中型客車車架結構拓撲優化設計＊

張勝蘭 康元春 王 衛

（湖北汽車工業學院）

1 前言

汽車車架結構的有限元分析多是在結構設計基本成型之后，僅被用作在產品設計后期對設計方案進行校核，缺點一是結構無法創新；二是若發現問題，設計者已沒有足夠的自由度對結構做出全面改進，僅能局部調整。隨著基于有限元的結構優化技術發展成熟，拓撲優化正逐步應用于產品的概念設計階段，從而使上述缺點得到改善。

本文以某公司開發的中型客車車架為原型，利用HyperWorks，以車架靜態性能為基礎，建立了車架3種拓撲優化概念模型，研究并探討了車架橫梁及副梁支撐分布方案，在滿足結構強度及模態性能前提下，使車架質量減輕了22%。

2 原車架的靜力分析

原車架結構如圖1所示。車架材料為DL510，材料屬性參數如表1所列。為方便后續的結構優化，將車架結構進行了簡化，在靜力分析中省略了吊耳和鋼板彈簧。該中型客車整車質量（滿載且含超載指標）為10 059 kg，車架凈質量為524.2 kg，動力總成質量為610 kg，按集中質量形式施加在動力總成質心位置，行李艙質量為750 kg，均勻分布在行李艙縱梁上，其他載荷直接以分布壓力形式施加在縱梁前段和副梁上。計算了車架分別在彎曲、左前輪上跳、左后輪上跳3種工況下的強度，結果如表2所列。

表1 DL510材料屬性

表2 車架靜力分析結果

彎曲工況下的最大應力出現在左縱梁與行李艙縱梁螺栓連接位置，最大位移位于行李艙縱梁左后端，如圖2所示。左前輪上跳40 mm時，最大應力發生在左、右副梁前端的橫梁右側連接處，最大位移發生在左縱梁前端；左后輪上跳40 mm時，最大應力發生在左、右副梁前端的橫梁左側連接處，最大位移發生在行李艙左副梁后端；3個工況下整個車架均處于低應力狀態。考慮該車架在多年的實際使用過程中表現較好，未出現過損壞情況，因此認為各處的應力集中應為螺栓連接模擬不合理引起，車架滿足材料強度要求。

3 車架的拓撲優化

根據實際情況，建立了3種車架拓撲優化概念模型方案。方案1，縱梁、副梁為殼單元，其他為實體單元；方案2，車架為殼單元模型；方案3，車架為無副梁實體單元模型。以質量最輕為目的，在滿足結構強度前提下，以單元密度為設計變量，位移或應變能為約束條件，在彎曲工況、扭轉工況（左前輪上跳、左后輪上跳）和彎扭組合工況下施加對稱約束并設定最小成員尺寸為100 mm，最大成員尺寸為 250 mm，對車架進行拓撲優化。

3.1 方案1

按原車架尺寸建立縱梁、副梁殼單元，并設定為不可設計域；車架縱梁之間以及縱梁與副梁之間用實體單元填充，并設定為可設計域。在各工況下得到的拓撲優化結果如圖3～圖6所示。

3.2 方案2

車架縱梁之間用兩層殼單元，縱梁與副梁之間用殼單元填充，在各工況下得到的拓撲優化結果如圖7～圖10所示。

3.3 方案3

去除副梁與支撐，在縱梁之間使用實體單元填充，在各工況下的拓撲優化結果如圖11～圖14所示。

從3種方案拓撲結果云圖可以看到：

a. 由于縱梁主要用來提高車架的抗彎強度，從方案1彎曲工況拓撲結果可以看出，未出現明顯的抗扭橫梁。

b. 主車架結構左、右分布的兩根縱梁、副梁為非設計區域，在方案1、方案2的拓撲優化中副梁與縱梁間的支撐分布明顯。

c. 在無副梁實體模型的方案3中，縱梁間的橫梁分布明顯。

d. 3個方案中，左前輪上跳、左后輪上跳、彎扭組合工況的拓撲結果云圖中均出現了明顯的X型橫梁分布。

4 車架結構二次設計

根據多工況下的拓撲結果云圖，并綜合考慮車架結構功能要求，對該中型客車車架進行二次設計。圖15為二次設計后的車架結構，副梁與縱梁間的支撐結構變化較大，如圖16所示。

表3、表4分別列出了二次設計后新車架與原車架的位移與應力狀態。表5列出了原車架與新車架前7階固有頻率與振型。原車架與新車架質量對比如表6所列。

表3 新車架與原車架位移對比 mm

表4 新車架與原車架應力對比 MPa

根據上述結果分析可知：

a. 優化后車架支撐采用矩形截面型材，相比原結構工藝簡單，可以降低成本。

b. 通過拓撲優化，橫梁及副梁支撐得到了比較理想的材料分布。

表5 原車架與新車架模態性能對比

c.新車架結構與原車架結構相比，其1階扭轉頻率從7.99 Hz提高到10.16 Hz，扭轉剛度有較大提高。

d. 在滿足結構強度及模態性能前提下，質量減輕118.2 kg，占原有質量的22%。

表6 原車架與新車架質量對比 kg

5 結束語

汽車輕量化的研究現在大多集中于采用輕質材料上，但由于成本、制造工藝、環保等方面的原因，輕質材料還很難應用于一般車輛，因此結構優化設計將成為商用車輕量化最重要的手段，具有廣泛的應用前景。利用基于有限元法的結構優化技術，在保證（甚至提高）各項性能的前提下，通過結構優化可以做到消除車架臃腫的設計。

a.新一代的車架概念設計中，引入拓撲優化技術尋找出優化空間中的最佳材料布局，必將成為車架設計研究的重點。

b. 拓撲優化得到的材料分布結果可以為車架改進提供依據。

c. X型結構有明顯的抗扭效果，在車架設計中根據布置要求可以考慮X型結構。

1 莊才敖，等．考慮應力和頻率要求的車架結構拓撲優化設計．汽車工程，2008，5.

2 張勝蘭，嚴飛.基于HyperWorks的車架模態分析.機械設計與制造，2005，4.

3 王健，等.應力約束下的車架結構拓撲優化設計.汽車工程，1997.

4 呂東升，王東方，蘇小平.基于HyperWorks的某客車車架有限元分析.機械設計與制造，2011.

5 劉齊茂，李春林.某型載貨車車架結構的拓撲優化.廣西工學院學報，2004.