２０１１年第６期 （总第２３９期） 农业装备与车辆工程 ＡＧＲＩＣＵＬＴＵＲＡＬ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ＆ＶＥＨＩＣＬＥ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｎｏ．６ ２０Ｉｌ （Ｔｏｔａｌｌｙ ２３９） ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３—３１４２．２０１１．０６．００５ 基于ＡＮＳＹＳ二次开发的车架轻量化设计系统 王孟．柴山 （山东理工大学交通与车辆工程学院，山东淄博２５５０４９） 摘要：以板壳单元的研究为出发点，采用离散变量一维搜索和相对差商两种算法，对车架进行应力和位移优化； 通过运用ＡＮＳＹＳ程序语言ＡＰＤＬ和ＡＮＳＹＳ图形界面语言ＵＩＤＬ编写程序和菜单．开发出相应的车架轻量化设 计系统。 关键词：车架；轻量化；一维搜索；相对差商 中图分类号：Ｕ４６３．３２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—３１４２（２０１１）０６—００１４—０４ Ｄｅｓｉｇｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｆｒａｍｅ Ｌｉｇｈｔ－ｗｅｉｇｈｔｉｎｇ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＮＳＹＳ Ｓｅｃｏｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｗａｎｇ Ｍｅｎｇ，Ｃｈａｉ Ｓｈａｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｉｂｏ ２５５０４９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｔｅ ａｎｄ ｓｈｅｌｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ．ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｆｒａｍｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅ ＡＮＳＹＳ ｐｒｏｇｒａｍ ｌａｎｇｕａｇｅ ＡＰＤＬ ａｎｄ ＡＮＳＹＳ ｇｒａｐｈｉｃｓ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｌａｎｇｕａｇｅ ＵＩＤＬ ａｒｅ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｐｒｏｇｒａｍ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ，ｃｏｍｐｉｌｅ ｍｅｎｕ，ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐ ａ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｒａｍｅ；ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ；ｏｎｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｓｅａｒｃｈ；ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｑｕｏｔｉｅｎｔ ０引言 ＡＮＳＹＳ是一款强大的有限元分析软件。其前 后处理比较复杂，尤其是边界条件的处理，需要较 长时间的研究与实践经验才能准确地施加。对于 分析后所得到的结果。需根据相应的标准对其判 断优劣。优化设计对模型的设计和改进起到重要 的作用。目前。绝大多数的技术人员还是采用更改 应力较大梁的厚度，增加一些加强板等方式对模 型进行改进：当然有一些也用ＡＮＳＹＳ自身所带的 １）设计变量 由于车架不同梁或零部件选用的钢板的型号 不同，甚至连材料都不同，因此，不同的梁（非对 称）或零部件优化时应选用不同的设计变量。本文 是在板壳单元基础上展开，所以选择钢板的厚度 尺寸作为设计变量，这些设计变量的取值范围则 可查阅型钢手册 ２）目标函数 车架轻量化设计就是在满足所有约束条件的 前提下以降低车架的重量为目标的。车架轻量化 设计的目标函数可写为 优化模块进行优化设计。由于算法研究的不成熟 和ＡＮＳＹＳ其涉及面广等原因，在处理一些专业性 问题的时候，其功能往往不符合技术人员的要求。 因此，开发专用的系统有着重要的意义。 要完成车架轻量化设计系统的开发，首先必 须确定好设计变量、约束条件和目标甬数；其次， 选择算法进行优化计算：最后，运用ＡＮＳＹＳ语言 进行编辑界面菜单。 ｍｉｎＷ：∑ Ｖ 式中ｎ——结构的单元数：Ｐｉ——第 单元材料 的容重； 厂～第ｉ单元的体积。 ３）约束条件 在工程结构设计中常常遇到的约束条件有： 应力约束、变形约束（位移约束）、动态特性约束 ｆ频率约束）以及整体稳定性约束。本文仅对前两 个约束条件进行了研究。 综上所述，应力约束．位移约束下，离散变量 结构优化设计的数学模型分别为： ２优化设计的数学模型 收稿日期：２０１ｌ—Ｏ３—２４ 作者简介：王孟（１９８６一），男，山东理工大学在读硕士研究生，研究 方向：车辆动力学。 一１４— 王孟等：基于ＡＮＳＹＳ二次开发的车架轻量化设计系统 ｍｉｎｗ：∑ ∑ ＝ｌ ｋ∈Ｇｉ ｓ．ｔ． ｄ≤ ，１＝１，２，…，ｎＬ ∈Ｓ。 ｍｉｎＷ＝∑ ∑Ｖ ｉ＝１ ｋ ＥＧｉ ｓ．ｔ． ｏ ≤８”ｊ＝ｌ，２，…，ｎＤ 辑∈Ｓ ｌ＝１，２，…，ｎ￡ 其中玎一设计变量个数；Ｇ广＿一取同一设计变 量的单元序号的集合 ——位移约束编号；ｆ＿一 载荷工况编号； 厂一单元ｉ对Ｚ工况第 号位移 的贡献；ｎ。，ｎ ——约束函数个数。 ３优化算法 车架轻量化设计目标函数是车架梁或零部件 的质量。对于设计变量，由于车架不同梁或零部件 选用的钢板的型号不同，甚至连材料都不同，因 此。不同的梁（非对称）或零部件优化时应采用不 同的设计变量。本文在板壳单元基础上展开，所以 选择钢板的厚度尺寸作为设计变量。这些设计变 量的取值范围则可查阅型钢手册。根据２中的约 束条件．以离散变量一维搜索算法来解决应力约 束问题，以离散变量相对差商算法来解决位移约 束问题。图１是一维搜索算法的设计流程图。相对 差商的设计流程同一维搜索比较类似．不同的是 数据是按组件下的单元进行循环，而且在循环过 程中要判断出变量的方向。 开始 定义目标函数、约束条件 设计变量初始化 车架模型 有限元分析 提取组件单元的最大内力值 （按组件循环） 修改 循环各组件计算最大应力值 实常 直到满足约束条件 数值 各部分最后相邻两 轮厚度值是否一致 跳出循环得到最优解 ±星 否 图１ 一维搜索算法设计流程图 ４车架轻量化设计系统 车架轻量化设计系统是在熟练掌握和运用优 化算法及ＡＮＳＹＳ软件基础上，利用ＡＰＤＬ和 ＵＩＤＬ两种语言，在经典的ＡＮＳＹＳ界面上进行独 立的功能模块的扩充和系统集成，生成具有行业 专业特点和符合用户需求的界面和菜单。该系统 包含基本参数设定，优化类型、方法选择，数据提 取，运行和结果输出五个部分。下面给出车架轻量 化设计系统的流程图（图２所示）和系统所在的位 置（图３所示）。 车架轻量化设计系统 厂—叶—］ Ｉ 半ｆ优化类型选择 ’ 、、／Ｌ 生成结果文件 优 化 前 后 目标函数 当前组件质量 位 移 值 或 Ｔ，１一 一 组 件 虽 大 应 Ｔ＿＇１摘 力 值 图２轻量化设计系统流程图 优化前后实常数一 一优化前后的质量及质量差 图３系统菜单位置图 点击设计变量菜单。弹出下一级对话框．选择 所要优化组件对应的数据库；而对于约束变量，同 样也需按组件进行选择，不过此时弹出的是应力 和位移输入对话框，对话框中包含有组件序号输 入，应力约束数值输入，位移约束节点号输入及ｘ， Ｙ或ｚ方向的位移约束值输入：对于目标函数电 脑则是自动进行数据提取和计算操作．在ＡＮＳＹＳ 中示意图如图４一图７所示。 优化方法选择模块包含优化类型选择．优化 一１５一 ２０１１年第６期 农业装备与车辆工程 图４选择所要优化的组件 图５选择组件数据文件 ’ — ‘ ．．巨 ｌ ‘ｔ■ “［二］ 一［二］ ［二］ ［］ — ＿ｊ ｊ ．！ Ｉ 图６输入约束值对话框 圃墨—■■■■■—■——一 懦ｔ● ０ ｌ 辅■ ■ － 嘲雌 Ｃ要＝】 图７目标函数对话框 算法选择两部分。使用者需先选择所要优化的类 型，然后根据优化类型，选择对应的算法。其编写 流程从图５就可以详细地得出。在选择过程中，如 果是应力优化，则需在下一级对话框中选择相对 差商：若是位移优化，或应力位移优化，则仅有一 个离散变量相对差商选项。 图８类型选择对话框 图９算法选择对话框 一１６一 数据提取就是为后面优化计算作铺垫的，它 是由基本参数设置和方法类型选择所决定。根据 基本参数设置中所选组件的数目来确定数组大 小．根据约束来提取数据并存放在所定义的相关 数组中。优化类型的不同，所要建立的数组也不 同．当然所要提取的数据也不同，如应力优化过程 中，建立二维数组即可；而在位移优化过程中，由 于算法循环的需要，需建立三维数组．来存储组 件、单元号，单元对应内力，密度、弹性模量等。以 上操作都是计算机背后操作，我们仅仅建立了一 个简单的菜单。 ＿Ｉ Ｉ■ｍ】 钥蜘 目昀 喇 ｔ■■撑－＃■， ■ＭＨ埔 ●ｔｌ 啊嘲 ■ ａ ￡ 苎 ｊ 图１０数据提取菜单 运行计算将对前面所做的所有准备数据进行 计算、循环。点击菜单，若继续运行则点击“ＯＫ”，若 不对则点击“Ｃａｎｃｅｌ”取消，计算结束后，所出现的 提示同普通运算一样都是“Ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｓ ｄｏｎｅ”。 ｒＬ… — ．＿三Ｌ，・ ： 一 秘 ｌ 时１ Ｈ嘲 ｔ■ｎｍ●ｔ ■・■斯＾ ‘ 。 ｅ ｌ ■望日 口 基 ，５ １竺： Ｉ 图１１运行计算菜单 结果输出：将计算的结果存储在当前路径下 以Ｏｐｔｄａｔａｌ文件夹Ｏｐｔｄａｔａ１．ｔｘｔ文本文件中，其中 包含组件名称，优化前后组件厚度、优化前后组件 最大应力、优化前后位移及优化前后组件总质量。 图１２结果输出文件 王孟等：基于ＡＮＳＹＳ二次开发的车架轻量化设计系统 ２０１１年６月 ５算例 本文以一个简单车架模型为例，整个车架采 用统一的材料：弹性模量２００ＧＰａ，泊松比０．３，密 度７８００ｋｇ／ｍ３，许用应力１００ＭＰａ。下图为车架的有 限元模型。 只是一个计算模型，为了验证一下整个计算过程 程序的编写是否正确。并没有同实际钢板的数据、 弹性模量相结合。不具有实际的工程意义。 ６结语 运用车架系统可以降低对车架设计人员设计 经验的要求。设计人员只需要设定好应力或位移 约束值，选择正确的优化类型与方法，计算机将会 自动地寻求优化解，大大提高了设计效率。离散变 量优化设计思想的引入，使得变量的取值更加符 合实际情况，同连续变量相比，其计算结果更令人 满意。 参考文献 【１］朱颜．ＣＡＥ技术在汽车轻量化设计中的应用【Ｊ】．农业装备与车 图１３车架的有限元模型 辆工程．２００８．１０：３１～３４． 初始车架（钢板弹簧除外）各组件设置的厚度 ［２］桂良进，周长路，范子杰．某型载货车车架结构轻量化设计【Ｊ１．汽 取值均为６，经过优化计算得出各个梁的厚度。 车工程。２００３年（第２５卷）第４期；４０３～４０６． ［３］曹品鲁，王文龙，韩冰，高科．基于ＡＮＳＹＳ—ＡＰＤＬ的阶梯钻头结 表１ 优化前后的钢板厚度 构优化设计『Ｊ１．矿山机械，２００８．１９；１３－１６． 名称 组件１组件２组件３组件４组件５组件６ ［４］孙纯换，柴山，王跃方，石连栓等．离散变量结构优化［Ｍ】．大连理 优化前 ６ ６ ６ ６ ６ ６ 工大学出版社．２００２．０６． 优化后 ２ ２ ２ ２ ２ ３ ［５］博弈工作室编著．ＡＰＤＬ参数化有限元分析技术及其应用实例 『Ｍ１．中国水利水电出版社，２００４．２． 其中组件ｌ 组件６分别是沿ｘ正方向的横 ［６１张晓丽，李德建，李明鹏．ＡＮＳＹＳ软件二次开发技术［Ｊ】＿重庆工学 梁１～横梁５和纵梁（由结构对称，两纵梁看作一 院学报，２００７．１，第２ｌ卷第ｌ期：ｌ１～ｌ５． 个设计变量）。车架的总质量由优化前的 ［７］徐芝纶．弹性力学【Ｍ】．高等教育出版社，１９９０．５（３）． １８７．４３４ｋｇ变成８３．５３８ｋｇ，减轻１０３．８９６ｋｇ。此车架 【８］ＡＮＳＹＳ ＵＩＤＬ Ｐｍｇｒａｍｍｅｒ Ｓ Ｇｕｉｄｅ［ＪＩ，ＡＮＳＹＳ，Ｉｎｃ，１９９４． （上接第１０页） ５ 结论 ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ ｏｆ ｒｅａｌ—ｗｏｄｄ ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｙｃｌｅｓ［Ｃ］．ＳＡＥ Ｐａｐｅｒ．Ｄｅｔｒｏｉｔ， ２００２，２００２－０１－００６９． 本文针对区域内固定路线电动汽车行驶工况 『２１庄继晖，谢辉，严英．基于ＧＰＲＳ的电动汽车道路行驶工况自学 开发问题作了深入的研究。以开发中山大学校园 引Ｊ］．天津大学学报，２０１０（４）：２８３—２８６． ＳＥＶ电动巴士的行驶工况开发为对象，采集了大 ［３］孙宏图，宋希庚，王天灵．改进的城市公交循环工况开发方法Ｉ Ｊ１． 量的汽车行驶原始数据，根据汽车运行特点，将原 大连理工大学学报，２００９，１１（４９）：８３７—８４１． 始数据分割成多个行驶段样品数据用以进行工况 ［４］杜爱民，步曦，陈礼，余卓平．上海市公交车行驶工况的调查和研 究［Ｊｌ＿同济大学学报（自然科学版 ２００６，３４（７）：９４３－９４６． 分析。对获取的行驶段样品数据进行了特征参数 ［５］阮廷勇，张开斌．武汉市电动汽车行驶工况研究［ＪＩ＿客车技术与 提取和主成分分析，并在此基础上开发出有效的 研究．２００７（１）：２６—３０． 具有代表性的ＳＥＶ行驶工况。本文用于校园ＳＥＶ 【６】姜平，石琴，陈无畏，黄志鹏．基于小波分析的城市道路行驶工 行驶工况开发的方法是一种快速有效行驶工况开 况构建的研究ｌ Ｊ１．汽车工程，２０１ ｌ，３３（１）：７０—７３． 发方法．可以用在固定区域（如景区、楼盘、学校） ［７］郑与波，石琴，王世龄．合肥市汽车行驶工况的研究【ＪＪ．汽车技 术．２０１０（１０）：３４—３９． 有相对固定路线的汽车行驶工况开发，同样地对 ［８］秦寿康等．综合评价原理与应用【ＭＪ．北京：电子工业出版社， 于城市行驶工况也有一定的借鉴意义。 ２００３． 参考文献 ［９】王矗，韩秀坤，葛蕴珊等．北京市公交车典型行驶工况的构建［Ｊ】． 汽车工程，２０１０，８（３２）：７０３—７０６． 【１】Ｄｅｍｂｓｋｉ Ｎ，Ｇｕｅｚｅｎｎｅｃ Ｙ，Ｓｏｌｉｍａｎ Ａ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ 一１７—
