考虑疲劳性能的驾驶室拓扑优化设计

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.03.014

摘要/Abstract

摘要：

针对某重型货车驾驶室台架疲劳试验出现破坏问题，提出了以疲劳寿命最大化为目标的双向渐进结构优化方法（FA-BESO）。首先，进行驾驶室的台架试验，找到驾驶室疲劳薄弱位置。进一步推导单元低周疲劳分析的灵敏度，以此值作为单元删减依据，通过对有限元软件进行二次开发来实现连续体结构的FA-BESO。接着，通过标准算例验证了此方法的有效性。最后，为提高优化效率，建立驾驶室的梁骨架简化模型，并验证了简化模型对于疲劳破坏位置具有良好预测性，将该算法运用到A柱加强板的考虑疲劳性能的拓扑优化中，优化结果表明，驾驶室的疲劳寿命可比优化前提高2倍，验证了FA-BESO提高驾驶室疲劳寿命的可行性。

关键词: 驾驶室, 疲劳分析, 拓扑优化, 双向渐进结构法

Abstract:

For the failure of the cab of a heavy truck during the fatigue test on the bench， a bi-directional evolutionary structural optimization method （FA-BESO） aiming at maximizing the fatigue life is proposed in this paper. Firstly， the bench test of the cab is carried out to find the weak position of the cab fatigue. Furthermore， the sensitivity of the element low-cycle fatigue analysis is deduced， and this value is utilized as the basis for element deletion. The FA-BESO of the continuum structure is realized through the secondary development of the finite element software. Then， the effectiveness of FA-BESO is verified by a standard example. Finally， in order to improve the optimization efficiency， a simplified model of the beam frame for the cab is established， and it is verified that the simplified model has good predictability for the fatigue failure position. The FA-BESO is applied to the topology optimization of the A-pillar reinforcement plate considering fatigue performance， and the result shows that the fatigue life of the cab can be increased to 2 times compared with that before optimization， which verifies the feasibility of the FA-BESO to improve the fatigue life of the cab.

Key words: cab, fatigue analysis, topology optimization, bi-directional evolutionary structural optimization

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图/表 21

图1

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图3

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表1

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表4

实际模型与简化模型质量特性对比"

特性	实际模型	简化模型	相对误差
质量/kg	415.6	415.0	0.14%
质心X坐标/mm	-179.83	-180.34	0.28%
质心Y坐标/mm	-2.70	-2.74	1.48%
质心Z坐标/mm	1 601.32	1 597.24	0.25%
转动惯量 $I x x$	4.99	4.76	4.61%
转动惯量 $I y y$	4.50	4.47	0.67%
转动惯量 $I z z$	4.92	4.57	7.11%

表4

图11

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表6

参考文献 16

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工况	频率/Hz	循环次数	垂直载荷振幅/kN
工况一	1	0-86 000	7.28
工况二	2	86 000-200 000	7.28

工况	次数	损伤分布
工况一	39 840	1.左A柱上端与风窗连接处焊缝开裂
	47 640	2.左侧A柱内板上端角部止口焊点钣金开裂
	78 940	3.右侧A柱下端风窗右下角止口焊点钣金开裂
工况二	146 640	4.左侧A柱下端风窗左下角止口翻边处开裂

材料牌号	弹性模量/MPa	泊松比	密度/（t·mm^-3）	屈服强度/MPa	疲劳延续系数	疲劳强度指数
SPCC	270 000	0.3	7.82E-09	270	0.59	-0.087
B210P1	270 000	0.3	7.82E-09	390	0.59	-0.087

危险点	优化前总寿命	优化后总寿命
1	8.75E+04	1.59E+05
2	8.82E+04	1.77E+05
3	1.31E+05	3.36E+05
4	1.43E+05	3.53E+05
5	1.46E+05	6.04E+05
6	1.49E+05	7.82E+05
7	1.85E+05	9.61E+05
8	1.91E+05	9.00E+05
9	1.96E+05	9.43E+05

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