合分析用于固体变形较大而不能忽略其对流体运动的影响的情况。6.1.1流体控制方程CFD 是计算流体力

24、学（ Computational Fluid Dynamics）的缩写，即利用数值求解方法求解流体力学的基本控制方程，它们分别是连续性方程、 动量方程和能量方程等。 CFD 的基本原理是求解控制流体流动的微分方程得到流场的离散分布，近似模拟出流场的分布。流体的连续性方程即质量守恒方程，这是自然界的通用方程， 任何自然界的物体都要满足质量方程， 从而流动问题也必须满足质量守恒定律，将单位时间内某一方向上流进的流量与流出的流量取差值，其值为：udxudxdydzu（ 6-1）u2u2dxdydzxxx式中， 为流体密度， u 为流体运动在 x 方向的速度分量，同理对另外两个方向进行计算得到边界的存

25、入量：uvw（ 6-2）xy0zt式中， v 、 w 分别是流体运动在 y 、 z 方向上的速度分量，在流体不可压缩的情形下，其密度为常数，则方程简化为：uvw（ 6-3）xy0z动量方程的本质是满足牛顿第二定律，在这里也可以称作Navier-Stokes 方程。根据牛顿第二定律和流体压强算法得到x 方向的动量方程：Du dxdydzxdxdydzfx dxdydz（ 6-4）Dt式中， x 、 v 、 w 分别是流体在 u 、 y 、 z 方向上的速度分量，为流体密度，同理可以求得 y 、 z 方向上的动量方程，整理后为：uu uv uw upfx（ 6-5）txyzxvu vv vw vp

26、f y（ 6-6）txyzywu wv ww wpf z（ 6-7）txyzz式中， fx 、 f y 、 f z 为单位质量彻体力， p 为流体压强。在上式中加上一个粘性：uu uv uw upf x2 u（ 6-8）txyzxvu vv vw vpf y2 v（ 6-9）txyzywu wv ww wpfz2w（6-10）txyzz6.1.2固体控制方程固体结构中关注的比较多的是结构的应力、 应变和位移等参数， 固体的控制方程是根据牛顿第二定律推导出来的。式 6-11 即为固体控制方程。(6-11)式中，为固体密度，为固体域的加速度矢量，为柯西应力张量，为体积力矢量。6.1.3流固耦合方程在流固耦合分析中也有必须遵守的基本原则， 在流固耦合的交界面要满足流体和固体的基本物理量的守恒， 式 6-12、6-13、6-14、6-15 即为流固耦合的方程。(6-12)(6-13)(6-14)(6-15)式中，、 d、q 和 T 分别为应力、位移、热流量和温度，下标的f 和 s 表示的是流体和固体。