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除冰車是一種機(jī)場(chǎng)地面專用設(shè)備，它的主要作用是向飛機(jī)表面噴射特殊液體，清除飛機(jī)表面堆積的冰層，同時(shí)還可以滿足飛機(jī)清潔和維護(hù)的需要。目前國內(nèi)廠家生產(chǎn)的飛機(jī)除冰車基本采用二類貨車底盤改裝，沒有針對(duì)飛機(jī)除冰車的實(shí)際工況設(shè)計(jì)專用車架，因此設(shè)計(jì)出滿足強(qiáng)度要求并且輕量化的飛機(jī)除冰車專用車架有重要意義。
目前拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)運(yùn)用比較廣泛的有均質(zhì)化方法、相對(duì)密度法和進(jìn)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的核心思想都是在給定的設(shè)計(jì)空間和材料內(nèi)尋求最佳的材料分布，從而使得到的結(jié)構(gòu)能夠同時(shí)滿足給定的約束條件和目標(biāo)函數(shù)。近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的研究也比較廣泛和深入，并且開始和有限元法結(jié)合起來，用以解決產(chǎn)品開發(fā)過程中的實(shí)際問題。拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)理論上的研究已經(jīng)日漸成熟，但拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用還需要進(jìn)一步的探索。另外，將拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)與CAD系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)的集成，也是一個(gè)值得研究的問題。
車架的強(qiáng)度分析一般考慮純彎曲工況和彎扭聯(lián)合工況。飛機(jī)除冰車作業(yè)時(shí)行走的機(jī)場(chǎng)路面非常平整，作業(yè)速度在5 km/h左右，車架處于純彎曲工況，因此本文選用車架處于滿載純彎曲工況進(jìn)行靜力學(xué)分析和拓?fù)鋬?yōu)化。車架材料選用16Mn，其材料屬性如表所示。純彎曲工況時(shí)約束四個(gè)車輪垂直方向的自由度，約束左前輪的橫向和縱向自由度，約束右前輪的縱向自由度，約束左后輪的橫向自由度，釋放其它所有自由度。車架有限元模型加載質(zhì)量分布如表所示，除冰車工作時(shí)大臂舉起并脫離前支架，此時(shí)上裝部分模擬為一個(gè)垂直力24500N和一個(gè)等效力矩62400NM，發(fā)動(dòng)機(jī)按集中載荷進(jìn)行加載，其余部分的質(zhì)量均勻加載。重力加速度取9.8 m2/s。在Ansys Workbench環(huán)境中建立車架有限元模型如圖所示。其中，為充分利用車架空間，降低車體質(zhì)心，使布局更為緊湊，將一部分除冰液箱置于車架中段雙層結(jié)構(gòu)所形成的封閉空間中，發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓油箱分別布置在車架中段左右側(cè)。按所述對(duì)有限元模型進(jìn)行約束和加載，經(jīng)過軟件計(jì)算分別得出總變形位移云圖如圖所示和等效應(yīng)力云圖如圖所示。由圖分析可知，車架在純彎曲工況的最大應(yīng)力區(qū)主要集中在車架后段槽型縱梁的后懸架安裝段與鍋爐安裝段交接處，其中最大應(yīng)力為65.1MPa，遠(yuǎn)低于車架材料16Mn的屈服極限，最大變形區(qū)主要集中在車架末端，最大變形值為3mm，車架中段左側(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)安裝托架對(duì)變形值要求較高，其最大變形值為2mm，遠(yuǎn)小于汽車定型試驗(yàn)規(guī)程中所規(guī)定的最大變形參考值。綜上所述，優(yōu)化前的車架安全系數(shù)相對(duì)較高，有較大的改進(jìn)和優(yōu)化空間。
車架拓?fù)鋬?yōu)化前，首先要建立拓?fù)鋬?yōu)化空間，拓?fù)鋬?yōu)化空間的建立要充分考慮車架的功能和各部件在車架上的布置，另外還要從可制造化的角度出發(fā)，優(yōu)化空間區(qū)要盡可能的大，以實(shí)現(xiàn)最大可能的優(yōu)化。優(yōu)化前的除冰車車架主要材料和質(zhì)量集中在車架中段，且中段并不涉及前后懸架的安裝，故在保持車架基本構(gòu)架的前提下，主要在車架中段建立拓?fù)鋬?yōu)化空間，在車架前后懸安裝段建立局部拓?fù)鋬?yōu)化空間，具體做法是在車架邊界縱橫梁之間建立實(shí)體單元或薄板單元作為可優(yōu)化空間，邊界縱橫梁作為不可優(yōu)化空間。根據(jù)所建立的拓?fù)鋬?yōu)化空間，在Ansys Workbench建立有限元分析模型，同樣按純彎扭工況進(jìn)行約束和加載，并在軟件的拓?fù)鋬?yōu)化模塊中設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后即進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算。得到的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖所示。由拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果云圖可知：1)拓?fù)浣Y(jié)果中，材料去除區(qū)域邊界清晰，形狀也比較規(guī)則，有利于進(jìn)行下一階段的制造化處理。2)材料去除區(qū)域主要集中在車架中段，優(yōu)化掉了原車架中段占質(zhì)量比較大的斜撐，出現(xiàn)了明顯的橫梁和豎梁分布。3)某些部位優(yōu)化不太合理，去除材料太多，如車架前段槽型縱梁的駕駛室安裝段和懸架安裝段交接處，以至結(jié)構(gòu)無法連接起來，無法進(jìn)行力和力矩的傳遞，這些部位在車架二次設(shè)計(jì)的時(shí)候要特別注意。拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果提供了一種理論模型，但并沒有考慮車架的實(shí)際功能和生產(chǎn)制造的條件約束，必須在此基礎(chǔ)上對(duì)車架進(jìn)行二次設(shè)計(jì)。
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