割草机车架结构优化设计探讨范文

摘要：针对某割草机车架存在着结构应力不能同时满足水平弯曲、左前轮悬空、左后轮悬空、紧急制动四种工况下的强度需求的问题，利用Nastran建立了割草机车架的优化模型，通过基于厚度尺寸寻优策略，寻求了最优截面尺寸，优化了车架应力状况，满足了四种工况的强度要求，实现了车身重量最轻。

关键词：割草机；车架；多工况；厚度尺寸优化

0引言

目前对全地域车的研究国外主要集中在驾驶安全、控制等方面，对整车性能研究的很少，国内则主要集中在车架结构分析与优化、行驶动力学性能等方面，但许多问题如车架结构正确简化、多目标优化建模、车辆动力学评价等仍有待于进一步的研究［1－2］。本文针对某割草机车架存在着结构应力不能同时满足水平弯曲、左前轮悬空、左后轮悬空、紧急制动四种工况下的强度需求问题，通过寻求车架截面尺寸的最优值，保证了车身的强度要求，实现了车身的重量最轻，提高了整车的结构安全性、经济性。

1割草机车架结构的优化模型

1．1目标函数原车身结构不能满足所有的工况，通过增加车架各零部件的厚度，可使割草机车架满足所有工况的强度要求，但会大幅度提高车架重量，增加生产成本。结合生产实际，同时满足轻量化设计的需要，在优化设计中以割草机车架的重量最小作为目标函数。

1．2约束条件在优化设计过程中，为了加快优化进程，必须消除不必要或冗余的约束条件，选择的约束条件应尽可能符合优化目标的需求。本割草机车架材料为Q235，其屈服极限为235MPa。

1．3设计变量割草机的车架主要由薄壁的方钢和圆形钢管构成，以管厚为优化问题的设计变量共有7个，其定义遵循以下准则［3－5］：（1）由于车架结构的对称性，将处于对称位置且界面尺寸相同的管厚定义为同一个设计变量，其他不同的管厚定义为不同的设计变量。（2）由于一些功能构件如车座、壳体、车身装饰物、车灯等对车架强度影响非常小，故不作为优化设计变量。（3）在优化设计中，割草机车架由于组成构件较多而尺寸变量较多，太多的设计变量增大了收敛到局部最小而非全局最小的概率，必须尽量减少设计变量。采用变量关联的方法，将车架结构上互相有联系的非独立尺寸按照比例关系确定。

1．4寻优策略为了高效处理约束问题，并利于程序实现，Nastran采用可行方向法作为寻优策略，该方法的基本思想是：在可行域中选择一个可行点作为出发点，并选择最优方向前进；在前进中，如果该方向上的极值仍在可行域内，则将此点作为新起点，若极值点超越了约束边界，则选择边界上的点作为新起点；新起点继续搜寻最优方向，以此往复，直到搜寻到最优点为止［6－7］。

2割草机车架结构的静强度分析

2．1割草机车架结构的有限元分析模型实际车身往往比较复杂，而且许多结构对仿真影响可以忽略不计，故为了提高工作效率，提高仿真速度和准确性，对结构进行以下简化［8－11］：（1）去除非承重部件。去除车架上的座椅、方向盘等不影响车架强度的部件。（2）主、从节点处理。将位置距离较近的节点采用“主从节点”的方式处理，避免仿真过程中出现病态方程。（3）蒙皮处理。忽略蒙皮预应力的强化作用。（4）人体的重量以平均在座位上的力代替，油箱、发动机、电瓶、后桥、电机用大致几何模型代替。（5）单元选择。由于车架是薄壁件焊接而成的，利用四节点的壳单元来模拟可以得到比梁单元更高的精度，连接部位的焊接一部分用共节点的形式模拟，一部分利用rigid单元进行模拟。

2．2载荷和边界条件根据不同工况对车架有限元模型添加不同的边界条件。

2．3静强度分析在Nastran中计算4种工况下割草机车架的静态应力分布。

3结构优化分析

在4种工况中左后轮悬空工况下割草机车架受载恶劣，不满足强度要求，而其他3种工况下车架强度均满足要求，故以左后轮悬空工况为边界条件进行优化分析。

4车架结构改进后静动态性能校核

为了检验经优化改进后的车架性能是否提高，对改进后的车架进行静态应力、刚度分析。图5为各工况下割草机车架的最大VonMises应力值。由图5可知：优化后各工况下割草机车架的应力值均小于材料的屈服极限，满足各极限工况的使用要求，弯曲工况的应力较优化前稍微增大21MPa，但仍远低于Q235的屈服应力245MPa；左后轮悬空工况下的最大VonMises应力值从412MPa降低为231MPa，其值降低了43．9％；制动、左前轮悬空工况的最大VonMises应力值分别比优化前降低了6．5％和53．02％。

5结论

通过对某型割草机车架结构进行优化设计，采用优化后的结构参数对4种工况下静强度进行重新分析，得到以下结论：优化后割草机车架结构满足强度要求，车架结构最大VonMises应力小于材料（Q235）的屈服极限。经优化设计后，左前轮悬空、左后轮悬空两种工况下应力大幅降低，而弯曲、制动工况下应力水平变动不大，使得割草机在不同工况下的应力水平分布更加均匀，车架材料得到了合理分配。在保证强度前提下，实现了车身车架重量最小化。

参考文献：

［1］王赢利．新能源汽车白车身结构拓扑及尺寸优化设计［D］．大连：大连理工大学，2012：5－7．

［2］唐志坚．白车身静动态性能灵敏度分析及优化研究［D］．广州：华南理工大学，2012：4－6．

［3］陈光，崔玲，高云凯．大客车车身结构多工况综合优化分析［J］．山东大学学报（工学版），2009，39（6）：88－91．

［4］高云凯，刘盼，江峰．城市公交大客车车身结构综合优化分析［M］．西安：陕西科学技术出版社，2008．

［5］王志亮，刘波，马莎莎，等．基于弯曲刚度和扭转刚度的白车身优化分析［J］．机械科学与技术，2008，27（8）：1021－1024．

［6］隋允康．MSCNastran有限元动力分析与优化设计实用教程［M］．北京：科学出版社，2004．

［7］郑光泽．齿轮传动系统动态性能优化分析研究［D］．重庆：重庆大学，2004：39－40．

［8］吴伟斌，廖劲威，洪添胜，等．山地果园轮式运输机车架结构分析与优化［J］．农业工程学报，2016，32（11）：39－47．

［9］崔继强，徐和林．客车车架各行驶工况性能研究［J］．科学技术与工程，2012，12（19）：4839－4842．

［10］朱才朝，张晋，张伟敏．摩托车车架结构优化［J］．汽车工程，2009，31（1）：78－82．

［11］金常忠，王朋波．基于MSCNastran的轻卡车架结构强度分析［J］．计算机辅助工程，2013，22（增刊1）：57－59.

作者：章杨彬1，杨为2，3，康洪1，张云鹤1 单位：1．重庆大学机械工程学院，2.重庆大学汽车工程学院，3．重庆大学机械传动国家重点实验室