汽車輕量化的基本途徑

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1、 通過對(duì)車架有限元分析發(fā)現(xiàn)車架在車輛工作的三種典型工況下的強(qiáng)度和剛 度均滿足設(shè)計(jì)要求， 初始設(shè)計(jì)的車架方案是合理的。 但車架除了一些應(yīng)力集中的部位應(yīng)力較大以外其余部位應(yīng)力均很小， 最大應(yīng)力相比于材料的許用應(yīng)力還有差距，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有很大富余， 結(jié)構(gòu)具備較大的輕量化空間。 因此在進(jìn)行對(duì)比后確定結(jié)構(gòu)輕量化的方案， 選擇合適的輕量化參數(shù)對(duì)車架進(jìn)行輕量化十分必要， 在得到 輕量化后的車架后還需要在相同工況下進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行有限元分析，在滿足設(shè)計(jì) 要求 的情況下保證輕量化效果明顯。 5.1 輕量化方案的選擇 5.1.1 汽車輕量化的基本途

2、徑 汽車的重量對(duì)與汽車的功耗和排放具有非常大的影響， 汽車的輕量化對(duì)提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力有非常重大的作用， 世界上各大汽車廠商都在致力于減輕車輛的重量，對(duì)于重型礦用車來說，其輕量化的意義則更明顯。首先由于其重量極大，車 身尺寸也極大， 很小的輕量化比例就會(huì)帶來極大的收益。 其次作為載重汽車， 車身本身的重量小就代表著其裝載比提高， 動(dòng)力的利用率也提高。 此外還有如降低功耗和排放等。 總的來說汽車的輕量化具有 3 個(gè)基本途徑， 新型的輕質(zhì)材料、 先進(jìn)的加工工藝和優(yōu)秀的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。 很多研究表明，一些新型的材料不僅可以降低結(jié)構(gòu)的重量同時(shí)還可以提升結(jié) 構(gòu)的性能。運(yùn)用于汽

3、車結(jié)構(gòu)中的就是常用的利用高強(qiáng)度鋼來代替普通鋼， 不僅可 以減少結(jié)構(gòu)重量同時(shí)其強(qiáng)度也會(huì)提升， 本課題的車架在設(shè)計(jì)時(shí)就采用了高強(qiáng)度鋼， 這在重型車輛中的運(yùn)用十分廣泛。 一些合金如鋁合金和鎂合金等的運(yùn)用也會(huì)極大 的降低車輛的重量，車身采用全鋁結(jié)構(gòu)的 ASF 汽車，其材料是 6000 系列鋁合金， 對(duì)于普通的車身， ASF 車身在強(qiáng)度和剛度相當(dāng)時(shí)汽車減重約 45%。塑料作為一種 耐腐蝕和密度極小的材料， 也廣泛用于汽車內(nèi)外飾中， 很多汽車的油箱就是采用 塑料材質(zhì)。在本課題設(shè)計(jì)的集成燃油箱中， 在車架內(nèi)設(shè)計(jì)了一層塑料防腐層， 不 僅成本低，質(zhì)量輕而且具有很好的防

4、腐作用。 先進(jìn)的加工工藝對(duì)于車輛的輕量化也有一定的作用。 例如對(duì)鋁合金加工時(shí)常 常采用壓鑄法， 這種方法有一個(gè)極大的缺點(diǎn)， 即是當(dāng)液態(tài)金屬在注入模具時(shí)， 由 于模具內(nèi)空氣排除的不干凈， 固態(tài)化的金屬內(nèi)部會(huì)有很多小的氣泡， 這種結(jié)構(gòu)強(qiáng) 度不夠好而且可靠性差， 而且當(dāng)其用于溫度很高的部位時(shí)因?yàn)闇囟葮O高結(jié)構(gòu)容易 產(chǎn)生變形或表面不平整， 這使得鋁合金部件在汽車上的應(yīng)用受到極大的約束。 一 種新型的壓鑄方法可以完美解決上述問題， 即無(wú)空隙壓鑄法。 這種方法是將模具 內(nèi)充滿氧氣，當(dāng)液態(tài)金屬進(jìn)入模具時(shí)會(huì)與氧氣發(fā)生反應(yīng)， 這樣內(nèi)部的氧氣迅速被消耗完

5、同時(shí)金屬成型。 目前進(jìn)氣歧管等部件已經(jīng)廣泛采用上述方法， 采用這種方法制造的進(jìn)氣歧管管內(nèi)壁十分光滑， 氣體可以以很小的阻力通過， 這樣的設(shè)計(jì)不僅性能優(yōu)秀而且重量很輕。 這種方法制造的進(jìn)氣歧管不僅提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能更是有著良好的經(jīng)濟(jì)效益。 汽車結(jié)構(gòu)的優(yōu)化則是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)， 這里會(huì)用到一些優(yōu)化算法和有限 元方法。優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)是減小結(jié)構(gòu)重量或減少一些構(gòu)件數(shù)量。利用 CAE 軟件分析，基于有限元的理論， 可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和材料的合理布局。 其最終目的也是為了保證結(jié)構(gòu)在質(zhì)量最小的情況下具有最佳的剛度和強(qiáng)度。 利用有限元理論和 CAD/CAE 技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化，可以得到滿

6、足設(shè)計(jì)要求的前提下的零部 件的參數(shù)和結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。 例如某舉升機(jī)構(gòu) [57] 的三角臂初始結(jié)構(gòu)如圖 5-1 所 示，采用 CAE 技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)如圖 5-2 所示，可以很明顯的看 到其材料節(jié)省了很多， 質(zhì)量有明顯下降， 但是其強(qiáng)度沒有明顯降低， 而且構(gòu)件剛 圖 5-1 某舉升機(jī)構(gòu)三角臂優(yōu)化前 圖 5-2 某舉升機(jī)構(gòu)三角臂優(yōu)化后 （圖片來源于同項(xiàng)目組資料） （圖片來源于同項(xiàng)目組資料） 度反而有所增強(qiáng)，優(yōu)化效果十分明顯。 本課題設(shè)計(jì)的車架采用了高強(qiáng)度鋼的設(shè)計(jì)， 在材料方面

7、不存在太多的輕量化空間，而在工藝方面也沒有比較好的工藝可以實(shí)現(xiàn)輕量化， 故可以采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法對(duì)車架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。 5.1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法 優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是數(shù)學(xué)中的最優(yōu)化理論， 最優(yōu)理論是在滿足設(shè)計(jì)要求的結(jié)果中尋求最優(yōu)解。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求的性能目標(biāo)建立其優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束條件， 再通過計(jì)算求解其目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)方案。假設(shè)優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)變量為 X { x1, x2 ,....., xn }T ，目標(biāo)函數(shù)為 f x ，則優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型為： 求 X { x1 , x2 ,....., xn} T 使得

8、 min f ( x) 滿足 gi (x) 0 i 1,2,...,m hj ( x) 0 j 1,2,...,k 式中， gi ( x)、hj ( x) （i=1,2,,m ;j=1,2, ） 為,k約束函數(shù)。 針對(duì)不同的優(yōu)化對(duì)象采用的優(yōu)化算法也不相同。 針對(duì)本課題常用的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法主要有三種：拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化、尺寸優(yōu)化。 拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)函數(shù)是材料的分布， 在設(shè)計(jì)區(qū)間內(nèi)尋求材料的最佳分布。 拓 撲優(yōu)化具有非常高的設(shè)計(jì)自由度和非常大的設(shè)計(jì)空間， 可以說拓?fù)鋬?yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化中發(fā)展前景最好的一種優(yōu)化方式。 拓?fù)鋬?yōu)化一般在設(shè)計(jì)最優(yōu)結(jié)構(gòu)之前進(jìn)行，

9、是設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)雛形的必備手段。 形貌優(yōu)化是一種比較先進(jìn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。 它一般是針對(duì)薄壁構(gòu)件和鈑金等的優(yōu)化，通過形貌優(yōu)化可以得到構(gòu)件的加強(qiáng)筋分布。 形貌優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法可以快速的確定構(gòu)件的外貌特征， 而結(jié)構(gòu)的剛度強(qiáng)度等條件也同時(shí)得到滿足。 形貌優(yōu)化本質(zhì)上是運(yùn)用最優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論尋找構(gòu)件的特性點(diǎn)的最優(yōu)坐標(biāo)， 最后根據(jù)最優(yōu)解重新構(gòu)造構(gòu)件從而得到最終結(jié)果。 尺寸參數(shù)優(yōu)化是一種非常成熟的優(yōu)化方法， 這種優(yōu)化是基于結(jié)構(gòu)形式和拓?fù)潢P(guān)系不變的前提， 優(yōu)化變量選取為結(jié)構(gòu)參數(shù)， 并選擇一定的約束條件得到在這種約束條件下滿足目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解。 尺寸優(yōu)化目前廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。 現(xiàn)在一種優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)常用的設(shè)計(jì)思

10、路是已經(jīng)確定了拓?fù)潢P(guān)系的結(jié)構(gòu)， 利用尺寸優(yōu)化確定結(jié)構(gòu)的最佳尺寸參數(shù)。 尺寸參數(shù)優(yōu)化不僅可以保證結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系和結(jié)構(gòu)外形不變，同時(shí)可以使得結(jié)構(gòu)重量得以減輕。 5.1.3 車架輕量化方案 本課題的設(shè)計(jì)是將傳統(tǒng)油箱集成在單縱梁車架的縱梁內(nèi)， 設(shè)計(jì)本身就對(duì)車架的輕量化有一定的幫助， 同時(shí)在車架總體方案的設(shè)計(jì)上， 取消了原設(shè)計(jì)的 220 噸礦用車車架前端安裝的平臺(tái)， 這樣的設(shè)計(jì)也帶來了一定的輕量化的效果。 同時(shí)本課題設(shè)計(jì)的車架基本是由薄壁箱型結(jié)構(gòu)組成， 車架的基本構(gòu)件為一些薄板， 是典型的可以利用尺寸優(yōu)化的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)， 故本課題輕量化方案選擇采用尺寸優(yōu)化的方

11、案。 通過前面的有限元分析我們發(fā)現(xiàn)車架縱梁中間部分的應(yīng)力較大，兩端的應(yīng)力較小， 這也與車架的受力有關(guān)， 由于車架在設(shè)計(jì)時(shí)就是采取的 3 段式的設(shè)計(jì)，故在尺寸優(yōu)化時(shí)對(duì)車架縱梁采取分段尺寸優(yōu)化。 5.2 車架的尺寸參數(shù)優(yōu)化 5.2.1 尺寸參數(shù)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型和設(shè)計(jì)流程 首先介紹車架的尺寸參數(shù)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型， 設(shè)車架需要優(yōu)化的板的個(gè)數(shù)為 n ， V(x) 為車架構(gòu)件的總體積，那么尺寸參數(shù)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型為： 求 X { x1, x2 , x3 ,..., xn } T 使得 n min V Ai X i V0

12、 滿足 i 1 xi min xixi max i 1,2,...,n Sj max Sj0 j 1,2,..., n 式中， xi (i 1,2....n) 為第 i 個(gè)構(gòu)件的尺寸參數(shù)， xi min , xi max 為第 i 個(gè)構(gòu)件厚度的上 下限值， Ai 為第 i 個(gè)構(gòu)件的表面積， V0 為不參與優(yōu)化設(shè)計(jì)構(gòu)件的體積， S j max 為第 j 個(gè)構(gòu)件在優(yōu)化工況下的最大應(yīng)力值， Sj 0 為第 j 個(gè)構(gòu)件材料許用應(yīng)力值。 在進(jìn)行尺寸參數(shù)優(yōu)化之前， 有必要確定尺寸參數(shù)優(yōu)化的流程以提高優(yōu)化計(jì)算的效率，其流程如圖 5-

13、3 所示。首先要建立車架的參數(shù)優(yōu)化幾何模型，然后建立其有限元模型， 一般針對(duì)結(jié)構(gòu)厚度的參數(shù)優(yōu)化都采用板殼模型， 隨后進(jìn)行有限元計(jì)算分析，這些內(nèi)容在上一章已經(jīng)完成。 在優(yōu)化之前要確定設(shè)計(jì)變量和其優(yōu)化范圍，設(shè)計(jì)變量即為組成車架的各板的厚度， 然后定義狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)以及約束，狀態(tài)變量選擇車架的最大應(yīng)力， 以材料的許用應(yīng)力為約束， 目標(biāo)函數(shù)為使車架的整體體積最小。 完成優(yōu)化計(jì)算后對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行圓整處理， 之后以優(yōu)化得到的值建立車架有限元計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)算分析以及結(jié)果對(duì)比。 5.2.2 設(shè)計(jì)變量的選擇 設(shè)計(jì)變量一般為結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度、厚度或高度等幾何尺寸參數(shù)， 280 噸礦用

14、自卸車車架的縱梁長(zhǎng) 15.7m，并且根據(jù)第四章的有限元分析計(jì)算可以知道，應(yīng)力最大的地方集中在縱梁中部， 在車輛彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況下， 中間的 3 根橫梁承擔(dān)大部分的載荷； 在舉升工況下， 中間軸和最后一軸承擔(dān)大部分的載荷。 這種情況下如果將整個(gè)縱梁的板厚采取尺寸優(yōu)化必然會(huì)使縱梁兩端的板厚度得不到充分優(yōu) 化，其材料的利用率很低。 由于縱梁采取的是 3 段式的設(shè)計(jì)， 這里可以采用分段尺寸優(yōu)化的方法， 將 3 段縱梁的各尺寸分開單獨(dú)優(yōu)化， 得到 3 段縱梁不同的優(yōu)化 后的壁厚，這種方法可以有效的對(duì)縱梁前端和后端的尺寸進(jìn)行充分的優(yōu)化， 使輕 量化效果更明顯。 對(duì)于

15、橫梁來說， 理想情況是將每個(gè)橫梁?jiǎn)为?dú)優(yōu)化， 但考慮到橫 梁的可交換性和批量制造的原因，將所有的橫梁同時(shí)優(yōu)化。 綜上所述，設(shè)計(jì)變量選擇縱梁的前、中、后段的上板、側(cè)板、下板的 9 個(gè)壁 厚以及縱梁加強(qiáng)板的厚共 10 個(gè)參數(shù)，選擇橫梁上板、側(cè)板、下板和橫梁內(nèi)支撐板共 4 個(gè)參數(shù)，總共的參數(shù)為 14 個(gè)。各板的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖 5-4、圖 5-5 所示。 表 5-1 為各設(shè)計(jì)變量名稱以及各設(shè)計(jì)變量的初始值和在進(jìn)行優(yōu)化時(shí)各設(shè)計(jì)變量的取值范圍。 5.2.3 狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)的定義 接下來要對(duì)優(yōu)化的狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行定義。 不同的工礦下車架的整體

16、 應(yīng)力和位移都不相同，其優(yōu)化結(jié)果也會(huì)有很大不同，為了得到最好的優(yōu)化結(jié)果， 需要考慮各種工況下的影響。 本文在進(jìn)行車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)仍然考慮車架的 3 種 典型工況。以 3 種工況下的車架的最大應(yīng)力值作為尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)的狀態(tài)變量， 而 同時(shí)以車架所選擇的材料的許用應(yīng)力作為應(yīng)力狀態(tài)變量的約束值，其值為 500MPa。 280 噸礦用自卸車車架的尺寸優(yōu)化是以輕量化為目標(biāo)的， 其目的是保證車架 結(jié)構(gòu)在滿足各種設(shè)計(jì)要求工況的前提下質(zhì)量最小。 由于車架各構(gòu)件的材料都相同，也就是其密度相同， 為了得到重量最輕的車架， 只需要考慮車架的體積即可。 所以本文在進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)

17、選擇將車架的體積作為另一個(gè)狀態(tài)變量， 這里的體積是指設(shè)計(jì)為優(yōu)化參數(shù)的那些板的體積之和， 而優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)是使優(yōu)化后車架的體積最小。 5.2.4 優(yōu)化結(jié)果 在確定完設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量和約束以及目標(biāo)函數(shù)后進(jìn)行車架的尺寸優(yōu)化程序，經(jīng)過 10 次迭代后得到優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，優(yōu)化結(jié)果如表 5-2 所示。同時(shí)經(jīng)過尺寸優(yōu)化后得到的各個(gè)構(gòu)件的壁厚值不為整數(shù)， 不能滿足鋼材的實(shí)際生產(chǎn)要求， 所以需要對(duì)優(yōu)化后的各構(gòu)件的壁厚進(jìn)行圓整處理，得到最終的設(shè)計(jì)值。 5.3 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的驗(yàn)證分析 優(yōu)化后的尺寸是否滿足設(shè)計(jì)要求還需要進(jìn)一步驗(yàn)證， 首先根據(jù)圓整值重新

18、建立車架的有限元模型， 之后還是按照第 4 章所論述的三種工況和邊界條件對(duì)優(yōu)化 設(shè)計(jì)后的車架進(jìn)行有限元分析。 圖 5-6 和圖 5-7 為優(yōu)化后的車架在彎曲工況下的應(yīng)力云圖和位移云圖。 圖 5- 8 為應(yīng)力較大部位的局部放大圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的模型在彎曲工況下的最大應(yīng)力為 369.1MPa，最大應(yīng)力相比較于初始模型有一定的提升，但是對(duì)比材料的許用應(yīng)力 500MPa 來說還有較大差距， 同時(shí)可以看到車架的整體應(yīng)力分布與初始值相似， 但是整體應(yīng)力值有所提高， 說明在滿足設(shè)計(jì)要求的條件下材料的利用率提高了。同時(shí)可以看到優(yōu)化后的車架在彎曲工況下的位移整體

19、比初始設(shè)計(jì)增大了 8mm，總的來說增加的不多，其剛度仍然也是滿足設(shè)計(jì)要求的。 圖 5-9 和圖 5-10 為優(yōu)化后的車架在舉升 0°工況下的應(yīng)力云圖和位移云圖。圖 5-11 為舉升 0°工況下應(yīng)力較大部位的局部放大圖。 從圖中可以看出， 優(yōu)化后的車架在舉升 0°工況下的最大應(yīng)力為 480MPa，相比較于初始設(shè)計(jì)值提高了很多，同時(shí)已經(jīng)接近材料的許用應(yīng)力值， 應(yīng)力最大的部位仍然在舉升支座所在橫梁與縱梁的連接處， 同時(shí)可以看到車架整體應(yīng)力提升， 應(yīng)力分布更加均勻， 材料利用率提高了很多。 圖中也可以看出優(yōu)化后的車架在 0°舉升工況下的最大位移無(wú)明顯變化，但是可以看到車架的整體相對(duì)變形比初始車架

20、大， 但是大的不多， 仍然在可接受的范圍。 圖 5-12 和圖 5-13 為優(yōu)化后的車架在扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力云圖和位移云圖。圖 5-14 是優(yōu)化后的車架在扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力較大部位的示意圖。從圖中可以看出 在扭轉(zhuǎn)工況下車架的最大應(yīng)力為 475.7MPa，已經(jīng)十分接近材料的許用應(yīng)力，應(yīng)力最大的部位位于被抬高的車軸懸架與車架連接處， 這與實(shí)際情況相符。 車架整體的應(yīng)力分布與初始車架相似， 整體的平均應(yīng)力有了很大提升， 材料利用率變大。 同時(shí)優(yōu)化后的車架在扭轉(zhuǎn)工況下的位移相比較原車架增加了 7mm，車架的相對(duì)位移變化不大，優(yōu)化后的車架滿足設(shè)計(jì)要求。 通過對(duì)優(yōu)化后的車架在三種

21、工況下的有限元計(jì)算結(jié)果的分析和跟原設(shè)計(jì)車架的分析結(jié)果比較可以知道優(yōu)化后的車架在強(qiáng)度和剛度方面都可以滿足設(shè)計(jì)要 求。同時(shí)優(yōu)化前的車架的體積為 6.525×109mm3，優(yōu)化前車架的重量為 51.548t，優(yōu)化后的車架的體積為 3.698×109mm3，優(yōu)化后的車架的重量為 29.215t，優(yōu)化后 車架減輕了 22.333t，相較于原車架質(zhì)量減輕了 43%，輕量化效果十分明顯。另外車架的各構(gòu)件的厚度經(jīng)過優(yōu)化使車架的整體應(yīng)力分布更均衡，平均應(yīng)力更大，材料的利用率也更大， 同時(shí)車架的剛度沒有明顯變小， 可以得知采用分段尺寸優(yōu)化方法對(duì) 280 噸礦用自卸車車架的尺寸優(yōu)化十分成功。 對(duì)比

22、項(xiàng)目組成員在對(duì) 320 噸礦用車車架進(jìn)行的輕量化設(shè)計(jì)中， 采用的是對(duì)車架縱梁整體尺寸的優(yōu)化， 即對(duì)縱梁各板的厚度只取一個(gè)值優(yōu)化， 優(yōu)化后車架重量從 63.7t 降低到 46.7t，降幅為 26.7%。通過對(duì)比可以得知， 280 噸礦用自卸車車 架采用的分段尺寸優(yōu)化取得的輕量化效果明顯好于 320 噸礦用自卸車車架采用 的縱梁整體的尺寸優(yōu)化取得的輕量化效果。根據(jù)項(xiàng)目組設(shè)計(jì)的 220t 礦用車車架 重 55.092t，相比較于 280 噸礦用車架重了很多，這是因?yàn)?220 噸礦用車采用的 直頂式舉升機(jī)構(gòu)安裝了舉升機(jī)構(gòu)支撐，大大增加了車架的重量。

23、以載重量和車架重量的比值來分析項(xiàng)目組設(shè)計(jì)的不同載重量礦用車車架結(jié) 構(gòu)的設(shè)計(jì)的輕量化效果。該比值越大，則車架的設(shè)計(jì)越先進(jìn)。 220 噸礦用車的載 重量和車架重量的比值為 4.0，320 噸礦用車的載重量和車架重量的比值為 6.9， 280 噸礦用車的載重量和車架重量的比值為 9.6。 通過以上分析可知， 采用分段尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分的優(yōu)化， 進(jìn) 一步提高了材料的利用率， 輕量化效果優(yōu)于普通的尺寸優(yōu)化， 該方法具有一定的先進(jìn)性。同時(shí)對(duì)比 220 噸和 320 噸礦用車車架的設(shè)計(jì)， 280 噸礦用車車架重量更輕，載重量與車架重量的比值更大， 280 噸礦用車車

24、架的設(shè)計(jì)更先進(jìn)。 5.4 本章小結(jié) 本章首先建立了尺寸參數(shù)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型和設(shè)計(jì)流程， 然后按照設(shè)計(jì)流程先 選擇要優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量并選擇車架在三種工況下的最大應(yīng)力為優(yōu)化的約束， 其中采用了將車架縱梁分為三段分別進(jìn)行尺寸優(yōu)化的方法， 將車架的體積為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，然后將優(yōu)化后的車架進(jìn)行分析計(jì)算并與原車架進(jìn)行對(duì)比， 結(jié)果顯示車架在滿足設(shè)計(jì)需求的情形下取得了明顯的輕量化效果， 并且分段尺寸優(yōu)化相較于整體尺寸優(yōu)化的效果更好。 將車架縱梁的加強(qiáng)板設(shè)計(jì)為集成燃油箱的防波板是本設(shè)計(jì)的一大亮點(diǎn)。 前面章節(jié)對(duì)車架的強(qiáng)度剛度分析和優(yōu)化均沒有考慮縱梁加強(qiáng)板設(shè)

25、計(jì)成防波板后的影 響，所以對(duì)防波板進(jìn)行強(qiáng)度剛度校核是十分必要的， 同時(shí)防波板在車輛實(shí)際運(yùn)行中會(huì)減緩集成燃油箱內(nèi)的介質(zhì)晃動(dòng)，防止油箱溫度升高和產(chǎn)生靜電帶來的危險(xiǎn)。 集成燃油箱內(nèi)的介質(zhì)和防波板之間存在著互相影響的流固耦合關(guān)系， 所以必須在考慮流固耦合的影響下模擬集成燃油箱內(nèi)的介質(zhì)的晃動(dòng)， 并且分析介質(zhì)晃動(dòng)情況和防波板的強(qiáng)度剛度，這也可以為防波板的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。 6.1 流固耦合基本理論 流固耦合是指流體和固體變形之間的相互作用， 流體的運(yùn)動(dòng)會(huì)使固體產(chǎn)生變 形，而固體的變形又會(huì)反過來影響流體的運(yùn)動(dòng)。 流固耦合分析可以根據(jù)數(shù)據(jù)傳遞

26、 的方向分為單向流固耦合分析和雙向流固耦合分析。 單向流固耦合分析指的是耦合交界面上的數(shù)據(jù)傳遞是單向的， 這種流固耦合分析針對(duì)的是在固體結(jié)構(gòu)因流體作用變形很小而可以忽略其對(duì)流體的反作用的情況， 所以一般是只分析流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果對(duì)固體結(jié)構(gòu)的影響， 。雙向流固耦合分析是指耦合界面上的數(shù)據(jù)傳遞是雙向的，即既有流體分析的結(jié)果對(duì)固體變形的影響也有固體分析的結(jié)果即位移或速度等對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的影響， 這種流固耦合分析用于固體變形較大而不能忽略其對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的影響的情況。 6.1.1 流體控制方程 CFD 是計(jì)算流體力學(xué)（ Computational Fluid Dynami

27、cs）的縮寫，即利用數(shù)值 求解方法求解流體力學(xué)的基本控制方程， 它們分別是連續(xù)性方程、 動(dòng)量方程和能 量方程等。 CFD 的基本原理是求解控制流體流動(dòng)的微分方程得到流場(chǎng)的離散分 布，近似模擬出流場(chǎng)的分布。 流體的連續(xù)性方程即質(zhì)量守恒方程， 這是自然界的通用方程， 任何自然界的 物體都要滿足質(zhì)量方程， 從而流動(dòng)問題也必須滿足質(zhì)量守恒定律， 將單位時(shí)間內(nèi) 某一方向上流進(jìn)的流量與流出的流量取差值，其值為： u dx u dx dydz u （ 6-1） u 2 u 2 dxdydz x x x 式中， 為

28、流體密度， u 為流體運(yùn)動(dòng)在 x 方向的速度分量，同理對(duì)另外兩個(gè)方向進(jìn)行計(jì)算得到邊界的存入量： u v w （ 6-2） x y 0 zt 式中， v 、 w 分別是流體運(yùn)動(dòng)在 y 、 z 方向上的速度分量，在流體不可壓縮的情形下，其密度為常數(shù)，則方程簡(jiǎn)化為： u v w （ 6-3） x y 0 z 動(dòng)量方程的本質(zhì)是滿足牛頓第二定律，在這里也可以稱作 Navier-Stokes 方 程。根據(jù)牛頓第二定律和流體壓強(qiáng)算法得到 x 方向的動(dòng)量方程： Du dxdydz x dxdy

29、dz fx dxdydz （ 6-4） Dt 式中， x 、 v 、 w 分別是流體在 u 、 y 、 z 方向上的速度分量， 為流體密度，同 理可以求得 y 、 z 方向上的動(dòng)量方程，整理后為： u u u v u w u p fx （ 6-5） t x y z x v u v v v w v p f y （ 6-6） t x y z y w u w v w w w p f z （ 6-7） t x y z z

30、 式中， fx 、 f y 、 f z 為單位質(zhì)量徹體力， p 為流體壓強(qiáng)。在上式中加上一個(gè)粘性： u u u v u w u p f x 2 u （ 6-8） t x y z x v u v v v w v p f y 2 v （ 6-9） t x y z y w u w v w w w p fz 2w （6-10） t x y z z 6.1.2 固體控制方程 固體結(jié)構(gòu)中關(guān)注的比較多的是結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、 應(yīng)變和位移等參

31、數(shù)， 固體的控制方程是根據(jù)牛頓第二定律推導(dǎo)出來的。式 6-11 即為固體控制方程。 (6-11) 式中，為固體密度，為固體域的加速度矢量，為柯西應(yīng)力張量，為體積力矢 量。 6.1.3 流固耦合方程 在流固耦合分析中也有必須遵守的基本原則， 在流固耦合的交界面要滿足流體和固體的基本物理量的守恒， 式 6-12、6-13、6-14、6-15 即為流固耦合的方程。 (6-12) (6-13) (6-14) (6-15) 式中，τ、 d、q 和 T 分別為應(yīng)力、位移、熱流量和溫度，下標(biāo)的 f 和 s 表示的是 流體和固體。