基于ANSYS的半挂车某承力轴优化设计分析

李新君

基于ANSYS的半挂车某承力轴优化设计分析

李新君

（安徽博微长安电子有限公司，安徽 六安 237000）

随着社会需求的不断发展，对特种车的承载能力要求越来越高，而机械结构等的设计越来越轻型化，这对特种车的设计提出了更高的要求，因此需对特种车进行结构优化分析与设计。基于此，针对特种车某承力轴进行优化设计，文章以轴通孔直径和承力面直径为优化参数，在ANSYS中进行模型的建立与分析，得到了较合适的优化参数，为设计人员进行特种车零部件优化设计提供参考。

智能算法；ANSYS；特种车；优化设计

引言

特种车是一类重要的具有特殊功能用途的车辆工具，如半挂车、淋浴车、炊事车、综合保障车、宿营车、高原制氧车、天线运输车等。与普通车辆类似，特种车的整体组成包括四个部分：车身、底盘、发动机、电器系统[1-2]。随着社会需求的不断发展，对特种车的承载能力要求越来越高，而对其结构及机构等的设计却要求更轻型化，这对特种车的设计提出了更高的要求[3]。徐家骏[4]分析了世界战略局势和战场环境的变化，提出新型防护车身占据重要位置，并对某种越野车进行了逆向建模，利用LS-DYNA对某些重要零部件进行了仿真，结果表明车身防护、造型以及动力性能三者协调对整体车身的设计具有积极意义。南海峰[5]等对某种特种车出现的制动气室支架断裂问题进行了原因分析，采用ANSYS对结构进行了优化设计，结果表明满足设计需求，提供了较好的解决方案。靳凯[6]等对某种特种车进行了纵梁试验，发现转向立轴支座存在肉眼可见位移，纵梁、垫板、螺栓均有较大变形，存在重大的安全隐患，通过三维CAD设计方法提取了支座处局部模型，对模型进行了有限元分析，根据分析结果提出了改进方案，结果表明改进后的方案具有更加优良的支撑性能。

分析可知，当前对特种车的设计阶段可依靠一些三维数字化软件及一些常用的动力学分析与优化设计分析软件，如ANSYS、ADAMS、ABOUQS等。由于对整车的分析量级过大，无法进行全面整体的分析，但可对某些零部件进行局部优化设计。因此，可选择ANSYS作为优化设计分析软件，对某特种车某承力轴进行优化设计。

1 ANSYS有限元分析与优化设计

有限单元法由力学和计算机技术相结合，将无穷自由度求解问题有限方程求解问题。机械结构有限元分析的基本步骤是建立几何模型、定义材料属性、定义约束与边界条件、离散几何模型结构、定义单元位移模式、刚度分析、求解节点力、建立结构平衡方程、求解未知单元的应力和应变等结果。ANSYS可对结构进行网格控制，在实际应用中，需根据具体的应用进行网格划分。ANSYS中包括了3D和2D两大类网格。2D网格单元主要有四边形网格和三角形网格，在某些场合可混合使用这两种网格形式。四面体网格可快速、自动生成任意几何体网格，在关键区域可使用曲度和近似尺寸功能进行网格细化，并对边界层网格进行识别，在某些结构中可混合使用网格控制。

ANSYS集成有优化设计模块模块，包括优化空间填充设计、中心组合设计、自定义设计、自定义取样设计。在软件建模方面，可使用ANSYS Design Model环境进行参数化建模，也可使用多种三维CAD设计软件，如SolidWorks、UG NX、Creo、SolidEdge、3DSMax、CATIA等，建好的参数化模型可直接导入ANSYS中。选择好的优化参数后需要检查模型中是否都包含这些优化参数。

2 分析模型与优化设计

特种车某承力轴结构如图1所示。轴为空心轴，空心直径为D1，中间对称最大轴直径为D2。该承力轴由两端进行支撑，直径为D2的板厚较大的圆柱结构为主要承力面，用于支撑连接杆件的运动与动力输入。由结构特点，可将D1和D2作为ANSYS优化设计的优化参数。承力轴的模型在ANSYS 的参数化建模环境中建立。在优化设计模块中，进行优化参数D1和D2的优化参数范围与水平的设置，设置D1和D2分别有8个优化水平，更新模型可自动进入计算模式，计算结果共有64组。

图1 特种车某承力轴结构

模型进行网格划分时可适当地运用网格控制功能，如扫掠、多体大小、映射面等控制，通过网格大小控制可进一步细化网格单元大小，用户可根据具体需求进行操作。对于该承力轴，为了能够更好地模拟承力轴的受力情况，通过Sizing网格控制方法，设置网格最小单元为1 mm。

ANSYS在计算好所有算例后，通过点击某个算例的计算结果，可进入该算例的后处理环境，在某优化参数水平下，对模型进行有限元求解得到应力和应云图如图2和图3所示。

图2 某优化参数下的应力云图

图3 某优化参数下的位移云图

根据计算结果可得模型在优化参数的不同水平下的变化情况。承力轴的应力、质量、应变、位移等随优化参数的变化而产生变化，但变化存在非线性，这与实际情况是相符合的，根据应力、质量和应变最为优化指标，ANSYS给出了推荐方案，由于ANSYS推荐的方案的应力及应变均没有达到材料的屈服强度且在质量表现中较好，因此选择ANSYS给出的推荐的方案即可。

在特种车结构优化设计方面，利用大面积智能优化搜索算法进行优化模型最优解搜索的研究则更少，而智能搜索算法对基于目标的优化搜索具有收敛速度快，结果精确等特点，可应用于对特种车的优化设计方面。因此，可通过一些智能搜索算法如神经网络算法、蝙蝠算法、布谷鸟算法、粒子群算法、模拟退火算法、蚁群算法等，对特种车优化设计模型进行智能搜索。

3 结束语

特种车是一类重要的具有特殊功能用途的工具，可选择特种车零部件模型作为ANSYS优化设计模型。对特种车某承力轴进行的受力状态分析，并在ANSYS中建立其分析模型，对承力轴进行了优化参数设置和网格划分，通过ANSYS自动更新计算得到了应力、应变、质量等参数的变化情况，根据ANSYS的推荐结果选择了合适的参数值。提出可采用多种智能搜索算法的方式对特种车优化设计提供新思路。

[1] 赵重年,杨聪,李红勋.某特种车非圆齿轮无级变速器锥形离合器动力学仿真分析[J].专用汽车,2018(12):95-100.

[2] 郭贵平.某特种车驾驶室结构设计分析及优化[D].南京:南京理工 大学,2015.

[3] 符耀民,罗卫东,贺迪华,等.特种车排气管消声器优化设计及温度场数值分析[J].机床与液压, 2019,47(08): 176-180.

[4] 徐家骏.某特种车防护车身设计研究[D].南京:南京理工大学, 2016.

[5] 南海峰,郭帅.某重型特种车制动气室支架优化设计[J].汽车零部件,2019(05):57-60.

[6] 靳凯,郭文天,邓克军,等.基于optistruct的特种车立轴支座局部结构优化研究[J].汽车实用技术, 2020(10):81-83.

Optimization Design and Analysis of a Load Bearing Shaft of Semi Trailer Based on ANSYS

Li Xinjun

( Anhui Bowei Changan Electronics Co., Ltd., Anhui Lu'an 237000 )

With the continuous development of social needs, the requirements for special vehicles are that their bearing capacity is increasing, and the design of mechanical structure is becoming more and more lightweight, which puts forward higher requirements for the design of special vehicles, so it is necessary to carry out structural optimization analysis and design. Based on this, the bearing shaft of a special vehicle is optimized. Taking the through-hole diameter and bearing surface diameter as the optimization parameters, the model is established and analyzed in ANSYS, and the more appropriate optimization parameters are obtained, which provides reference for designers to carry out the optimization design of special vehicles.

Intelligent algorithm; ANSYS; Special vehicle; Optimization design

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.020

U273

A

1671-7988(2021)07-60-03

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李新君（1986.11-），男，汉族，安徽阜阳人，硕士，工程师，就职于安徽博微长安电子有限公司，研究方向：特种车的设计、结构优化、轻量化设计。