文摘
中巴是中型巴士广泛用于运输目的在亚洲和非洲。然而,大多数中巴是本地建造和间接监管通过检查最终产品(完成总线)在许可期间公共交通业务在埃塞俄比亚。由于缺乏工程分析和测试,低刚度和超重的中巴妥协。本研究旨在分析和优化中巴结构使用钢筋和响应面优化(RSO)纯弯曲和扭转载荷情况下的方法。结果表明,最大变形发生在屋顶部分的原始结构在加载情况下。此外,加固设计被发现通过替换的截面和布局结构成员和为最合适的位置添加增援的原始结构。介绍响应面优化的多目标遗传算法(MOGA)方法在ANSYS DesignXplorer进行钢筋结构的弯曲和扭转刚度最大化减少体重。钢筋和优化结构的抗弯刚度增加了41.65% (1911.4 N / m)和10.02% (651.7 N / m),分别。另外,总线结构的抗扭刚度和刚度提高12.56% (173.31 Nm /度)通过加固设计。此外,扭转刚度的优化(RSO)模型增加了3.29%(51.07海里/度)。 Reinforcement design was effectively reduced by 5.23% of the structure’s weight. Moreover, the RSO method has also decreased the weight of the reinforced structure by 2.64%.
1。介绍
结构优化主要集中在确定最优结构的大小和形状的迭代方法(1]。此外,响应面优化结合分公司(多目标遗传算法)优化算法可以发展多目标优化设计参数来获得最优解的静态刚度和结构的重量。据张et al。2),分公司优化算法在响应面法(RSM)是针对降低质量,最大变形,电动汽车车架的固有频率使用ANSYS Workbench。
Croccolo et al ., Reyes-ruiz et al ., Rooppakhun Wichairahad,王et al。3- - - - - -6]对总线结构进行了静态结构分析使用铁(有限元)方法在弯曲和扭转载荷条件。此外,局域网et al。7]讨论了总线结构强度的实验和数值分析和结构优化设计。据杨et al。8),汽车的重量减少了通过改变一个轻量级的总线结构设计的框架。此外,吴et al。9)调查了帧分配总线上的侧壁桁架加强减肥的总线结构在弯曲和扭转的条件。Pravilonis et al。10)发现架强度和刚度指标总线结构的行为。伊斯梅尔et al。11)集中在响应面优化(RSO)方法来获得一个更好的优化设计在一个三维的自行车曲柄臂的静态结构分析。根据Gauchia迪亚兹和中et al。12,13]表明,遗传算法(GA)是一种和谐的优化方法来减少重量和提高抗扭刚度非常复杂的问题。此外,金(14)也关注公共汽车的重量优化结构通过改变框架的厚度,虽然同时灌装约束扭转和弯曲值。先前的研究表明,巴士上层建筑的强度参数和结构优化为轻量级的设计是至关重要的在实验和数值研究。
冯et al。15)的厚度进行优化设置桥的多目标遗传算法(GA)在ANSYS程序。康等。16)考虑的优化设计为离心压缩机叶轮裹尸布使用响应面法(RSM)多目标遗传算法(分公司)。默罕默德等。17]提出了拓扑(重量)连杆的优化目标重量减少20% - -60%,以减少重量和成本使用ANSYS Workbench。此外,响应面优化(RSO)是由不同杆尾销直径和轴承直径。此外,Mi et al。18]发达多目标优化的功能减少a类型框架的重量和提高可靠性的模糊疲劳在电动矿业自动倾卸卡车。此外,Hadadian et al。19]研究磁场强度的响应面函数在磁流变阀孔使用的激活长度的组合有限元模型和响应面技术。根据Boada et al。20.),重量和扭转刚度参数的优化的总线结构通过改变梁的厚度研究通过结合MATLAB的遗传算法(GA)和有限元方法(ANSYS)。此外,超et al。21)集中在改善圆柱壳的极限强度的有限元方法和MATLAB在几个加载条件。
Zhang et al。22]研究了减少压力和小说整体压膜轴承的刚度阻尼器(ISFBD)通过有限元的结合和多目标优化技术通过减少阻尼效应的传播力和使用。郑et al。23]研究了制动鼓的静态和模态分析使用ANSYS有限元法与响应面优化。此外,多目标优化的鼓重量和固有频率是由制动鼓的维数的变化。任等。24)展示了响应地基有限元模型的静态结构分析箱梁桥通过实验和数值方法(24]。据吴et al。25),结构的刚度凹印六角形细胞微观结构在一个轻量级设计评估使用有限元分析(ANSYS参数化设计语言(APDL))基于响应面优化方法。此外,通过多目标遗传算法优化结果(分公司)表明,总量和最大变形分别减少了46.3%和44.4%,分别。
本研究调查中容量总线(中巴)结构建立的本地公共汽车制造商在埃塞俄比亚。在埃塞俄比亚,大多数本地公共汽车制造商设计结构的施工经验通过尝试和错误的方法,这种方法和结果在低结构强度和超重的公共汽车。在这个研究中,首先,现有的总线结构是通过制造商仔细检查约束和静态仿真使用有限元方法选择的组件可能会修改。当所选元素导致高结构变形与超重,结构部件的替换和修改(钢筋)被认为是。强化后,响应面优化的多目标遗传算法(分公司)方法是减少体重和钢筋结构的刚度最大化使用凝固壳厚度的变化根据可制造的价值。最后,比较原始,强化和优化的模型被认为是根据结构重量和刚度。
2。方法
2.1。通过有限元(FE)的静态强度分析方法
大部分的中巴的身体在埃塞俄比亚建立在使用和新卡车底盘(五十铃系列如NPR (71 h、71 k和66 l), NQR, FSR)使用本地可用的材料。主要使用的健美运动员五十铃卡车来构建一个中巴使用不同的方法。首先,中巴结构构造成6个中央(面前,右侧,左侧后方,地板,和屋顶)组件,然后一起与底盘。接下来,另一种方法是加入的每一部分从底盘结构一步一步。在这个研究中,中巴的几何结构是由直接测量和观察总线建设从可用的本地制造商在亚的斯亚贝巴(健美运动员),埃塞俄比亚。此外,本地中巴的几何结构和npr - 71 k的底盘模型描述如图1。然而,这项研究没有分析和评估底盘身体的强度及其组件。
当地的制造商和立法者身体说卸下整备的质量( )和车辆总重(以上)的中巴 乘客容量以4400 - 4700公斤和7200 - 7400公斤,分别。表1描述的整体规范选择中巴模型。框架结构构造和制造使用可用的材料、形状和横截面。此外,表中描述1尺寸(高度( ),宽度( ),和厚度( ))的横截面根据横断面类型。
此外,中巴结构横截面(矩形空心截面(RHS)、方形空心截面(合成),笔(角钢)和u型)已经明确表示在图2。
在这个研究中,中巴的静态结构分析包括弯曲和抗扭强度通过有限元方法(ANSYS软件)。因此,两个负载条件下完整的纯弯曲和扭转。总线结构的CAD模型在初始图形交换规范(IGES)格式作为表面和导入到ANSYS软件。总线的FE模型部分被构造成一个shell (shell_180)和混合网(四边形和三角形元素),如图3。然而,身体结构的最大和最小元素大小10毫米和2.5毫米大小帧大小。总线结构的有限元模型包含553040个元素和572578节点有355个部件。
的连接部分(地区)描述了接触身体的运动相对于另一个(26]。选择合适的接触连接类型取决于希望解决的问题类型(27]。保税联系给粘接触区和有效地适用于所有连接区域焊接,螺栓连接,铆接部分总成(27- - - - - -32]。的结构部分中巴互联(加入)的屏蔽金属电弧焊接方法。本研究定义了接触结构组件之间的联系是一个“保税接触。“钢结构的材料特性,如表所示2。有限元仿真需要的材料输入数据的有效应力和有效塑性应变曲线。
2.1.1。静态加载和边界条件
首先,群众的平均值地板和屋顶的行李和椅子被每个当地的制造商标准(见表3)。一边的集总质量和屋顶的行李,司机,乘客,座位是加载的结构部分。本研究需要司机和乘客的质量75公斤如上所述由当地制造商和立法者的标准。
在纯弯曲情况下,集总质量的地板和屋顶的行李,司机,乘客,座位分布与重力结构部分(3,4]。根据最初的中巴结构模型,底盘之间的现实应用边界条件(底盘轴和帧)和结构框架,如图4。这种情况下的固定约束明显位于后桥,C-channel面前,L-angle钢孔。结构的抗弯刚度的比值外加负载和垂直变形纯弯曲情况(4,33]。
这种情况下的固定约束明显位于后桥和前C-channel(支持C),引擎方面支持(支持H), L-angle钢有洞(G)支持(见图5)。
(一)
(b)
抗弯刚度方程( )可以通过计算
在哪里是应用在纯弯曲(N)和负载是线性变形(毫米)。
在扭转载荷情况下,分布式质量相同的纯弯曲情况下,和扭转荷载作用于结构部分重力(3,6,34]。然而,从总反应部队获得扭转载荷(5309。2 N)的弯曲情况下的四轴的点。每个额的扭转载荷应用C-channel与节点(节点部队G和H)作为1327。3 N的值,如图6。边界条件应用在后桥(固定支持E),引擎框架连接到底盘(固定支持J),和l型与底盘部分螺栓固定(支持我)。(夫妇)作用于铰链的那一刻被定义为应用力乘以垂直距离结构的横向轴的中心。
(一)
(b)
目前双方的行为(轴)转向系统作为夫妻。因此,总时刻(扭矩)就变成了
扭转刚度和刚度的结构( )通过计算
在哪里是旋转的角(度)是双方之间的距离的额轮支持(毫米)(见图6 (b)),是总变形(mm)。
2.2。强化设计和优化方法
优化目标函数与约束发展的最大化或最小化所需的值(35]。数值模拟需要多次迭代和数值优化过程中设计参数(36]。然而,汽车身体的强化是一种优化技术,加强车辆的身体(37]。因此,本研究旨在提供增强和优化设计使用钢筋和数值优化(响应面优化分公司)的方法。
2.2.1。通过钢筋加固设计方法
如图7,大多数局部总线健美运动员使用墙支持(U-channel)支持墙从振动和覆盖皮肤的总线。然而,总线结构的重量增加,由于大量的墙的支持。此外,这些组件并不是设计来连接(支持)windows和腰铁路。其他设计缺陷从制造商的末端的底盘,公车的后面部分延伸约500 - 700毫米后面小节中获得更多席位。这种设计考虑消除了底盘的身体和地板之间的连接部分。
现有的总线结构需求强度分析和改进设计。在这个研究中,设计修改(钢筋)是由添加和替换的结构部分。第一种方法关注的布局结构和结构部分的横截面的形状,如图8。
接下来,添加支持被认为是组装结构部分。因此,支撑元件连接在地板的角落和侧壁部分后面部分减少结构变形。此外,连接元素构造两侧部分采用斜方形截面(合成)。原结构包含最大变形的屋顶和地板部分从静强度分析的结果。然而,上面的设计缺陷改善通过额外的支持成员(SM)使用方形空心部分(合成)和l形截面,如图8。
此外,屋顶弧成员被矩形空心部分(RHS)所取代。表4描述了横断面类型和质量增强组件的配置。总之,这个模型减少29.98公斤的重量比原来的模型。
2.2.2。响应面优化(RSO)在静态加载情况
参数优化可以用来帮助设计师确定的最优尺寸和形状结构使用独立设计变量(厚度、长度和坐标)26,38]。
响应面优化方法用于参数优化通过考虑设计变量对目标函数的影响(39]。响应面优化(RSO)过程进行了增加结构的抗弯刚度和减少重量在纯弯曲,如图9。首先,钢筋的设计结构参数化的厚度、质量、和总变形所选的九个部分的屋顶和地板部分。接下来,ANSYS DesignXplorer发展一百一十三(113)实验运行五个使用faced-centered中央合成设计可制造的厚度值。实验设计方法用于制造模拟响应数据适用于实验数据或数学方程在优化设计26,40]。一个适当的选择组件的结构约束优化至关重要申报合理的优化分析(14]。
在静强度有限元分析的钢筋结构,最大总变形发生在屋顶部分的四个部分(P27、P28第9和P33)。此外,最小变形发生在地上部分(P1-P5)在所有加载情况下,如图10。这些部分只是选择优化钢筋结构设计,因为很多层面需要很多模拟运行的多个变量数值优化。图11描绘了几何图9的选定部分钢筋结构。
此外,表5描述了横断面类型与所选部分的厚度与指定可制造的值的范围。
在这项研究中,9个输入变量(P1-P5 P27、P28第9,P33) 5点可制造的水平(1、1.5、2、2.5和3毫米)需要113设计点(实验),如图12。faced-centered中央合成设计(CCD)是一种常见的实验型由于其效率在提供多的信息在一个最小数量的实验(26]。此外,一百一十三(113)能源部点时间超过五天(120小时)的计算时间使用英特尔®™核心i7 - 7700总部CPU @ 2.80 GHz处理器和16 GB的RAM。
实验运行后,反应(最大变形和质量结果)是通过有限元仿真设计场景。每个场景数据集被用来正确合适的响应面模型。
如图13,这些响应面模型提供各种反应对设计变量(部分)的厚度。此外,在两个变量(P27和P28),其厚度为4.15 - -4.2毫米的最大变形响应,如图(13日)。然而,图13 (b)显示,4.0 - -5.75毫米的响应变形可以获得两个厚度变量(第9和P33)。
(一)
(b)
响应面(RS)模型可以验证通过检查配件的性能在设计点24]。计算拟合优度(相关矩阵)的实验设计点检查响应曲面的准确性。如图14大多数点落在线,这意味着设计点的响应面最能预测在其范围。因此,可以得出结论,可预测的响应面是一个非常适合观察到的设计要点。ANSYS统计指标使用确定系数( ),相对均方根误差(RMSE),最大绝对误差(RMAE)和相对平均绝对误差(RAAE)计算的拟合优度。
确定系数( ):
在哪里的输出参数的值是th采样点,回归模型的价值吗th采样点,的算术平均值的值 ,和采样点的数量。
均方根误差(RMSE):
相对最大绝对误差(RMAE):
在哪里的标准偏差值。
相对平均绝对误差(RAAE):
在拟合优度,当确定最适合反应的质量,确定系数( )应该更高,等于12]。因此,完美的配合( )被发现的所有部件质量的反应,见表6。此外,总变形的响应等于0。0.995。一般来说,所有输出响应的拟合效果很好。所有错误使用ANSYS统计工具来衡量都很小,除了相对最大绝对误差(RMAE)。
响应面优化(RSO)方法作为目标函数在ANSYS Workbench分公司(5]。介绍多目标遗传算法(MOGA)使用遗传算法来支持许多综合优化目标和约束的发现(41]。此外,莫卡快速优化许多设计变量基于NSGA-II (Nondominated排序遗传算法(二)(23]。交互式方法考虑了约束方法与两个函数(目标和约束)来确定一个最佳折衷解决方案是一种(35]
在哪里是较低的设置和上界输入变量( )和的范围是输出( )。
遗传算法(GA)是广泛应用于结构优化的优势操作简单和精确的最优解,收敛速度快(20.,42,43]。从设计点和响应面曲线,总变形发生的几个值低于4.25毫米。增强模型相比,减少了总变形低于4.25毫米也是可能的。因此,它是决定的约束变形小于或等于4.25毫米。在本节中,设计目标和约束设置使用多目标遗传算法(分公司)响应面优化。这些都是如下:(我)减少屋顶和地板质量的部分(2)的问题
优化任务最初产生9000样品和分配1800个样本(每个迭代)和20迭代获得三个候选点。优化也聚集在10591年之后的评价。
最重要的候选设计点是通过寻找最佳目标函数值在设计的巨大的可行域空间(26,44]。优化运行后三(3)设计确定候选人,如表所示7。此外,表7也描述了最优输出参数(质量和变形)的9个设计变量通过RSO莫卡的方法。因此,候选人给少变形值和减少9比当前选中部分的质量(原始)设计值。然而,优化设计的候选人是精心挑选的同时满足最佳变形和大规模减少值。后来,九部分的厚度可以为制造业是一致的。候选人2的最大变形值高于其他人。所以,选择一个最佳人选候选人之间的设计被认为是1和3。然而,候选人1 (CP - # 1)是一种优化设计候选人由于可能降低质量和变形可制造的厚度值,如表所示7。
图15描述了输出与输入厚度的敏感性。这些敏感性意味着所有厚度部分与质量直接影响输出成正比(而不是变形)。此外,只有三个厚度参数(P1,第9和P33)消极与最大总变形。他们也有一些数量的影响,但反向。
3所示。结果和讨论
在纯弯曲载荷模式下,原始模型的总线结构最可观的变形(6.2 - -6.5毫米)位于行李屋顶部分的位置(参见图(16日))。4.6毫米的最大变形钢筋模型,和最小变形是位于额叶部分,乘客舱部分,和frontal-side结构的一部分,如图16 (b))。
(一)
(b)
(c)
的总变形钢筋模型在纯弯曲下降了29.4%。此外,RSO莫卡的方法还减少了9.11%的钢筋的变形模型。因此,减少变形表明,加固设计硬度比最初的设计。此外,优化设计变形低于钢筋和原始设计。
在纯弯曲载荷情况下,总线结构的等效应力从232 MPa下降到213.35 MPa加固设计,如图17。此外,模型二的等效应力(RSO)等于219 MPa。最大等效应力是放在地板上支持(孔螺栓部分)。
(一)
(b)
(c)
最可观的基线(原始)模型的变形是6.32毫米,这是仍然位于屋顶行李的总线结构,见图18。此外,5.6毫米的最大变形钢筋模型和发生在额叶的结构。然而,RSO使用莫卡方法也减少了3.57%的钢筋的变形模型。
(一)
(b)
(c)
最可观的等效应力的基准模型,模型,和模型II 230 MPa, 221.62 MPa,和229 MPa,分别如图19。最大等效应力位于地板部分和固定部分(l型框架的洞)模型。此外,钢筋模型等效应力在扭转载荷的情况下比其他模型。
(一)
(b)
(c)
输出参数如最大等效应力、扭转刚度、变形的总线结构在两种加载条件下的静态强度分析显示在表中8。此外,结构的最大等效应力不应超过材料的屈服应力,满足强度条件45]。因此,所有的最大应力模型得到低于材料的屈服强度,如表所示8。首先,总线结构减少577.35公斤的体重547.15公斤。这个结果表明,移除连接(U-channel)从侧面部分并添加成员倾向于支持可以有效地减轻结构的重量。此外,响应面优化通过位于加固方法最小化模型从547.15公斤、532.70公斤通过屋顶和地板的厚度变化的部分结构。
原始和加固的抗弯刚度区别模型是41.65%。此外,抗弯刚度的优化(RSO)模型相比增加10.02%的钢筋模型。此外,钢筋总线结构的抗扭刚度或刚度增加从1379.93 Nm /度1553.24 Nm /度。然而,扭转刚度的差异在钢筋与优化模型51.07 Nm /度。这个结果发现钢筋设计和响应面优化分公司必须考虑获取给结构在静态条件。
4所示。结论
本研究促进中巴结构使用的静态分析数值方法(ANSYS)。此外,本研究还通过强化发展结构的优化设计和响应面优化(RSO)方法。因此,静态强度分析和优化的结果可以概括如下:(我)在基线模型中,最大变形发生在屋顶的行李和后面的帧加载条件除了纯扭转情况。此外,最大等效应力位于地板部分和螺栓支持部分(l型框架的洞)的原始结构对所有加载条件(2)从建议的方法,首先,高刚度在减轻重量的加固设计是通过改变布局,截面和基线结构的加固。其次,best-optimized设计也是由钢筋结构的响应面优化(RSO)通过改变屋顶和地板的厚度的部分钢筋的设计
总的来说,它可以得出结论,强化设计和响应面优化可以提高结构刚度和减少的重量负荷条件。然而,也许莫卡的响应面优化方法为更好的强度提供了轻量级的结构。
数据可用性
产生这些结果所需的数据不能被共享的数据也形成一个正在进行的研究的一部分。
的利益冲突
作者认为没有利益冲突。
确认
作者高度承认当地的健美运动员位于埃塞俄比亚、联邦和Oromia交通部长和亚的斯亚贝巴大学基本连续的支持他们的资源和重要信息的研究。