Vídeo de programación Ug6.0
Según el diseño de la superficie curva de la carrocería del autobús utilizando el software UG, la superficie curva de la carrocería del autobús es diferente de la superficie curva de la carrocería del automóvil. Las partes más complejas de la superficie curva se concentran en. la parte delantera y trasera del coche, mientras que las superficies curvas de las paredes laterales y el techo son relativamente simples. Por lo tanto, la forma más conveniente de construir la superficie exterior de la carrocería del autobús es dibujar directamente las líneas de contorno principales de la carrocería del autobús en la computadora a partir de las líneas de contorno bidimensionales de la carrocería del autobús y luego construir el modelo de superficie exterior de la carrocería del autobús de estas curvas de nivel. A partir de esto determinamos nueve contornos de la superficie exterior de la carrocería, a partir de los cuales se puede determinar la forma básica de la superficie exterior de la carrocería. Por ejemplo, la superficie lateral se puede definir mediante la siguiente ecuación. La curva 1 se forma barriendo paralelamente a la curva C2; la superficie de la cubierta superior se forma barriendo las curvas C6, C4 y C8 a lo largo de la curva 0; la superficie posterior se forma barriendo las curvas 0 y C9 a lo largo de la curva C8; la superficie de la pared frontal es compleja. Además de las curvas c5 y c6 de la línea de contorno principal de la superficie exterior de la carrocería del automóvil, es necesario construir otras tres curvas de acuerdo con las características de forma de la carrocería del automóvil para generar la superficie de la pared frontal.
El contorno visual principal de la pared lateral (el autobús es simétrico a la izquierda y a la derecha, puedes elegir uno, el contorno de la pared lateral visto desde arriba (generalmente una línea recta en el medio); , con ambos extremos encogiéndose hacia adelante y hacia atrás para compensar el contorno del techo) El contorno visual principal de la cubierta (generalmente la cubierta superior es un arco grande, con ambos extremos siendo líneas de arco invertidas tangentes a la parte superior de la cubierta principal; contorno visual de la pared lateral); la línea de contorno de la intersección de la pared frontal y la pared lateral
(Automóvil de pasajeros Simetría izquierda y derecha c6: Línea de contorno en la intersección de la pared frontal y el techo) c7: Línea de contorno en la intersección de la pared trasera y la pared lateral (simetría izquierda y derecha del autobús); C8: Línea de contorno en la intersección de la pared trasera y el techo;
C9: Lateral perfil de la pared trasera.
Para garantizar la suavidad del contorno, se analizó, editó y ajustó la curvatura de los nueve contornos en la superficie exterior de la carrocería. Tres métodos de análisis:
1. Diseño de la estructura de la carrocería basado en el software UG
Dado que la forma y el tamaño de la sección transversal de la estructura de la carrocería del autobús se mantienen en diferentes posiciones espaciales, permanece sin cambios, por lo que Cuando se usa UG para construir la estructura de la carrocería del autobús, puede usar el método de escaneo de superficie para descubrir la trayectoria de movimiento espacial de la sección transversal de la varilla del esqueleto (es decir, la línea central de la superficie exterior de la varilla de la estructura de la carrocería) y barrer. la sección transversal a lo largo de su trayectoria de movimiento espacial se puede obtener el modelo físico del bastidor de la carrocería del autobús. Dado que el bastidor de la carrocería del autobús es una estructura espacial de varillas de varios niveles, se divide en seis partes: chasis, pared frontal, pared trasera. pared izquierda, pared derecha y cubierta superior En el diseño específico, de acuerdo con seis partes, realice el diseño basado en los parámetros de diseño de las piezas grandes. Generalmente, el diseño del chasis se diseña primero para determinar la posición de diseño específica del chasis. El ensamblaje, y luego las paredes delantera y trasera, las paredes laterales izquierda y derecha y la cubierta superior se diseñan en función de algunos parámetros clave en el diseño del chasis, se establece un modelo digital de la superficie de la carrocería y seis parámetros de diseño del marco en UG. y obtenga la estructura de la carrocería
La línea de intersección de la estructura de la carrocería y el modelo numérico de la superficie de la carrocería es la línea central de la superficie exterior de la varilla de la estructura de la carrocería, construya seis grandes modelos de estructura de alambre de la carrocería del autobús. De acuerdo con las necesidades de la estructura de la carrocería del autobús, se seleccionan las secciones apropiadas de los componentes del bastidor, como rectangulares, en forma de canal, en forma de L (acero en ángulo) y en forma de I, y se seleccionan los seis modelos de estructura de alambre grandes de la carrocería del autobús. Se barre la sección transversal, se construyen seis modelos sólidos de esqueleto grandes y, finalmente, se utiliza el módulo de ensamblaje de UG para ensamblar la carrocería del vehículo y generar el diagrama del bastidor de la carrocería.
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Debido a que existen limitaciones en la construcción de la carrocería del autobús, en el modelo de elementos finitos, es necesario reflejar las características mecánicas importantes de la estructura real de la carrocería del autobús y utilizar la menor cantidad posible de unidades y formas unitarias simples para garantizar una mayor calidad. precisión del cálculo y reducir la escala del problema a resolver. Generalmente usamos una línea recta que pasa por el centroide de la sección para reemplazar el componente real con un cierto tamaño de sección transversal.
Por lo tanto, cuando se utiliza el programa de interfaz de datos del software ANSYS para importar el diagrama de estructura del bastidor del bus completado en UG, solo es necesario importar y simplificar el diagrama del circuito del bastidor de la carrocería de la siguiente manera: 1. Omitir el revestimiento y algunas partes que no soportan carga. 2. Inserte la parte media del cuerpo en Las vigas ligeramente curvadas se enderezan, y algunos componentes con curvaturas más pequeñas en los paneles laterales y la cubierta superior pueden considerarse como unidades de vigas rectas de manera miope; están cerca pero no se superponen, se pueden simplificar en un solo nodo. 4. Dado que los ejes de los miembros adyacentes no coinciden en el espacio, hay dos nodos que están muy cerca uno del otro y sus deformaciones son muy cercanas en propiedades mecánicas, por lo que se simplifican a un par de nodos maestro-esclavo. evitando así la posible aparición de la matriz de rigidez total III, mejora la eficiencia del análisis estructural. 5. Para dos vigas soldadas que se superponen en el espacio, si la distancia a entre sus líneas centrales es grande y trasladar la línea central de una viga causará un error no despreciable, entonces se puede agregar una viga con una longitud a al modelo Mediano (los parámetros de la sección transversal y las propiedades del material de la viga son los más grandes de las dos vigas) para conectar las dos vigas. Por ejemplo, hay una gran cantidad de "excentricidad" entre el travesaño inferior y los largueros del marco. La viga transversal se coloca sobre la viga longitudinal del marco y la distancia entre los dos ejes es 0,5 (h H). Para acercar el modelo a la realidad, se consideró la conexión entre el travesaño inferior y las dos partes longitudinales del marco, y se estableció una conexión de brazo rígido entre ellas. 6. Para dos vigas soldadas en la misma dirección, dado que la resistencia de la parte soldada es similar a la resistencia interna del material, se puede simplificar en una sola viga;
7. error, la unidad de viga lineal utiliza la Ley de compensación de rigidez. Los elementos lineales se utilizan para representar vigas. Para satisfacer la relación topológica espacial de la intersección de vigas, algunos elementos de viga deben extenderse e intersectarse. Esto reducirá en gran medida la rigidez de los elementos de la viga y hará que la solución de desplazamiento sea más grande y la solución de tensión más pequeña. y agregar peso extra. La compensación de rigidez se utiliza para reducir errores. Al comparar los resultados antes y después de la compensación, se verifica que el método es simple y efectivo. Tomando la flexión en el plano de la unidad de viga xoy ((1 eje es el vector de desplazamiento 1, donde L es la longitud del elemento de viga a lo largo del eje 1, es la deflexión en el nodo 1 y pong es el ángulo en el nodo l. Dado que el elemento de viga en el modelo se extiende en △l que el real, este cambio se puede pasar Cambie e o Iz para compensar, de modo que k" básicamente no cambie. 8. Determine la longitud unitaria l. Cuando se utiliza el elemento finito Método para analizar el problema de flexión de la viga, en la unidad Hermite de dos nodos, la función de prueba (función de forma) adopta un polinomio completo de tercer orden. El error de la solución de desplazamiento es o (l) si la longitud de la unidad de la viga es demasiado. de largo, causará un gran error de desplazamiento Al analizar el modelo de unidad de viga del cuerpo, se verificó mediante análisis de elementos finitos que la solución se resolvió cuando la longitud de la unidad de viga es de 15400 mm con suficiente precisión. El elemento no puede ser demasiado pequeño. Si la longitud Z del elemento de la viga es demasiado pequeña (cerca del tamaño de la sección transversal), el principio de grado de libertad maestro-esclavo ya no se aplicará y no es razonable simplificar el elemento del modelo. un elemento de viga. La diferencia de longitud (1) de cada elemento de viga adyacente no debe ser demasiado grande. La teoría y la práctica han demostrado que una gran diferencia en L causará una pared de rigidez grande, lo que fácilmente conducirá a una matriz de rigidez mal acondicionada. y la solución al sistema de ecuaciones no se puede obtener de acuerdo con la simplificación del modelo anterior. En principio, la estructura de la carrocería del automóvil prototipo se divide en 3044 unidades de diferentes longitudes y secciones transversales, y 5929 nodos. >
3 Procesamiento de carga
En el modelo de cálculo de la carrocería, la carga se puede realizar de la siguiente manera: 1. Para el peso propio del bastidor, ingrese la densidad del bastidor. material y la aceleración de la gravedad en el programa de preprocesamiento del software ANSYS. El programa calcula automáticamente la información del coeficiente de carga unitaria en la carga total en función de la forma de la sección transversal unitaria de entrada y las constantes reales. > 2. La gravedad del conjunto del automóvil y los equipos colocados en la carrocería o bastidor, como el conjunto del motor, la llanta de repuesto, la batería, el tanque de combustible, etc., se pueden utilizar como carga concentrada según el punto de colocación. La posición real y la gravedad compartida por cada posición actúan sobre los nodos correspondientes.
3. Las cargas, como la gravedad de los pasajeros y los asientos, se pueden utilizar como cargas concentradas y distribuidas en los nodos de las vigas correspondientes. De acuerdo con el tramo de punto de apoyo, si hay pasajeros de pie en el automóvil, el número real de personas de pie por metro cuadrado se puede aplicar al piso como una carga uniforme y transferir a la unidad de viga inferior.
Debido a que en el método de elementos finitos se considera que tanto las fuerzas internas como las externas son transmitidas por nodos, los términos de carga en la ecuación de rigidez global son todas cargas de nodo. Por lo tanto, cuando un elemento de viga se somete a una carga uniforme u otras cargas no nodales, debe desplazarse hacia los nodos, es decir, las cargas no nodales se convierten en cargas concentradas equivalentes que actúan sobre los nodos (llamadas cargas nodales equivalentes). ). El método de desplazamiento de carga no nodal es el siguiente
Restringir completamente el desplazamiento en ambos extremos de la unidad bajo la acción de cargas no nodales y luego obtener la fuerza de reacción en ambos extremos de la unidad de viga de acuerdo al método de encontrar la fuerza de reacción en el soporte en mecánica de materiales, que se denomina fuerza en el extremo fijo Marcado como enemigo}02. La fuerza del extremo fijo se deduce inversamente y la transformación de coordenadas se realiza para obtener la carga de nodo equivalente en el sistema de coordenadas general, que se puede introducir directamente en el vector de carga de la ecuación de rigidez general de la estructura para su cálculo. En el software ANSYS, si el modelo de elementos finitos de la carrocería del automóvil se carga primero y luego se malla, las cargas que no son de nodos se pueden convertir directamente en cargas de nodos equivalentes. ltbr/>;
4 Restricciones de límites
Además de ser un elemento elástico, la ballesta también desempeña un papel de guía, por lo que tiene rigidez en todas las direcciones y rigidez en otras direcciones es mucho mayor que la rigidez vertical. Por lo tanto, se utiliza una estructura de viga rígida-viga flexible para simular la ballesta. Ignore la deformación de los neumáticos en el procesamiento de restricciones. La rigidez del resorte k de la suspensión es equivalente a la rigidez a la flexión vertical de la viga flexible horizontal; para la viga rígida, para que su desplazamiento vertical sea mucho menor que el de la viga flexible horizontal, su rigidez axial es 6.0x106 N/mm. La sección transversal de la viga rígida es cuadrada y el área se calcula según la fórmula A=KxLIE.
5. Condiciones de trabajo para el análisis de resistencia
Las condiciones de funcionamiento de los turismos son muy complejas, incluidas las condiciones de flexión, torsión, giro y aceleración. Los análisis teóricos, las pruebas en interiores y la práctica de aplicación muestran que las principales condiciones de trabajo directamente relacionadas con la resistencia de la estructura de la carrocería del vehículo son la flexión y la torsión. ltbr/>;
1. Situación de flexión
Cuando un turismo circula a alta velocidad por una carretera plana, la fuerza de reacción de la carretera hace que la carrocería soporte una vertical simétrica. carga. Hace que el cuerpo se doble y deforme, cuya magnitud depende de la carga estática y la aceleración vertical que actúa sobre el cuerpo. En ANSYS, al limitar los grados de libertad de las cuatro ruedas en seis direcciones, se simuló y calculó la rigidez y resistencia de la carrocería del automóvil cuando el autobús circulaba por una carretera plana con carga completa a alta velocidad y generaba cargas dinámicas verticales simétricas. . 2. Condición de torsión
La condición de torsión es la condición de deformación más grave de la carrocería del automóvil, que generalmente ocurre cuando el automóvil pasa por caminos irregulares a baja velocidad. La carga dinámica bajo esta condición de torsión cambia lentamente con el tiempo y, por supuesto, la carga inercial también es muy pequeña en este momento. Por lo tanto, las características de torsión de la carrocería del automóvil pueden considerarse aproximadamente estáticas, y muchos resultados de pruebas también lo han confirmado, es decir, la resistencia del bastidor bajo pruebas de torsión estática puede reflejar la resistencia real. En otras palabras, los grandes puntos de tensión en el esqueleto bajo torsión estática se pueden utilizar para determinar los grandes puntos de tensión bajo carga dinámica. Este artículo analizará dos situaciones de torsión, a saber, la situación de suspensión de la rueda delantera derecha y la situación de suspensión de la rueda trasera izquierda. Limitando la libertad de traslación de la rueda trasera izquierda en las direcciones X, Y, Z, Y, Z y la libertad de traslación de la dirección Z, así como la libertad de traslación de la rueda delantera izquierda y la rueda trasera derecha en la dirección Z. En esta dirección, se simula la rueda delantera derecha. Condiciones de torsión como suspensión y picaduras de la rueda trasera izquierda. Limitando la libertad de traslación de la rueda delantera derecha en las direcciones X, Y, Z, Y, Z y la libertad de traslación de la dirección Z, así como la libertad de traslación de la rueda delantera izquierda y la rueda trasera derecha en la dirección Z. En esta dirección, se simula la rueda delantera izquierda. Condiciones de torsión como suspensión y picaduras de la rueda trasera derecha. ltbr/>;
Condiciones de análisis de rigidez
La rigidez de la estructura de la carrocería del vehículo se refiere a las características de la relación entre carga y deformación reflejada por la estructura de la carrocería del vehículo. Una rigidez insuficiente provocará una gran deformación de aberturas como marcos de puertas y ventanas. En el caso de la carrocería del automóvil, la puerta se atascará, el vidrio se romperá y un sellado deficiente provocará problemas como fugas de lluvia, filtraciones de agua y caída de molduras interiores. También provocará una baja frecuencia de vibración de la carrocería y vibraciones estructurales, destruirá la capa protectora en la superficie de la carrocería y el rendimiento de sellado de la carrocería, debilitando así la resistencia a la corrosión. La rigidez de la carrocería del autobús incluye rigidez a la torsión y rigidez a la flexión. El análisis teórico y los resultados de muchas pruebas muestran que la variabilidad de flexión de la carrocería del autobús es muy pequeña, por lo que sólo es necesario considerar la rigidez torsional en condiciones de flexión y torsión. Usamos el ángulo de torsión relativo de la línea diagonal entre la longitud total de la carrocería, el ángulo de torsión relativo de las vigas superiores izquierda y derecha y el ángulo de torsión relativo de las dos vigas longitudinales del chasis para representar la deformación torsional del cuerpo.
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4.2.3 Investigación de características dinámicas
Cuando se utiliza el método de síntesis modal para estudiar las características de vibración y cargas dinámicas de todo el vehículo, la frecuencia modal de la estructura de la carrocería es el parámetro más importante. Se puede utilizar para predecir la posibilidad de interferencia dinámica entre la carrocería y los sistemas de suspensión, superficies de la carretera, motores, sistemas de transmisión y otros componentes, y evitar frecuencias de vibración mediante un diseño razonable. En general, se espera que cuanto mayor sea la frecuencia general del modo de primer orden de la estructura corporal, mejor. ltbr/>;
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4.3.1 Resultados y análisis del cálculo de resistencia
1. Condiciones de flexión
En flexión En estas condiciones, la tensión de flexión de la carrocería del automóvil se muestra en la Figura 4.3. Las áreas donde se concentra la tensión de flexión incluyen: las vigas longitudinales principales del chasis y las vigas de soporte de ballestas delanteras y traseras (50-90 MPa) el área de conexión de transición entre la mitad del techo y el borde superior de las ventanas laterales (30-40); MPa); cerca de la mitad superior del pilar de la puerta central (10-30 MPa); cerca de la parte superior del pilar de la puerta delantera (10-40 MPa). Entre ellos, la tensión máxima se encuentra en la posición de la viga longitudinal principal del chasis y la viga de soporte de ballesta trasera, y el valor de tensión es 90 mpao
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2. Condición de suspensión de la rueda delantera derecha< br />
Cuando la rueda delantera derecha está suspendida, la distribución de tensiones en la dirección X de la carrocería se muestra en la Figura 4.4. Las áreas de concentración de tensiones son: vigas longitudinales principales del chasis y vigas de soporte de ballestas delanteras y traseras (60-123 MPa); el área de conexión de transición entre la mitad del techo y el borde superior de la ventana lateral (40-60 MPa); área cerca de la mitad superior del pilar central de la puerta (60-70 MPa). La tensión máxima está en la posición de la viga longitudinal principal del chasis y la viga de soporte de ballesta trasera, y el valor de tensión es 123 mpao
3. La rueda trasera izquierda está suspendida. /p>
La rueda trasera izquierda Cuando las ruedas están suspendidas, la distribución de tensiones en la dirección X de la carrocería del vehículo se muestra en la Figura 4.5. Las áreas de concentración de tensiones son: las vigas longitudinales principales del chasis y las vigas de soporte de ballestas delanteras y traseras (80-125 MPa); el área de conexión de transición entre la mitad del techo y el borde superior de las ventanas laterales (60-90 MPa); cerca de la mitad superior del pilar central de la puerta (90 MPa) -177 MPa). Entre ellos, la tensión máxima se encuentra en la posición de la viga superior de la puerta del medio, y el valor de la tensión es 177 MPa < br />
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A través de los cálculos de De las tres condiciones de trabajo anteriores, sabemos que la flexión El nivel de tensión del bastidor de la carrocería en condiciones de trabajo es pequeño y el número de unidades con valores de tensión superiores a 50 Mpa es 30, lo que representa solo el 0,9 del número total de unidades. ; cuando la rueda delantera derecha está suspendida, el nivel de tensión del bastidor de la carrocería es mucho mayor que en el estado de flexión. Debido al motor montado en la parte trasera, la suspensión de la rueda trasera izquierda (compuesto de flexión y torsión) es la peor condición de funcionamiento durante la conducción del autobús. Considerando los problemas de concentración de tensiones causados por cargas dinámicas, fatiga y defectos del material durante la operación del autobús, el factor de seguridad se toma como 1,5, el material del marco es el límite elástico permitido del acero Q215A3 [cr]-153MPa, y el material del chasis es el límite elástico permitido del acero Q215A3 [cr]-153MPa. es acero estructural de baja aleación 09SiV. El límite elástico permitido de las yemas de las hojas es de 220 MPa. Se puede ver que en condiciones de flexión y torsión, la tensión en la viga central de la puerta excede la tensión permitida y es necesario optimizar el tamaño de la sección transversal de la viga de la puerta. Además, desde la perspectiva de toda la estructura, la distribución de tensiones es desigual y varía en magnitud en varios órdenes de magnitud. Esto sin duda provocará un desperdicio de materiales y aumentará el peso de toda la carrocería del coche. Por tanto, desde la perspectiva de la tensión, optimizando el espesor del acero cuadrado, este material se puede utilizar de forma razonable y económica. El valor de tensión en la intersección de varias vigas es particularmente grande. Después de eliminar algunos elementos removibles, el valor de tensión en la intersección se reducirá considerablemente. ltbr/>;
4.3.2 Resultados y análisis del cálculo de rigidez
1. Condición de la suspensión de la rueda delantera derecha< br />
La esquina delantera derecha de la La carrocería es del automóvil. El desplazamiento de varias partes del bastidor cuando se empuja hacia arriba es mayor, y cuanto más cercano es el ángulo, mayor es el desplazamiento. El desplazamiento máximo hacia abajo en la dirección vertical es de 11,868 mm. se muestra en la Figura 4.6.
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4.3.3 Resultados y análisis del cálculo modal
El análisis modal calcula principalmente la frecuencia natural y la forma de vibración de la carrocería del vehículo.
La frecuencia natural de sexto orden del modelo de estructura espacial del cuerpo entero se muestra en la Tabla 4.9, y las primeras formas de vibración del cuerpo de seis ordenes se muestran en la Figura 4.10-4.15
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Figura 4.15 Diagrama de modo del bastidor del cuerpo de sexto orden< br />
El diseño de optimización dinámica del bastidor del cuerpo requiere que la frecuencia modal del bastidor del cuerpo y la frecuencia de excitación de la carga estén escalonadas . Al mismo tiempo, para evitar los efectos catastróficos del modo de flexión de primer orden y el modo de torsión de primer orden, es necesario escalonar las dos frecuencias naturales en más de 3 Hz. Aunque la frecuencia natural calculada de la carrocería del autobús es menor que la real debido a que se descuida la influencia del revestimiento y las partes que no soportan carga en el modelo del autobús, las primeras seis frecuencias naturales del autobús se concentran en 5-13 Hz. y la frecuencia de excitación de la carretera es a menudo inferior a 20 Hz. Primero. Las frecuencias naturales del modo de flexión y del primer modo de torsión solo están compensadas en aproximadamente 2 Hz. Por lo tanto, los componentes que generan vibraciones locales durante el funcionamiento del autobús formarán una fuente de ruido. en el vehículo y afectar a los pasajeros. ltbr/>;
4.4 Conclusión
Se puede ver a partir de los resultados del cálculo del modelo original que el área de alta tensión del bastidor de la carrocería tiene tres partes: el área cercana el pilar central de la puerta; la parte media del techo y el borde superior de las ventanillas laterales, así como entre las vigas longitudinales principales del chasis y las vigas de soporte de ballestas delanteras y traseras. 2. De los resultados del cálculo se puede ver que la deformación y la tensión del bastidor del automóvil en condiciones de flexión son pequeñas, lo que indica que el automóvil cumple con los requisitos de resistencia y rigidez bajo carga estática cuando la rueda trasera izquierda está suspendida, el bastidor de la carrocería; excepto la puerta Excepto por la parte media de la viga superior, la tensión de otros componentes no excedió la tensión permitida. Pero la suspensión de la rueda trasera izquierda es la deformación más grave de la carrocería. De hecho, dado que el vehículo es un autobús urbano, es poco probable que se produzca una torsión tan severa, por lo que la estructura de la carrocería puede cumplir los requisitos de resistencia. ltbr/>;
3. Según los resultados del cálculo, la deformación del bastidor de la carrocería es generalmente relativamente pequeña, y la deformación diagonal de las puertas y ventanas es particularmente importante para la rigidez de la carrocería. Se puede ver a partir de los datos de deformación de cada nodo del bastidor de la carrocería en condiciones de flexión y torsión que el desplazamiento diagonal de cada puerta y ventana es pequeño en condiciones de flexión y torsión, por lo que la estructura de la carrocería del automóvil puede cumplir con los requisitos de rigidez. ltbr/>;
4. Según el análisis modal de la carrocería del automóvil, las primeras seis frecuencias naturales del bastidor de la carrocería son todas inferiores a 20 Hz, y la frecuencia de excitación de la carretera suele ser inferior a 20 Hz, lo que Hará que la estructura de la carrocería vibre y dañe el interior del automóvil. El ruido es demasiado fuerte. Por lo tanto, es necesario optimizar dinámicamente el diseño de la estructura de la carrocería del vehículo para aumentar la frecuencia natural de la carrocería del vehículo. ltbr/>;
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5. Diseño óptimo de la estructura de la carrocería del automóvil
5.1 Conceptos básicos de diseño óptimo Para problemas generales de ingeniería, existen muchas opciones de diseño factibles. Cómo encontrar la mejor solución entre muchas soluciones factibles de acuerdo con las tareas y requisitos de diseño es la tarea principal del diseñador. La práctica ha demostrado que el diseño óptimo de la estructura es un método eficaz para garantizar un excelente rendimiento del producto, reducir el peso o volumen de la estructura y reducir el costo del proyecto. La aparición de los métodos de optimización se remonta a la era de Newton, Lagrange y Cauchy. Newton, Leibniz y Weierstrass sentaron las bases de la ciencia variacional. Lagrangiano creó un método de optimización para ciertos problemas restringidos por multiplicadores y lo llamó método del multiplicador lagrangiano. Cauchy aplicó por primera vez el método de descenso más pronunciado para resolver el problema de minimización sin restricciones. A pesar de esto, los métodos de optimización progresaron poco antes de mediados del siglo XX. No fue hasta la aparición de las computadoras de alta velocidad que fue posible optimizar los programas y promover el desarrollo de varios métodos nuevos. Antes de la década de 1950, los métodos matemáticos utilizados para resolver problemas de optimización se limitaban al método diferencial clásico y al método de variación. Los mayores avances en el campo de los métodos numéricos para la optimización sin restricciones no se produjeron hasta la década de 1960 en el Reino Unido. Los métodos de programación matemática se utilizaron por primera vez en la optimización estructural y se convirtieron en la base teórica de los métodos de optimización en el diseño óptimo. Sus contenidos principales son la programación lineal y la programación no lineal. Dantzig propuso en 1947 el método simplex para resolver problemas de programación lineal. En 1957, Bellman propuso la teoría de optimización de la programación dinámica. A principios de la década de 1960, Zoutendijk y Rosen hicieron grandes contribuciones a la programación no lineal.
La investigación de Canon, Fiacco y McClomick permite resolver muchos problemas de programación no lineal mediante métodos de optimización sin restricciones. La programación geométrica fue propuesta por Duffin, Zener y Peterson en los años 1960. En términos generales, el diseño óptimo incluye las dos partes siguientes: 1. Convertir el modelo físico del problema de diseño en un modelo matemático, seleccionar las variables de diseño, enumerar la función objetivo y establecer restricciones al establecer el modelo matemático. 2. El uso de métodos de optimización apropiados para resolver modelos matemáticos se puede reducir a buscar los valores extremos y óptimos de la función escalar objetivo. El diseño de optimización mecánica es un método de diseño que selecciona variables de diseño, establece una función objetivo y obtiene el valor óptimo bajo una carga o condición ambiental determinada, dentro de las limitaciones del rendimiento del producto mecánico, la relación de tamaño geométrico u otros factores. El diseño de optimización de ingeniería real se puede dividir en dos ramas: método de programación matemática y método de criterio según sus diferentes principios. Según sus diferentes niveles de optimización, se puede dividir en optimización del esquema general y optimización de parámetros de diseño. ltbr/>;
5.2 Optimización del diseño en el software ANS
El programa ANSYS proporciona un ciclo de análisis-evaluación-corrección para optimizar el plan de diseño, analizar el diseño inicial y evaluar de acuerdo con los requisitos de diseño Analizar los resultados y revisar el diseño. Este ciclo se repite hasta que todos los diseños cumplan con los requisitos y se obtenga la solución de diseño óptima. ltbr/>;
5.2.1 Método de optimización.
ANSYS proporciona dos métodos de optimización: método de orden cero y método de primer orden. Estos dos métodos se pueden utilizar para la mayoría de los problemas de optimización. El método de orden cero (método directo) es un método de procesamiento perfecto, en el que hay dos ideas de aproximación importantes: el método de aproximación de la función objetivo y las variables de estado transforma el problema de optimización restringido en un problema de optimización no restringido. Este método funciona reemplazando todas las variables dependientes (variables de estado y funciones objetivo) con aproximaciones de sus derivadas, reemplazando las funciones reales con aproximaciones de las variables dependientes. La función objetivo se aproxima al valor mínimo en lugar de utilizar la función objetivo real; la aproximación de la variable de estado utiliza restricciones de diseño sin variables de estado reales y puede manejar eficazmente la mayoría de los problemas de ingeniería. Todas las variables deben ser al menos aplicables a todos los conjuntos de diseño existentes para formar una fórmula aproximada:
El método de primer orden (método indirecto) utiliza la derivada de primer orden de la variable dependiente y se determina en función de la sensibilidad de la función objetivo a las variables de diseño Dirección de búsqueda y obtención de resultados optimizados. Debido a que no hay aproximación, la precisión es muy alta, especialmente cuando la variable dependiente cambia mucho y el espacio de diseño es relativamente grande, es más adecuado para un análisis de optimización preciso. Cada iteración requiere múltiples análisis (múltiples bucles de archivos analizados) para determinar la dirección de búsqueda adecuada, por lo que el tiempo de análisis es largo. Cuando el método de orden cero no es lo suficientemente preciso y la precisión es importante, se debe utilizar el método de primer orden para la optimización. ltbr/>;
5.2.2 Herramientas de optimización
El programa ANSYS también proporciona una serie de herramientas de optimización para mejorar la eficiencia del proceso de optimización. Una herramienta de optimización es una técnica para buscar y procesar el espacio de diseño. Las siguientes son herramientas de optimización de uso común: Operación de un solo paso: implemente un bucle y encuentre una solución FEA. A través de una serie de bucles simples, se pueden establecer diferentes variables de diseño antes de cada solución para estudiar la relación entre la función objetivo y las variables de diseño. Método de búsqueda aleatoria: realice múltiples ciclos y las variables de diseño cambiarán aleatoriamente en cada ciclo. Puede especificar el número máximo de bucles, así como el número esperado y comprendido. Se utiliza principalmente para estudiar todo el espacio de diseño y proporcionar una comprensión integral para futuros análisis de optimización. A menudo se utiliza como preprocesamiento para métodos de orden cero. Método de búsqueda de pasos iguales: a partir de una secuencia de diseño de referencia, se generan varias secuencias de diseño. Siguiendo un solo paso, las variables de diseño varían dentro del rango de cambios después de cada cálculo para completar el análisis de escaneo en el espacio de diseño. Esta herramienta permite una evaluación general del cambio de la función objetivo y las variables de estado. ltbr/>;
Método de cálculo del multiplicador: es una herramienta estadística que utiliza tecnología de segundo orden para generar valores de secuencia de diseño en los puntos extremos del espacio de diseño. Se utiliza principalmente para calcular la relación e interacción entre la función objetivo y las variables de estado. Método de gradiente óptimo: para una secuencia de diseño de referencia especificada por el usuario, se puede calcular el gradiente de la función objetivo y las variables de estado con respecto a las variables de diseño para determinar la sensibilidad del diseño local.
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Variables de optimización
Las variables de diseño, las variables de estado y las funciones objetivo se denominan colectivamente variables de optimización. Las variables de diseño son variables independientes y los resultados de optimización se logran cambiando los valores de las variables de diseño. Las variables de estado son valores numéricos que restringen el diseño, son "variables dependientes" y son funciones de las variables de diseño. Una variable de estado puede tener límites superior e inferior, o puede tener sólo restricciones unilaterales, es decir, sólo límites superior o inferior. Una función objetivo es un valor numérico diseñado para ser minimizado o maximizado y es una función de las variables de diseño. El cambio en el valor de la función objetivo desde el mejor diseño razonable al diseño actual debe ser menor que la tolerancia de la función objetivo. Un diseño razonable se refiere a un diseño que satisface todas las restricciones dadas (restricciones sobre las variables de diseño y restricciones sobre las variables de estado). Si no se cumple alguna de las restricciones, el diseño se considera irrazonable. El diseño óptimo no sólo satisface todas las restricciones sino que también obtiene el valor mínimo de la función objetivo. (Si todas las secuencias de diseño no son razonables, entonces el diseño óptimo es el diseño más razonable, independientemente del valor de la función objetivo)
5.3 Diseño óptimo de la estructura de la carrocería
5.3.1 Parámetros Optimiza el modelo.
Para optimizar el diseño de la estructura de la carrocería, primero se debe establecer un modelo paramétrico de la estructura de la carrocería. Utilizamos uno de los primeros modelos estáticos de elementos finitos de la estructura de la carrocería como prototipo de su modelo paramétrico. Dado que el modelo no está parametrizado, es necesario volver a dividir las unidades y simplificar el modelo para que el número de unidades estructurales se controle por debajo de 4000. La desviación del cálculo se mantiene dentro de 8 durante el proceso de simplificación del modelo. Luego extraiga información del modelo, como nodos, unidades, parámetros formales y tipos de unidades del modelo simplificado, y genere archivos de análisis de optimización a través de esta información. La estructura del cuerpo es una estructura de sistema de varilla espacial compleja determinada hiperestáticamente de alto orden. Cada varilla tiene una forma de sección transversal diferente y soporta cargas complejas. No es realista seleccionar todos los parámetros de la sección de la varilla como variables de diseño. Según los resultados del cálculo obtenidos del análisis estático de la carrocería delantera, sabemos que la condición de torsión es la condición más severa de tensión y torsión de la carrocería. La rigidez de la carrocería básicamente cumple con los requisitos, pero la resistencia es insuficiente. Por lo tanto, elegimos el área con mayor tensión del bastidor de la carrocería, el área cerca del pilar central, el área media del techo y el lugar donde la tensión del bastidor de la carrocería es relativamente pequeña, así como el área. pared trasera,
Los parámetros de tamaño de la sección transversal de los componentes en el área de vigas de la pared lateral se utilizan como variables de diseño. Seleccione la tensión de la estructura de la carrocería como variable de estado y tome los cinco puntos con la mayor tensión en el cuerpo como puntos de control de tensión para garantizar que la tensión máxima de la estructura de la carrocería sea menor que la tensión permitida del material. Tomando el peso de la carrocería del vehículo como función objetivo, cambiando las variables de diseño, la carrocería del vehículo puede aligerarse mientras se satisface la intensidad de tensión de la carrocería del vehículo. Debido a la forma compleja de la carrocería del automóvil, es difícil calcular con precisión el peso de la carrocería. Por lo tanto, el peso de cada unidad se puede calcular mediante un análisis de elementos finitos y luego se puede obtener el peso de toda la carrocería. superponiendo cada unidad. ltbr/>;
5.3.2 Resultados del cálculo
Utilizando el método de orden cero proporcionado por el software ANSYS, se realizaron 30 cálculos de optimización iterativos y la masa corporal total se redujo de 2169 kg. a 2131 kg. De acuerdo con las especificaciones de los perfiles del mercado y las condiciones de producción reales de la fábrica, se determinan las dimensiones de la sección transversal optimizadas de las barras principales. Los parámetros específicos se muestran en la tabla.
Para la carrocería del automóvil. en condiciones de flexión y torsión, se toman las dimensiones de la sección transversal optimizadas de cada varilla y se vuelve a calcular la tensión de flexión de la carrocería del automóvil. En condiciones de flexión y torsión, la distribución de tensiones del bastidor de la carrocería en la dirección SX se muestra en la Figura 5.3.