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离散变量三段式车架轻量化设计

更新时间:2009-03-28

1 引言

由于越野车行驶的路面情况较复杂,而车架又是车辆受力的主要部件,车架的结构性能又决定了车辆在操纵稳定性、乘坐舒适性、安全性。因此车架是车辆可靠性和寿命研究的重点。鉴于此,综合考虑车架静动态特性来进行优化便显得十分必要。

车架的结构优化主要分为静态优化,动态优化,静动态优化三大类。静态优化:考虑满足刚强度要求下的车架轻量化[1-2,7-8];动态优化:考虑振动和乘坐舒适性等[3-4];静动态优化:考虑静动态条件下车架的轻量化[5-6]。在处理静动态问题时,多数仅仅将车架厚度作为设计变量,且没有将车梁钢材规格设为离散变量。

在数值计算过程中,共监测11个轴中心位置处的湍动能,试验段轴中心线位置的湍流强度分布见图11。湍流强度定义为

在结构优化中,对设计变量的处理上的方法主要有两种。

第一种为连续变量的优化方法,这种方法运用最普遍,利用较成熟对的连续变量优化将离散的设计变量简化为连续变量来处理。按照一定规格进行圆整,得到离散解。这种方法的优点是寻优快,缺点是进过圆整处理后的值和最优解误差较大。

式中:σvonmise—最大von-mise应力。

根据计算结果保留绝对值加权结果较高的前10个设计变量。由图可知:取 L-1、L-2、L-3、S-1、S-2、S-3、S-5、S-6、S-7、S-8为最终的优化设计变量。

2 有限元模型的建立

越野车车架为三段式,各段梁通过螺栓刚性联接。在建模型时将三段梁的接触联接的部位直接采用刚性连接,全车总重为7500kg,车架的重量为533.7kg。将全车剩余质量(6966.3kg)按照质心位置设置多个质量点,利用耦合约束将质量点分别和相应位置进行连接。车架有限元模型,如图1所示。

  

图1 车架有限元模型Fig.1 Finite Element Model of Frame

2.1 静态分析

研究车架在多种典型工况条件下的静态特性。由于不考虑悬架和轮胎对载荷施加的影响,直接将边界条件施加在车架和悬架连接处。所要分析工况如下:工况一(满载弯矩):车在重力作用下,约束四个悬架连接处的所有平移活动运动;工况二(右后轮悬空):车在重力作用下,约束除右后轮其他三个悬架连接处的平移运动;工况三(右前轮悬空):车在重力作用下,约束除右前轮其他三个悬架连接处的平移运动。

12Hz<fre1<16Hz,fre3<33.5 Hz,46Hz<fre4<60Hz

  

图2 工况一应力云图Fig.2 Stress Cloud Under the Condition of First Condition

  

图3 工况一位移云图Fig.3 Displacement Cloud Under the Condition of First Condition

  

图4 工况二应力云图Fig.4 Stress Cloud Under the Condition of Second Condition

  

图5 工况二位移云图Fig.5 Displacement Cloud Under the Condition of Second Condition

  

图6 工况三应力云图Fig.6 Stress Cloud Under the Condition of Third Condition

  

图7 工况四位移云图Fig.7 Displacement Cloud Under the Condition of Third Condition

 

式中:Kn—安全系数;σs—材料的屈服极限;[σ]—许用应力。车架材料为550L,屈服极限为550MPa,得到安全系数为2.68。显然安全系数较高,并且车架的应力和位移较小,因此车架的强度、刚度余量较大,有对其优化的必要。

2.2 动态分析

优化种类为单目标全局优化,但部分设计变量被离散化容易导致无法寻得最优解。利用多岛遗传算法具有良好的全局搜索能力的特点,可以解决此类问题。

 

表1 频率和振型Tab.1 Frequencies and Mode Shapes

  

阶数 频率 振型1 16.3 绕纵轴扭转2 28.7 左右方向弯曲3 36.2 上下方向弯曲4 49.3 左右方向扭曲5 50.1 前段梁局部振动

越野车在行驶条件下的主要激励因素有:行驶路面的不平度、发动机常用转速区间、传动轴不平衡引起的振动等。(1)路面不平度,对汽车运动所引起的激励频率一般较低,多属于12Hz以下。(2)发动机的爆发频率为(16~20)Hz,常用车速爆发频率(33.5~48)Hz。(3)当车速为(50~125)km/h时,传动轴不平衡引起的弯曲振动频率为(21~63)Hz,但是由于激励较小可以忽略。由分析结果看出第一阶和第三阶频率在主要激励频率范围内。特别是常用车速的爆发频率容易与车架的第三阶频率产生共振。

3 灵敏度分析

采用实验设计方法(DOE)对某型越野车的车架进行各设计变量响应的灵敏度分析。车架的设计变量有17个,变量较多可能导致优化过程耗时过长甚至无法寻得最优解。主要优化车架的第三阶频率和质量。经过300次采样计算得到灵敏度的计算结果。将第三阶频率和质量灵敏度权重设为0.5并求得两者的绝对值加权的和。利用这种方法可以简单高效的找到综合灵敏度较大的设计变量,结果,如图8所示。

  

图8 灵敏度分析结果Fig.8 Sensitivity Analysis Results

在车架静动态优化和设计变量离散化分析中,通过设置大量的设计变量,采用实验设计方法选择灵敏度较大(灵敏度越大,对于结构影响越显著)的设计变量[9],选择合适的优化算法,使得优化结果更准确高效。

4 优化模型的建立

4.1 优化流程

利用python语言编写模型的命令流文件(.py),编辑批处理文件(.bat)和结果输出文件(.dat)。实现Abaqus和Isight的集成,优化流程,如图9所示。

  

图9 优化流程Fig.9 Optimization Process

4.2 离散变量的优化数学模型

优化问题的三个基本因素:设计变量、约束条件和目标函数。对优化问题进行数学抽象化可以得到优化问题的数学模型。在明确优化问题的三个基本因素之后,优化问题便可以用如下数学模型表示:

 

社会工作的专业化道路发展历程表明,社会工作的产生和发展从来没有离开过志愿服务的影响。社会工作产生于志愿服务,为了专业化和职业化而与志愿服务分道扬镳,又因为过度专业化造成的认受性危机以及多元化福利模式发展需求而重新确定专业位置,回到与志愿服务平等合作的道路上。为此,在积极推进社会工作的职业化和专业化的背景下,如何处理好二者的关系,充分利用志愿服务资源,是社会建设的重要议题。

4.3 设计变量

设计变量主要有板材的厚度尺寸和截面尺寸两种。其中截面尺寸主要有前段梁的宽度、横梁的宽高度和尾梁的宽高度等。此外截面尺寸为实数,并且在优化过程中是连续变量;根据查询汽车大梁用热轧钢板和钢带标准和常见板材的规格尺寸,将板材厚度变量在Abaqus中建立板材厚度的型材库作为离散集,对板材厚度设计变量可行域进行排列,再将排列序号作为搜索变量,优化时板材规格从该型材离散集中取值。

4.4 约束条件

约束条件有尺寸约束,频率约束,刚度约束,强度约束。

4.4.1 尺寸约束

 

式中:xi 、xi —设计变量的下限和上限;n—设计变量的数量。

WV-CNN中文文本语义相似度计算模型由三部分组成:第一部分是对输入文本进行词语向量化表示,通过对中文语句进行分词、编码、生成向量的过程获得文本的词向量,将其作为卷积神经网络(CNN)的输入;第二部分是即为卷积神经网络(CNN),设置了卷积、Dropout、池化和Flatten4层,通过对参数进行选择和训练,得到优化的参数和结果;第三部分是输出,即文本语义相似度的结果。

式中:xi—设计变量;f(x)—目标函数;gu(x),hv(x)—约束条件。

4.4.2 频率约束

经计算初始尺寸车架模型得到计算结果:满载弯矩工况下,车梁最大应力为80.9MPa,最大位移为3.2mm;右前轮悬空工况下,车架的最大应力为180.2MPa,最大位移为5.3mm;右后轮悬空工况下,车架的最大应力为205.0MPa,最大位移为7.0mm。应力和位移,如图2~图7所示。

式中:fre1、fre3、fre4—第一、三、四阶固有频率。

4.4.3 刚度约束

拆译法又称分句法(splitting),指为了符合汉语表达习惯,也为了更清楚的表达原文意思,在翻译时可以改变原文的结构,把原文的某个成分从原来的结构中分离出来,译成一个独立成分或从句或并列分句。商务英语和汉语的表达风格不同,句子主语的“有灵”或“无灵”各具特点,翻译的时须从原文的整体风格出发,灵活处理问题,必要时应予以适当的断句,采用拆译法进行翻译。

 

式中:umax—车架的最大位移;[u]—许用位移值。

我国历史上刻造时间最长的经书是房山石经。隋末大业年间,僧人静琬因恐佛经毁灭失传,于是在幽州白带山(今北京房山),开凿岩壁为石室,将石室四壁与置于石室内的方石磨光后,刻制佛经。历经唐、宋、 金、元、明、清朝千余年代代传刻,共刊石一万余块,形成了工程浩繁的石刻大藏经与释家经藏,是名副其实的“石头书”。

4.4.4 强度约束

σvonmise≤250MPa

基于以上的学习模式,英语零班适用于英语基础较好,对英语具有浓厚的学习兴趣及热情,并具备很强的学习主动性,能够积极主动的完成学习任务,并具备团队意识,协作能力强的学生。

另一种为离散变量的优化方法[10],将设计变量按照实际规格尺寸离散化,避免了圆整法带来的优化缺陷。其中包括完全离散变量优化方法和基于现代智能优化算法的离散变量优化方法。

4.5 优化方法

研究车架的动态特性,采用自由约束方式。分析前五阶频率和振型,经过和实际激励频率的比较分析得出结果。车架的前五阶的频率和振型,如表1所示。

知识建模是知识共享与重用的基础,是进行知识管理的关键,对航空制造业领域知识的分类是对其所包含知识进行管理的基础,可为从事本行业的人提供理论指导,以使纷繁复杂的知识得以依类整理,各有归属,从而建立起次序化、规范化、系统化的知识世界。本文从航空制造业领域知识分类入手建立面向知识层面的多层次、多维度的航空制造业领域知识表达模型[1],为航空制造业领域知识管理系统的构建奠定基础。对航空工业进行快速高效的设计制造生产活动起着至关重要的作用。

建筑工人最近一次与配偶或同居者发生性行为时使用安全套的比例为三种职业人群中最低,发生商业性行为、临时性行为的比例也较高。研究发现,建筑工人的劳动强度较大,精神生活单调,又多处于性活跃年龄,社会约束力较弱,发生高危性行为者较多[8],针对该人群的干预工作应多侧重推广安全套的正确使用。建筑工人接受检测前咨询的比例是三种职业流动人口中最高的,说明该人群对性行为传播艾滋病的防控知识需求十分迫切[8],提示应不断优化检测咨询工作,提供更便捷的咨询服务。

遗传算法是通过模拟生物进化的规律,在人工系统中实现确定目标的优化。因为其具有很高的广泛的适应性、隐含并行性、优良的鲁棒性等优点,所以自从遗传算法理论被提出后,对其研究就没有停止过,用在多个领域和学科。也在此基础上发展出了多种遗传算法。多岛遗传既是通过对遗传算法的改进而来的。

5 优化结果分析

优化模型经过长时间的计算达到收敛。迭代过程,如图10所示。优化前后对比,如表2所示。

多维农业休闲综合体发展思路见图1。多维农业休闲综合体是指在城市郊区或乡村集镇打造一个休闲娱乐区,是集休闲、娱乐、商务等多种功能于一体的现代农业生产经营模式。在本项目中,多维主要包含时间多维、产业多维以及功能多维。时间多维指不同时间维度对园区发展有不同的要求,将一天、一年及一生的视角作为方案思考的出发点来进行规划设计;产业多维指时间维度的丰富对产业的发展提供了一定的要求,所以本文以柑橘产业为核心,以“农业+N”为模式,使其与业态形式融合发展;功能多维作为综合体最突出的特点,即在产业多维的基础上,将产生、发展不同的功能,最大程度上满足不同人群的需求,从而丰富综合体的体验形式。

  

图10 目标函数的迭代历史Fig.10 Iteration History of Objective Function

 

表2 优化初始值和最优解的对比Tab.2 Contrast of Initial Optimization Value and Optimization Solution

  

变量 编号 初始值 优化值底架厚度(mm) S-1 5 4前段梁厚度(mm) S-2 7 8中段梁厚度(mm) S-3 7 6横梁二厚度(mm) S-5 5 6后段梁厚度(mm) S-6 8 6尾梁厚度(mm) S-7 5 4横梁三厚度(mm) S-8 5 4.5中段梁宽度(mm) L-1 80 75.5后段梁宽度(mm) L-2 90 111.9前段梁宽度(mm) L-3 80 66.7第一阶频率(Hz) fre1 16.3 14.9第三阶频率(Hz) fre3 36.2 32.2工况1应力(MPa) σvonmise1 80.9 110.5工况2应力(MPa) σvonmise2 180.2 243.2工况3应力(MPa) σvonmise3 205.0 247.6工况1位移(mm) u1 3.2 3.8工况2位移(mm) u2 5.3 6.5工况3位移(mm) u3 7.0 6.9总质量(kg) mass 533.7 503.2

从上表结果容易看出:

优化结果在约束范围内,符合优化预期要求,应力和位移虽然均有所增大但都满足材料性能要求。

陈寅恪《邓广铭〈宋史·职官志考正〉序》有言:“华夏民族之文化,历数千载之演进,造极于赵宋之世。”[16](P277)此论断指出了宋代文化在中国古代社会鼎盛性之特征。宋代的文化、文学、艺术的繁荣与士文化的特征最为密切。作为宋代士大夫优秀代表的陆游,在考察其与《世说新语》的关系时,“士”之精神是绕不开的话题。

优化后车架的质量为503.2kg与优化之前车架质量533.7kg比较降低了30.5kg减轻了5.7%。这表明,优化达到了减轻结构质量的效果。优化后第三阶固有频率为32.2Hz,低于激励频率33.5Hz,有效避开了激励的频率区间,降低了发生共振的概率。

6 结论

通过分析多种典型工况下的静力学分析和车架的自由模态,并将设计变量按照结构的规格尺寸离散化。通过优化软件经过多次的迭代仿真计算,得到优化结果。这样就得到的结果更符合实际工程运用情况。使得优化结果更符合实际工程情况。通过对三段式车架优化达到了预期目标,证明了静动态结构优化的可行性和工程问题转化为数学问题的有效性,体现了现代设计方法的先进性。

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徐祖国,朱志敏,于存贵
《机械设计与制造》 2018年第05期
《机械设计与制造》2018年第05期文献

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