載貨汽車駕駛室翻轉油缸支座優化分析

中圖分類號：U463 DOI：10.20042/j.cnki.1009-4903.2025.02.021

Abstract：Toevaluatetestrengtoftewersupportoftecabtitcylinderfoertaintruckaalyssmodeloftabtittm wasestablishedusingmulti-bodydynamicssoftware.Theforcesactingonthelowersupportofthetiltcylinderwerethenextracted fromthismodel.BasedontheseforcedataastrengthnalysisofthelowersupportofthetitcinderwascarrdoutAdingtote analysisresults，topologicaloptimizationoftheupportwasperformedeffectivelyreducingthemassofthepport. Kevwords： ISupport：Simulationanalvsis：Topoloaical optimization

0 引

目前，載貨汽車的駕駛室普遍采用非承載式結構設計，通過柔性懸置系統與車架連接，有效隔絕了行駛系統帶來的沖擊和振動。為了提高車輛的維護效率，尤其是便于對駕駛室地板下方的系統進行檢修，駕駛室被設計成可翻轉的結構。本文著重分析了駕駛室翻轉過程中，翻轉油缸下支座所承受的力，并以此為依據對油缸下支座進行了輕量化強度分析，經過詳細的力學分析，計算出下支座的承載能力。基于這些分析結果，對下支座進行了結構優化，在不降低其強度性能的基礎上，顯著減輕其重量，從而達到了既確保結構穩定性又推動輕量化的設計目標。

1 提取載荷

為了準確提取載荷，考慮了多種工況，包括滿載、空載以及不同道路條件下的翻轉操作。通過設定合理的邊界條件和參數，確保仿真模型能夠真實反映實際工況下下支座的受力狀態。在模擬過程中，重點關注下支座在不同角度翻轉時的受力變化，以及受力點的分布情況。結合駕駛室翻轉油缸下支座實際工況，對仿真模型進行簡化，其中把駕駛室簡化成剛體。基于Adams多體動力學軟件建立分析模型，模擬駕駛室在翻轉過程中駕駛室翻轉油缸下支座的受力情況，為后續的分析和優化提供支持。

根據仿真分析結果可知，駕駛室翻轉過程中，起動和停止時支座受力情況最惡劣，具體受力情況如表1所示。

2 有限元分析

建立有限元分析模型對駕駛室支座進行結構強度分析。作為關鍵承載部件的駕駛室翻轉油缸下支座，采用ZG310-570鑄鋼材料制成鑄件結構，該材料屬于國標工程用鑄鋼，具有良好的強度儲備（屈服強度 ≥310MPa ，抗拉強度 ?570MPa_. 和鑄造工藝性能，適用于承受高載荷的機械結構。

為確保計算精度滿足工程分析要求，對支座結構采用邊長4mm 的二階四面體單元（C3D10）進行網格劃分。網格劃分過程中，對銷軸孔等應力集中部位進行局部加密處理，保證單元尺寸與結構特征尺度相匹配。

在銷軸與支座內孔、支座安裝面與縱梁連接界面分別建立接觸對。其中銷軸與支座孔的接觸采用“面－面接觸”形式，定義銷軸外表面為主接觸面，支座內孔表面為從接觸面，接觸算法采用罰函數法并設置硬接觸屬性，以真實模擬兩者之間的擠壓傳力行為。支座與縱梁連接界面則根據實際裝配約束條件，約束其三個平動自由度和繞銷軸軸線的轉動自由度，保留翻轉運動所需的旋轉自由度。

載荷施加嚴格按照實際工況，將表1中的力施加在駕駛室翻轉油缸下支座的銷軸上，確保邊界條件設置符合工程實際受力狀態。

根據靜態力學分析理論，靜態載荷工況需滿足兩個核心條件：一是外載荷為不隨時間變化的恒定靜載荷；二是結構所受的合力與合力矩需滿足整體平衡條件。在駕駛室翻轉油缸下支座的有限元分析模型中，具體計算過程遵循“離散求解－插值映射”的數值分析邏輯：首先在有限數量的節點上進行離散化數值計算，再通過形函數插值算法將節點結果映射至整個連續求解域。

采用網格離散技術，將駕駛室翻轉油缸下支座的連續體結構細致地劃分為由有限數量的節點和單元組成的離散化模型，使得原本復雜的連續體問題得以轉化為更易于計算機處理的離散化問題。應用有限單元法，針對該離散化模型進行深入分析。有限單元法通過考慮每個單元在受力時的行為，以及節點間的相互作用，能夠精確地模擬出整個結構在復雜工況下的響應，包括應力、應變、位移等關鍵參數，從而為駕駛室翻轉油缸下支座的優化設計提供科學依據。

根據經典力學理論得出物體的動力學通用方程：

[N 1]{x^′′}+[C]{x^′}+[K]{x}={F（t）} （1）

式中：[M］為質量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度系數矩陣 ∵{x} 為位移矢量；{F}為力矢量。在線性靜力結構分析中，把時間t略去，從式（2）可得出力關于位移與剛度之間的關系式：

［K］{X}={F} （2）

式中：{F}為靜力載荷[2]

采用ABAQUS求解器，駕駛室翻轉油缸下支座變形圖如圖3、圖4，應力云圖如圖5、圖6所示。

3拓撲優化

拓撲優化作為前沿的結構優化技術，其核心在于通過數學規劃方法，在給定外部載荷、約束條件及特定優化目標（如剛度最大化、質量最小化）的情況下，探尋并確定結構材料的最優分布方案。在拓撲優化的過程中，設計空間可以通過殼單元或實體單元來精確界定，以便更細致地模擬和分析結構的幾何特性[3。當前主流方法基于連續介質力學框架，通過引入材料密度場作為設計變量，構建結構材料的漸進演化模型。其中，均質化方法通過周期性微結構假設，建立宏觀剛度與微觀材料分布的關聯關系；而密度法則通過引入懲罰函數對單元密度進行過濾，實現材料屬性的連續化數值表征。兩種方法均能有效描述優化過程中材料的漸進刪減與重分布規律，為復雜載荷工況下的材料布局優化提供理論支撐。

優化設計的核心在于三個基本要素：設計變量、目標函數和約束條件[4。設計變量是優化過程中可以調整的參數，它們直接決定了結構的最終形態；目標函數則是優化所追求的性能指標，如質量最輕、剛度最大等；而約束條件則是對設計變量和目標函數的限制，確保優化結果滿足實際應用的各項要求。這三個要素根據不同的設計需求和應用場景而有所差異，共同構成了拓撲優化問題的完整框架。目前常用的連續體拓撲優化方法有均勻化方法、變密度法和漸進結構優化法等。

在針對駕駛室油缸支座的拓撲優化過程中，本文應用變密度法作為一種有效的策略。該方法的核心理念在于設想一種虛構材料，其密度可以在0至1之間連續變化[5。通過將原本連續的結構體細分為多個有限元單元，并將每個單元的密度作為獨立的設計變量，成功地將復雜的拓撲優化問題簡化為一個最優分配單元材料密度的問題。這樣的轉換不僅便于數值計算，還使得結構設計能夠在滿足性能要求的同時，達到材料使用的最大化效率。

在拓撲優化過程中，設定了明確的參數與條件以確保優化結果既滿足結構性能要求又實現輕量化目標。設計目標被設定為最小化支架的撓度，撓度是衡量結構在受力時變形程度的重要指標，最小化支架的撓度意味著結構具有更高的抗變形能力，即追求支架的最大剛度，進而降低應力集中現象，提升整體結構的耐久性和安全性。為了實現這一目標，引入了嚴格的約束條件：體積分數的上限被設定為 0.25 。這一限制確保了優化后的支架在保留足夠性能的前提下，其體積（或質量）將得到顯著減少，從而達到既增強剛度又減輕重量的效果。優化后結果如圖7。

基于拓撲優化得出的結果，充分考量實際裝配過程中的邊界條件限制，對本油缸下支座重新設計。具體的設計方案如圖8所示。

為了深入評估新方案的結構性能，構建有限元分析模型對新方案中的駕駛室翻轉油缸下支座開展有限元分析，并繪制該支座的變形圖。駕駛室翻轉油缸下支座變形圖如圖9、圖10，應力云圖如圖11、圖12所示。

4結論

原方案與新方案分析結果對比如表2，對于起動工況和停止工況，新方案變形量和應力值都減少 20% 以上，關鍵力學性能指標均顯著優于原方案。質量減少 50% ，實現輕量化目標。綜合以上結果，新方案能夠滿足設計需要，同時還能夠降低成本。

綜合上述工況對比結果，新方案在滿足結構強度與剛度設計要求的前提下，通過材料布局優化有效降低了關鍵部位的應力水平與變形響應，且質量指標達成設計預期。該優化成果不僅驗證了新方案的工程可行性，且通過材料用量的大幅縮減，為后續批量生產的成本控制提供了理論支撐，兼具技術合理性與經濟優越性。

參考文獻

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