一种挂车车轴轻量化方法技术

本发明专利技术公开了一种挂车车轴轻量化方法，包括以下步骤：S1、挂车车轴参数化建模，对车轴实体内腔尺寸进行测量，并使用三维建模软件进行建模；S2、建立CAE有限元模型，将建好的参数化三维模型导入软件中构建车轴优化有限元模型；S3、建立多目标优化模型，采取数值优化法对车轴进行优化设计；S4、响应曲面构建；S5、多目标遗传算法求解，得到挂车车轴轻量化最优解。本发明专利技术方法不改变原先的车轴外观尺寸和外表的配合面的前提下，通过仿真分析，与试验分析实现了对挂车车轴的轻量化。现了对挂车车轴的轻量化。现了对挂车车轴的轻量化。

【技术实现步骤摘要】
一种挂车车轴轻量化方法


[0001]本专利技术属于轻量化设计
，具体涉及一种挂车车轴轻量化方法。

技术介绍

[0002]车轴作为半挂车的一个关键部件，其产品的强度和寿命对整车的可靠性和安全性及整车性能的影响很大，所以对车轴进行疲劳强度分析和优化设计对降低成本、减轻重量、提高经济效益有重大意义。
[0003]一部分人利用有限元仿真，在单倍载荷工况、疲劳载荷工况、6倍载荷工况下进行了挂车车桥的性能校核以及结构改进，改善了应力集中的问题，测试得到了挂车车桥材料合金结构钢20Mn2的相关力学性能以及S
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N曲线，在6倍载荷工况的有限元分析中，使用双线性材料模型求解了挂车车桥的弹塑性问题。还有人依据淬火水槽负荷能力调整装炉量，按照20Mn2材料特性选择淬火冷却介质及其搅拌方式，通过试验确定挂车车桥材料的最优淬火温度，解决了车桥热处理后端部硬度及金相不合格的问题。相关工作者分析了我国重型商用车车桥轻量化的现状，车桥企业越来越重视产品的轻量化，而且车桥轻量化设计的能力和水平不断提高，指出了我国重型商用车桥轻量化的措施主要有结构优化设计、材料优化设采用先进的制造工艺。后续有人采用Power
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Scan
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Pro 2.0M三维扫描仪对挂车车桥进行了三维测绘，利用UG建立了挂车车桥的三维几何模型，利用ABAQUS进行了金属挂车车桥的性能的有限元分析，并且对金属挂车车桥进行了台架试验，验证了有限元分析结果，最后提出了碳纤维复合材料挂车车桥的方案，新材料挂车车桥满足使用性能，相比金属挂车车桥减重23.2％。但是传统的挂车车轴设计或者其他零件设计主要关注挂车车轴的整体性能，只有局部性能不满足要求时才会做局部的性能优化，如局部的热处理提高局部强度。这样的设计导致车轴性能分布不均，某些局部结构性能过剩，不符合机械设计中的等强度原则。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种挂车车轴轻量化方法，不改变原先的车轴外观尺寸和外表的配合面的前提下，通过仿真分析，与试验分析实现了对挂车车轴的轻量化。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种挂车车轴轻量化方法，包括以下步骤：
[0007]S1、挂车车轴参数化建模，对车轴实体内腔尺寸进行测量，并使用三维建模软件进行建模；
[0008]S2、建立CAE有限元模型，将建好的参数化三维模型导入软件中构建车轴优化有限元模型；
[0009]S3、建立多目标优化模型，采取数值优化法对车轴进行优化设计；
[0010]S4、响应曲面构建；
[0011]S5、多目标遗传算法求解，得到挂车车轴轻量化最优解并验证。
[0012]进一步的，步骤S1具体为：
[0013]利用测厚仪对车轴实体内腔尺寸进行测量，选取多个控制内腔结构的尺寸作为优化尺寸参数，并使用SolidWorks和DesignModler建立了车轴参数化三维模型，其中，参数的选择包含整个车轴内腔。
[0014]进一步的，步骤S2具体为：
[0015]将建好的参数化三维模型导入ANSYS Workbench中构建车轴优化有限元模型，确定好有限元模型的约束载荷，梁支座为滚动支座，左右对称分布；
[0016]根据轻量化的预期目标对最小载荷和最大载荷进行设置，设置的依据为厂定的最大轴载荷；载荷作用位置为钢板弹簧座位置，左右对称；垂直弯曲刚度和强度测试时加载量为最大载荷，垂直弯曲疲劳寿命的测试载荷设为脉动循环载荷，设置相应的循环载荷范围与加载频率；
[0017]由于热处理使车轴轴承部位材料屈服极限与本体材料屈服极限不同，所以在有限元环境中将轴承位区域切分出来，单独考察轴承位区域强度及独立进行优化约束；
[0018]采用实体单元对模型进行离散化，设置车轴方管及一部分过渡部分的网格单元尺寸和另一部分及圆管部分的单元尺寸，设置后，会形成总计的节点和实体单元，经过网格质量检查，若所建模型满足计算分析的要求，则目标模型建立完成，若所建模型不满足计算分析的要求，则需要对车轴方管及一部分过渡部分的网格单元尺寸和另一部分及圆管部分的单元尺寸进行合理的调整以满足计算需求。
[0019]进一步的，步骤S3具体为：
[0020]采用数值优化法对车轴进行优化设计，确定哪些因素会影响优化结果和产品性能以及这些影响因素之间的相互关系；
[0021]设计过程中需要对车轴的设计变量，即在车轴中选定的一系列优化目标点；
[0022]对车轴的总体质量、车轴的最大形变量、车轴本体的最大应力、车轴两轴承位的最大应力，车轴的疲劳寿命、车轴两轴承位调质淬火后的屈服极限，安全系数、车轴每米轮距最大形变量进行考虑约束，以上参数均为设计优化过程中的重要因素，其中，具体约束关系的数学模型描述如下：
[0023]X(x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8)
T
；min m(X)；
[0024]其中，X为设计变量；m(X)为车轴质量；g1(X)为车轴最大形变量；g2(X)为车轴本体最大应力；g3(X)为车轴两轴承位最大应力，g4(X)为车轴疲劳寿命；σ
0.2
‑2为车轴两轴承位调质淬火后的屈服极限；s为安全系数，根据国家标准和实际应用所需而定；a为车轴允许的每米轮距最大形变量；。
[0025]进一步的，步骤S4具体为：
[0026]多目标优化设计是通过在设计变量给定区间内抽样进行试验设计，并求解各设计
点相应的响应值，在此基础上建立拟合模型，并利用拟合模型预测未知点响应或利用已知点的信息经插值计算得到未知点响应的数值分析方法；
[0027]采用拉丁超立方抽样设计方法，多次仿真后获取上述的待优化目标点的设计点，过程中采用并行求解的方式加速求解过程；
[0028]基于以上设计点，采用Kriging方法构建响应曲面；
[0029]获取刚度响应曲面、强度响应曲面、疲劳寿命响应曲面以及挂车车轴的响应曲面，通过对决定系数和灵敏度的结果进行分析，获取待优化目标点与点之前的关系，分析出哪些点对刚度的影响较大、哪些点对强度的影响较大、哪些点对疲劳寿命的影响较大，哪些点对挂车车轴质量的影响较大。
[0030]进一步的，步骤S5中，多目标遗传算法求解具体为：
[0031]多目标遗传算法需要设计合适的种群规模、交叉概率和变异概率；经过相应次数的迭代计算得出Pareto最优解集；
[0032]最优解集有多组，根据材料的实际加工条件和加工工艺，选取最接近最优化目标的点作为优化结果；
[0033]得出最后结果后，还需对其可行性进行研究分析，即通过对挂车车轴的质量、最大形变量和疲劳寿命进行台架试验或者与有限元计算进行比较，经过验证后的可靠结果即为最终的优化值，至此优化结束。
[0034]本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
[0035]1、本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种挂车车轴轻量化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、挂车车轴参数化建模，对车轴实体内腔尺寸进行测量，并使用三维建模软件进行建模；S2、建立CAE有限元模型，将建好的参数化三维模型导入软件中构建车轴优化有限元模型；S3、建立多目标优化模型，采取数值优化法对车轴进行优化设计；S4、响应曲面构建；S5、多目标遗传算法求解，得到挂车车轴轻量化最优解并验证。2.根据权利要求1所述的一种挂车车轴轻量化方法，其特征在于，步骤S1具体为：利用测厚仪对车轴实体内腔尺寸进行测量，选取多个控制内腔结构的尺寸作为优化尺寸参数，并使用SolidWorks和DesignModler建立了车轴参数化三维模型，其中，参数的选择包含整个车轴内腔。3.根据权利要求1所述的一种挂车车轴轻量化方法，其特征在于，步骤S2具体为：将建好的参数化三维模型导入ANSYS Workbench中构建车轴优化有限元模型，确定好有限元模型的约束载荷，梁支座为滚动支座，左右对称分布；根据轻量化的预期目标对最小载荷和最大载荷进行设置，设置的依据为厂定的最大轴载荷；载荷作用位置为钢板弹簧座位置，左右对称；垂直弯曲刚度和强度测试时加载量为最大载荷，垂直弯曲疲劳寿命的测试载荷设为脉动循环载荷，设置相应的循环载荷范围与加载频率；由于热处理使车轴轴承部位材料屈服极限与本体材料屈服极限不同，所以在有限元环境中将轴承位区域切分出来，单独考察轴承位区域强度及独立进行优化约束；采用实体单元对模型进行离散化，设置车轴方管及一部分过渡部分的网格单元尺寸和另一部分及圆管部分的单元尺寸，设置后，会形成总计的节点和实体单元，经过网格质量检查，若所建模型满足计算分析的要求，则目标模型建立完成，若所建模型不满足计算分析的要求，则需要对车轴方管及一部分过渡部分的网格单元尺寸和另一部分及圆管部分的单元尺寸进行合理的调整以满足计算需求。4.根据权利要求1所述的一种挂车车轴轻量化方法，其特征在于，步骤S3具体为：采用数值优化法对车轴进行优化设计，确定哪些因素会影响优化结果和产品性能以及这些影响因素之间的相互关系；设计过程中需要对车轴的设计变量，即在车轴中选定的一系列优化目标点；对车轴的总体质量、...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵新，李杰，吴伟斌，罗茂林，黄俊鹏，郑泽锋，韩重阳，曾治亨，唐婷，胡智标，马宝淇，
申请(专利权)人：华南农业大学，
类型：发明
国别省市：