(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111677040.6 (22)申请日 2021.12.31 (71)申请人 华南农业大 学 地址 510642 广东省广州市天河区五山路 483号 (72)发明人 赵新　李杰　吴伟斌　罗茂林　 黄俊鹏　郑泽锋　韩重阳　曾治亨　 唐婷　胡智标　马宝淇　 (74)专利代理 机构 广州市华学知识产权代理有 限公司 4 4245 代理人 李斌 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06T 17/20(2006.01) G06F 30/23(2020.01)G06F 111/04(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种挂车 车轴轻量 化方法 (57)摘要 本发明公开了一种挂车车轴轻量化方法， 包 括以下步骤： S1、 挂车车轴参数化 建模， 对车轴实 体内腔尺 寸进行测量， 并使用三维建模软件进行 建模； S2、 建立CAE有限元模型， 将建好的参数化 三维模型导入 软件中构建车轴优化有限元模型； S3、 建立多目标优化模型， 采取数值优化法对车 轴进行优化设计； S4、 响应曲面构建； S5、 多目标 遗传算法求解， 得到挂车车轴轻量化最优解。 本 发明方法不改变原先的车轴外观尺寸和外表的 配合面的前提下， 通过仿真分析， 与试验分析实 现了对挂车 车轴的轻量 化。 权利要求书2页 说明书6页 附图2页 CN 114357648 A 2022.04.15 CN 114357648 A 1.一种挂车 车轴轻量 化方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1、 挂车车轴参数化建模， 对车轴实体内腔尺寸进行测量， 并使用三维建模软件进行建 模； S2、 建立CAE有限元模型， 将建好的参数化三维模型导入软件中构建车轴优化有限元模 型； S3、 建立多目标优化模型， 采取 数值优化法对车轴进行优化设计； S4、 响应曲面构建； S5、 多目标遗传算法求 解， 得到挂车 车轴轻量 化最优解并验证。 2.根据权利要求1所述的一种挂车 车轴轻量 化方法， 其特 征在于， 步骤S1具体为： 利用测厚仪对车轴实体 内腔尺寸进行测量， 选取多个控制内腔结构的尺寸作为优化尺 寸参数， 并使用SolidWorks和DesignModler建立了车轴参数化三维模型， 其中， 参数的选择 包含整个车轴内腔。 3.根据权利要求1所述的一种挂车 车轴轻量 化方法， 其特 征在于， 步骤S2具体为： 将建好的参数化三维模型导入ANSYS  Workbench中构建车轴优化有限元模型， 确定好 有限元模型的约束载荷， 梁支座 为滚动支座， 左右对称分布； 根据轻量化的预期目标对最小载荷和最大载荷进行设置， 设置的依据为厂定的最大轴 载荷； 载荷作用位置为钢板弹簧座位置， 左右对称； 垂直弯曲刚度和强度测试时加载量为最 大载荷， 垂直弯曲疲劳寿命的测试载荷设为脉动循环载荷， 设置相 应的循环载荷范围与加 载频率； 由于热处理使车轴轴 承部位材料屈服极限与本体材料屈服极限不同， 所以在有限元环 境中将轴承位区域切分出来， 单独考 察轴承位区域强度及独立进行优化约束； 采用实体单元对模型进行离散化， 设置车轴方管及一部分过渡部分的网格单元尺寸和 另一部分及圆管部分的单元尺 寸， 设置后， 会形成总计的节 点和实体单元， 经过网格质量检 查， 若所建模型满足计算分析的要求， 则目标模型建立完成， 若 所建模型不满足计算分析的 要求， 则需要对车轴方管及一部分过渡部 分的网格单元尺寸和另一部 分及圆管部分的单元 尺寸进行合理的调整以满足计算需求。 4.根据权利要求1所述的一种挂车 车轴轻量 化方法， 其特 征在于， 步骤S3具体为： 采用数值优化法对车轴 进行优化设计， 确定哪些因素会影响优化结果和产品性 能以及 这些影响因素之间的相互关系； 设计过程中 需要对车轴的设计 变量， 即在车轴中选 定的一系列优化目标点； 对车轴的总体质量、 车轴的最大形变量、 车轴本体的最大应力、 车轴两轴承位的最大应 力， 车轴的疲劳寿命、 车轴两轴承位调质淬火后的屈服极限， 安全系数、 车轴每米轮距最大 形变量进 行考虑约束， 以上参数均为设计优化过程中的重要因素， 其中， 具体约束关系的数 学模型描述如下：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114357648 A 2X(x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8)T； min m(X)； 其中， X为设计变量； m(X)为车轴质量； g1(X)为车轴最大形变量； g2(X)为车轴本体最大 应力； g3(X)为车轴两轴承位最大应力， g4(X)为车轴疲劳寿命； σ0.2‑2为车轴两轴承位调质淬 火后的屈服极限； s为安全系数， 根据国家标准和实际应用所需而定； a为车轴允许的每米轮 距最大形变量； 。 5.根据权利要求1所述的一种挂车 车轴轻量 化方法， 其特 征在于， 步骤S4具体为： 多目标优化设计是通过在 设计变量给定区间内抽样进行试验设计， 并求解各设计点相 应的响应值， 在此基础上建立拟合模型， 并利用拟合模型预测未知点响应或利用已知点的 信息经插值计算得到未知点响应的数值分析 方法； 采用拉丁超立方抽样设计方法， 多次仿真后获取上述的待优化目标点的设计点， 过程 中采用并行求 解的方式加速求 解过程； 基于以上设计点， 采用Krigi ng方法构建响应曲面； 获取刚度响应曲面、 强度响应曲面、 疲劳寿命响应曲面以及挂车车轴的响应曲面， 通过 对决定系 数和灵敏度的结果进行分析， 获取待优化 目标点与点之前 的关系， 分析出哪些点 对刚度的影响较大、 哪些点对强度的影响较大、 哪些点对疲劳寿命的影响较大， 哪些点对挂 车车轴质量的影响较大。 6.根据权利要求1所述的一种挂车车轴轻量化方法， 其特征在于， 步骤S5中， 多目标遗 传算法求 解具体为： 多目标遗传算法需要设计合适的种群规模、 交叉概率和变异概率； 经过相应次数的迭 代计算得 出Pareto 最优解集； 最优解集有多组， 根据材料的实 际加工条件和加工工艺， 选取最接近最优化目标的点 作为优化结果； 得出最后结果后， 还需对其可行性进行研究分析， 即通过对挂车车轴的质量、 最大形变 量和疲劳寿命进 行台架试验或者与有限元计算进 行比较， 经过验证后的可靠结果即为最 终 的优化值， 至此优化结束。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114357648 A 3