基于ANSYS的半掛車某承力軸優化設計分析

李新君

基于ANSYS的半掛車某承力軸優化設計分析

李新君

（安徽博微長安電子有限公司，安徽 六安 237000）

隨著社會需求的不斷發展，對特種車的承載能力要求越來越高，而機械結構等的設計越來越輕型化，這對特種車的設計提出了更高的要求，因此需對特種車進行結構優化分析與設計。基于此，針對特種車某承力軸進行優化設計，文章以軸通孔直徑和承力面直徑為優化參數，在ANSYS中進行模型的建立與分析，得到了較合適的優化參數，為設計人員進行特種車零部件優化設計提供參考。

智能算法；ANSYS；特種車；優化設計

引言

特種車是一類重要的具有特殊功能用途的車輛工具，如半掛車、淋浴車、炊事車、綜合保障車、宿營車、高原制氧車、天線運輸車等。與普通車輛類似，特種車的整體組成包括四個部分：車身、底盤、發動機、電器系統[1-2]。隨著社會需求的不斷發展，對特種車的承載能力要求越來越高，而對其結構及機構等的設計卻要求更輕型化，這對特種車的設計提出了更高的要求[3]。徐家駿[4]分析了世界戰略局勢和戰場環境的變化，提出新型防護車身占據重要位置，并對某種越野車進行了逆向建模，利用LS-DYNA對某些重要零部件進行了仿真，結果表明車身防護、造型以及動力性能三者協調對整體車身的設計具有積極意義。南海峰[5]等對某種特種車出現的制動氣室支架斷裂問題進行了原因分析，采用ANSYS對結構進行了優化設計，結果表明滿足設計需求，提供了較好的解決方案。靳凱[6]等對某種特種車進行了縱梁試驗，發現轉向立軸支座存在肉眼可見位移，縱梁、墊板、螺栓均有較大變形，存在重大的安全隱患，通過三維CAD設計方法提取了支座處局部模型，對模型進行了有限元分析，根據分析結果提出了改進方案，結果表明改進后的方案具有更加優良的支撐性能。

分析可知，當前對特種車的設計階段可依靠一些三維數字化軟件及一些常用的動力學分析與優化設計分析軟件，如ANSYS、ADAMS、ABOUQS等。由于對整車的分析量級過大，無法進行全面整體的分析，但可對某些零部件進行局部優化設計。因此，可選擇ANSYS作為優化設計分析軟件，對某特種車某承力軸進行優化設計。

1 ANSYS有限元分析與優化設計

有限單元法由力學和計算機技術相結合，將無窮自由度求解問題有限方程求解問題。機械結構有限元分析的基本步驟是建立幾何模型、定義材料屬性、定義約束與邊界條件、離散幾何模型結構、定義單元位移模式、剛度分析、求解節點力、建立結構平衡方程、求解未知單元的應力和應變等結果。ANSYS可對結構進行網格控制，在實際應用中，需根據具體的應用進行網格劃分。ANSYS中包括了3D和2D兩大類網格。2D網格單元主要有四邊形網格和三角形網格，在某些場合可混合使用這兩種網格形式。四面體網格可快速、自動生成任意幾何體網格，在關鍵區域可使用曲度和近似尺寸功能進行網格細化，并對邊界層網格進行識別，在某些結構中可混合使用網格控制。

ANSYS集成有優化設計模塊模塊，包括優化空間填充設計、中心組合設計、自定義設計、自定義取樣設計。在軟件建模方面，可使用ANSYS Design Model環境進行參數化建模，也可使用多種三維CAD設計軟件，如SolidWorks、UG NX、Creo、SolidEdge、3DSMax、CATIA等，建好的參數化模型可直接導入ANSYS中。選擇好的優化參數后需要檢查模型中是否都包含這些優化參數。

2 分析模型與優化設計

特種車某承力軸結構如圖1所示。軸為空心軸，空心直徑為D1，中間對稱最大軸直徑為D2。該承力軸由兩端進行支撐，直徑為D2的板厚較大的圓柱結構為主要承力面，用于支撐連接桿件的運動與動力輸入。由結構特點，可將D1和D2作為ANSYS優化設計的優化參數。承力軸的模型在ANSYS 的參數化建模環境中建立。在優化設計模塊中，進行優化參數D1和D2的優化參數范圍與水平的設置，設置D1和D2分別有8個優化水平，更新模型可自動進入計算模式，計算結果共有64組。

圖1 特種車某承力軸結構

模型進行網格劃分時可適當地運用網格控制功能，如掃掠、多體大小、映射面等控制，通過網格大小控制可進一步細化網格單元大小，用戶可根據具體需求進行操作。對于該承力軸，為了能夠更好地模擬承力軸的受力情況，通過Sizing網格控制方法，設置網格最小單元為1 mm。

ANSYS在計算好所有算例后，通過點擊某個算例的計算結果，可進入該算例的后處理環境，在某優化參數水平下，對模型進行有限元求解得到應力和應云圖如圖2和圖3所示。

圖2 某優化參數下的應力云圖

圖3 某優化參數下的位移云圖

根據計算結果可得模型在優化參數的不同水平下的變化情況。承力軸的應力、質量、應變、位移等隨優化參數的變化而產生變化，但變化存在非線性，這與實際情況是相符合的，根據應力、質量和應變最為優化指標，ANSYS給出了推薦方案，由于ANSYS推薦的方案的應力及應變均沒有達到材料的屈服強度且在質量表現中較好，因此選擇ANSYS給出的推薦的方案即可。

在特種車結構優化設計方面，利用大面積智能優化搜索算法進行優化模型最優解搜索的研究則更少，而智能搜索算法對基于目標的優化搜索具有收斂速度快，結果精確等特點，可應用于對特種車的優化設計方面。因此，可通過一些智能搜索算法如神經網絡算法、蝙蝠算法、布谷鳥算法、粒子群算法、模擬退火算法、蟻群算法等，對特種車優化設計模型進行智能搜索。

3 結束語

特種車是一類重要的具有特殊功能用途的工具，可選擇特種車零部件模型作為ANSYS優化設計模型。對特種車某承力軸進行的受力狀態分析，并在ANSYS中建立其分析模型，對承力軸進行了優化參數設置和網格劃分，通過ANSYS自動更新計算得到了應力、應變、質量等參數的變化情況，根據ANSYS的推薦結果選擇了合適的參數值。提出可采用多種智能搜索算法的方式對特種車優化設計提供新思路。

[1] 趙重年,楊聰,李紅勛.某特種車非圓齒輪無級變速器錐形離合器動力學仿真分析[J].專用汽車,2018(12):95-100.

[2] 郭貴平.某特種車駕駛室結構設計分析及優化[D].南京:南京理工 大學,2015.

[3] 符耀民,羅衛東,賀迪華,等.特種車排氣管消聲器優化設計及溫度場數值分析[J].機床與液壓, 2019,47(08): 176-180.

[4] 徐家駿.某特種車防護車身設計研究[D].南京:南京理工大學, 2016.

[5] 南海峰,郭帥.某重型特種車制動氣室支架優化設計[J].汽車零部件,2019(05):57-60.

[6] 靳凱,郭文天,鄧克軍,等.基于optistruct的特種車立軸支座局部結構優化研究[J].汽車實用技術, 2020(10):81-83.

Optimization Design and Analysis of a Load Bearing Shaft of Semi Trailer Based on ANSYS

Li Xinjun

( Anhui Bowei Changan Electronics Co., Ltd., Anhui Lu'an 237000 )

With the continuous development of social needs, the requirements for special vehicles are that their bearing capacity is increasing, and the design of mechanical structure is becoming more and more lightweight, which puts forward higher requirements for the design of special vehicles, so it is necessary to carry out structural optimization analysis and design. Based on this, the bearing shaft of a special vehicle is optimized. Taking the through-hole diameter and bearing surface diameter as the optimization parameters, the model is established and analyzed in ANSYS, and the more appropriate optimization parameters are obtained, which provides reference for designers to carry out the optimization design of special vehicles.

Intelligent algorithm; ANSYS; Special vehicle; Optimization design

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.020

U273

A

1671-7988(2021)07-60-03

U273

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1671-7988(2021)07-60-03

李新君（1986.11-），男，漢族，安徽阜陽人，碩士，工程師，就職于安徽博微長安電子有限公司，研究方向：特種車的設計、結構優化、輕量化設計。