某重卡下支架有限元分析及輕量化設計

張龍，王曉磊，張陽光，馮江峰

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710200）

某重卡下支架有限元分析及輕量化設計

張龍，王曉磊，張陽光，馮江峰

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710200）

對某重卡下支架在設計工況下的靜強度性能進行了有限元分析，并對該下支架結構進行了輕量化設計。采用拓撲優化方法，以最大設計空間為優化的基結構，以重量最輕為目標函數，以結構的靜強度性能為約束條件，進行了優化迭代計算。輕量化設計后，減輕了下支架的重量，且輕量化結構滿足強度要求。

重型卡車；下支架；有限元分析；拓撲優化；輕量化

CLC NO.:U462Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)07-24-03

前言

在重卡中，下支架作為驅動橋與懸架間的一個重要的傳遞環節，其結構強度決定了驅動橋與懸架聯結的可靠性，而其重量又影響了整車的油耗等經濟性要求。輕量化是重卡行業發展的方向。輕量化的產品，可以有效提高性能、節約能源、降低成本等。所以，對重卡產品進行輕量化設計很有必要。

本文利用有限元分析軟件對下支架進行強度分析，并對下支架采用拓撲優化方法進行輕量化設計，在保證整體裝配和結構強度的情況下，達到節省材料，減輕重量的目的。部分橋殼進行建模。

該下支架、橋殼結構為實體結構，采用10節點四面體單元劃分網格，螺栓等級為10.9級，采用六面體劃分單元，利用有限元軟件進行有限元分析計算。

1、有限元模型建立

下支架通過螺栓固定在橋殼和滑板支架上，這里只截取

下支架的材料為45鋼，其屈服強度為368MPa，彈性模量為210GPa，泊松比為0.30，密度為7900 kg/m3；橋殼材料為QT450，彈性模量為147GPa，泊松比為0.25，密度為7300 kg/m3；螺栓材料為冷拉鋼，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，密度為7900 kg/m3。

得到如圖1所示的下支架結構有限元模型，其中包含768694個單元。

2、有限元分析

考慮螺栓預緊，在螺栓上施加129545N預緊力，根據整車推力桿受力及主機廠道路試驗載荷，分別考慮驅動和制動兩種設計工況，各工況施加載荷的計算參見文獻[2]與文獻[3]。

在有限元模型中，下支架與橋殼結合面、橋殼與滑板支架結合面定義接觸，螺栓與滑板支架綁定，其余部件之間的連接關系采用Kinematic單元，并利用Kinematic、Continuum distributing單元在模型上定義約束和施加載荷，在橋殼兩端面處約束，在下支架螺栓孔中心處施加載荷，見圖1。

提交有限元求解器，進行有限元分析計算，得到下支架各設計工況下的應力云圖如下所示。

表1給出了各設計工況下結構的最大應力值。

表1 結構最大應力

3、輕量化設計

由各設計工況下的最大應力可知，相比于材料的屈服強度368 MPa，有很高的安全系數，結構的靜強度儲備充足。

可適當減弱結構的強度，以減輕重量，考慮采用拓撲優化方法對該輪轂結構進行輕量化設計。

3.1 數學模型

考慮以重量最輕為目標函數，以各設計工況下結構的最大應力不大于270MPa為約束條件。

這是一個帶約束的單目標的拓撲優化問題，其數學模型如式1所示。

3.2 拓撲優化

優化的基結構的選取，考慮不改變現有的裝配關系，并不與其它結構干涉，以初始設計作為基結構，尋求在初始設計上去除材料、減輕重量。基結構即為拓撲優化的設計變量，見圖4。

基于前述數學模型的定義，采用拓撲優化算法進行優化迭代計算。

經過17輪的迭代，得到了滿足約束條件的重量最輕的拓撲結構，如圖5所示。

3.3 輕量化結構

基于上述拓撲優化得到的拓撲結構，在基結構多個位置

去除材料，并考慮工程實際，得到了如圖6所示的可用于實際生產的輕量化結構。

3.4 輕量化前后對比

表2對比了輕量化前后的重量，由該表可知，重量減輕了28 %。

表2 輕量化前后重量對比

將輕量化結構進行有限元建模，并分析在前述設計工況下的靜強度性能，與初始結構的結構對比如表3所示。

從對比結果可以看出，在受到相同載荷和約束的條件下，輕量化后的下支架重量減輕了28 %，各設計工況下的結構最大應力均不大于270MPa，有足夠的安全裕度，滿足強度要求。可以說，經過輕量化設計，有效地減輕了該下支架的重量。

表3 輕量化前后強度對比

4、結論

本文運用有限元軟件對某重卡下支架建立了有限元模型，并根據分析結果，運用拓撲優化方法，對下支架進行了輕量化設計。輕量化后，結構在各設計工況下的強度滿足要求，且重量減輕了28 %。本文的分析結果對下支架的輕量化設計及改進有一定的指導作用。

[1] 丁煒琦，等. 基于應力優化的大客車結構多目標優化[J]. 汽車技術，2010（4）：4-7.

[2] 竺延年. 最新車橋設計、制造、質量檢測及國內外標準實用手冊.北京：中國知識出版社，2005.

[3] 賴姆佩爾. 懸架元件及底盤力學. 吉林：吉林科學技術出版社，1991.

Finite element analysis and Lightweight Design of A Heavy TruckLower bracket

Zhang Long, Wang Xiaolei, Zhang Yangguang, Feng Jiangfeng
（Shaanxi Hande Axle Co. Ltd., Shaanxi Xi'an 710200）

Finite element analysis was performed on the static strength properties under design conditions of a heavy truck lower bracket, and lightweight design was performed. Using topology optimization method, iterative calculations for optimization were performed, the maximum design space was taken as the base structure of optimization, the lightest weight was taken as the objective function, the structural static strength properties was taken as the constraints. After the lightweight design, the lower bracket weight was reduced, and the lightweight structure met strength requirements.

Heavy Truck; Lower Bracket; FEA; Topology Optimization; Lightweight

U462

A

1671-7988(2014)07-24-03

張龍，就職于陜西漢德車橋有限公司。