大功率压裂车车架结构优化设计

摘要

压裂车作为油田压裂关键设备，用来执行高压大排量油田增产作业。压裂车车载设备重量较大，行驶路况较差，压裂过程中压裂泵产生冲击载荷较大。车架作为主要承载部件，既要承受弯曲、扭转等多种载荷及路面不平引起的振动，又要承受压裂作业时压裂泵产生的冲击载荷，应当具备足够刚、强度以及良好的动态性能以保证整车安全性与稳定性。本文以压裂车车架为研究对象，基于结构优化设计理论和方法，进行结构拓扑优化、尺寸优化设计及性能分析，同时开发车架结构优化设计系统，实现车架设计流程的智能化。
　　本文根据车架结构设计要求，综合考虑静态多工况刚度和低阶固有频率，基于SIMP变密度法对车架进行多目标拓扑优化设计。采用带权重的折衷规划法定义多工况刚度拓扑优化目标函数，平均频率公式定义动态频率优化目标，建立车架结构多目标拓扑优化数学模型，优化后获得兼顾结构刚度和动态特性要求的车架最优拓扑结构。并基于拓扑优化计算结果对车架结构方案进行初步设计。在结构拓扑布局及初始方案设计的基础上，基于ANSYS参数化设计方法对车架结构尺寸参数进行优化设计。建立尺寸优化设计模型，根据灵敏度分析计算结果选取对车架结构性能影响较大的参数为尺寸优化设计变量，利用ANSYS软件提供的零阶优化方法获取最优解的基本位置，经过一阶优化得到精确解，结构性能对比分析表明优化后车架性能得到很大改善。为避免大量重复性工作，提高设计效率，对压裂车车架结构优化设计流程进行标准化，基于Visual Basic软件开发平台开发车架结构优化设计系统。对HyperMesh进行二次开发实现拓扑优化设计流程的自动化，基于APDL语言通过后台调用ANSYS实现车架结构尺寸参数化设计及有限元分析。实例应用表明该系统操作简单方便、可重复性好，能够实现车架结构优化快速设计，为实现同类产品参数化设计提供参考依据。分析计算结果表明优化后车架结构性能更好，承载能力得到提高，本文研究内容为车架结构优化设计提供了一种行之有效的方法。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题来源与背景

1．2 课题研究意义

1．3 结构优化设计国内外研究现状

1．4 本文研究的主要内容

2 结构优化设计理论基础

2．1 结构优化设计概述

2．2 结构拓扑优化设计理论和方法

2．2．1 拓扑优化理论基础

2．2．2 OptiStruct优化设计方法

2．3 结构尺寸参数优化设计方法

2．3．1 灵敏度分析理论基础

2．3．2 ANSYS优化设计方法

2．4 本章小结

3 基于OptiStruct的车架结构多目标拓扑优化

3．1 多目标拓扑优化数学模型

3．1．1 多工况静态刚度拓扑优化模型

3．1．2 动态低阶固有频率拓扑优化模型

3．1．3 综合多刚度及低阶频率多目标拓扑优化模型

3．2 车架拓扑优化模型

3．2．1 优化区域设置

3．2．2 载荷边界条件

3．2．3 优化参数定义

3．3 车架拓扑优化结果及分析

3．4 车架初始结构方案设计

3．5 本章小结

4 基于ANSYS的车架结构尺寸参数优化设计

4．1 优化设计模型

4．1．1 设计变量定义

4．1．2 状态变量选取

4．1．3 目标函数确定

4．2 结构灵敏度分析

4．2．1 结构灵敏度分析概述

4．2．2 灵敏度分析计算结果

4．3 车架结构尺寸优化设计

4．3．1 优化参数设置

4．3．2 零阶优化计算结果与分析

4．3．3 一阶优化计算结果与分析

4．4 优化前后车架结构性能对比分析

4．5 本章小结

5 车架结构优化设计系统开发

5．1 系统结构功能

5．2 系统实现方法

5．2．1 基于HyperMesh流程自动化系统

5．2．2 基于VB和ANSYS的参数化设计

5．3 系统应用实例

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢