[发明专利]一种基于CAE的卡车前桥轻量化设计方法

权利要求书

1.一种基于CAE的卡车前桥轻量化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1.强度分析；对车架进行轻量化，进行模型简化处理和工况定义；

强度计算方法如下所述：

基于现有结构设计的CAD模型，搭建前桥系统CAE有限元模型，并进行强度分析，卡车前桥CAE模型含转向节、前桥；两零件之间的接触表面间用有限元软件中的刚体单元进行连接，轮胎接地点和转向节转轴通过刚性单元刚性连接，强度求解时，载荷施加在轮胎接地点，载荷施加根据按如下3个工况进行：

1.1垂直2.5g冲击工况

约束： 车桥与钢板弹簧连接处左侧约束12356，右侧约束1356；

载荷： 满载前轴荷：P1=2405（kg）*9.8kg/m.s^2；

按满载轴荷计算：单侧车轮接地点加垂直载荷：F1=F2=2405/2*2.5*9.81N，该载荷在轮胎接地点，即垂直地面方向Z向加载；

1.2 紧急转向工况

约束：车桥与钢板弹簧连接处左侧约束12356，右侧约束1356；

载荷：宽体满载前轴荷：P1=2405*9.81N；按满载轴荷计算，右转向工况：左侧车轮接地点加垂直载荷，单侧：Fz1=2405*9.81N；

y向，即车身横向到附着载荷：Fy1=Fz1*0.4，左转向工况，在右侧车轮接地点施加相应载荷；

1.3.紧急制动工况

约束：车桥与钢板弹簧连接处左侧约束12345，右侧约束1345；

载荷：宽体满载前轴荷：P1=2405*9.81N，

按满载轴荷计算：车轮接地点加垂直载荷，单侧：Fz=2405*1.7/2*9.81N，

附着载荷，其中x是车身方向：Fx=Fz*0.8；

2.基于morph的尺寸优化；

基于有限元前处理软件中的morph网格变形技术，对前桥创建morphing box，左右对称，并将morphing box的高度进行参数化，调整参数，获得不同尺寸的前桥CAE模型，并对不同的CAE模型进行强度分析，找出满足强度性能要求且减重最多的方案；

3．基于拓扑优化的结构优化；

在步骤2的基础上进行拓扑优化设计，拓扑优化设计过程中定义三要素：设计变量定义，约束条件定义，优化目标定义；

3.1定义拓扑优化设计变量；

将结构没有连接点的区域定义为结构拓扑优化区域，在有限元软件中定义为设计变量；

3.2 定义响应；

响应的定义用来定义优化目标和优化约束；

定义两个响应：

定义加权应变能响应：加权应变能定义是为了求解不同强度载荷工况下整个系统的总的应变能，即总应变能=载荷工况一零部件系统应变能*权重+工况二的零部件系统应变能*权重+工况三的零部件系统应变能*权重，之前所述工况均是常见工况，因此，三个工况权重均设定为1；

定义体积分数响应，体积分数响应表示设计区域，3.1中所述设计变量，优化后的结构的总体积除以优化前结构的总体积，此处定义体积分数响应指的是3.1中所述的拓扑优化区域优化前后的体积分数；

3.3定义优化目标；

设置为优化目标为3.2中定义的加权应变能最小，应变能小，表示优化目标为刚度最大化；

3.4定义优化约束；

对4.2.2中定义的体积响应分数进行求解约束，约束体积响应分数的最大值为0.3，最小值不定义；定义该约束目的是对确有拓扑优化后，优化结构的总体积除以初始体积的比值小于等于0.3，以便获得清晰的拓扑优化载荷传递路径；

3.5拓扑优化求解

将以上模型提交求解，并对结果进行解析。

2.根据权利要求1所述的一种基于CAE的卡车前桥轻量化设计方法，其特征是：还包括步骤4.结构优化后的前桥强度校核分析；

综合morph尺寸优化和拓扑优化结果，搭建新的前桥CAD模型，然后进行强度分析，确保优化后的结构满足强度要求。