載貨汽車(chē)駕駛室翻轉(zhuǎn)油缸支座優(yōu)化分析中圖分類(lèi)號(hào)：U463DOI：10.20042/ki.1009-4903.2025.02.021Abstract：Toevaluatetestrengtoftewersupportoftecabtitcylinderfoertaintruckaalyssmodeloftabtittmwasestablishedusingmulti-bodydynamicssoftware.Theforcesactingonthelowersupportofthetiltcylinderwerethenextractedfromthismodel.BasedontheseforcedataastrengthnalysisofthelowersupportofthetitcinderwascarrdoutAdingtoteanalysisresults，topologicaloptimizationoftheupportwasperformedeffectivelyreducingthemassofthepport.Kevwords：ISupport：Simulationanalvsis：Topoloaicaloptimization目前，載貨汽車(chē)的駕駛室普遍采用非承載式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)柔性懸置系統(tǒng)與車(chē)架連接，有效隔絕了行駛系統(tǒng)帶來(lái)的沖擊和振動(dòng)。為了提高車(chē)輛的維護(hù)效率，尤其是便于對(duì)駕駛室地板下方的系統(tǒng)進(jìn)行檢修，駕駛室被設(shè)計(jì)成可翻轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)。本文著重分析了駕駛室翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，翻轉(zhuǎn)油缸下支座所承受的力，并以此為依據(jù)對(duì)油缸下支座進(jìn)行了輕量化強(qiáng)度分析，經(jīng)過(guò)詳細(xì)的力學(xué)分析，計(jì)算出下支座的承載能力?；谶@些分析結(jié)果，對(duì)下支座進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在不降低其強(qiáng)度性能的基礎(chǔ)上，顯著減輕其重量，從而達(dá)到了既確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性又推動(dòng)輕量化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。1提取載荷為了準(zhǔn)確提取載荷，考慮了多種工況，包括滿載、空載以及不同道路條件下的翻轉(zhuǎn)操作。通過(guò)設(shè)定合理的邊界條件和參數(shù)，確保仿真模型能夠真實(shí)反映實(shí)際工況下下支座的受力狀態(tài)。在模擬過(guò)程中，重點(diǎn)關(guān)注下支座在不同角度翻轉(zhuǎn)時(shí)的受力變化，以及受力點(diǎn)的分布情況。結(jié)合駕駛室翻轉(zhuǎn)油缸下支座實(shí)際工況，對(duì)仿真模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，其中把駕駛室簡(jiǎn)化成剛體。基于Adams多體動(dòng)力學(xué)軟件建立分析模型，模擬駕駛室在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中駕駛室翻轉(zhuǎn)油缸下支座的受力情況，為后續(xù)的分析和優(yōu)化提供支持。根據(jù)仿真分析結(jié)果可知，駕駛室翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，起動(dòng)和停止時(shí)支座受力情況最?lèi)毫樱唧w受力情況如表1所示。2有限元分析建立有限元分析模型對(duì)駕駛室支座進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。作為關(guān)鍵承載部件的駕駛室翻轉(zhuǎn)油缸下支座，采用ZG310-570鑄鋼材料制成鑄件結(jié)構(gòu)，該材料屬于國(guó)標(biāo)工程用鑄鋼，具有良好的強(qiáng)度儲(chǔ)備（屈服強(qiáng)度≥310MPa，抗拉強(qiáng)度?570MPa.和鑄造工藝性能，適用于承受高載荷的機(jī)械結(jié)構(gòu)。為確保計(jì)算精度滿足工程分析要求，對(duì)支座結(jié)構(gòu)采用邊長(zhǎng)4mm的二階四面體單元（C3D10）進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分過(guò)程中，對(duì)銷(xiāo)軸孔等應(yīng)力集中部位進(jìn)行局部加密處理，保證單元尺寸與結(jié)構(gòu)特征尺度相匹配。在銷(xiāo)軸與支座內(nèi)孔、支座安裝面與縱梁連接界面分別建立接觸對(duì)。其中銷(xiāo)軸與支座孔的接觸采用“面－面接觸”形式，定義銷(xiāo)軸外表面為主接觸面，支座內(nèi)孔表面為從接觸面，接觸算法采用罰函數(shù)法并設(shè)置硬接觸屬性，以真實(shí)模擬兩者之間的擠壓傳力行為。支座與縱梁連接界面則根據(jù)實(shí)際裝配約束條件，約束其三個(gè)平動(dòng)自由度和繞銷(xiāo)軸軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，保留翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所需的旋轉(zhuǎn)自由度。載荷施加嚴(yán)格按照實(shí)際工況，將表1中的力施加在駕駛室翻轉(zhuǎn)油缸下支座的銷(xiāo)軸上，確保邊界條件設(shè)置符合工程實(shí)際受力狀態(tài)。根據(jù)靜態(tài)力學(xué)分析理論，靜態(tài)載荷工況需滿足兩個(gè)核心條件：一是外載荷為不隨時(shí)間變化的恒定靜載荷；二是結(jié)構(gòu)所受的合力與合力矩需滿足整體平衡條件。在駕駛室翻轉(zhuǎn)油缸下支座的有限元分析模型中，具體計(jì)算過(guò)程遵循“離散求解－插值映射”的數(shù)值分析邏輯：首先在有限數(shù)量的節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行離散化數(shù)值計(jì)算，再通過(guò)形函數(shù)插值算法將節(jié)點(diǎn)結(jié)果映射至整個(gè)連續(xù)求解域。采用網(wǎng)格離散技術(shù)，將駕駛室翻轉(zhuǎn)油缸下支座的連續(xù)體結(jié)構(gòu)細(xì)致地劃分為由有限數(shù)量的節(jié)點(diǎn)和單元組成的離散化模型，使得原本復(fù)雜的連續(xù)體問(wèn)題得以轉(zhuǎn)化為更易于計(jì)算機(jī)處理的離散化問(wèn)題。應(yīng)用有限單元法，針對(duì)該離散化模型進(jìn)行深入分析。有限單元法通過(guò)考慮每個(gè)單元在受力時(shí)的行為，以及節(jié)點(diǎn)間的相互作用，能夠精確地模擬出整個(gè)結(jié)構(gòu)在復(fù)雜工況下的響應(yīng)，包括應(yīng)力、應(yīng)變、位移等關(guān)鍵參數(shù)，從而為駕駛室翻轉(zhuǎn)油缸下支座的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。根據(jù)經(jīng)典力學(xué)理論得出物體的動(dòng)力學(xué)通用方程：[N1]{x′′}+[C]{x′}+[K]{x}={F（t）}（1）式中：[M］為質(zhì)量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度系數(shù)矩陣∵{x}為位移矢量；{F}為力矢量。在線性靜力結(jié)構(gòu)分析中，把時(shí)間t略去，從式（2）可得出力關(guān)于位移與剛度之間的關(guān)系式：［K］{X}={F}（2）式中：{F}為靜力載荷[2]采用ABAQUS求解器，駕駛室翻轉(zhuǎn)油缸下支座變形圖如圖3、圖4，應(yīng)力云圖如圖5、圖6所示。拓?fù)鋬?yōu)化作為前沿的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，其核心在于通過(guò)數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，在給定外部載荷、約束條件及特定優(yōu)化目標(biāo)（如剛度最大化、質(zhì)量最小化）的情況下，探尋并確定結(jié)構(gòu)材料的最優(yōu)分布方案。在拓?fù)鋬?yōu)化的過(guò)程中，設(shè)計(jì)空間可以通過(guò)殼單元或?qū)嶓w單元來(lái)精確界定，以便更細(xì)致地模擬和分析結(jié)構(gòu)的幾何特性[3。當(dāng)前主流方法基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)框架，通過(guò)引入材料密度場(chǎng)作為設(shè)計(jì)變量，構(gòu)建結(jié)構(gòu)材料的漸進(jìn)演化模型。其中，均質(zhì)化方法通過(guò)周期性微結(jié)構(gòu)假設(shè)，建立宏觀剛度與微觀材料分布的關(guān)聯(lián)關(guān)系；而密度法則通過(guò)引入懲罰函數(shù)對(duì)單元密度進(jìn)行過(guò)濾，實(shí)現(xiàn)材料屬性的連續(xù)化數(shù)值表征。兩種方法均能有效描述優(yōu)化過(guò)程中材料的漸進(jìn)刪減與重分布規(guī)律，為復(fù)雜載荷工況下的材料布局優(yōu)化提供理論支撐。優(yōu)化設(shè)計(jì)的核心在于三個(gè)基本要素：設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件[4。設(shè)計(jì)變量是優(yōu)化過(guò)程中可以調(diào)整的參數(shù)，它們直接決定了結(jié)構(gòu)的最終形態(tài)；目標(biāo)函數(shù)則是優(yōu)化所追求的性能指標(biāo)，如質(zhì)量最輕、剛度最大等；而約束條件則是對(duì)設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)的限制，確保優(yōu)化結(jié)果滿足實(shí)際應(yīng)用的各項(xiàng)要求。這三個(gè)要素根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需求和應(yīng)用場(chǎng)景而有所差異，共同構(gòu)成了拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題的完整框架。目前常用的連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化方法有均勻化方法、變密度法和漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法等。在針對(duì)駕駛室油缸支座的拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程中，本文應(yīng)用變密度法作為一種有效的策略。該方法的核心理念在于設(shè)想一種虛構(gòu)材料，其密度可以在0至1之間連續(xù)變化[5。通過(guò)將原本連續(xù)的結(jié)構(gòu)體細(xì)分為多個(gè)有限元單元，并將每個(gè)單元的密度作為獨(dú)立的設(shè)計(jì)變量，成功地將復(fù)雜的拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題簡(jiǎn)化為一個(gè)最優(yōu)分配單元材料密度的問(wèn)題。這樣的轉(zhuǎn)換不僅便于數(shù)值計(jì)算，還使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠在滿足性能要求的同時(shí)，達(dá)到材料使用的最大化效率。在拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程中，設(shè)定了明確的參數(shù)與條件以確保優(yōu)化結(jié)果既滿足結(jié)構(gòu)性能要求又實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)。設(shè)計(jì)目標(biāo)被設(shè)定為最小化支架的撓度，撓度是衡量結(jié)構(gòu)在受力時(shí)變形程度的重要指標(biāo)，最小化支架的撓度意味著結(jié)構(gòu)具有更高的抗變形能力，即追求支架的最大剛度，進(jìn)而降低應(yīng)力集中現(xiàn)象，提升整體結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，引入了嚴(yán)格的約束條件：體積分?jǐn)?shù)的上限被設(shè)定為0.25。這一限制確保了優(yōu)化后的支架在保留足夠性能的前提下，其體積（或質(zhì)量）將得到顯著減少，從而達(dá)到既增強(qiáng)剛度又減輕重量的效果。優(yōu)化后結(jié)果如圖7?；谕?fù)鋬?yōu)化得出的結(jié)果，充分考量實(shí)際裝配過(guò)程中的邊界條件限制，對(duì)本油缸下支座重新設(shè)計(jì)。具體的設(shè)計(jì)方案如圖8所示。為了深入評(píng)估新方案的結(jié)構(gòu)性能，構(gòu)建有限元分析模型對(duì)新方案中的駕駛室翻轉(zhuǎn)油缸下支座開(kāi)展有限元分析，并繪制該支座的變形圖。駕駛室翻轉(zhuǎn)油缸下支座變形圖如圖9、圖10，應(yīng)力云圖如圖11、圖12所示。原方案與新方案分析結(jié)果對(duì)比如表2，對(duì)于起動(dòng)工況和停止工況，新方案變形量和應(yīng)力值都減少20%以上，關(guān)鍵力學(xué)性能指標(biāo)均顯著優(yōu)于原方案。質(zhì)量減少50%，實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)。綜合以上結(jié)果，新方案能夠滿足設(shè)計(jì)需要，同時(shí)還能夠降低成本。綜合上述工況對(duì)比結(jié)果，新方案在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度設(shè)計(jì)要求的前提下，通過(guò)材料布局優(yōu)化有效降低了關(guān)鍵部位的應(yīng)力水平與變形響應(yīng)，且質(zhì)量指標(biāo)達(dá)成設(shè)計(jì)預(yù)期。該優(yōu)化成果不僅驗(yàn)證了新方案的工程可行性，且通過(guò)材料用量的大幅縮減，為后續(xù)批量生產(chǎn)的成本控制提供了理論支撐，兼具技術(shù)合理性與經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性。[1]劉韜，仲梁維，李森林.基于ANSYSWorkbench的發(fā)動(dòng)機(jī)支架優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程，2018，56（11）：76-79.[2]王信，王用，劉勇，等．基于有限元的重型數(shù)控機(jī)床立柱結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2023，36（05）90-93[3