本文针对某重载车辆车架的结构，借助HyperMesh和ANSYS软件的强大功能，优化出既能实现轻量化又能达到所需性能要求的车架结构。首先对原始模型进行拓扑优化，目标函数是不同工况的加权应变能，约束函数是设计区域的体积比。利用变密度法来做优化分析，完成计算后获得的结果能够以密度云图的形式反映出来。接着从得到的密度云图中筛选出最为理想的一种方案来形成最终的优化模型。最后建立优化后三维模型，用动静态特性分析得出的结论来验证拓扑优化设计的合理性。

关键词  拓扑优化  重载车辆车架  静力学分析  模态分析  HyperMesh  ANSYS  有限元法

毕业设计说明书外文摘要

Title   Simulation and Optimization of Heavy-Duty Vehicle

                Frame Structure                  

Abstract

In this paper, according to the structure of a heavy vehicle frame, with the help of HyperMesh and ANSYS, the frame structure is optimized to achieve the required performance requirements. Firstly, the topology optimization based on the frame of the original model, the objective function is the weighted strain energy under different working conditions, the constraint function is volume ratio of the design area, The model is subjected to the topological calculation by the variable density method, and a series of similar density contours of different volume ratio is obtained.In the end, the topology optimization model with the smallest constraint function is selected from different topological results. After analyzing the static and dynamic characteristics of the optimized three-dimensional model, it is proved that the structure of the topology optimization design is reasonable.

Keywords  Topology optimization  Heavy-duty vehicle frame  Static analysis  Modal analysis  HyperMesh  ANSYS  Finite element method

目次

1  引言 1

1.1  选题背景 1

1.2  车架优化研究现状 1

1.3  本文主要研究内容 2

1.4  软件介绍 3

2  搭建车架原始模型 4

2.1  车架概述 4

2.2  力学模型的选择 4

2.3  HyperMesh有限元建模的步骤 4

2.4  设计要求 5

3  拓扑优化 7

3.1  OptiStruct结构优化方法简介及选择 7

3.2  建立拓扑优化的初始模型 10

3.3  拓扑优化结果分析 14

3.4  有限元模型简化 15

4  车架结构性能的分析与研究 18

4.1  车架动力学分析 18

4.2  车架静力学分析 21

结论 29

致谢 30

参考文献 31

插图目录

图2.1 参照的框架车 6

图3.1 OptiStruct六种优化方法的特点和应用 7

图3.2 OptiStruct结构优化设计流程 9

图3.3 车架区域划分 10

图3.4 模型基本参数 11

图3.5 车架有限元模型 11

图3.6 空载工况约束和载荷设置 12

图3.7 满载工况约束和载荷设置 12

图3.8 定义设计变量控制面板 13

图3.9 应变能响应控制面板 13

图3.10 体积响应控制面板 13

图3.11 目标函数控制面板 13

图3.12 约束条件控制面板 14

图3.13 空载工况密度云图 14

图3.14 空载工况密度云图 14

图3.15 满载工况密度云图 15

图3.16 满载工况密度云图 15

图3.17 优化后车架三维模型 16

图3.18 车架网格划分图 17

图4.1 十二阶振型图 21

图4.2 施加约束的位置 22

图4.3 平动自由度的设置 22

图4.4 施加载荷的位置 23

图4.5 施加约束的位置 23

图4.6 左前轮施加的约束 23

图 4.7 右后轮施加的约束 23

图4.8 施加载荷的位置 24

图4.9 满载弯曲位移云图 24