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基于拓扑优化的转向杠杆轻量化分析

2017/7/21    来源:互联网    作者:潘婷  王有磊  张伟  徐文敏      
关键字:轻量化  拓扑优化  强度  模态  多目标优化  
根据对转向杠杆的性能要求,应力小于材料屈服强度,固有模态频率既不在发动机怠速频率的范围之内,也不与车轮在常用车速时的激振频率耦合,进行轻量化研究改进。结果表明,质量降低35%,性能仍满足要求。

    0 引言

    转向杠杆通过转向杠杆支座安装到车架上,前端通过直拉杆1与第一垂臂、方向盘、转向机相连,后端通过直拉杆2与第二桥转向轮相连。其中第一垂臂与第一前桥相连,如图1所示。转向杠杆在车架中起到重要的转向连接作用。整车整备质量减小可降低燃油消耗,节约整车使用成本,因此为在保证转向杠杆性能的前提下,质量降到最低,进行拓扑优化分析。

    1

    1 转向杠杆性能要求

    强度要求,结构最大应力不超过材料屈服强度,该结构材料为Q235,屈服强度为235MPa。

    模态要求,结构的固有频率既不在发动机怠速频率[27.5Hz,32.5Hz]的范围之内,也不与车轮在常用车速时的激振频率6.73Hz耦合。

    发动机怠速频率计算方法见式(1)

    2

    2 强度与模态分析

    在进行结构轻量化优化之前,先对结构进行强度与模态分析,作为依据对结构进行轻量化改进。

    2.1 强度分析

    用RBE2模拟螺栓连接,按照实际工况,在螺栓处定义固定端约束与载荷。通过对所建立模型的求解,得到转向杠杆的应力情况。转向杠杆的应力云图如图2所示,其最大应力值为75.8MPa,远小于材料的屈服强度235MPa。

    2.2 模态分析

    通过对转向杠杆进行自由模态求解,得到转向杠杆的自由模态频率,见表1。转向杠杆的第一阶固有频率为695.1Hz既不在怠速频率[27.5Hz,32.5Hz]的范围之内,也不与车轮在常用车速时的激振频率6.73Hz耦合。有较大的优化空间。

    3

    3 拓扑优化分析

    3.1 转向杠杆拓扑优化数学模型

    在拓扑优化中,将设计空间单元密度设为设计变量,用Homogenization(均勻化)和Density(密度)两种方法定义材料的流动规律,每个单元的密度在0?1之间变化。0和1分别代表空或实;中间值同均匀化法,代表假想的材料密度值。在车体零部件转向杠杆的拓扑优化设计中,要通过优化设计的数学模型来进行求解。首先要确定其目标函数、设计变量和约束条件,以便建立优化设计的数学模型。

责任编辑:张纯子
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