2500型压裂车副车架拓扑优化及分析
2500型压裂车副车架拓扑优化及分析
作者：吴汉川， 刘健， 庞罕， 肖文生， 杨本灵， 牛文录， WU Han-chuan， LIU Jian， PANG Han， XIAO Wen-sheng，YANG Ben-ling， NIU Wen-lu
作者单位：吴汉川,WU Han-chuan(中国石化集团江汉石油管理局第四石油机械厂,湖北荆州,434023)， 刘健,庞罕,肖文生,LIU Jian,PANG Han,XIAO Wen-sheng(中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛,266555)， 杨本灵,牛文录,YANG Ben-
ling,NIU Wen-lu(甘肃蓝科石化高新装备有限公司,兰州,730070)
刊名：
石油矿场机械
英文刊名：Oil Field Equipment
年，卷(期)：2012,41(3)
被引用次数：3次
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2.李庆海.侯金龙.成艳红YLC-700Ⅰ型压裂车离合器输出装置故障分析及改进[期刊论文]-石油矿场机械 2008(07)
3.翟惠宁.吕茂岩.刘文涛YLC70环保型酸化压裂车改造[期刊论文]-石油矿场机械 2007(10)
4.郑翔.龚俊杰.方开荣抽油机驴头的拓扑优化设计[期刊论文]-石油矿场机械 2005(03)
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6.潘锋.朱平.孟瑾微型货车车架的拓扑优化设计[期刊论文]-机械设计与研究 2008(02)
7.范文杰.范子杰.桂良进多工况下客车车架结构多刚度拓扑优化设计研究[期刊论文]-汽车工程 2008(06)
8.龙凯.覃文洁.左正兴基于拓扑优化方法的牵引车车架优化设计[期刊论文]-机械设计 2007(06)
9.董志明.潘艳君混凝土搅拌运输车副车架的受力分析及结构优化 2008(03)
1.王新老式压裂车技术改造中的一些构想[期刊论文]-科技资讯 2012(27)
2.张旭明.唐卫军CPT-Y4型固井水泥车静态强度分析及改进[期刊论文]-石油矿场机械 2012(9)
3.何畏.孙宇.王向涛2500型压裂车主副车架刚性匹配的探究和仿真[期刊论文]-天然气与石油 2012(5)
本文链接：/Periodical_sykcjx201203005.aspx。
重型载货汽车车架拓扑优化设计
厂 是 目标 函数 ； ） ｇ ） （ 是不等式约束 函数 ；
拓扑优化是一种数学方法 ，能在给定的空 间结 构 中， 生成优化的形状及材料分布， 将区域离散成优
先 的单元网格 ， 为每个网格计算材料特性 。 在给定的
（） 是等式约束 函数 ；
上角标 是指 Ｌ ｗ ｒ ｉ ｉ 即下 限； ｏ ｅＬｍｔ ， 上角标 ｕ是指 Ｕ ｐｒ ｉｉ 即上限。 ｐｅ ｍｔ Ｌ ， 其 中 目 函数和约束 函数是从有限元模型 中获 标
９所示 ：
等重力所在 的位置 ，可在该位置根据发动机的布置 增加横梁 ， 在后续 的分析中 ， 可分别分析原车架和增
型， 可见拓扑优化 ， 可以为新车架 的设计提供一个新 的思路 。
参考 文献 ：
【］ １余传文． １ 重型载货 汽车车架结构 的有 限元仿真及优 化［ 】吉 Ｄ． 林： 吉林大学 ，０ ５ ２０ ．
图 ８ 弯 曲工况拓扑优化结果
约束条件下 ，采用变密度法等算法 ，更改材料 的分 布 ， 留有效的材料 ， 保 即在满足结构 的约束情况下 ， 得 ，设计变量 是一个矢量 ，其选择依赖于优化模 型 。在拓扑优化 中 ， 变量为单元密度 ， 设计 即采用变 减少结构的变形能（ 相当于提高结构的刚度 ）。 【 ２ 】
拓扑优化过程 ，就是通过将无效 的或低效 的材 密度法求解 ，其基本思想是将连续结构体离散为有 引入一 种假想 的密度值在 【，】 ０ｌ 之间的 料逐步去掉 ， 以得到最终结构 。对于连续体结构拓扑 限元模型后 ， 以每个单元 的密度为设计变量 ， 将拓 优化的最大优点 ， 是能在不知道结构形状的前提下 ， 密度可变材料 ，
度最小 （ 柔度可看 为刚度的倒数 ， 柔度最小则相应 的
拓扑优化在底盘结构设计中的应用
拓扑优化在底盘结构设计中的应用一、引言底盘结构是机器人设计和制造的核心，它与机器人的稳定性、功能性、安全性等密切相关。
为了不断提高机器人的性能和适应能力，拓扑优化在底盘结构设计中得到了广泛的应用。
该技术可以通过最优化结构形态来减轻底盘自身重量，提高刚度和强度，提高机器人的负载能力和速度稳定性，有效提高机器人的综合性能。
本篇文章将介绍拓扑优化在底盘结构设计中的应用。
二、拓扑优化的基本原理拓扑优化是一种通过工程技术手段把机械结构进行形态最优化的方法。
其原理基于有限元分析，主要通过材料分布的改变来优化材料的使用效率和结构的强度。
拓扑优化技术不仅可以在结构设计中降低材料的使用量，提高生产效率，还可以降低结构重量，并提高结构的稳定性和刚度。
其核心优化算法是根据一定的设计空间和约束条件，在计算机优化软件中寻找最优解。
三、拓扑优化在底盘结构设计中的应用1.优化结构形态拓扑优化技术可以通过对底盘结构的形态进行优化，最优化结构形态，实现最大限度的材料节省和最小化底盘结构的自重。
在形态优化过程中，设计者可以定义材料的分布限制，同时考虑强度、刚度等机械性能指标，从而提高结构的稳定性和可靠性。
2.优化材料分布在机器人底盘结构设计中，由于需要考虑材料强度和支撑能力，此时非常适用于拓扑优化技术。
在使用拓扑优化技术进行底盘结构优化时，可以通过改变材料分布来改变材料的使用效率，从而达到最佳的材料控制效果。
常用拓扑优化方法是添加限制条件，如最小刚度、最大变形等条件。
3.优化机器人性能底盘的稳定性、可控性和可靠性直接影响机器人的性能和有效负载能力。
利用拓扑优化，设计者可以通过减少材料使用量来减轻底盘的自重，提高机器人的负载能力和速度稳定性，从而有效提高机器人的综合性能。
4.提高生产效率由于底盘结构的制造复杂度和生产周期的影响，机器人产量和制造成本难以控制。
在使用拓扑优化进行底盘结构设计时，可以通过减少材料使用量来减轻底盘的自重，从而促进生产效率和减少制造成本。
拓扑优化
拓扑优化的主要困难在于满足一定功能要求的结构拓扑具有无穷多种形式，
并且这些拓扑形式难以定量的描述即参数化。
发展概况
Michell在1904年在桁架理论中首次提出了拓扑优化的概念，用解析 分析的方法研究了应力约束、单荷载作用下的结构，得到最优桁架所应 满足的条件，后称为Michell准则，并将符合Michell准则的桁架称为 Michell桁架．也称最小重量桁架．这被认为是结构拓扑优化设计理论研 究的一个里程碑．
N e 1 e e
（2 ）
v
V
e 0,1, e 1,2, , N
当分析网格与栅格吻合时，刚度矩阵就可以写成如下形式:
Klin e Ke
e 1
N
（3 ）
其中[Ke]为单元刚度矩阵，下标lin表示它与设计变量是线性关系。
如果我们希望将问题设定成一个标准的嵌套式方程，其中要求平衡条 件能排除使刚度矩阵奇异的情况，可以用一个很小但非零的值
v
e 1 e
N
（9 ）
e
V
0 e 1, e 1,2,, N
在SIMP模式中选择P>1是为了使中间密度值不可取，也就是说中间密度的刚
度矩阵与体积相比是很小的，当体积约束在优化问题中起主导作用时，如果我们
将p取的足够大（根据经验可取p≥3），这将会导致黑白（即0-1）设计问题。
如果结构的边界形状可以用一条曲线(曲面)的方程来描述，那么形状优化的目的 就是要求得最佳边界形状所对应的曲线(曲面)方程。对于大多数实际的形状优化 问题，结构的边界形状常常采用一组适当的基函数并附加一些可以自由变化的参 数来描述，此时，这些自由参数就可以选作形状优化的设计变量。对于平面桁架 结构，节点的位置亦可以作为形状优化的设计变量，变化节点的位置坐标可以大 大改善结构的力学性能。
拓扑优化_精品文档
-1整数变量问题变为0～1间的连续变量优化模型，获得方程（在设计变
量上松弛整数约束）的最直接方式是考虑以下问题：
min u,
uout
N
s.t.: min 1 min e Ke u f e1
N
vee V
e1
0 e 1, e 1,2,, N
其中 e 可取0-1之间的值
（6）
然而这种方程会导致较大区域内 e 是在0-1之间的值，所以必须添加额外 的约束来避免这种“灰色”区域。要求是优化结果基本上都在 e 1 或
而对于结构拓扑优化来说，其所关心的是离散结构中杆件之间的最优 连接关系或连续体中开孔的数量及位置等。拓扑优化力图通过寻求结构的 最优拓扑布局(结构内有无孔洞，孔洞的数量、位置、结构内杆件的相互 联接方式)，使得结构能够在满足一切有关平衡、应力、位移等约束条件 的情形下，将外荷载传递到支座，同时使得结构的某种性能指标达到最优。 拓扑优化的主要困难在于满足一定功能要求的结构拓扑具有无穷多种形式， 并且这些拓扑形式难以定量的描述即参数化。
结构渐进优化法(简称ESO法)
通过将无效的或低效的材料 一步步去掉，获得优化拓扑，方法通 用性好，可解决尺寸优化，还可同时 实现形状与拓扑优化(主要包括应力， 位移／刚度和临界应力等约束问题的 优化)。
2.问题的设定
柔顺机构的拓扑优化
首先假设线性弹性材料有微小的变形
柔顺结构的一个重要运用在于机电系统（MicroElectroMechanical Systems(MEMS),在该系统中小规模的计算使得很难利用刚体结构来实现铰链、 轴承以及滑块处的机动性。
如果我们只考虑线性弹性材料（只发生微小变形）的分析问题，则决定 输出位移的的有限元方法公式为：
某车型副车架模态拓扑优化设计
某车型副车架模态拓扑优化设计沈智达 陈海树 刘双宇（华晨汽车工程研究院 辽宁沈阳 ）摘要：本文以某车型副车架为例，介绍了基于拓扑优化方法，应用有限元软件HyperWorks的OptiStruct模块建立有限元模型的过程。
通过优化计算，使一阶扭转模态值达到最佳水平，并对优化结果进行了台架试验对比验证，优化结果可为同类产品设计提供参考。
关键词：拓扑优化模态频率副车架有限元分析引言：汽车底盘的主要性能是舒适性和操控性，悬挂系统的设计和匹配上设计师们都尽可能的用一些复杂结构来实现舒适性和操控性的平衡，而一些对舒适性和操控性影响较大的装备和设计也应运而生，副车架就是一个典型的代表。
副车架实际是一个支撑车桥和悬架的支架，汽车的行走系统（也就是车桥，包括车轮、轮轴、差速器等部件）通过悬架元件先安装在这个支架上，再作为一个整体总成，用起减振抗扭作用的弹性橡胶垫连接到车身上。
副车架的作用，相当于在悬架和车身之间增加了一级缓冲，它减轻了车身的负荷，可以明显改善整车的舒适和操控性。
另外，由于副车架结构的出现，前桥和后桥从原来的零散部件变成了整体总成，这对汽车的平台化设计以及生产装配的便利性，都有很大的好处。
副车架的成本一直很高，所以它以前更多出现在豪华车身上。
现在，随着技术的进步以及成本的降低，它已经逐步向低端车型扩展，甚至有的紧凑级别车型也开始采用这种设计。
优化方法概述：汽车零部件结构优化设计是指在不影响零部件的强度和性能的基础上，通过设计质量轻的产品达到降低汽车制造成本的目的。
结构优化通常分为尺寸优化，形状优化，拓扑优化和结构类型优化等。
其中尺寸优化和形状优化技术已经比较成熟，但对结构优化所起的作用有限。
结构拓扑优化又称为结构布局优化，它是一种根据约束，载荷及优化目标而寻求结构材料最佳分配的优化方法，主要应用在产品开发的初始阶段，是一种概念性设计，对最终产品的成本和性能有着决定性影响。
变密度法是连续体结构拓扑优化的常用方法之一，其基本思想是引入一种假设的密度可变材料，将连续结构体离散为有限元模型后，使结构中的每个有限单元内的密度制定相同，并以每个单元密度为设计变量。
拓扑优化文档
拓扑优化1. 什么是拓扑优化拓扑优化是一种通过调整物体内部的结构来优化其性能的方法。
在工程领域中，拓扑优化被广泛应用于设计和优化各种结构和组件，如桥梁、飞机翼、汽车车身等。
通过优化结构的拓扑，可以实现减少材料使用、降低重量、提高强度和刚度等目标。
2. 拓扑优化的原理拓扑优化的原理基于有限元分析和优化算法。
首先，通过建立数学模型将待优化的物体离散化为有限个小单元，然后通过有限元分析计算每个单元的应力和变形。
接下来，通过优化算法对单元进行重新排列和连接，以达到优化目标。
最后，通过迭代计算和优化，得到最佳的拓扑结构。
3. 拓扑优化的优势拓扑优化相比传统的设计方法具有以下几个优势：•轻量化设计：通过优化结构的拓扑，可以减少材料使用，从而降低产品的重量，提高材料利用率。
•强度和刚度优化：通过调整结构的拓扑，可以使得产品在承受外部载荷时具有更好的强度和刚度，提高结构的耐久性和可靠性。
•自由度增加：拓扑优化在设计中引入了更多的自由度，从而可以实现更多创新的设计方案和拓扑配置。
•快速迭代：拓扑优化通过不断迭代计算和优化，可以快速地获得最佳的拓扑结构，节省设计时间和成本。
4. 拓扑优化的应用领域拓扑优化可以应用于各种领域，包括但不限于以下几个方面：4.1 机械工程在机械工程领域，拓扑优化广泛应用于各种机械结构的设计和优化。
例如，通过优化产品的拓扑结构，可以减少材料使用，降低重量，提高产品的强度和刚度。
4.2 建筑工程在建筑工程领域，拓扑优化可以应用于桥梁、建筑结构等的设计和优化。
例如，通过优化结构的拓扑，可以减少材料使用，降低建筑物的重量，提高抗震性能。
4.3 航空航天在航空航天领域，拓扑优化可以应用于飞机、航天器等的设计和优化。
通过优化结构的拓扑，可以减少飞机的重量，提高燃油效率，降低运营成本。
4.4 汽车工程在汽车工程领域，拓扑优化可以应用于汽车车身、底盘等的设计和优化。
通过优化结构的拓扑，可以减少汽车的重量，提高燃油效率，提高操控性能。
对轿车副车架设计与优化的研究洪磊
对轿车副车架设计与优化的研究洪磊发布时间：2023-05-31T11:36:09.668Z 来源：《中国电业与能源》2023年6期作者：洪磊[导读] 目前，轿车副车架设计质量提升，受到行业内关注。
本文将针对轿车载荷情况和典型工况设计情况，对轿车副车架设计开展优化，设计优化中应用三维CAD软件，提高设计质量。
最终完成构件的强度计算，借此分析优化设计后的轿车副车架优势。
研究发现，通过优化设计后的副车架可通过减小板材厚度的方式，实现车架减重的效果，进而提升轿车的整体性能。
本文关于轿车副车架性能优化的研究，可供其他同行工作参考。
宁波汇众汽车车桥制造有限公司 315033摘要：目前，轿车副车架设计质量提升，受到行业内关注。
本文将针对轿车载荷情况和典型工况设计情况，对轿车副车架设计开展优化，设计优化中应用三维CAD软件，提高设计质量。
最终完成构件的强度计算，借此分析优化设计后的轿车副车架优势。
研究发现，通过优化设计后的副车架可通过减小板材厚度的方式，实现车架减重的效果，进而提升轿车的整体性能。
本文关于轿车副车架性能优化的研究，可供其他同行工作参考。
关键词：副车架；优化设计；轿车引言：研究发现，汽车底盘性能很难兼顾舒适性、操控性，两者是相互矛盾的。
针对悬挂系统的设计，设计者会选用一些复杂结构来尽量保障操控性和底盘舒适性的平衡，而轿车副车架发挥的就是这方面的作用。
简单地说，副车架的作用显著，可看作前后车桥的骨架，属于轿车的重要构成。
传统副车架设计中应用的是承载式车身，这种方式会影响操作性能，随着副车架设计的完善，悬挂系统结构发生了改变，由散件变成了总成，操作中稍作调校便可实现良好匹配的效果。
基于这种结构的副车架设计，除了方便和优越性要得到保障以外，还要兼顾舒适性和悬挂刚度等具体需求。
1副车架的作用原理对于副车架来说，在设计中需满足性能需求，副车架的突出作用是控制路面震动的传入，借此增加行车的舒适性。
同时，借助副车架的设计，还可以强化悬挂系统连接刚度，从而提升安全性。
副车架有限元分析及设计优化_蒋玮
《北京汽车》2010.No.2北京汽车文章编号：1002-4581（2010）02-0013-03副车架有限元分析及设计优化蒋玮Jiang Wei（上海汇众汽车制造有限公司产品工程部，上海200122）摘要：利用CAE、CAD技术对新开发的某轿车副车架进行有限元分析及设计优化，并通过试验验证设计的可靠性，从而建立合理可行的结构件设计开发流程。
关键词：副车架；有限元；优化设计；试验验证中图分类号：U463.32.02文献标识码：A随着汽车业竞争压力的加剧，CAE技术在零部件开发中被广泛使用。
目前国内外汽车结构件的设计多采用运动学分析来获得硬点、包络面及载荷等设计输入，利用有限元分析评判设计的合理性，并通过试验验证分析设计的可靠性，将设计、计算机仿真和试验有效地结合起来，大大缩短了开发周期[1]。
文中以轿车副车架作为研究对象，对设计模型进行CAE分析，并根据分析结果进行设计优化，使所设计的副车架满足设计要求。
同时通过台架模拟试验验证了CAE分析及设计的可靠性。
1概述副车架是轿车底盘中非常重要的安全及承载件，作为轿车前部的承载基体，支撑着所有簧上质量[1]，承受和传递汽车行驶过程中所产生的各种力和力矩。
因此，副车架的刚度、强度、疲劳寿命等对车辆整体的强度、操纵稳定性及安全性起到至关重要的作用。
按副车架本身工艺特性来分，有冲压焊接和液压成型焊接两种。
文中所介绍的副车架为大型冲压焊接件。
该副车架的主要结构是由两根横梁和两根纵梁以及一些附属支架通过焊接构成，焊接方式为电弧焊，具体结构见图1所示。
1、前梁2、后梁3、右梁4、左梁5、发动机前支架6、发动机后支架7、控制臂前支架8、控制臂后支架9、前套筒10、后套筒11、稳定杆安装孔12、转向机安装孔13、前加强片2有限元模型的建立2.1网格划分[2]网格划分采用Hypermesh软件，副车架本体网格单元采用壳单元，以四边形为主，三角形为辅，焊缝网格采用壳单元中的四边形。
车身扭转刚度分析及拓扑优化
白车身扭转刚度分析及拓扑优化Torsion Stiffness Analysis and TopologyOptimization of Body in White摘要: 白车身（Body in White, BIW）的扭转刚度是车身重要的力学性能之一，对整车各方面的性能有着直接或间接的影响。
本文在已有量产车型基础上，运用HyperMorph工具建立了轴距加长150 mm对应的Morph模型。
以Morph模型为研究对象，以扭转工况对应的柔度最小化为目标，利用OptiStruct软件进行了拓扑优化分析。
基于拓扑优化结果，对后地板横梁加强板、连接板、后围结构进行了形状优化和截面优化，优化后扭转刚度提升了4.85 %，对后续的设计具有一定的指导意义。
关键词:白车身，Morph模型，扭转刚度，OptiStruct，拓扑优化Abstract:The torsion stiffness of the Body in White (BIW) is one of the important mechanical properties of the body, and has a direct or indirect effect on the performance of all aspects of the vehicle. In this paper, based on the existing production models, the corresponding Morph model with 150 mm longer wheelbase was established by using HyperMorph tool. Then, taking Morph model as the research object and aiming at minimizing the compliance corresponding to the BIW torsion condition, topology optimization analysis was carried out by using OptiStruct software. Finally, based on the results of topology optimization, shape and section optimization were carried out for the rear floor beam reinforcing plate, connecting plate and the rear frame structure. As a result, the torsion stiffness is improved by 4.85 % after optimization, which has certain guiding significance for the subsequent design.Key words:Body in White, Morph model, torsion stiffness, OptiStruct, topology optimization1 概述随着经济的快速发展，汽车已经成为人们日常生活中不可缺少的交通工具。
拓扑优化简介拓扑优化设计流程算例
if enB max(min , en m) if max(min , en m) enB min(1, en m)
if enB min(1, en m)
xnew = max(0.001,max(x-move,min(1.,min(x+move,x.*sqrt(-dc./lmid)))))
1
nely+2
纵向
e
e
nely+1
2(nely+1)
2 1
8 7
4 3
局部
6 5
(1)
(4)
e
(2)
(3)
整体
KU F (有限元基本方程)
U ——各节点位移矩阵
建立优化模型
目标函数(min& max)
约束函数
设计变量
(x) (e )p
min
C UTF
n
( e ) pueT koue
》top(60,20,0.5,3,3)
在Matlab中运行程序行 top(60,20,0.5,3,3)
迭代次数：10
15
30
69
>imagesc
悬臂梁
左端固支
右端中间作用垂直载荷 p 1
F(2*nelx*(nely+1)+nely+2,1) = -1 fixeddofs = [1:2*(nely+1)] >top(80,50,0.5,3,3)
迭代次数：5
10
29
P1 P2
拓扑优化简介 拓扑优化设计流程 算例
目的：结构轻量化设计
拓扑优化：在给定的设计域 ，约束和载荷条件下， 确定结构构件的连接方式，结构内有无空洞、空洞 数量及位置等拓扑形式。