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摘要：針對某割草機(jī)車架存在著結(jié)構(gòu)應(yīng)力不能同時滿足水平彎曲、左前輪懸空、左后輪懸空、緊急制動四種工況下的強(qiáng)度需求的問題，利用Nastran建立了割草機(jī)車架的優(yōu)化模型，通過基于厚度尺寸尋優(yōu)策略，尋求了最優(yōu)截面尺寸，優(yōu)化了車架應(yīng)力狀況，滿足了四種工況的強(qiáng)度要求，實(shí)現(xiàn)了車身重量最輕。

關(guān)鍵詞：割草機(jī)；車架；多工況；厚度尺寸優(yōu)化

0引言

目前對全地域車的研究國外主要集中在駕駛安全、控制等方面，對整車性能研究的很少，國內(nèi)則主要集中在車架結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化、行駛動力學(xué)性能等方面，但許多問題如車架結(jié)構(gòu)正確簡化、多目標(biāo)優(yōu)化建模、車輛動力學(xué)評價等仍有待于進(jìn)一步的研究［1－2］。本文針對某割草機(jī)車架存在著結(jié)構(gòu)應(yīng)力不能同時滿足水平彎曲、左前輪懸空、左后輪懸空、緊急制動四種工況下的強(qiáng)度需求問題，通過尋求車架截面尺寸的最優(yōu)值，保證了車身的強(qiáng)度要求，實(shí)現(xiàn)了車身的重量最輕，提高了整車的結(jié)構(gòu)安全性、經(jīng)濟(jì)性。

1割草機(jī)車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化模型

1．1目標(biāo)函數(shù)原車身結(jié)構(gòu)不能滿足所有的工況，通過增加車架各零部件的厚度，可使割草機(jī)車架滿足所有工況的強(qiáng)度要求，但會大幅度提高車架重量，增加生產(chǎn)成本。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，同時滿足輕量化設(shè)計的需要，在優(yōu)化設(shè)計中以割草機(jī)車架的重量最小作為目標(biāo)函數(shù)。

1．2約束條件在優(yōu)化設(shè)計過程中，為了加快優(yōu)化進(jìn)程，必須消除不必要或冗余的約束條件，選擇的約束條件應(yīng)盡可能符合優(yōu)化目標(biāo)的需求。本割草機(jī)車架材料為Q235，其屈服極限為235MPa。

1．3設(shè)計變量割草機(jī)的車架主要由薄壁的方鋼和圓形鋼管構(gòu)成，以管厚為優(yōu)化問題的設(shè)計變量共有7個，其定義遵循以下準(zhǔn)則［3－5］：（1）由于車架結(jié)構(gòu)的對稱性，將處于對稱位置且界面尺寸相同的管厚定義為同一個設(shè)計變量，其他不同的管厚定義為不同的設(shè)計變量。（2）由于一些功能構(gòu)件如車座、殼體、車身裝飾物、車燈等對車架強(qiáng)度影響非常小，故不作為優(yōu)化設(shè)計變量。（3）在優(yōu)化設(shè)計中，割草機(jī)車架由于組成構(gòu)件較多而尺寸變量較多，太多的設(shè)計變量增大了收斂到局部最小而非全局最小的概率，必須盡量減少設(shè)計變量。采用變量關(guān)聯(lián)的方法，將車架結(jié)構(gòu)上互相有聯(lián)系的非獨(dú)立尺寸按照比例關(guān)系確定。

1．4尋優(yōu)策略為了高效處理約束問題，并利于程序?qū)崿F(xiàn)，Nastran采用可行方向法作為尋優(yōu)策略，該方法的基本思想是：在可行域中選擇一個可行點(diǎn)作為出發(fā)點(diǎn)，并選擇最優(yōu)方向前進(jìn)；在前進(jìn)中，如果該方向上的極值仍在可行域內(nèi)，則將此點(diǎn)作為新起點(diǎn)，若極值點(diǎn)超越了約束邊界，則選擇邊界上的點(diǎn)作為新起點(diǎn)；新起點(diǎn)繼續(xù)搜尋最優(yōu)方向，以此往復(fù)，直到搜尋到最優(yōu)點(diǎn)為止［6－7］。

2割草機(jī)車架結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度分析

2．1割草機(jī)車架結(jié)構(gòu)的有限元分析模型實(shí)際車身往往比較復(fù)雜，而且許多結(jié)構(gòu)對仿真影響可以忽略不計，故為了提高工作效率，提高仿真速度和準(zhǔn)確性，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下簡化［8－11］：（1）去除非承重部件。去除車架上的座椅、方向盤等不影響車架強(qiáng)度的部件。（2）主、從節(jié)點(diǎn)處理。將位置距離較近的節(jié)點(diǎn)采用“主從節(jié)點(diǎn)”的方式處理，避免仿真過程中出現(xiàn)病態(tài)方程。（3）蒙皮處理。忽略蒙皮預(yù)應(yīng)力的強(qiáng)化作用。（4）人體的重量以平均在座位上的力代替，油箱、發(fā)動機(jī)、電瓶、后橋、電機(jī)用大致幾何模型代替。（5）單元選擇。由于車架是薄壁件焊接而成的，利用四節(jié)點(diǎn)的殼單元來模擬可以得到比梁單元更高的精度，連接部位的焊接一部分用共節(jié)點(diǎn)的形式模擬，一部分利用rigid單元進(jìn)行模擬。

2．2載荷和邊界條件根據(jù)不同工況對車架有限元模型添加不同的邊界條件。

2．3靜強(qiáng)度分析在Nastran中計算4種工況下割草機(jī)車架的靜態(tài)應(yīng)力分布。

3結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

在4種工況中左后輪懸空工況下割草機(jī)車架受載惡劣，不滿足強(qiáng)度要求，而其他3種工況下車架強(qiáng)度均滿足要求，故以左后輪懸空工況為邊界條件進(jìn)行優(yōu)化分析。

4車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)后靜動態(tài)性能校核

為了檢驗(yàn)經(jīng)優(yōu)化改進(jìn)后的車架性能是否提高，對改進(jìn)后的車架進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力、剛度分析。圖5為各工況下割草機(jī)車架的最大VonMises應(yīng)力值。由圖5可知：優(yōu)化后各工況下割草機(jī)車架的應(yīng)力值均小于材料的屈服極限，滿足各極限工況的使用要求，彎曲工況的應(yīng)力較優(yōu)化前稍微增大21MPa，但仍遠(yuǎn)低于Q235的屈服應(yīng)力245MPa；左后輪懸空工況下的最大VonMises應(yīng)力值從412MPa降低為231MPa，其值降低了43．9％；制動、左前輪懸空工況的最大VonMises應(yīng)力值分別比優(yōu)化前降低了6．5％和53．02％。

5結(jié)論

通過對某型割草機(jī)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，采用優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)對4種工況下靜強(qiáng)度進(jìn)行重新分析，得到以下結(jié)論：優(yōu)化后割草機(jī)車架結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求，車架結(jié)構(gòu)最大VonMises應(yīng)力小于材料（Q235）的屈服極限。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后，左前輪懸空、左后輪懸空兩種工況下應(yīng)力大幅降低，而彎曲、制動工況下應(yīng)力水平變動不大，使得割草機(jī)在不同工況下的應(yīng)力水平分布更加均勻，車架材料得到了合理分配。在保證強(qiáng)度前提下，實(shí)現(xiàn)了車身車架重量最小化。

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作者：章楊彬1，楊為2，3，康洪1，張云鶴1 單位：1．重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2.重慶大學(xué)汽車工程學(xué)院，3．重慶大學(xué)機(jī)械傳動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室