除冰车是一种机场地面专用设备，它的主要作用是向飞机表面喷射特殊液体，清除飞机表面堆积的冰层，同时还可以满足飞机清洁和维护的需要。目前国内厂家生产的飞机除冰车基本采用二类货车底盘改装，没有针对飞机除冰车的实际工况设计专用车架，因此设计出满足强度要求并且轻量化的飞机除冰车专用车架有重要意义。
      目前拓扑优化技术运用比较广泛的有均质化方法、相对密度法和进化结构优化方法。拓扑优化技术的核心思想都是在给定的设计空间和材料内寻求最佳的材料分布，从而使得到的结构能够同时满足给定的约束条件和目标函数。近年来随着计算机技术的快速发展，拓扑优化技术的研究也比较广泛和深入，并且开始和有限元法结合起来，用以解决产品开发过程中的实际问题。拓扑优化技术理论上的研究已经日渐成熟，但拓扑优化技术在实际工程中的应用还需要进一步的探索。另外，将拓扑优化技术与CAD系统进行有机的集成，也是一个值得研究的问题。
      车架的强度分析一般考虑纯弯曲工况和弯扭联合工况。飞机除冰车作业时行走的机场路面非常平整，作业速度在5 km/h左右，车架处于纯弯曲工况，因此本文选用车架处于满载纯弯曲工况进行静力学分析和拓扑优化。车架材料选用16Mn，其材料属性如表所示。纯弯曲工况时约束四个车轮垂直方向的自由度，约束左前轮的横向和纵向自由度，约束右前轮的纵向自由度，约束左后轮的横向自由度，释放其它所有自由度。车架有限元模型加载质量分布如表所示，除冰车工作时大臂举起并脱离前支架，此时上装部分模拟为一个垂直力24500N和一个等效力矩62400NM，发动机按集中载荷进行加载，其余部分的质量均匀加载。重力加速度取9.8 m2/s。在Ansys Workbench环境中建立车架有限元模型如图所示。其中，为充分利用车架空间，降低车体质心，使布局更为紧凑，将一部分除冰液箱置于车架中段双层结构所形成的封闭空间中，发动机和液压油箱分别布置在车架中段左右侧。按所述对有限元模型进行约束和加载，经过软件计算分别得出总变形位移云图如图所示和等效应力云图如图所示。由图分析可知，车架在纯弯曲工况的最大应力区主要集中在车架后段槽型纵梁的后悬架安装段与锅炉安装段交接处，其中最大应力为65.1MPa，远低于车架材料16Mn的屈服极限，最大变形区主要集中在车架末端，最大变形值为3mm，车架中段左侧的发动机安装托架对变形值要求较高，其最大变形值为2mm，远小于汽车定型试验规程中所规定的最大变形参考值。综上所述，优化前的车架安全系数相对较高，有较大的改进和优化空间。
      车架拓扑优化前，首先要建立拓扑优化空间，拓扑优化空间的建立要充分考虑车架的功能和各部件在车架上的布置，另外还要从可制造化的角度出发，优化空间区要尽可能的大，以实现最大可能的优化。优化前的除冰车车架主要材料和质量集中在车架中段，且中段并不涉及前后悬架的安装，故在保持车架基本构架的前提下，主要在车架中段建立拓扑优化空间，在车架前后悬安装段建立局部拓扑优化空间，具体做法是在车架边界纵横梁之间建立实体单元或薄板单元作为可优化空间，边界纵横梁作为不可优化空间。根据所建立的拓扑优化空间，在Ansys Workbench建立有限元分析模型，同样按纯弯扭工况进行约束和加载，并在软件的拓扑优化模块中设置好相关参数后即进行拓扑优化计算。得到的拓扑优化结果如图所示。由拓扑优化结果云图可知：1)拓扑结果中，材料去除区域边界清晰，形状也比较规则，有利于进行下一阶段的制造化处理。2)材料去除区域主要集中在车架中段，优化掉了原车架中段占质量比较大的斜撑，出现了明显的横梁和竖梁分布。3)某些部位优化不太合理，去除材料太多，如车架前段槽型纵梁的驾驶室安装段和悬架安装段交接处，以至结构无法连接起来，无法进行力和力矩的传递，这些部位在车架二次设计的时候要特别注意。拓扑优化的结果提供了一种理论模型，但并没有考虑车架的实际功能和生产制造的条件约束，必须在此基础上对车架进行二次设计。

                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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