一種掛車車軸輕量化方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種掛車車軸輕量化方法，包括以下步驟：S1、掛車車軸參數(shù)化建模，對車軸實體內(nèi)腔尺寸進行測量，并使用三維建模軟件進行建模；S2、建立CAE有限元模型，將建好的參數(shù)化三維模型導入軟件中構(gòu)建車軸優(yōu)化有限元模型；S3、建立多目標優(yōu)化模型，采取數(shù)值優(yōu)化法對車軸進行優(yōu)化設計；S4、響應曲面構(gòu)建；S5、多目標遺傳算法求解，得到掛車車軸輕量化最優(yōu)解。本發(fā)明專利技術(shù)方法不改變原先的車軸外觀尺寸和外表的配合面的前提下，通過仿真分析，與試驗分析實現(xiàn)了對掛車車軸的輕量化。現(xiàn)了對掛車車軸的輕量化。現(xiàn)了對掛車車軸的輕量化。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種掛車車軸輕量化方法


[0001]本專利技術(shù)屬于輕量化設計
，具體涉及一種掛車車軸輕量化方法。

技術(shù)介紹

[0002]車軸作為半掛車的一個關(guān)鍵部件，其產(chǎn)品的強度和壽命對整車的可靠性和安全性及整車性能的影響很大，所以對車軸進行疲勞強度分析和優(yōu)化設計對降低成本、減輕重量、提高經(jīng)濟效益有重大意義。
[0003]一部分人利用有限元仿真，在單倍載荷工況、疲勞載荷工況、6倍載荷工況下進行了掛車車橋的性能校核以及結(jié)構(gòu)改進，改善了應力集中的問題，測試得到了掛車車橋材料合金結(jié)構(gòu)鋼20Mn2的相關(guān)力學性能以及S
?
N曲線，在6倍載荷工況的有限元分析中，使用雙線性材料模型求解了掛車車橋的彈塑性問題。還有人依據(jù)淬火水槽負荷能力調(diào)整裝爐量，按照20Mn2材料特性選擇淬火冷卻介質(zhì)及其攪拌方式，通過試驗確定掛車車橋材料的最優(yōu)淬火溫度，解決了車橋熱處理后端部硬度及金相不合格的問題。相關(guān)工作者分析了我國重型商用車車橋輕量化的現(xiàn)狀，車橋企業(yè)越來越重視產(chǎn)品的輕量化，而且車橋輕量化設計的能力和水平不斷提高，指出了我國重型商用車橋輕量化的措施主要有結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計、材料優(yōu)化設采用先進的制造工藝。后續(xù)有人采用Power
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Scan
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Pro 2.0M三維掃描儀對掛車車橋進行了三維測繪，利用UG建立了掛車車橋的三維幾何模型，利用ABAQUS進行了金屬掛車車橋的性能的有限元分析，并且對金屬掛車車橋進行了臺架試驗，驗證了有限元分析結(jié)果，最后提出了碳纖維復合材料掛車車橋的方案，新材料掛車車橋滿足使用性能，相比金屬掛車車橋減重23.2％。但是傳統(tǒng)的掛車車軸設計或者其他零件設計主要關(guān)注掛車車軸的整體性能，只有局部性能不滿足要求時才會做局部的性能優(yōu)化，如局部的熱處理提高局部強度。這樣的設計導致車軸性能分布不均，某些局部結(jié)構(gòu)性能過剩，不符合機械設計中的等強度原則。

技術(shù)實現(xiàn)思路

[0004]本專利技術(shù)的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提出一種掛車車軸輕量化方法，不改變原先的車軸外觀尺寸和外表的配合面的前提下，通過仿真分析，與試驗分析實現(xiàn)了對掛車車軸的輕量化。
[0005]為了達到上述目的，本專利技術(shù)采用以下技術(shù)方案：
[0006]一種掛車車軸輕量化方法，包括以下步驟：
[0007]S1、掛車車軸參數(shù)化建模，對車軸實體內(nèi)腔尺寸進行測量，并使用三維建模軟件進行建模；
[0008]S2、建立CAE有限元模型，將建好的參數(shù)化三維模型導入軟件中構(gòu)建車軸優(yōu)化有限元模型；
[0009]S3、建立多目標優(yōu)化模型，采取數(shù)值優(yōu)化法對車軸進行優(yōu)化設計；
[0010]S4、響應曲面構(gòu)建；
[0011]S5、多目標遺傳算法求解，得到掛車車軸輕量化最優(yōu)解并驗證。
[0012]進一步的，步驟S1具體為：
[0013]利用測厚儀對車軸實體內(nèi)腔尺寸進行測量，選取多個控制內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的尺寸作為優(yōu)化尺寸參數(shù)，并使用SolidWorks和DesignModler建立了車軸參數(shù)化三維模型，其中，參數(shù)的選擇包含整個車軸內(nèi)腔。
[0014]進一步的，步驟S2具體為：
[0015]將建好的參數(shù)化三維模型導入ANSYS Workbench中構(gòu)建車軸優(yōu)化有限元模型，確定好有限元模型的約束載荷，梁支座為滾動支座，左右對稱分布；
[0016]根據(jù)輕量化的預期目標對最小載荷和最大載荷進行設置，設置的依據(jù)為廠定的最大軸載荷；載荷作用位置為鋼板彈簧座位置，左右對稱；垂直彎曲剛度和強度測試時加載量為最大載荷，垂直彎曲疲勞壽命的測試載荷設為脈動循環(huán)載荷，設置相應的循環(huán)載荷范圍與加載頻率；
[0017]由于熱處理使車軸軸承部位材料屈服極限與本體材料屈服極限不同，所以在有限元環(huán)境中將軸承位區(qū)域切分出來，單獨考察軸承位區(qū)域強度及獨立進行優(yōu)化約束；
[0018]采用實體單元對模型進行離散化，設置車軸方管及一部分過渡部分的網(wǎng)格單元尺寸和另一部分及圓管部分的單元尺寸，設置后，會形成總計的節(jié)點和實體單元，經(jīng)過網(wǎng)格質(zhì)量檢查，若所建模型滿足計算分析的要求，則目標模型建立完成，若所建模型不滿足計算分析的要求，則需要對車軸方管及一部分過渡部分的網(wǎng)格單元尺寸和另一部分及圓管部分的單元尺寸進行合理的調(diào)整以滿足計算需求。
[0019]進一步的，步驟S3具體為：
[0020]采用數(shù)值優(yōu)化法對車軸進行優(yōu)化設計，確定哪些因素會影響優(yōu)化結(jié)果和產(chǎn)品性能以及這些影響因素之間的相互關(guān)系；
[0021]設計過程中需要對車軸的設計變量，即在車軸中選定的一系列優(yōu)化目標點；
[0022]對車軸的總體質(zhì)量、車軸的最大形變量、車軸本體的最大應力、車軸兩軸承位的最大應力，車軸的疲勞壽命、車軸兩軸承位調(diào)質(zhì)淬火后的屈服極限，安全系數(shù)、車軸每米輪距最大形變量進行考慮約束，以上參數(shù)均為設計優(yōu)化過程中的重要因素，其中，具體約束關(guān)系的數(shù)學模型描述如下：
[0023]X(x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8)
T
；min m(X)；
[0024]其中，X為設計變量；m(X)為車軸質(zhì)量；g1(X)為車軸最大形變量；g2(X)為車軸本體最大應力；g3(X)為車軸兩軸承位最大應力，g4(X)為車軸疲勞壽命；σ
0.2
?2為車軸兩軸承位調(diào)質(zhì)淬火后的屈服極限；s為安全系數(shù)，根據(jù)國家標準和實際應用所需而定；a為車軸允許的每米輪距最大形變量；。
[0025]進一步的，步驟S4具體為：
[0026]多目標優(yōu)化設計是通過在設計變量給定區(qū)間內(nèi)抽樣進行試驗設計，并求解各設計
點相應的響應值，在此基礎(chǔ)上建立擬合模型，并利用擬合模型預測未知點響應或利用已知點的信息經(jīng)插值計算得到未知點響應的數(shù)值分析方法；
[0027]采用拉丁超立方抽樣設計方法，多次仿真后獲取上述的待優(yōu)化目標點的設計點，過程中采用并行求解的方式加速求解過程；
[0028]基于以上設計點，采用Kriging方法構(gòu)建響應曲面；
[0029]獲取剛度響應曲面、強度響應曲面、疲勞壽命響應曲面以及掛車車軸的響應曲面，通過對決定系數(shù)和靈敏度的結(jié)果進行分析，獲取待優(yōu)化目標點與點之前的關(guān)系，分析出哪些點對剛度的影響較大、哪些點對強度的影響較大、哪些點對疲勞壽命的影響較大，哪些點對掛車車軸質(zhì)量的影響較大。
[0030]進一步的，步驟S5中，多目標遺傳算法求解具體為：
[0031]多目標遺傳算法需要設計合適的種群規(guī)模、交叉概率和變異概率；經(jīng)過相應次數(shù)的迭代計算得出Pareto最優(yōu)解集；
[0032]最優(yōu)解集有多組，根據(jù)材料的實際加工條件和加工工藝，選取最接近最優(yōu)化目標的點作為優(yōu)化結(jié)果；
[0033]得出最后結(jié)果后，還需對其可行性進行研究分析，即通過對掛車車軸的質(zhì)量、最大形變量和疲勞壽命進行臺架試驗或者與有限元計算進行比較，經(jīng)過驗證后的可靠結(jié)果即為最終的優(yōu)化值，至此優(yōu)化結(jié)束。
[0034]本專利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果：
[0035]1、本發(fā)本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】

【技術(shù)特征摘要】
1.一種掛車車軸輕量化方法，其特征在于，包括以下步驟：S1、掛車車軸參數(shù)化建模，對車軸實體內(nèi)腔尺寸進行測量，并使用三維建模軟件進行建模；S2、建立CAE有限元模型，將建好的參數(shù)化三維模型導入軟件中構(gòu)建車軸優(yōu)化有限元模型；S3、建立多目標優(yōu)化模型，采取數(shù)值優(yōu)化法對車軸進行優(yōu)化設計；S4、響應曲面構(gòu)建；S5、多目標遺傳算法求解，得到掛車車軸輕量化最優(yōu)解并驗證。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種掛車車軸輕量化方法，其特征在于，步驟S1具體為：利用測厚儀對車軸實體內(nèi)腔尺寸進行測量，選取多個控制內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的尺寸作為優(yōu)化尺寸參數(shù)，并使用SolidWorks和DesignModler建立了車軸參數(shù)化三維模型，其中，參數(shù)的選擇包含整個車軸內(nèi)腔。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種掛車車軸輕量化方法，其特征在于，步驟S2具體為：將建好的參數(shù)化三維模型導入ANSYS Workbench中構(gòu)建車軸優(yōu)化有限元模型，確定好有限元模型的約束載荷，梁支座為滾動支座，左右對稱分布；根據(jù)輕量化的預期目標對最小載荷和最大載荷進行設置，設置的依據(jù)為廠定的最大軸載荷；載荷作用位置為鋼板彈簧座位置，左右對稱；垂直彎曲剛度和強度測試時加載量為最大載荷，垂直彎曲疲勞壽命的測試載荷設為脈動循環(huán)載荷，設置相應的循環(huán)載荷范圍與加載頻率；由于熱處理使車軸軸承部位材料屈服極限與本體材料屈服極限不同，所以在有限元環(huán)境中將軸承位區(qū)域切分出來，單獨考察軸承位區(qū)域強度及獨立進行優(yōu)化約束；采用實體單元對模型進行離散化，設置車軸方管及一部分過渡部分的網(wǎng)格單元尺寸和另一部分及圓管部分的單元尺寸，設置后，會形成總計的節(jié)點和實體單元，經(jīng)過網(wǎng)格質(zhì)量檢查，若所建模型滿足計算分析的要求，則目標模型建立完成，若所建模型不滿足計算分析的要求，則需要對車軸方管及一部分過渡部分的網(wǎng)格單元尺寸和另一部分及圓管部分的單元尺寸進行合理的調(diào)整以滿足計算需求。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種掛車車軸輕量化方法，其特征在于，步驟S3具體為：采用數(shù)值優(yōu)化法對車軸進行優(yōu)化設計，確定哪些因素會影響優(yōu)化結(jié)果和產(chǎn)品性能以及這些影響因素之間的相互關(guān)系；設計過程中需要對車軸的設計變量，即在車軸中選定的一系列優(yōu)化目標點；對車軸的總體質(zhì)量、...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：趙新，李杰，吳偉斌，羅茂林，黃俊鵬，鄭澤鋒，韓重陽，曾治亨，唐婷，胡智標，馬寶淇，
申請(專利權(quán))人：華南農(nóng)業(yè)大學，
類型：發(fā)明
國別省市：