第4章 车架的轻量化研究与软件开发
汽车车架作为汽车上的重要总成，设计出重量轻而各方面性能达到要求的车架结构是一项重要的工作。经过对车架的静力学和动力学分析后可知，该车架除了个别地方的应力水平较高外，大部分地方的应力水平较低，强度富余大。因此，有必要对车架结构进行优化以降低车架的重量，减小汽车的制造成本，提高市场竞争力。
4.1车架优化设计理论基础
优化设计是一种寻找或确定最优设计方案的技术。所谓“最优设计”，指的是一种方案可以满足所有的设计要求，而且所需的支出（如重量，面积，体积，应力，费用等）最小。也就是说，最优设计方案就是一个最有效率的方案。
对于一个设计方案来说，许多方面都是可以优化的，比如：尺寸（如厚度），形状（如过渡圆角的大小），支撑位置，制造费用，自然频率，材料特性等。实际上，所有可以参数化的ANSYS选项都可以作优化设计。
ANSYS程序提供了两种优化的方法：零阶方法和一阶方法。这两种方法可以处理绝大多数的优化问题。零阶方法是一个很完善的处理方法，可以很有效地处理大多数的工程问题。一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感程度，因此更加适合于精确的优化分析。
对于这两种方法，ANSYS程序提供了一系列的分析——评估——修正的循环过程。就是对于初始设计进行分析，对分析结果就设计要求进行评估，然后修正设计。这一循环过程重复进行直到所有的设计要求都满足为止。 4.1.1优化变量的选择
优化变量是优化设计过程中的基本变量，包括设计变量（DVs）、状态变量（SVs）和目标函数。优化变量由用户定义的参数来指定的。在ANSYS 优化中，用户必须指出在参数集中哪些是设计变量，哪些是状态变量，哪些是目标函数。 （1）设计变量（DVs）是优化设计中的自变量，优化结果的取得就是通过改变设计变量的数值来实现的。每个设计变量都有上下限，它定义了设计变量的变化范围。在本车架问题上，设计变量选为主纵梁和主横梁宽度A，主纵梁和主横梁厚度B，边梁和中间小横梁宽度C，边梁和中间小横梁厚度D。
（2）状态变量（SVs）是指约束设计的数值。它们一般是设计变量的函数，是“因变量”。状态变量可能会有上下限，也可能只有单方面的限制，即只有上限或只有下限。在本车架问题上选择应力σ为状态变量。
（3）目标函数是指设计所要优化的数值。它必须是设计变量的函数，也就是
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说，改变设计变量的数值将改变目标函数的数值。在车架问题上，选取车架的总质量MS为目标函数。在ANSYS 优化程序中，只能设定一个目标函数。也就是说，ANSYS 只能解决单目标优化问题。
经过参数化建模，建立车架的有限元模型。
在结构优化过程中，由于车架结构整体比较复杂，不可能一次性整体优化，故只有对各个零件逐步优化，在各个零件满足强度要求的前提下进行整体分析。以车架右纵梁为例，对该零件进行优化，去除与其他梁的连接。其简化形式如图4.1所示。
图4.1 简化的车架右纵梁
4.1.2 生成分析文件
（1）对建立的车架右纵梁有限元模型按照静力学分析的载荷步信息进行求解分析。
（2）提取参数结果。
单击Main Menu>General Postproc>Element Table>Define Table菜单，弹出【Element Table Data】对话框。单击【Add...】按钮弹出【Define Additional Element Table Items】对话框，在【User label for item】文本框中输入【EVOL】，在【Item,Comp Results data item】列表框的左侧选择【Geometry】，右侧选择【Elem volume VOLU】，然后单击【OK】按钮，完成单击表EVOL的定义。如图4.2所示。
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图4.2 定义表EVOL
单击Main Menu>General Postproc>Element Table>Sum of Each Item菜单，弹出【Tabular Sum of Each Element Table Item】对话框。单击【OK】按钮计算总和，将列表显示总和为【0.1803E+09】即为该车架右纵梁总体积。
单击【Utility Menu】【|Parameters】【|Get Scalar Data】菜单，弹出【Get Scalar Data】对话框，在【Type of Data to be Retrieved】列表框左列单击【Results Data】，在右列单击【Elem Table Sums】，单击【OK】按钮弹出【Get Element Table Sum Results】对话框，在【Name of Parameter to be Defined】文本框中输入【VTOT】，然后单击【OK】按钮，获得体积变量。
单击【Utility Menu】【|Parameters】【|Scalar Parameters】菜单，在【Selection】文本框中输入【P=7.85E-6】，单击【Accept】按钮，再在【Selection】文本框中输入【MS=P*VTOT】，单击【Accept】按钮。如图4.3所示。
图4.3 获取单元总体积和质量
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单击Main Menu>General Postproc>Element Table>Define Table菜单，弹出【Element Table Data】对话框。单击【Add...】按钮弹出【Define Additional Element Table Items】对话框，在【User label for item】文本框中输入【SEEV】，在【Item, Comp Results data item】列表框的左侧选择【Stress】，右侧选择【von Mises SEQV】，在然后单击【OK】按钮，完成单元表SEEV的定义。
单击【Utility Menu】【|Parameters】【|Get Scalar Data】菜单，弹出【Get Scalar Data】对话框，在【Type of Data to be Retrieved】列表框左列单击【Results Data】，在右列单击【Nodal results】，单击【OK】按钮弹出【Get Element Table Data】对话框，在【Name of Parameter to be Defined】文本框中输入【SEEV1】，在【Element Number N】文本框中输入【1337】，完成单元表SEEV 1的定义。
（3）生成分析文件。单击【Utility Menu】|【File】|【Write DB Log File】菜单，弹出【Write Database Log】对话框，在【Write Database Log To】文本框中输入【jianmo.lgw】，单击【OK】按钮。
（4） 指定分析文件。单击Main Menu>Design Opt>Analysis File>Assign菜单，在【Assign Analysis file】文本框中输入刚才生成的分析文件名【jianmo.lgw】，单击【OK】按钮。 4.1.3定义优化变量
（1）定义设计变量。单击Main Menu>Design Opt>Design Variables菜单，弹出【Design Variables】对话框。 单击【Add...】按钮弹出【Define a Design Variable】对话框，在【Parameter name】列表框中依次选择A,B，在【Minimum Value】文本框和【Maximum value】文本框，输入上下限值。然后单击【Ok】按钮。定义变量如图4.4所示。
图4.4 定义设计变量上下限
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（2）定义状态变量。单击Main Menu>Design Opt>State Variables菜单，弹出【State Variables】对话框。 单击【Add...】按钮，弹出【Define a State Variable】对话框。在【Parameter name】列表框中选择【SEEV1】，在【Upper Limit】文本框中输入【3】,然后单击【Ok】按钮。如图4.5所示。
图4.5 定义状态变量
单击Main Menu>Design Opt>Opt Database>Save菜单，在【Filename】文本框中输入【jianmo.opt】，单击【OK】按钮。
（3）定义目标函数。单击Main Menu>Design Opt>Objective菜单。在【Parameter name】列表框中选择【MS】，在【Convergence tolerance】文本框中输入【2】，然后单击【OK】按钮。
（4）选择优化工具。单击Main Menu>Design Opt>Method/Tool菜单，弹出如图4.6的【Specify Optimization Method】对话框。选择【First-Order】（一阶方法），然后单击【OK】按钮。
图4.6 选择一阶优化方法
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