新能源大客車車架拓撲優(yōu)化分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u19134新能源大客車車架拓撲優(yōu)化分析案例 131931.1拓撲優(yōu)化簡介 181201.1.1變密度拓撲優(yōu)化法理論基礎 1220431.1.2ANSYS拓撲優(yōu)化基本流程 2138861.2新能源大客車車架拓撲優(yōu)化 3207031.2.1根據有限元分析結果確定優(yōu)化區(qū)域 4166531.2.2客車底架中段底部區(qū)域拓撲優(yōu)化 473611.2.3客車底架中段頂部區(qū)域拓撲優(yōu)化 6326641.2.4客車底架后段電池支撐架區(qū)域拓撲優(yōu)化 7177051.2.5客車頂棚區(qū)域拓撲優(yōu)化 9313311.3新大客車車架有限元分析 1062381.3.1優(yōu)化后客車車架靜力學分析 11223091.3.1優(yōu)化后客車車架模態(tài)分析 1470701.4車架拓撲優(yōu)化前后性能對比 16110001.4.1客車車架力學性能變化 1623131.4.2客車車架動態(tài)性能變化 1690021.4.3客車車架質量變化 171.1拓撲優(yōu)化簡介拓撲優(yōu)化是在給性的設計空間區(qū)域內通過最優(yōu)化算法，來找到最優(yōu)的材料分布，以實現最優(yōu)力學性能和最省材料分布的結構優(yōu)化設計[25]，設計人員可以通過參考拓撲優(yōu)化結果圖，在已知最優(yōu)方案的前提下對結構進行設計，這樣大大提高了設計人員的設計效率，并且提高了設計質量。拓撲優(yōu)化可以在產品設計初期，沒有太多設計經驗的情況下，為研發(fā)人員提供參考。所以拓撲優(yōu)化被廣泛應用于產品的正向設計當中。1.1.1變密度拓撲優(yōu)化法理論基礎目前運用到拓撲優(yōu)化設計中的常見方法有：均勻化法、變厚度法和變密度法等，其中變密度法是由均勻化法衍變來，變密度法相比于其他拓撲優(yōu)化方法具有設計變量少、計算量小、計算效率高等優(yōu)點[26]，因而應用較為廣泛。變密度法通過引入可變密度材料，并且假定材料的單元密度在0-1之間進行取值，通過軟件的拓撲優(yōu)化求解以后，觀察拓撲優(yōu)化結果單位密度變化云圖，其數學模型如式（1.1）Findx=x1,式中：Xin——設計變量個數；K——總剛度矩陣；U——結構位移向量；F——結構受到外力向量；V——結構的總體積；V?由于拓撲優(yōu)化設計變量較多，因此改進公式（1.1）得到式（1.2）Findρ=ρ1,式中：ρiN——設計變量個數；v——結構體積；v0其中若單元密度為0，則表示該部分區(qū)域對整體結構性能沒有影響，所以在之后的設計當中可考慮對該部分材料進行去除；若區(qū)域內單元密度為1，則表示該部分區(qū)域對整體結構性能有很大影響，所以在設計優(yōu)化當中需要保留該區(qū)域內的材料。本次車架的拓撲優(yōu)化使用的是ANSYS經典的拓撲優(yōu)化模塊，該軟件的拓撲優(yōu)化方法采用的即是變密度方法。1.1.2ANSYS拓撲優(yōu)化基本流程對于ANSYS軟件而言，在進行拓撲優(yōu)化前首先需要明確一下步驟：（1）定義需要求解的結構：建立所需要進行優(yōu)化的模型，其次定義該模型的物理特性，比如材料參數等。（2）選擇單元類型：ANSYS中可以用作拓撲優(yōu)化的單元類型有5種，包括平面的PLANE82單元、PLANE183單元；實體的SOLID92單元、SOLID95單元；還有殼的SHELL93單元。在拓撲優(yōu)化分析前，需要根據模型的性質選擇合適的單元類型。（3）指定優(yōu)化區(qū)域：在ANSYS中拓撲優(yōu)化中，只對單元類型編號為1的單元進行優(yōu)化分析，所以在劃分優(yōu)化區(qū)域與非優(yōu)化區(qū)域時，需要將優(yōu)化區(qū)域的單元類型首先定義。（4）定義載荷步：在優(yōu)化分析前需要定義所需要應用的工況類型，也就是載荷步，通過載荷步來模擬每種工況的結構受力情況，進而對優(yōu)化內容進行約束。使優(yōu)化結果是滿足各個工況下的最優(yōu)結構。（5）定義和控制優(yōu)化過程可分為一下4個步驟。eq\o\ac(○,1)定義優(yōu)化函數；eq\o\ac(○,2)定義優(yōu)化目標或者約束條件；eq\o\ac(○,3)初始化優(yōu)化過程；eq\o\ac(○,4)執(zhí)行計算。其拓撲優(yōu)化基本流程圖如圖1.1。圖1.1ANSYS拓撲優(yōu)化基本流程圖1.2新能源大客車車架拓撲優(yōu)化本次優(yōu)化設計的目標是通過ANSYS拓撲優(yōu)化模塊對客車車架進行輕量化設計，并以其為主要任務，以優(yōu)化結構力學性能為輔。在滿足客車車架結構強度的前提下，盡可能地減輕車架重量，從而提高車輛續(xù)航里程，實現節(jié)能減排，變相提高載客量?？紤]到計算機能力受限，本次優(yōu)化將參考第3章車架靜力學分析結果，選擇合適的拓撲優(yōu)化區(qū)域進行分段拓撲優(yōu)化。最后根據各區(qū)域的拓撲優(yōu)化變密度云圖來對車架原始結構進行合理改變，再通過對新車架的靜力學以及模態(tài)分析來與原始數據進行比較，判斷是否達到合理優(yōu)化目的，若達到則完成優(yōu)化；若達不到，則繼續(xù)對車架結構進行改進，知道達到優(yōu)化目的為止。1.2.1根據有限元分析結果確定優(yōu)化區(qū)域根據第3章有限元靜力學分析結果，通過該大客車車架在四種常見工況下的應力分布云圖，比較以及總結得到以下結論：（1）車架應力最大處會出現在車后輪空氣懸架兩側與車架的支撐點處，以及前輪空氣懸架支撐點附近，但在四種工況下這些區(qū)域的最大應力均小于材料的屈服極限，并且其安全系數均滿足設計要求，所以在優(yōu)化過程中可以對這些部分的結構進行保留。（2）車架應力主要集中在客車車輪前后輪懸架支撐點附近，以及在一輪懸空和急轉彎工況下左右圍部分。所以車架的底架中段底部、底架中段頂部、后端電池支撐架和車頂棚支架均有較大的優(yōu)化空間。為了在保證車身性能的前提下，盡可能實現車架輕量化的要求，本次優(yōu)化將會對上述結論中有較大優(yōu)化空間的區(qū)域進行分區(qū)拓撲優(yōu)化設計，減少一些不必要鋼材的用量，來滿足輕量化設計要求。1.2.2客車底架中段底部區(qū)域拓撲優(yōu)化本次優(yōu)化設計是通過ANSYS拓撲優(yōu)化模塊進行的，在進行拓撲求解之前首先需要修改原大客車車架模型結構使之成為適合于拓撲優(yōu)化的結構。（1）填充客車底架中段結構為了方便大客車車架進行拓撲優(yōu)化，首先要對需要進行優(yōu)化的區(qū)域的除主要橫梁結構進行刪減，再通過面對挖空的區(qū)域進行填充，在有限元模型建立之前使用PLANE82單元類型對此區(qū)域的填充面進行單元定義，使之成為優(yōu)化區(qū)域，方便之后拓撲優(yōu)化求解。刪減與填充后的車架有限元模型如圖1.2。圖1.2客車底架中段底部填充后有限元模型（2）定義載荷步本次拓撲優(yōu)化設計載荷步設置考慮到在實際工況中以滿載工況，一輪懸空工況以及急制動工況最為常見，其次考慮到提高拓撲優(yōu)化效率，所以將載荷步設置為以上三種工況下進行模擬，其中一輪懸空工況是指車架在扭轉過程中的情況，所以分別以左后輪懸空和右后輪懸空作為代表。通過以上分析總結出本次所有拓撲優(yōu)化分析的載荷步均是在滿載工況載荷與約束、左后輪懸空時載荷與約束、右后輪懸空時載荷與約束和急制動時四種載荷步之下進行的，三種工況下的載荷與約束沿用第3章靜力學分析時的命令流，每個工況下載荷與約束定義完成后需要通過LSWRITE命令來記錄一次載荷步后進行清空其命令流如圖1.3。圖1.3記錄載荷步1與清空命令流示意圖（3）定義優(yōu)化過程對于拓撲有化而言，其總是在給定的約束和目標下進行的。首先需要定義目標函數，本次優(yōu)化是在靜力學分析的基礎上進行的，所以需要使用TOCOMP命令對其進行目標函數定義，定義內容為在4個載荷步下的結構優(yōu)化類型。其次需要定義優(yōu)化目標和約束條件，本次拓撲優(yōu)化目的是為了減少結構重量，實現輕量化的目的，所以需要使用體積優(yōu)化TOVAR命令定義優(yōu)化目標?？紤]到此客車車架均有桿件焊接而成，所以以70%的體積減少百分數來作為拓撲優(yōu)化約束條件。最后以TOTYPE命令來進行拓撲優(yōu)化前的初始化，要求僅僅以體積作為約束條件。使用TODEF命令來進行收斂精度的調整，使用默認值即可。定義優(yōu)化過程命令流如圖1.4。圖1.4定義優(yōu)化過程命令流（4）確定迭代次數一般拓撲優(yōu)化迭代次數以10~15次為宜，迭代次數過少與迭代次數過多均會導致拓撲優(yōu)化結果的混亂。所以通過優(yōu)化面積大小、單元網格劃分密度和計算機運算能力等各方面因素綜合考慮，大客車車底架中段電池支架區(qū)域采用12次迭代次數進行拓撲優(yōu)化（5）拓撲優(yōu)化結果根據以上拓撲優(yōu)化前的操作，進行必要的參數設定后，對大客車車底架中段電池支架區(qū)域進行拓撲優(yōu)化，優(yōu)化后變密度拓撲優(yōu)化云圖如圖1.5。根據變密度云圖結果來對結構進行改進，其中紅色部分為密度為1的材料區(qū)域，在改進過程中需要對該部分材料進行保留；藍色區(qū)域為材料密度為0的區(qū)域，在改進過程中需要對該部分材料進行去除，深藍色條狀部分為保留的橫梁部分。改進使用40×40×2mm的方鋼進行填充，改進后結構圖如圖1.6。圖1.5客車底架中段底部變密度拓撲優(yōu)化云圖圖1.6客車底架中段底部區(qū)域改進后的結構圖1.2.3客車底架中段頂部區(qū)域拓撲優(yōu)化客車底架中段頂部區(qū)域拓撲優(yōu)化步驟同上，首先對除主要橫梁以外的梁進行去除，再對空白區(qū)域通過面進行填充，其填充后有限元模型如圖1.7。圖1.7客車底架中段頂部區(qū)域填充圖其載荷步同樣也是在滿載工況載荷與約束、左后輪懸空時載荷與約束、右后輪懸空時載荷與約束和急制動時四種載荷步之下進行的，優(yōu)化過程定義也接著沿用之前的拓撲優(yōu)化命令。迭代次數考慮到此區(qū)域優(yōu)化面積較小，為提高優(yōu)化效率，所以選擇10次進行迭代。其迭代后變密度拓撲優(yōu)化云圖如圖1.8，根據變密度云圖同樣采用40×40×2mm的方鋼進行填充，其改進后的客車底架中段頂部區(qū)域結構圖如圖1.9。圖1.8客車底架中段頂部變密度拓撲優(yōu)化云圖圖1.9客車底架中段頂部區(qū)域改進后的結構圖1.2.4客車底架后段電池支撐架區(qū)域拓撲優(yōu)化由于車架后端電池支撐架部分分為三層，所以需要對每一層進行面填充以及拓撲優(yōu)化，不難猜想每層拓撲優(yōu)化結果都不相同，為了方便后期車架加工，在進行結構修改時需參照每層的拓撲優(yōu)化結構來進行折中，設計一個較為折中的統一結構，這樣有利于后期車架的加工，簡化了工作量。車架后端電池支撐架拓撲優(yōu)化步驟同上，首先對除主要橫梁以外的梁進行去除，再對空白區(qū)域通過面進行填充，其填充后有限元模型如圖1.10。圖1.10車架后端電池支撐架區(qū)域填充圖其載荷步同樣也是前面分析的四種載荷步，優(yōu)化過程定義也接著沿用之前的拓撲優(yōu)化命令。迭代次數考慮到此區(qū)域優(yōu)化面積小，但優(yōu)化區(qū)域數量多，為提高優(yōu)化精度，所以選擇15次進行迭代。其迭代后變密度拓撲優(yōu)化云圖如圖1.11，根據變密度云圖對原結構進行刪減，其改進后的結構圖如圖1.12。(a)最上層支撐架(b)中間層支撐架(c)最下層支撐架圖1.11車架后端電池支撐架變密度拓撲優(yōu)化云圖圖1.12車架后端電池支撐架改進后的結構圖1.2.5客車頂棚區(qū)域拓撲優(yōu)化客車頂棚區(qū)域在進行填充過程中需要對車頂的天窗部分進行預留，車架頂棚的拓撲優(yōu)化步驟同上，首先對除主要橫梁以外的梁進行去除，再對空白區(qū)域通過面進行填充，其填充后有限元模型如圖1.13圖1.13客車頂棚填充圖其載荷步為前面分析的四種載荷步，優(yōu)化過程定義也接著沿用之前的拓撲優(yōu)化命令。迭代次數考慮到此區(qū)域優(yōu)化面積大，為提高優(yōu)化精度，所以選擇15次進行迭代。其迭代后變密度拓撲優(yōu)化云圖如圖1.14，根據變密度云圖對原結構進行刪減，其改進后的結構圖如圖1.15。圖1.14車頂變密度拓撲優(yōu)化云圖圖1.15車頂改進后的結構圖1.3新大客車車架有限元分析根據各部分優(yōu)化結果，優(yōu)化后的車架整體三維模型圖如圖1.16，對優(yōu)化后的車架進行在與原車架分析相同的四種工況下的靜力學分析以及模態(tài)分析，其分析所用的命令流沿用原車架分析時的命令流。圖1.16拓撲優(yōu)化后大客車三維模型圖1.3.1優(yōu)化后客車車架靜力學分析由于新車架相較于原車架，分析步驟沒有發(fā)生變化，所以對新客車車架進行靜力學分析時可沿用原車架靜力學分析時所用到的命令流。其中分析過程基本重復，本次靜力學分析不再做介紹，以下是新客車車架在四種工況下的位移以及應力分布云圖。滿載工況時如圖1.17，一輪懸空工況時如圖1.18，急制動工況時如圖1.19，急轉彎工況時如圖1.20。(a)滿載工況新車架位移云圖(b)滿載工況新車架應力云圖圖1.17滿載工況下新客車車架位移以及應力分布云圖(a)一輪懸空工況新車架位移云圖(b)一輪懸空工況新車架應力云圖圖1.18一輪懸空工況下新客車車架位移以及應力分布云圖(a)急制動工況新車架位移云圖(b)急制動工況新車架應力云圖圖1.19急制動工況下新客車車架位移以及應力分布云圖(a)急轉彎工況新車架位移云圖(b)急轉彎工況新車架應力云圖圖1.20急轉彎工況下新客車車架位移以及應力分布云圖觀察以上四種工況下的位移云圖以及應力云圖可以發(fā)現：（1）新車架在滿載工況下，其最大位移發(fā)生在車架后端，最大位移為7.16mm；最大應力為89.82Mpa，最大應力小于該結構的許用應力230Mpa，滿足設計要求。最大應力發(fā)生在左后輪懸掛支撐點處。（2）在一輪懸空工況下，其最大位移發(fā)生在車架右后端最大位移為36.00mm；結構發(fā)生扭轉，最大應力為176.96Mpa，同樣出現在左后輪懸掛支撐點處，仍小于該結構的許用應力230Mpa。（3）在急制動工況下，其最大位移發(fā)生在車架后端最大位移為4.70mm；最大應力為87.36Mpa，發(fā)生在右后輪懸掛支撐點處，小于該結構的許用應力230Mpa，滿足結構強度需求。（4）在急轉彎工況下，其最大位移發(fā)生在車架右后端最大位移為9.57mm；最大應力為147.55Mpa，仍小于該結構的許用應力230Mpa，最大應力發(fā)生在右后輪懸掛支撐點處。通過以上四種工況下新客車車架的靜力學分析，統計其最大位移以及最大應力，發(fā)現四種工況下的最大應力均滿足設計要求，說明改進后的車架結構強度滿足設計要求，總結于表1.1。表1.1新車架四種工況下各種參數對比表參數工況最大位移（mm）最大應力（Mpa）安全系數滿載7.1689.823.84一輪懸空36.00176.961.95急制動4.7087.363.95急轉彎9.57147.552.341.3.1優(yōu)化后客車車架模態(tài)分析新客車車架的模態(tài)分析仍然是在滿載工況下進行的，其加載方法沿用分析原車架時的命令流，對新客車車架也進行八階的模態(tài)分析，查看新車架的固有頻率，分析結果如圖1.21至圖1.28。圖1.21新車架一階振型圖圖1.22新車架二階振型圖圖1.23新車架三階振型圖圖1.24新車架四階振型圖圖1.25新車架五階振型圖圖1.26新車架六階振型圖圖1.27新車架七階振型圖圖1.28新車架八階振型圖根據新車架前八階振型圖其各階固有頻率和振型特點如表1.2。表1.2新車架前八階振型頻率以及振型特征表階數頻率（Hz）最大變形量（mm）振型特征14.4191.706車身骨架繞x軸扭轉24.9951.749車身骨架繞y軸扭轉36.3712.148車身骨架繞x軸與z軸扭轉410.9051.719繞z軸彎折軸處于骨架中段512.7941.627車身向后擺動613.2042.460繞z軸彎折軸處于骨架中段713.7022.287車身骨架繞x軸與z軸扭轉811.2503.058車身骨架主要繞x軸扭轉通過第4章得到的路面激勵頻率結果2.78Hz，可以判斷出新客車車架正常行駛不會發(fā)生共振現象，滿足客車的設計要求。1.4車架拓撲優(yōu)化前后性能對比通過對比車架優(yōu)化前與優(yōu)化后的力學性能，可以更直觀的判斷改進后的客車