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除冰車是一種機場地面專用設(shè)備，它的主要作用是向飛機表面噴射特殊液體，清除飛機表面堆積的冰層，同時還可以滿足飛機清潔和維護的需要。目前國內(nèi)廠家生產(chǎn)的飛機除冰車基本采用二類貨車底盤改裝，沒有針對飛機除冰車的實際工況設(shè)計專用車架，因此設(shè)計出滿足強度要求并且輕量化的飛機除冰車專用車架有重要意義。
目前拓撲優(yōu)化技術(shù)運用比較廣泛的有均質(zhì)化方法、相對密度法和進化結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。拓撲優(yōu)化技術(shù)的核心思想都是在給定的設(shè)計空間和材料內(nèi)尋求最佳的材料分布，從而使得到的結(jié)構(gòu)能夠同時滿足給定的約束條件和目標函數(shù)。近年來隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，拓撲優(yōu)化技術(shù)的研究也比較廣泛和深入，并且開始和有限元法結(jié)合起來，用以解決產(chǎn)品開發(fā)過程中的實際問題。拓撲優(yōu)化技術(shù)理論上的研究已經(jīng)日漸成熟，但拓撲優(yōu)化技術(shù)在實際工程中的應(yīng)用還需要進一步的探索。另外，將拓撲優(yōu)化技術(shù)與CAD系統(tǒng)進行有機的集成，也是一個值得研究的問題。
車架的強度分析一般考慮純彎曲工況和彎扭聯(lián)合工況。飛機除冰車作業(yè)時行走的機場路面非常平整，作業(yè)速度在5 km/h左右，車架處于純彎曲工況，因此本文選用車架處于滿載純彎曲工況進行靜力學分析和拓撲優(yōu)化。車架材料選用16Mn，其材料屬性如表所示。純彎曲工況時約束四個車輪垂直方向的自由度，約束左前輪的橫向和縱向自由度，約束右前輪的縱向自由度，約束左后輪的橫向自由度，釋放其它所有自由度。車架有限元模型加載質(zhì)量分布如表所示，除冰車工作時大臂舉起并脫離前支架，此時上裝部分模擬為一個垂直力24500N和一個等效力矩62400NM，發(fā)動機按集中載荷進行加載，其余部分的質(zhì)量均勻加載。重力加速度取9.8 m2/s。在Ansys Workbench環(huán)境中建立車架有限元模型如圖所示。其中，為充分利用車架空間，降低車體質(zhì)心，使布局更為緊湊，將一部分除冰液箱置于車架中段雙層結(jié)構(gòu)所形成的封閉空間中，發(fā)動機和液壓油箱分別布置在車架中段左右側(cè)。按所述對有限元模型進行約束和加載，經(jīng)過軟件計算分別得出總變形位移云圖如圖所示和等效應(yīng)力云圖如圖所示。由圖分析可知，車架在純彎曲工況的最大應(yīng)力區(qū)主要集中在車架后段槽型縱梁的后懸架安裝段與鍋爐安裝段交接處，其中最大應(yīng)力為65.1MPa，遠低于車架材料16Mn的屈服極限，最大變形區(qū)主要集中在車架末端，最大變形值為3mm，車架中段左側(cè)的發(fā)動機安裝托架對變形值要求較高，其最大變形值為2mm，遠小于汽車定型試驗規(guī)程中所規(guī)定的最大變形參考值。綜上所述，優(yōu)化前的車架安全系數(shù)相對較高，有較大的改進和優(yōu)化空間。
車架拓撲優(yōu)化前，首先要建立拓撲優(yōu)化空間，拓撲優(yōu)化空間的建立要充分考慮車架的功能和各部件在車架上的布置，另外還要從可制造化的角度出發(fā)，優(yōu)化空間區(qū)要盡可能的大，以實現(xiàn)最大可能的優(yōu)化。優(yōu)化前的除冰車車架主要材料和質(zhì)量集中在車架中段，且中段并不涉及前后懸架的安裝，故在保持車架基本構(gòu)架的前提下，主要在車架中段建立拓撲優(yōu)化空間，在車架前后懸安裝段建立局部拓撲優(yōu)化空間，具體做法是在車架邊界縱橫梁之間建立實體單元或薄板單元作為可優(yōu)化空間，邊界縱橫梁作為不可優(yōu)化空間。根據(jù)所建立的拓撲優(yōu)化空間，在Ansys Workbench建立有限元分析模型，同樣按純彎扭工況進行約束和加載，并在軟件的拓撲優(yōu)化模塊中設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后即進行拓撲優(yōu)化計算。得到的拓撲優(yōu)化結(jié)果如圖所示。由拓撲優(yōu)化結(jié)果云圖可知：1)拓撲結(jié)果中，材料去除區(qū)域邊界清晰，形狀也比較規(guī)則，有利于進行下一階段的制造化處理。2)材料去除區(qū)域主要集中在車架中段，優(yōu)化掉了原車架中段占質(zhì)量比較大的斜撐，出現(xiàn)了明顯的橫梁和豎梁分布。3)某些部位優(yōu)化不太合理，去除材料太多，如車架前段槽型縱梁的駕駛室安裝段和懸架安裝段交接處，以至結(jié)構(gòu)無法連接起來，無法進行力和力矩的傳遞，這些部位在車架二次設(shè)計的時候要特別注意。拓撲優(yōu)化的結(jié)果提供了一種理論模型，但并沒有考慮車架的實際功能和生產(chǎn)制造的條件約束，必須在此基礎(chǔ)上對車架進行二次設(shè)計。
專業(yè)從事機械產(chǎn)品設(shè)計│有限元分析│強度分析│結(jié)構(gòu)優(yōu)化│技術(shù)服務(wù)與解決方案
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