整车下线灯光检测装备的轻量化设计与结构优化.pdf
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1、Jul.JOURNALOFMACHINEDESIGN20232023年月No.7Vol.40机第40 卷第7 期设计械整车下线灯光检测装备的轻量化设计与结构优化张磊1.2 3,岳之斌1-2,徐进友1-2,芮成杰1 2,董磊1-2,顾炎辉4(1.天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室,天津300384;2.天津理工大学机电工程国家级实验教学示范中心,天津300384;3.北京理工大学国际设计中心,北京100081;4.淮阴工学院设计艺术学院,江苏淮安233003)摘要:为节约整车下线灯光检测装备的制造材料,降低生产及运输成本,根据零部件模块化、标准化及重用性要求,对其内部桁架结构
2、进行轻量化设计,建立了三维数字模型;对桁架结构的强度和刚度进行分析与校核,得到应力与应变云图;将应力和应变作为约束条件,通过响应面分析,以多元二次回归方程模拟输入参数和输出参数间的函数关系,采用目标驱动优化分析法对桁架梁型材的截面尺寸进行优化,得到最优尺寸;以改进后桁架的重力为预应力,对立柱进行特征值屈曲分析,并进一步进行轻量化设计,总体减重率达到30%。通过静力学分析,验证了其结构的稳定性。在保证结构稳定性的前提下,实现了对检测装备的轻量化设计。关键词:轻量化设计;整车下线灯光检测装备;结构设计;优化设计;有限元分析中图分类号:TH122文献标识码:A文章编号:1 0 0 1-2 35 4(
3、2 0 2 3)0 7-0 1 43-0 7Lightweight design and structure optimization of vehicle offline lightdetection equipmentZHANG Leil.2.3,YUE Zhibin-,XU Jinyou-2,RUI Chengjie-2,DONG Lei-2,GU Yanhuit(1.Tianjin Key Laboratory for Advanced Mechatronic System Design and Intelligent Control,Tianjin University of Tec
4、hnology,Tianjin 300384;2.National Demonstration Center for Experimental Mechanical and Electrical Engineering Education,Tianjin University of Technology,Tianjin 300384;3.International Design Centre,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081;4.School of Design and Art,Huaiyin Institute of Technol
5、ogy,Huai an 233003)Abstract:In order to save the manufacturing materials for vehicle offline light detection equipment and reduce productionand transportation costs,according to the requirements of modularization,standardization,and reusability of components,alightweight design solution was carried
6、out,and the 3D digital model was established;The strength and stiffness of the trussstructure were analyzed,and the stress and strain cloud maps were obtained;By using stress and strain as constraints,andemploying response surface analysis,a multivariate quadratic regression equation was used to sim
7、ulate the functional relationshipbetween input and output parameters.The goal driven optimization analysis method was used to optimize the cross-sectional size oftruss beam profiles and obtain the optimal size;The gravity of the improved truss was used as the prestressing force,eigenvaluebuckling an
8、alysis was conducted on the columns,and further lightweight design was carried out,and the overall weight reductioncan reach 30%.The stability of the structure was verified by statics analysis.On the premise of ensuring structural stability,thelightweight design of the detection equipment has been c
9、ompleted.Key words:lightweight design;vehicle offline light detection equipment;structure design;optimization design;finiteelement analysis收稿日期:2 0 2 2-1 1-2 8;修订日期:2 0 2 3-0 3-2 6基金项目:国家重点研发计划(2 0 1 7 YFB1303304)144机计设械第40 卷第7 期整车下线灯光检测是对汽车出厂前进行漆面检查、密封性检查、整车外观检查的必要生产工序1 。用于整车下线灯光检测的装备一般采用工业铝型材作为主要框
10、架结构。出于对高性能及新颖性检测装备的需要,汽车主机厂常对整车下线灯光检测装备提出个性化定制需求。检测装备的内部结构为整体焊接或螺接的桁架,外表面为金属薄板蒙皮结构。桁架自身质量小,整体受力均匀,稳定性强,施工安装便捷,材料利用率高2 ,在复杂装备研发领域被广泛应用。诸多研究人员从机械制造和工程设计的角度对桁架结构进行研究。例如:承姿辛等3 给出了桁架在不同载荷作用下强度、挠度和稳定性的计算式;胡志炜4推导出桁架刚度矩阵,并对扶梯桁架进行有限元分析,得到强度及挠度等数据;肖航等5 基于线性互补理论,提出一种反映绳索桁架结构受力变形的计算方法;Zhang等6 对桁架的结构进行了模态分析,为桁架结
11、构的设计、生产及维护提供了依据;薛龙7 对钢管桁架的加工工序进行了研究,对桁架管件间的多种连接方式进行了讨论;Wang等8 对预制管式桁架进行了力学性能分析与优化设计,提供了预制管廊轻量化设计的参考案例;寇保福等9 对排岩机受料臂进行了有限元分析,为轻量化设计提供了参考;杨书仪等【1 0 将响应面分析法和有限元技术相结合,对桁架进行优化设计,表明响应面分析法对桁架结构设计有较好的应用价值。由上述文献分析可知,在实际设计和制造中,设计人员通常仅关注架的强度和刚度,却忽略了对材料用量的控制,导致桁架结构体积庞大,造成材料浪费。所以,在进行桁架结构设计时,为达到节省材料与降低成本的目标,不但要选择适
12、当的结构形式,还要对桁架的结构进行优化。文中针对整车下线检测工序的实际需要,对桁架式汽车下线灯光检测装备进行轻量化设计,对其进行静力学分析,优化桁架梁断面的尺寸,简化立柱结构,达到节约材料成本与降低生产和运输成本的目的。1检测装备轻量化方案设计文中针对整车下线灯光检测装备的设计要求,制订了设计流程,如图1 所示,初步设计方案、材料整体静力学分析应力、应变发现结构余,进行轻量化设计特征值屈曲分析上部桁架模块响应面分析是否符合横截面尺寸优化许用条件及否更改轻量化要求设计方案是立柱模块否静力学质量、减重率验证是最终轻量化设计方案图1整车下线灯光检测装备设计流程整车下线灯光检测装备的设计输入条件为:总
13、体尺寸控制在36 0 0 mm7300mm17500mm空间范围内,检测工作空间尺寸为30 0 0 mm6000mm17500mm,内部桁架材料为方形钢管型材及角钢型材。现场安装避免焊接,考虑模块化运输及组装需要1.1特征面造型设计为满足汽车主机厂个性化定制的尺寸与功能需求,对检测装备特征面进行设计,最终确定其主特征面造型及基本尺寸,如图2 所示。6.6000029582 024OISy009000008333260007224图2整车下线灯光检测装备主特征面造型1.2结构选型及布置为降低直接材料成本,减少零件数量和不必要的结构余,以零件重用性为设计原则,采用零件去除、相邻零件组合,或将不同类
14、型但相似的零件合并等方法,将检测装备设计为由若干桁架排列组装而成的结构,由底座控制各桁架安装间距。考虑到梁桥式桁架的受力情况,在上部桁架部分采用方形钢管型材,在立柱部分采用直角钢型材,通过将材料通用化和标准化,在设计与生产阶段减少零件1452023年7 月张磊,等:整车下线灯光检测装备的轻量化设计与结构优化的重复设计工作,缩短研发周期,节省成本12 1.3模块化设计由于受到集装箱运输的限制,为便于安装,避免安装中进行焊接,需对检测装备整体进行模块化设计。模块化设计是将一系列的功能模块进行划分,并进行快速组合,从而快速响应市场需求。模块是指一组具有相同功能和结合元素(连接部位的形状、尺寸和连接件
15、间的配合参数等)的单元13。将检测装备中每一组桁架单元拆分为上部桁架、立柱及支脚3个主要模块,各模块内部的零部件通过焊接工艺进行连接,而各模块间则采用螺接。在运输过程中将装备拆分,以模块形式进行装箱和运输。在安装过程中以螺接形式组装各模块。由于个性化定制的大型机械装备设计具有一定的复杂性,在检测装备的模块化设计中采用自顶向下设计法。自顶向下设计是指先形成系统整体规划,再设计下一级子系统,逐层细化设计,直到系统底层每个基本单元完全定义14。文中以特征面造型为基础进行具体化单体结构设计,并确定整车下线灯光检测装备由18 组相同的梁桥形架结构阵列组成。在每个桁架内侧安装检测灯带,在立柱中穿插电线,最
16、后将整个结构进行外观蒙皮,自顶向下设计框架如图3所示。1.特征面造型2.基本结构单元体3.总体安装效果上部桁架模块立柱模块支脚模块X2X2零件1零件2零件n零件1零件2零件n零件1零件2零件X2X2X2X8X8X4X4X8X25530mm方210mm方10mm287mmx2145mm287mm10mmx287mmx10mmx396mmx梯形板材10mm145mmx形钢管型材形钢管型材396mm板材角钢型材角钢型材396mm板材612mm板材396mm板材图3自顶向下设计框架基本单元体分为上部桁架模块、立柱模块和支脚模块。其中,上部桁架水平段长6 6 0 0 mm,宽39 6 mm,高36 0
17、0 mm,采用6 0 mm60mm5mm方形钢管型材焊接而成。立柱高2 18 5 mm,主体部分采用L63mm63mm5mm的直角钢型材,同时采用L20mm20mm5mm直角钢进行加固,保证整体结构强度。支脚部分采用10 mm钢板焊接成形。整体材料选用Q235结构钢,其密度p=7.85g/cm,屈服强度RL=235MPa,检测装备材料类型及参数如表1所示15 表1检测装备材料类型及参数弹性模量屈服强度抗拉强度材料泊松比E/CPaReL/MPaRm/MPaQ2352060.3235400为防止蒙皮失稳造成整个轮廓结构产生变形,用肋板对蒙皮内部各圆弧部分进行支撑,如图4所示(a)左侧圆弧肋板支撑(
18、b)右侧圆弧支撑结构(c)顶端圆弧支撑结构图4圆弧部分肋板支撑结构146机计设械第40 卷第7 期2静力学分析2.1有限元模型建立检测装备上所装的灯具及电路走线装置对桁架强度及刚度的影响较小,在建立有限元模型时可忽略。删除螺栓等连接件,并将CAD模型中的孔补平,删除产品铭牌工艺装饰部件及圆角。采用ANSYS软件中的四面体网格生成法对桁架进行有限元网格划分,网格单元尺寸设置为5 mm。共2 35 47 7 3个节点,1186542个单元。上部桁架模块有限元模型的局部网格划分如图5 所示,0.000400.00800.00200.00600.00图5上部桁架模块有限元模型的局部网格划分2.2结果分
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