引言
现代结构优化是伴随计算机技术、有限元方法和数学规划法的发展而迅速发展起来的一门学科，它使计算力学的任务从被动的校核上升为主动的设计与优化，成为现代设计的重要手段，传统的专用车车架的设计一般根据工程设计人员的经验，在产品设计阶段制定多个设计方案，用简化计算方法或有限元法对车架进行分析，在多个设计方案中选出较好的方案，然后对车架进行试验。可见，这种方法的设计空间较小，而且是根据人的经验得到的，不利于得到最优设计。
作者对某冶金机械有限公司生产的用于将高炉铁水运至炼钢厂、铸铁机、铸造厂，进行炼钢、铸造或浇筑钢锭模等的250吨重型铁水罐车首先进行有限元分析，然后通过电测试验验证了有限元模型的正确性，在此基础上，对横梁和纵梁的截面尺寸进行优化，建立了车架的有限元模型，优化数学模型，采用ANSYS参数化设计语言编制车架优化设计程序，用ANSYS软件中的一阶优化方法获得最优设计，实际应用表明该方法比文献给出的汽车车架结构参数优化方法更为有效和快捷。 1 车架有限元分析 1.1车架参数化建模
该冶金专用车的动力源为电机，电机将动力通过减速器、离合器和传动软传送至车轮。其特点一是承载量大，总载重量为250吨，自重超过20多吨:二是速度低，以30米每分钟的速度行走在平直的轨道上。承载结构由车架和行走装置组成。车架结构由阶梯形纵梁、横梁和加强筋及连接支座组成，其主要承受钢包、钢水、减速器、电动机、传动轴等载荷。行走装置的主、从动轮通过轴承与车架的纵梁直接刚性连接，因此在有限元分析时可不考虑行走装置的影响。
该车架主要由厚度不同的板焊接而成，选用shell93板单元建模，对一些附属结构和工艺结构根据具体情况进行了简化，其有限元模型如图1所示。模型中共有节点19083个，四边形单元6849个。 
在平直的轨道上，这次计算只选用了弯曲工况，由于车架和行走机构的连接是通过均衡架进行的即无弹性元件也无阻尼器件的刚性连接，所以对车架的边界约束，可直接采用作用于悬架与车架连接处的前、后共4个面约束，前约束允许沿X轴方向的位移，后约束限制全部自由度。约束面积的大小为均衡架连接轴的直径乘以其与车架实际接触的长度。
在分析车架的强度问题时，应考虑作用在其上的所有载荷，包括车架自重、总载重量(250吨),2个减速器重量(单个重1872公斤)、2个电动机重量(单个重563公斤)、4个传动轴重量(单个重365公斤)。250吨的总载重量以面载荷的形式作用于车架钢包座的上表面，减速器、电动机和传动轴的重量也分别以面载荷的形式作用在减速器座和电动机座的垫板上，车架的自重通过程序自动加到模型节点的相应位置。 1.2车架有限元分析及电侧试验
通过计算，车架沿垂直方向的变形呈“U”形，中间加载处的位移最大为一2.3mm，纵梁的两端最大位移为1.3mma此外，车架的纵梁有沿垂直方向的翘曲现象，而这些变形较小，不会对电动机的输出轴、减速器与车轮之间的传动配合产生不利影响。从应力分布图及计算结果可知，最大应力值出现在其中的一个约束处为164Mpa。纵梁上的最大应力为88Mpa。横梁上的应力值较小，在lOMpa左右。
为了考察所建立的车架模型、施加的边界条件及载荷的处理方式是否准确、客观地反映实际情况，以及计算结果的合理性，进行了电测试验给予验证。根据车架的实际受力情况，在车架的纵横梁、钢包座、电动机座、减速器座及车架支撑等处贴上应变片，并按实际工况加载，测出了30个测点的应力值。
试验结果中，该工况下的最大应力在车架与行走机构的连接处，与计算结果接近为151Mpa，小于计算最大值164Mpa;纵梁上的最大应力位置与计算图形相符，其应力值为80Mpa:钢包座上的最大应力值为100Mpa，比计算值大;横梁上的试验值较小，与计算值的误差均在试验误差的许可范围之内。
通过计算值与试验值的比较见表1，所建立的有限元模型是正确的。同时也可以看出，车架的纵横梁应力值较小，特别是横梁的富余较大。 
2 有限元参数化优化
该专用车的车架作为整车的装配基体，承载了整车的全部载荷，属于重要安全部件。所以在过去的设计中因为一味加强车架，而选取较大的安全系数，造成了材料浪费。这里运用APDL (ANSYS Parametdc Design Language)语言对车架重新进行参数化建模，以车架为优化设计对象，选取满载纯弯曲工况进行结构优化，以寻求更为合理的车架结构参数。 2.1设计变量 横梁截面用参数x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,描述，如图2所示。 
设计变量为x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,用矢量表示: [x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7] (1)
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