基于相對靈敏度的輕卡車架輕量化研究

摘要：運用hypermesh軟件建立某型輕卡車架有限元模型，利用模態試驗驗證了有限元模型的準確性。分析了車架在彎曲和扭轉工況下的等效應力、變形及模態頻率，計算了該模型的車架質量和扭轉工況下最大應力靈敏度，并提出相對靈敏度絕對值較大的組件的厚度作為輕量化設計變量，在保證一定的強度、剛度條件下，按照高剛度、輕質量的要求對車架組件進行厚度修改，實現車架輕量化。

關鍵詞：輕卡車架；剛度；靈敏度；輕量化；有限元

中圖分類號：U462.2 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2012）01-0020-03

Research on the Light Weighting of Truck Frame Based on Relative Sensitivity

ZHANG Yi，ZHANG Dai-sheng，LIU Chun-lei，DING Fang

(HeFei University of Technology，School of Mechanical and Automotive Engineering，Hefei 230009，China)

Abstract：Establish finite element model of a certain type of light truck frame in Hypermesh，use model testing to checking the accuracy of FEM.Analyze Von Mises stress and displacement of the frame in bending and torsion conditions. Calculate sensitivity of mass and the max Von Mises stress and put forward the method of light weighting，which is refer the components thickness with the large relative sensitivity as design variables.Based on appropriate rigidity and strength， according to the demand of high stiffness，small mass，thus attain the purpose of light weighting of truck frame.

Key words:light trucks frame；rigidity；sensitivity；light weighting；finite element mode

隨著汽車工業的飛速發展，汽車廠家的競爭日益激烈。利用相對較少的成本產生較大的收益逐漸成為汽車生產廠家追求的目標。此外，由于能源和環境問題的日益凸顯，節能減排成為我國“十二五”期間十五項重要工作之一。相關資料表明：汽車自重減少10%，燃油經濟性提高7%左右，排放降低5%。因此對汽車進行輕量化研究很有必要。

車架是汽車的裝配基體，汽車上絕大多數的零部件、總成都安裝在車架上。它不僅承受零部件、總成的載荷，還要承受汽車行駛時來自路面的各種復雜載荷，所以其必須有足夠的剛度。通過加厚車架板件能夠很好地提高其剛度，但是這會增加車架質量，降低汽車燃油經濟性。為了保證汽車具有足夠的剛度和燃油經濟性，車架輕量化成為載貨汽車的發展趨勢。

本文建立了某國產輕卡車架的有限元模型，通過模態試驗驗證模型的準確性。利用有限元法計算該模型的質量靈敏度和彎曲工況下等效應力靈敏度，根據相對靈敏度，以車架板件厚度為設計變量，選取相對靈敏度絕對值較大板件，對該型車架進行輕量化研究。

1 有限元模型的建立及實驗驗證

1.1 車架有限元模型的建立

該型輕卡汽車車架采用邊梁式結構，有2根縱梁、7根橫梁、若干加強板和零部件組成，均為薄板結構，承受駕駛室、動力總成、傳動軸、油箱、蓄電池、備胎等載荷以及車廂貨物載荷。建模過程參考該車架UG三維圖，在Hypermesh中取中面并采用單元大小為10 mm的四邊形和三角形單元劃分網格（三角形單元不超過10%）。各梁、加強版和零部件有鉚釘和焊點連接；懸架采用彈簧單元CELAS1和剛性梁單元CBEAM模擬。為了保證計算精度和效率，忽略結構上尺寸較小的倒角和加強筋板結構。建立的有限元模型如圖1所示。模型中節點數及單元數分別為91 045、87 398。

1.2 車架有限元模型的驗證

模態是振動系統特性的一種表征，通過模態試驗除了得到系統的模態參數外，它也為系統動態設計、驗證有限元計算結果等提供依據。通過模態實驗分析與有限元分析結果對比，可以判斷有限元模型是否準確。如果實驗分析和有限元分析結果吻合，那么所建立的有限元模型比較準確，能夠正確反映車架的動態特性，也保證了后續分析的可靠程度；如果兩者計算結果相差較大，可以根據模態試驗結果對有限元模型做出相應修正。

本文采用Hypermesh軟件對該輕卡車架進行自由模態分析，經過適當修正，其一階扭轉模態頻率為6.06 Hz。實驗的一階扭轉模態頻率為5.92 Hz。振型見圖2。

（a）有限元分析結果

(b）實驗結果

圖2 一階扭轉振型

前四階模態頻率結果見表1。由表1可看出，各階模態頻率誤差較小，因此，所建立的車架有限元模型比較準確。

1.3 彎曲、扭轉工況應力計算

（1）彎曲工況

彎曲工況模擬平坦路面，邊界條件是約束車架前后懸架輪胎安裝點的X、Y、Z方向的平動自由度和旋轉自由度；載荷條件是在車架各相關位置施加動力總成、駕駛室總成、蓄電池、油箱和車廂（包括貨物）等載荷，其中車廂載荷用均布載荷施加，其他載荷用集中載荷施加。通過計算得到車架最大等效應力為130 MPa，出現在前懸架懸置點附近；最大位移為50.86 mm，其中懸架位移43.57 mm，即車架最大位移為7.27 mm，小于車架最大彎曲撓度10 mm，說明該車架具有較好的抗變形能力。應力云圖如圖3所示。

（2）扭轉工況

扭轉工況模擬過溝工況，邊界條件是放開車架左前懸架所有自由度，右前懸架約束所有自由度，后懸架約束Z方向自由度；載荷條件和彎曲工況一樣。分析結果表明，在扭轉工況下，車架等效最大應力為150 MPa，出現在第三橫梁處；最大位移為66.82 mm，其中懸架位移為62.54 mm，即車架最大位移為4.28 mm，可保證車架在不平路面正常行駛。扭轉應力最大處如圖4所示。

2 靈敏度分析及輕量化

2.1 靈敏度分析

靈敏度分析在結構的設計以及分析中起著重要的作用，特別是結構的優化設計和結構修改中。汽車作為一種大型復雜結構系統，設計變量多，在結構設計和優化中，常常有許多設計參數可供調整，為了確定設計和優化方案，分析各個設計參數對結構特性變化的靈敏度是十分必要。它可以避免結構修改中的盲目性，提高設計效率和減少設計成本，同時也是結構優化設計的基礎。其數學模型可以表述為：

最小化：f（X）=f（x1，x2，…xn）（1）

約束條件：hj（X）≤0（2）

xLi≤xi≤xUi（3）

式中：X為設計變量；f（X）是目標函數；hj（X）約束函數；上角標L為約束函數上限；下角標為約束函數下限。

傳統靈敏度對于車架的輕量化設計，一般是通過改變車架板件的厚度來減小質量，但是同時造成車架剛度降低，部分位置應力過大。

相對靈敏度分析把反映車架等效應力作為狀態變量，以車架總質量為目標函數，為了更加全面地反映修改車架板件厚度對車架質量和剛度的影響。Sm表示質量對于板件靈敏度，S?滓表示等效彎曲應力對板件靈敏度，用相對靈敏度Sm /S?滓。當上述比值大于零時說明隨著車架板件厚度的增加，質量和剛度隨之增加；小于零時，隨著板件厚度增加，質量增加而剛度減小。當Sm /S?滓 的絕對值大于1時，表示隨著車身板件厚度的變化，質量的變化量大于剛度變化量，絕對值越大，改變板件的厚度對質量的影響越大，對剛度的影響越小，越有利于輕量化。現部分板件靈敏度計算如表2所示。

2.2 輕量化設計

車架輕量化設計采用優化設計的方法，在保證車架的剛度、模態等性能的前提下，通過對車架板件厚的改變，達到輕量化的目的。具體方法如下：

（1） 設計變量：參照表2的靈敏度分析結果，選取15個相對靈敏度較大的部件作為設計變量，設置其變化范圍為10%以內。

（2）狀態變量：為在輕量化過程中保證滿足彎曲工況剛度條件，選取彎曲工況下的最大應力為狀態變量變量，限制其最大應力不超過150 MPa。

（3）目標函數：以車架質量為目標函數，本文在Hypermesh中選用局部逼近法進行迭代。迭代結果如表3所示。考慮到實際制造工藝情況，對優化結果取兩位有效數字。

2.3 優化結果分析

對優化之后的模型進行模態和應力分析，其結果如表4所示。

由表4可知，優化后的彎曲等效最大應力增加8.1 MPa，扭轉等效最大應力增加14.7 MPa，一階模態頻率降低0.25 Hz，質量減少了13.5 kg，約減少4.7%。由于該車架材料為Q345，其彎曲扭轉工況下皆滿足結構強度要求。在保證車架靜動態特性的前提下，使車架的質量降低了13.5 kg，取得了明顯效果，達到輕量化目的。

3 結語

通過采用現代設計方法，分析車架結構靜動態特性，在保證車架強度剛度條件下，取得了合理的輕量化方案和結果，使該車架減輕了13.5 kg，達到輕量化的目的。

參考文獻：

［1］ 張代勝，張林濤，譚繼錦，石琴. 基于剛度靈敏度分析的客車車身輕量化研究［J］.汽車工程，2008，（8）：718-720. ［2］楊井哲， 鄧兆祥， 高書娜. 基于靈敏度分析的白車身結構輕量化設計［J］.現代制造工程，2011，（2）：103-106.

［3］ 陳國定，武力.轎車白車身結構的相對靈敏度分析［J］.機械設計，2007，（4）：22-24.

［4］ 譚繼錦，張代勝. 汽車結構有限元分析［M］. 北京：清華大學出版社 2009.

［5］ 石琴.大客車車身骨架結構強度分析及其改進設計［J］.汽車工程，2007，29（1）:87-92.

［6］ 張猛， 陳勇敢， 陳劍. 靈敏度分析在車身結構優化設計中的應用［J］.汽車科技，2011，（2）:22-24.