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摘要：針對某割草機車架存在著結構應力不能同時滿足水平彎曲、左前輪懸空、左后輪懸空、緊急制動四種工況下的強度需求的問題，利用Nastran建立了割草機車架的優化模型，通過基于厚度尺寸尋優策略，尋求了最優截面尺寸，優化了車架應力狀況，滿足了四種工況的強度要求，實現了車身重量最輕。

關鍵詞：割草機；車架；多工況；厚度尺寸優化

0引言

目前對全地域車的研究國外主要集中在駕駛安全、控制等方面，對整車性能研究的很少，國內則主要集中在車架結構分析與優化、行駛動力學性能等方面，但許多問題如車架結構正確簡化、多目標優化建模、車輛動力學評價等仍有待于進一步的研究［1－2］。本文針對某割草機車架存在著結構應力不能同時滿足水平彎曲、左前輪懸空、左后輪懸空、緊急制動四種工況下的強度需求問題，通過尋求車架截面尺寸的最優值，保證了車身的強度要求，實現了車身的重量最輕，提高了整車的結構安全性、經濟性。

1割草機車架結構的優化模型

1．1目標函數原車身結構不能滿足所有的工況，通過增加車架各零部件的厚度，可使割草機車架滿足所有工況的強度要求，但會大幅度提高車架重量，增加生產成本。結合生產實際，同時滿足輕量化設計的需要，在優化設計中以割草機車架的重量最小作為目標函數。

1．2約束條件在優化設計過程中，為了加快優化進程，必須消除不必要或冗余的約束條件，選擇的約束條件應盡可能符合優化目標的需求。本割草機車架材料為Q235，其屈服極限為235MPa。

1．3設計變量割草機的車架主要由薄壁的方鋼和圓形鋼管構成，以管厚為優化問題的設計變量共有7個，其定義遵循以下準則［3－5］：（1）由于車架結構的對稱性，將處于對稱位置且界面尺寸相同的管厚定義為同一個設計變量，其他不同的管厚定義為不同的設計變量。（2）由于一些功能構件如車座、殼體、車身裝飾物、車燈等對車架強度影響非常小，故不作為優化設計變量。（3）在優化設計中，割草機車架由于組成構件較多而尺寸變量較多，太多的設計變量增大了收斂到局部最小而非全局最小的概率，必須盡量減少設計變量。采用變量關聯的方法，將車架結構上互相有聯系的非獨立尺寸按照比例關系確定。

1．4尋優策略為了高效處理約束問題，并利于程序實現，Nastran采用可行方向法作為尋優策略，該方法的基本思想是：在可行域中選擇一個可行點作為出發點，并選擇最優方向前進；在前進中，如果該方向上的極值仍在可行域內，則將此點作為新起點，若極值點超越了約束邊界，則選擇邊界上的點作為新起點；新起點繼續搜尋最優方向，以此往復，直到搜尋到最優點為止［6－7］。

2割草機車架結構的靜強度分析

2．1割草機車架結構的有限元分析模型實際車身往往比較復雜，而且許多結構對仿真影響可以忽略不計，故為了提高工作效率，提高仿真速度和準確性，對結構進行以下簡化［8－11］：（1）去除非承重部件。去除車架上的座椅、方向盤等不影響車架強度的部件。（2）主、從節點處理。將位置距離較近的節點采用“主從節點”的方式處理，避免仿真過程中出現病態方程。（3）蒙皮處理。忽略蒙皮預應力的強化作用。（4）人體的重量以平均在座位上的力代替，油箱、發動機、電瓶、后橋、電機用大致幾何模型代替。（5）單元選擇。由于車架是薄壁件焊接而成的，利用四節點的殼單元來模擬可以得到比梁單元更高的精度，連接部位的焊接一部分用共節點的形式模擬，一部分利用rigid單元進行模擬。

2．2載荷和邊界條件根據不同工況對車架有限元模型添加不同的邊界條件。

2．3靜強度分析在Nastran中計算4種工況下割草機車架的靜態應力分布。

3結構優化分析

在4種工況中左后輪懸空工況下割草機車架受載惡劣，不滿足強度要求，而其他3種工況下車架強度均滿足要求，故以左后輪懸空工況為邊界條件進行優化分析。

4車架結構改進后靜動態性能校核

為了檢驗經優化改進后的車架性能是否提高，對改進后的車架進行靜態應力、剛度分析。圖5為各工況下割草機車架的最大VonMises應力值。由圖5可知：優化后各工況下割草機車架的應力值均小于材料的屈服極限，滿足各極限工況的使用要求，彎曲工況的應力較優化前稍微增大21MPa，但仍遠低于Q235的屈服應力245MPa；左后輪懸空工況下的最大VonMises應力值從412MPa降低為231MPa，其值降低了43．9％；制動、左前輪懸空工況的最大VonMises應力值分別比優化前降低了6．5％和53．02％。

5結論

通過對某型割草機車架結構進行優化設計，采用優化后的結構參數對4種工況下靜強度進行重新分析，得到以下結論：優化后割草機車架結構滿足強度要求，車架結構最大VonMises應力小于材料（Q235）的屈服極限。經優化設計后，左前輪懸空、左后輪懸空兩種工況下應力大幅降低，而彎曲、制動工況下應力水平變動不大，使得割草機在不同工況下的應力水平分布更加均勻，車架材料得到了合理分配。在保證強度前提下，實現了車身車架重量最小化。

參考文獻：

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作者：章楊彬1，楊為2，3，康洪1，張云鶴1 單位：1．重慶大學機械工程學院，2.重慶大學汽車工程學院，3．重慶大學機械傳動國家重點實驗室