基于ANSYS Workbench的车架结构有限元分析及拓扑优化技术研究

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

摘要................................................................................................................................I ABSTRACT......................................................................................................................II 第1章绪论.. (1)

1.1课题来源 (1)

1.2课题研究背景与意义 (1)

1.3国内外研究现状及分析 (3)

1.3.1国外研究现状 (3)

1.3.2国内研究现状 (4)

1.4本文的主要研究内容 (6)

第2章车架的静力学性能分析 (7)

2.1引言 (7)

2.2车架有限元分析 (7)

2.2.1车架强度理论 (7)

2.2.2车架结构有限元模型设置 (8)

2.2.3车架不同网格的数值模拟 (9)

2.3车架满载弯曲性能分析 (11)

2.3.1弯曲强度分析 (11)

2.3.2弯曲刚度分析 (12)

2.4车架满载扭转性能分析 (12)

2.4.1扭转强度分析 (12)

2.4.2扭转刚度分析 (13)

2.5车架结构的性能校核 (14)

2.6车架结构的改进方案 (15)

2.7本章小结 (15)

第3章车架结构的模态性能分析 (16)

3.1引言 (16)

3.2模态的理论基础 (16)

3.2.1模态分析理论 (16)

3.2.2模态分析的有限元法 (17)

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3.2.3模态提取方法 (18)

3.3模态分析设置 (18)

3.3.1模态参数设置 (18)

3.3.2加载与求解 (18)

3.3.3模态扩展 (19)

3.4模态结果分析 (19)

3.5本章小结 (24)

第4章车架拓扑优化技术研究及应用 (25)

4.1引言 (25)

4.2拓扑优化理论及技术研究 (25)

4.2.1拓扑优化理论 (25)

4.2.2拓扑优化算法 (28)

4.2.3变密度法材料插值模型的研究 (29)

4.2.4变密度法及渐进法拓扑技术分析 (31)

4.3车架拓扑优化有限元建模 (32)

4.3.1单元的选择 (33)

4.3.2材料属性定义 (33)

4.3.3网格划分 (33)

4.4车架拓扑优化参数设置 (34)

4.4.1边界条件 (34)

4.4.2施加设计域载荷 (34)

4.4.3优化参数设置 (35)

4.5拓扑优化分析 (36)

4.5.1典型工况的拓扑优化 (36)

4.5.2拓扑优化结构的改进 (40)

4.5.3拓扑优化结果分析 (41)

4.6本章小结 (42)

第5章拓扑优化车架的性能分析 (43)

5.1引言 (43)

5.2优化后车架静态性能分析 (43)

5.2.1弯曲工况分析 (43)

5.2.2扭转工况分析 (44)

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5.3优化后车架的模态分析 (45)

5.4优化前后车架性能参数对比 (50)

5.4.1优化后整车性能测试 (50)

5.4.2优化后车架性能参数分析 (51)

5.5本章小结 (51)

结论 (52)

参考文献 (53)

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用权限 (57)

致谢 (58)

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第1章绪论

1.1课题来源

本文所研究的课题来源于深圳某高新企业，是关于电动轨道车车架结构的有限元分析计算及拓扑优化技术研究的展开。课题将运用ANSYS Workbench分析电动轨道车车架结构静态和动态性能及对车架展开拓扑优化设计，预期将通过相关研究为车架的结构优化设计提供指导。

1.2课题研究背景与意义

企业研发的电动轨道车需要经过一系列复杂的控制动作组合，模拟真实的爬升、坠落、颠簸、急转弯等特技效果。所以电动轨道车的工作工况十分复杂，这就要求运行过程中的轨道车具有良好的整车性能，不能出现车体以及零部件的疲劳失效、结构件断裂等危险情况。而车架作为电动轨道车的核心部件，对车体及乘客起主要的承载作用，故车架的设计对整车性能至关重要，车架是否具有良好的工作性能往往决定了整车的使用寿命。

在汽车行业中，有限元法（Finite Element Method,FEM）作为求解微分方程的有效数值计算方法，其在汽车整车及零部件的结构设计开发中有着广泛的应用市场，如汽车车架及零部件结构静态及动态性能分析等方面的应用。有限元法在电动轨道车零部件的静态及动态性能分析中最显著的应用在于车架、车身的设计及性能评价[1]。电动轨道车车架作为车厢体结构、电机、车桥、前后导向轮组及工控箱等零部件的安装结构，在模拟真实的爬升、坠落、颠簸、急转弯等特技效果时车架的受力情况极为复杂。通过对车架结构进行有限元分析及优化车架结构，可有效避免车架出现的应力集中现象，提升车架抗变形、抗冲击能力及承载能力等以及实现车架的减振、减重设计[2]。

随着有限元法在轨道车车架结构设计及性能优化方面应用的不断成熟，其优势已逐渐得到众多轨道车设计工程师的认可[3]：

（1）对车架结构展开有限元计算可以提升车架的研发效率，提升整车结构及其零部件的刚度特性。

（2）依据工程师的常规设计经验不可能全方位分析出车架结构的力学性能，而有限元法能有效、全面的分析及解决车架结构的实际力学性能不足所导致严重弯曲、抗扭转性差等问题。

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