一种两栖车辆全承载车身的仿真方法技术

本发明专利技术提供一种两栖车辆全承载车身的仿真方法，该方法通过利用典型方法定义不同目标函数，以及算法的优化过程计算出的全承载车身系统；包括结构拓扑优化中多目标的设定，多目标评价方法的确定，结构拓扑优化仿真方法的确定，基于优化结果的车身结构设计等四个必要设计环节，对目标拓扑优化的结果决定了产品的最优拓扑。本发明专利技术的仿真方法在很大程度上保证了两栖车身结构设计的尺寸和形状是在材料分布最优初始拓扑形式下进行的，能够极大地提高材料利用率确定出车身主要承载结构件的最佳布局的同时可以大幅节约设计时间，并且可以显著地提高了高速两栖车的结构优化水平,进而保证了两栖车量的快速、可靠及稳定的工作状态。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种两栖车辆的仿真方法，具体涉及一种两栖车辆全承载车身的仿真 方法。
技术介绍
高速两栖装车辆是一种不用舟桥、渡船等辅助设备能自行通过江河湖海等水障， 并在水上进行航行和射击的高速战斗车辆，两栖车辆的结构设计，决定了两栖车辆是否能 够进行有效作战。 目前的，高速两栖车辆车身过程中普遍采用两种方法，第一种通过外形优化手段， 以减小兴波阻力为首要目标来确定船形外车壳，采用与车架螺接等形式设计车身系统，这 种方法有利于排水型两栖车辆的最高航速预报和减阻提速。但对于减轻车辆尤其是车身系 统的重量没有办法提供帮助，鉴于船形车壳，为满足减小阻力的要求，车身系统要增加零部 件，相应地增加了系统重量，重量的增加反过来又影响到兴波阻力的减小和水上航速的提 高。同时按照船形车壳设计的车架结构无法满足静态多工况下刚度最大要求，以及动态振 动低阶频率最大要求和陆上各工况下行驶的安全可靠要求。第二种方法是在在现有车辆基 础上进行改装，以减轻重量为首要目标，去除车架上不必要的零部件，并应用结构形状优化 和尺寸优化等技术手段将车架重量减轻，在此基础上连接船形外壳，这种方法虽降低了重 量，但兴波阻力得不到有效控制，从而水上速度无法达到理想水平。 有鉴于此，急需一种新的高速两栖车辆全承载车身的仿真方法，以最大限度提高 材料利用率；并根据不同的约束条件，在一个连续体的设计空间中使车身的主要承载结构 件的布局为最佳。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供，该方法在很大程度 上保证了两栖车身结构设计的尺寸和形状是在材料分布最优初始拓扑形式下进行的，能够 极大地提高材料利用率。同时根据不同的约束条件，在一个连续体的设计空间中确定出车 身主要承载结构件的最佳布局；可以大幅节约设计时间，并且可以显著地提高了高速两栖 车的结构优化水平，进而保证了两栖车量的快速、可靠及稳定的工作状态。 本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的： -种两栖车辆全承载车身的仿真方法，所述方法包括如下步骤： 步骤1.设定所述两栖车辆全承载车身的拓扑基本结构中的目标优化函数； 步骤2.将所述目标优化函数转化成评价函数，以完成所述拓扑基本结构的建立； 步骤3.将所述全承载车身的载荷及约束映射到所述拓扑基本结构的相应位置， 并优化所述拓扑基本结构； 步骤4.根据所述拓扑基本结构的优化结果设计所述两栖车辆全承载车身的结 构。 优选的，所述步骤1，包括： 1-1.规范化所述两栖车辆全承载车身的拓扑基本结构中的多目标；其中，所述多 目标包括所述全承载车身的船型外壳的兴波阻力、所述全承载车身的静态多工况刚度和动 态固有频率； 1-2.分别建立所述兴波阻力的优化函数、所述静态多工况刚度的优化函数和所述 动态固有频率的优化函数。 优选的，所述步骤1-2,包括： 1-2-L建立所述兴波阻力的优化函数： 根据外形优化方法得到所述兴波阻力Rw的优化函数为： 上式中， P为液体密度；g为重力加速度；》9为相对速度；I，J均为船外形参数；Θ为基元 波与行驶方向的夹角；i = 1、2···.. p ;T为液面以下深度；z为压力；f为需要优化的低阶频 率的阶次；I为液面抬尚；1?为基本波数； 1-2-2.建立所述静态工况刚度的优化函数： 采用柔度等效法，将刚度最大问题等效为柔度最小问题，得到静态多刚度拓扑优 化的目标函数： 式中，P为液体密度；m为载荷工况总数；k为工况中的某一个；ω,为第k个工况 的权值；q为惩罚因子，且q彡2 ;Ck( P )为第k个工况的柔度目标函数；Cfax、Cfn分别为 第k个工况柔度目标函数的最大值和最小值； 1-2-3.建立所述动态固有频率的优化函数： 采用频率平均法建立所述动态固有频率的优化函数： 式中，Λ ( p )为平均频率；X1, x2. .. χη为采样阶数，λ ^为第〇阶特征频率，s为给 定的参数值，f为需要优化的低阶频率的阶次；i = 1、2…ρ ; Oi为第i阶频率的权重系数； λ i为第i阶特征频率，用来调整目标函数。 优选的，所述步骤2,包括： 2-1.选取所述目标优化函数A(XhfJX)，…，fp⑴对应的权系数λ 1; λ2，··· ，λρ;其中，所述权系数λ λ2，…，λρ中的λ #〇且为所述目标优化函数的 个数； 2-2.将各所述目标优化函数与其对应的所述权系数相乘，得到所述评价函数： 若fj⑴彡0,则可用平方权函数λ τ为权系数矩阵；f为 需要优化的低阶频率的阶次；j = 1、2···.. p ;p为所述目标优化函数的个数； 2-3.求解所述评价函数的最优解X%矿为多目标优化的有效解。 优选的，所述步骤2-1选取所述目标优化函数f\(X)，f2(X)，…，fp(X)对应的权系 数λ1，λ2，…，λρ，包括： 2-1-1.分别求得各所述目标优化函数4(幻，4(幻，~，&(幻的约束最优解父/; 2-1-2.分别根据ρ个所述最优解X/计算出各所述目标优化函数的函数值f ji = A (Xi*)，得到一个目标函数值的距阵{fjjpXp: 2-1-3.解线性方程组 式中i = 1、2…p ;求得各所述权 ， 系数λ2,…，λρ的值。 优选的，所述步骤3,包括： 3-1.将所述全承载车身的固定部分映射到所述拓扑基本结构上的相应的曲面及 单元上，并加载与所述固定部分对应的载荷并固化，使得所述固定部分在优化过程中作为 固定单元； 所述固定部分包括动力支撑部分、传动重点部分、悬挂重点连接处和水上推进单 元； 3-2.将所述全承载车身的可调部分作为优化单元；并通过所述可调部分在所述 拓扑基本结构中各截面的几何参数，确定所述优化单元初始厚度值，并保留所述全承载车 身的结构对称性； 所述优化单元包括兴波阻力单元、静态多工况刚度单元和动态固有频率单元； 3-3.选取优化所述拓扑基本结构的状态变量，所述状态变量包括模型关键位置的 位移作、具有代表意义的支承处节点、所述拓扑基本结构的各节点的竖直方向位移、最终结 构材料所占的拓扑空间的最大分数和最小分数； 3-4.分别减小各所述状态变量，并在其每次减小后均对歌所述优化单元进行重 组，优化所述拓扑基本结构；其中，所述状态变量的范围为〇至初始设计值。 优选的，所述步骤3-4中对所述拓扑基本结构进行优化，若所述拓扑基本结构为 连续体，则采用变密度法优化，所述变密度法包括： 3-4-1.将所述连续体离散为有限元模型； 3-4-2.指定各所述优化单元内的密度值； 3-4-3.以每个所述优化单元的密度为设计变量，以所述拓扑基本结构的柔顺度最 小为目标，考虑材料质量约束或体积约束和平衡条件； 假定密度与材料特性的非线性关系为： E = TiiaE0; 式中0下标代表实际使用材料的材料特性，i = 1，2, 3，. . .η为优化单元的伪密度， 1为〇~1之间的参数值，惩罚因子a为大于1的整数值。 从上述的技术方案可以看出，本专利技术提供了一种两栖车辆全承载车身的仿真方 法，该方法通过利用典型方法定义不同目标函数，以及算法的优化过程计算出的全承载车 身系统；包括结构拓扑优化中多目标的设定，多目标评价方法的确定，结构拓扑优化仿真方 法的确定，基于优化结果的车身结构设计等四个必要设计环节，对目标拓扑优化的结果本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种两栖车辆全承载车身的仿真方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1.设定所述两栖车辆全承载车身的拓扑基本结构中的目标优化函数；步骤2.将所述目标优化函数转化成评价函数，以完成所述拓扑基本结构的建立；步骤3.将所述全承载车身的载荷及约束映射到所述拓扑基本结构的相应位置，并优化所述拓扑基本结构；步骤4.根据所述拓扑基本结构的优化结果设计所述两栖车辆全承载车身的结构。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王磊，郭珊，王超，廖桐舟，李莉，郑凯锋，马士奔，付饶，金宇春，叶辉萍，朱兰，陆培源，罗涛，叶辉，范晶晶，黄冠富，邢杰，陈锐，韩雪峰，杨桂玲，房加志，杨克萍，
申请(专利权)人：中国北方车辆研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11