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SF35100型矿用自卸车车架结构优化

作　者: 蒋金星
导　师: 谷正气
学　校: 湖南大学
专　业: 车辆工程
关键词: 矿用自卸车拓扑优化多目标折衷规划法轻量化
分类号: U469.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 4次
引　用: 1次
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内容摘要

车架作为大吨位矿用自卸车的主要承载部件，其结构和重量直接影响整车的各项性能和使用寿命，在减重的基础上提高SF35100型矿用自卸车的刚度、低阶频率和强度，对整车性能的提高有着非常重要的意义。结构优化技术以数学规划为理论基础，运用最优化方法和CAE技术，在充分考虑多种设计约束的前提下，通过计算分析，在设计空间中获得材料的最佳分布方案。拓扑优化是近年来结构优化研究领域中的重要分支之一，也是结构优化中的重点和难点。本论文结合实际工程项目，对SF35100型矿用自卸车车架进行结构优化设计，主要完成了以下内容：1.基于多体动力学仿真分析，得出车架几种典型极限工况的载荷，并根据极限工况的载荷对车架做有限元强度校核，判断车架的安全系数是否在合理范围内。2.利用OptiStruct软件对自卸车车架做结构拓扑优化设计，以车架刚度和低阶振动频率为目标函数，建立多目标拓扑优化的数学模型。通过拓扑优化得到既满足刚度要求又能满足低阶振动频率要求的车架拓扑结构。理论分析和仿真分析对比表明，该自卸车的车架设计合理，充分说明运用拓扑优化理论指导车架结构设计的可行性和有效性，为车架的结构优化设计提供了一种新的思路。3.在车架拓扑优化设计的基础上，以车架某些薄壁部件的厚度作为设计变量，在同时满足刚度和频率指标要求的情况下，以车架轻量化为目标，建立车架结构的尺寸优化模型，在不降低刚度和频率的基础上得到了车架轻量化的设计结果。最后，对新车架和原车架做对比分析与验证，验证了有理论支撑的优化设计在工程问题中有一定的可行性。通过本文的研究，可以得到一种可行有效的车架CAE技术分析方法。这样就形成了有限元分析、多体动力学仿真分析以及结构优化设计为一体的分析流程，对矿用自卸车的研发和创新具有很强的指导意义，研究中所积累的一些分析数据，也为以后相应的工程分析规范提供一些帮助。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-20
  1.1 课题研究背景及意义  10-11
  1.2 矿用自卸车发展现状  11-13
  1.3 车架CAE技术的研究概况  13-17
    1.3.1 有限元分析  13-14
    1.3.2 多体动力学分析  14-15
    1.3.3 结构优化设计  15-17
  1.4 论文研究的主要内容  17-20
第2章多体系统动力学及结构优化基础理论  20-31
  2.1 多体系统动力学理论基础  20-22
    2.1.1 多体系统建模理论  20-21
    2.1.2 多体系统动力学数值求解  21-22
  2.2 结构优化理论基础  22-30
    2.2.1 优化理论综述  22
    2.2.2 最优化问题数学模型  22-23
    2.2.3 最优化方法  23-24
    2.2.4 现代结构优化  24-30
  2.3 本章小结  30-31
第3章极限工况下车架强度分析  31-44
  3.1 车架有限元分析模型的建立  31-33
    3.1.1 车架实体模型的处理  31-32
    3.1.2 边界条件模拟及网格划分  32-33
    3.1.3 约束与加载  33
  3.2 极限工况下车架的强度分析  33-43
    3.2.1 动力学仿真模型的建立  34-41
    3.2.2 车架强度评价准则  41-43
  3.3 本章小结  43-44
第4章车架拓扑优化设计  44-61
  4.1 建立优化模型  44-48
    4.1.1 划分优化空间  44-45
    4.1.2 建立载荷边界条件  45-46
    4.1.3 建立优化数学模型  46-48
  4.2 车架单工况刚度拓扑优化设计  48-54
    4.2.1 弯曲工况  48-50
    4.2.2 扭转工况一  50-51
    4.2.3 扭转工况二  51-52
    4.2.4 扭转工况三  52-54
  4.3 动态低阶固有频率拓扑优化设计  54-55
  4.4 结构多目标拓扑优化研究  55-60
    4.4.1 同时考虑刚度和频率要求的多目标拓扑优化函数  55-58
    4.4.2 优化结果的选择及分析  58-60
  4.5 本章小结  60-61
第5章车架轻量化设计  61-71
  5.1 多目标拓扑优化的新车架CAD模型  61-62
  5.2 尺寸优化设计模型的要求  62-63
    5.2.1 状态变量的选择  62
    5.2.2 设计变量的选取  62
    5.2.3 目标函数的选取  62-63
  5.3 新车架尺寸优化  63-65
    5.3.1 优化设计的一般流程  63-64
    5.3.2 车架尺寸优化模型的建立  64-65
  5.4 新车架与原车架对比分析与验证  65-69
    5.4.1 建立新车架的有限元模型  65
    5.4.2 车架的弯曲刚度分析  65-67
    5.4.3 车架的扭转刚度分析  67-68
    5.4.4 车架振动频率计算  68-69
  5.5 新车架与原车架性能综合对比分析  69-70
  5.6 本章小结  70-71
结论  71-73
参考文献  73-78
致谢  78-79
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  79

SF35100型矿用自卸车车架结构优化

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